Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme

Transkript

1 Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme

2 Martin Sauter Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme UMTS, HSPA und LTE, GSM, GPRS, Wireless LAN und Bluetooth 5., überarbeitete und erweiterte Auflage

3 Martin Sauter Köln Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 2004, 2006, 2008, 2011, 2013 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

4 Vorwort zur fünften Auflage Auch zwischen der vierten und fünften Auflage dieses Buches hat sich in nur zwei Jahren wieder einiges in der Mobilfunkwelt getan, und die aktuelle Auflage enthält wiederum zahlreiche Erweiterungen, die hier kurz beschrieben werden sollen. War bei Erscheinen der letzten Auflage LTE noch Zukunftsmusik, sind heute in Deutschland schon mehrere Netze in größeren Städten und auch auf dem Land aktiv und die Anzahl an LTE Endgeräten steigt ständig. Grund genug, erste Erfahrungen mit diesen neuen Netzen und Endgeräten in das vorhandene LTE Kapitel einfließen zu lassen. Da LTE Netzwerke heute noch keine Sprachtelefonie unterstützen, ist für LTE Smartphones ein Rückfall nach GSM oder UMTS für Telefonate notwendig. Dieser Mechanismus, auch CS-Fallback genannt, wird nun ausführlich beschrieben, ebenso wie das neue Voice over LTE (VoLTE) System, das den CS-Fallback Mechanismus langfristig ersetzen soll. Auch in GSM und UMTS Netzen hat die Entwicklung nicht halt gemacht. Die virtuelle Leitungsvermittlung verdrängt im Kernnetz zunehmend die klassischen Vermittlungsstellen. Die GSM und UMTS Kapitel wurden dementsprechend um weitere Details zu diesem Thema ergänzt. Im UMTS Radionetzwerk wurden in vielen Netzen in den letzten Jahren weitere Verfahren zur Steigerung der Datenraten eingeführt, deren Beschreibungen ebenfalls in das UMTS Kapitel integriert wurde Im Wi-Fi Bereich wird mittlerweile der n Standard in den meisten Endgeräten unterstützt und Wi-Fi Protected Setup (WPS) ergänzt die bisher bekannten Sicherheitsfunktionen. Mit ac steht eine weitere Geschwindigkeitssteigerung in den Startlöchern, auf die ebenfalls in dieser Auflage eingegangen wird. Während in der letzten Auflage das Bluetooth Kapitel auf Grund des neuen LTE Kapitels und zahlreicher Erweiterungen in anderen Kapiteln weichen musste, konnte durch ein platzsparenderes und ebook-freundliches Layout dieses erfreulicherweise wieder in die fünfte Auflage integriert werden. V

5 VI Vorwort zur fünften Auflage Bleibt mir noch, Ihnen an dieser Stelle viel Freude beim Studium dieses Buches, und beim Experimentieren und Nutzen mobiler Kommunikation zu wünschen. Köln, im März 2013 Martin Sauter

6 Vorwort zur ersten Auflage Mobile Kommunikationssysteme wie GSM, GPRS, UMTS, Wireless LAN bieten heute eine große Vielfalt von Anwendungsmöglichkeiten. Um einen Einblick in die Technik dieser Systeme zu gewinnen, gibt es eine große Anzahl von Publikationen. In Buchform sind diese jedoch meist sehr umfangreich und für eine Einführung oft zu komplex. Publikationen im Internet hingegen sind meist nur sehr kurz und oberflächlich oder beschäftigen sich nur mit einer speziellen Eigenschaft eines Systems. Aus diesem Grund konnte ich während meiner Vorlesungen zu diesem Thema keine einzelne Publikation empfehlen, die eine Einführung in diese Systeme mit der nötigen Detailtiefe geboten hätte. Mit dem vorliegenden Buch möchte ich dies ändern. Jedes der fünf Kapitel gibt eine detaillierte Einführung und Überblick über jeweils eines der zu Anfang genannten Systeme. Besonders wichtig ist mir auch, einen Eindruck zu vermitteln, welche Gedanken hinter der Entwicklung der unterschiedlichen Systeme standen. Neben dem Wie ist also auch das Warum zentraler Bestandteil jedes Kapitels. Außerdem wird durch zahlreiche Vergleiche zwischen den unterschiedlichen Technologien deutlich, wo die Anwendungsgebiete der einzelnen Systeme liegen. In manchen Fällen konkurrieren die Systeme miteinander, in vielen Fällen jedoch ergibt erst eine Kombination mehrerer Systeme eine interessante Anwendung. Abgerundet wird jedes Kapitel durch einen Fragen- und Aufgabenkatalog zur Lernzielkontrolle und Wiederholung. Um einen tieferen Einblick in das eine oder andere System zu gewinnen, sind in den Kapiteln zahlreiche Verweise auf die entsprechenden Standards zu finden. Sie bilden eine ideale Ergänzung für einen tieferen Einblick in die einzelnen Systeme und sollten mit Hilfe der Hintergrundinformationen in diesem Buch auch etwas einfacher zu interpretieren sein. Den Entschluss, mein Wissen zu diesen Themen als Buch zu veröffentlichen, fasste ich nach vielen theoretischen Gedankenspielen ganz spontan in einer Pariser Buchhandlung. Dort stieß ich zufällig auf ein Buch mit einem ganz anderen Themenschwerpunkt, mit dessen Autor ich jedoch den Umstand gemeinsam habe, dass wir für die gleiche Firma arbeiten. Ich nahm Kontakt mit ihm auf, und er schilderte mir während eines ausgedehnten Mittagessens, wie man von der ersten Idee zu einem fertigen Buch kommt. An dieser VII

7 VIII Vorwort zur ersten Auflage Stelle möchte ich mich deshalb sehr herzlich bei Pierre Lescuyer bedanken, dessen Tipps mir beim Start meines eigenen Buchprojekts sehr weitergeholfen haben. Außerdem gebührt mein großer Dank auch Berenike, die mir mit Ihrer Liebe und Freundschaft während dieses Projekts immer inspirierend zur Seite stand. Weiterhin gebührt mein Dank auch Thomas Kempf, Christophe Schmid, Markus Rösch, Thomas Ehrle und ganz besonders Jörg Becker. Mit ihrem Wissen und großen Einsatz ihrer privaten Zeit haben sie mich vor einigen Fehlern bewahrt und in zahlreichen Gesprächen wichtige Anregungen und Verbesserungsvorschläge gegeben. Nicht zuletzt gilt mein Dank auch Dr. Reinald Klockenbusch, der dieses Buchprojekt von Anfang an begleitet hat und an der Ausrichtung des Buches maßgeblich beteiligt war. Paris, im Juni 2004 Martin Sauter

8 Inhaltsverzeichnis 1 GSM Leitungsvermittelnde Datenübertragung Klassische Leitungsvermittlung Virtuelle Leitungsvermittlung über IP Standards Übertragungsgeschwindigkeiten Das Signalisierungssystem Nr Klassischer SS-7-Protokollstack Spezielle SS-7-Protokolle für GSM IP-basierter SS-7-Protokollstack Die GSM Subsysteme Das Network Subsystem Die Mobile Vermittlungsstelle (MSC), Server und Gateway Das Visitor Location Register (VLR) Das Home Location Register (HLR) Das Authentication Center (AC) Das Short Message Service Center (SMSC) Das Base Station Subsystem (BSS) und Sprachcodierung Frequenzbereiche Base Transceiver Station (BTS) Die GSM-Luftschnittstelle Der Base Station Controller (BSC) Die TRAU für Sprachdatenübertragung Channel Coder und Interleaver in der BTS Verschlüsselung und Sicherheitsaspekte Modulation Voice Activity Detection IX

9 X Inhaltsverzeichnis 1.8 Mobility Management und Call Control Cell Reselection und Location Area Update Mobile Terminated Call Handoverszenarien Mobile Endgeräte Aufbau eines einfachen GSM Telefons Aufbau eines Smartphones Die SIM-Karte Das Intelligent Network Subsystem und CAMEL Fragen und Aufgaben GPRS und EDGE Leitungsvermittelte Datenübertragung Paketorientierte Datenübertragung GPRS auf der Luftschnittstelle GPRS Timeslot-Nutzung im Vergleich zu GSM Gleichzeitige Nutzung einer Basisstation von GSM und GPRS Coding Schemes EDGE (EGPRS) Mobile Device Classes Network Operation Mode (NOM) GPRS-Kanalstruktur auf der Luftschnittstelle GPRS-Zustandsmodell GPRS-Netzwerkelemente Die Packet Control Unit (PCU) Der Serving GPRS Support Node (SGSN) Der Gateway GPRS Support Node (GGSN) GPRS Radio Resource Management GPRS-Schnittstellen und Protokolle GPRS Mobility und Session Management (GMM/SM) Mobility Management-Aufgaben GPRS Session Management Session Management aus Anwendersicht Leitungsvermittelter Verbindungsaufbau GPRS-Verbindungsaufbau Der Multimedia Messaging Service (MMS) über GPRS Weiterentwicklung von EDGE Fragen und Aufgaben UMTS und HSPA Überblick, Historie und Zukunft GPP Release 99: Die erste Version des neuen Radionetzwerks GPP Release 4: Bearer Independent Core Network

10 Inhaltsverzeichnis XI GPP Release 5: IP Multimedia Subsystem und HSDPA GPP Release 6: High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) GPP Release 7: HSPA+ und CPC GPP Release 8: LTE, HSPA+ Verbesserungen und Femtozellen GPP Release 9: Digitale Dividende und Dual Cell GPP Release 10 und 11: LTE-Advanced Wichtige neue Konzepte in UMTS Release Der Radio Access Bearer (RAB) Aufteilung in Access Stratum und Non-Access Stratum Gemeinsames Übertragungsprotokoll für CS und PS Code Division Multiple Access (CDMA) Spreizfaktor, Chiprate und Prozessgewinn Der OVSF-Codebaum Scrambling in Uplink- und Downlink-Richtung Frequenz- und Zellplanung in UMTS Near-Far-Effekt und Zellatmung Vorteile des UMTS-Radionetzwerkes gegenüber GSM UMTS-Kanalstruktur auf der Luftschnittstelle User Plane und Control Plane Common und Dedicated-Kanäle Logische, Transport- und Physikalische Kanäle Beispiel: Netzwerksuche Beispiel: Der erste Netzwerkzugriff Der Uu Protokoll Stack Das UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) Node-B, Iub Interface, NBAP und FP Der RNC, Iu, Iub und Iur-Schnittstelle, RANAP und RNSAP Adaptive Multi-Rate-NB und -WB für Sprachübertragung Radio Resource Control (RRC)-Zustände Mobility Management aus Sicht des Kernnetzes Mobility Management aus Sicht des Radionetzwerkes Mobility Management im Cell-DCH-Zustand Mobility Management im Idle-Zustand Mobility Management in anderen Zuständen UMTS CS und PS-Verbindungsaufbau High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) HSDPA-Kanäle Kleinere Delay- Zeiten und Hybrid ARQ (HARQ) Scheduling im Node-B Adaptive Modulation, Codierung und Geschwindigkeit Auf- und Abbau einer HSDPA-Verbindung HSDPA Mobility Management

11 XII Inhaltsverzeichnis 3.10 High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) E-DCH-Kanalstruktur Der E-DCH-Protokoll Stack E-DCH Scheduling E-DCH Mobility E-DCH-Endgeräte Continuous Packet Connectivity Ein neues Uplink Control Channel Slot Format Reduzierung des CQI Reporting Intervals, DTX und DRX HS-SCCH Discontinuous Reception HS-SCCH-less Operation Enhanced Cell-FACH, Cell/URA PCH States Fast Dormancy Fragen und Aufgaben Long Term Evolution (LTE) Einleitung und Überblick Netzwerk-Architektur und Schnittstellen LTE-Endgeräte und die LTE Uu-Schnittstelle Der enodeb und die S1 und X2-Schnittstellen Die Mobility Management Entity (MME) Das Serving-Gateway Das PDN-Gateway Das HSS Die LTE-Luftschnittstelle und das Radionetzwerk OFDMA für die Datenübertragung im Downlink SC-FDMA für Uplink Übertragungen Symbole, Slots, Radio Blocks und Frames Referenz- und Synchronisations-Signale Das LTE-Kanalmodel in Downlink-Richtung Downlink Management-Kanäle System Information Messages Das LTE-Kanalmodel in der Uplink-Richtung Multiple Input Multiple Output Übertragungen HARQ PDCP Komprimierung und Verschlüsselung Scheduling Downlink Scheduling Uplink Scheduling Grundsätzliche Prozeduren Netzwerksuche Attach und Aktivierung des Default Bearers Handover Szenarien

12 Inhaltsverzeichnis XIII 4.6 Mobility Management und Leistungsoptimierung Mobilitätsmanagement im Connected State Mobility Management im Idle State LTE Sicherheitsarchitektur Zusammenspiel mit UMTS und GSM Cell Reselection zwischen LTE und GSM/UMTS Release mit Redirect zwischen LTE und GSM/UMTS Handover zwischen LTE und GSM/UMTS Backhaulverbindungen Self-Organizing Networks CS-Fallback für Sprache und SMS mit LTE SMS über SGs CS Fallback Voice over LTE (VoLTE) Das Session Initiation Protocol (SIP) Das IP Multimedia Subsystem (IMS) und VoLTE Single Radio Voice Call Continuity Fragen und Aufgaben Wireless LAN IEEE Wireless LAN Überblick Geschwindigkeiten und Standards WLAN-Konfigurationen: Von Ad-hoc bis Wireless Bridging Ad-hoc, BSS, ESS und Wireless Bridging SSID und Frequenzwahl Management-Operationen Die MAC-Schicht Zugriffssteuerung auf das Übertragungsmedium Der MAC Header Physical Layer und MAC-Erweiterungen IEEE b mit bis zu 11 Mbit/s IEEE g mit bis zu 54 Mbit/s IEEE a mit bis zu 54 Mbit/s IEEE n mit bis zu 600 Mbit/s ac Wireless LAN-Sicherheit Wired Equivalent Privacy (WEP) WPA und WPA2 Personal Mode-Authentifizierung WPA und WPA2 Enterprise Mode Authentifizierung Authentifizierung mit EAP-SIM Verschlüsselung mit WPA und WPA Wi-Fi Protected Setup (WPS) IEEE e und WMM Quality of Service

13 XIV Inhaltsverzeichnis 5.9 Vergleich zwischen Wireless LAN und LTE Fragen und Aufgaben Bluetooth Überblick und Anwendungen Physikalische Eigenschaften Piconetze und das Master Slave Konzept Der Bluetooth Protokoll Stack Der Baseband Layer Der Link Controller Der Link Manager Das HCI Interface Der L2CAP Layer Das Service Discovery Protocol Der RFCOMM Layer Aufbau einer Verbindung im Überblick Bluetooth Sicherheit Pairing bis Bluetooth Pairing ab Bluetooth 2.1 (Secure Simple Pairing) Authentifizierung Verschlüsselung Autorisierung Sicherheitsmodi Bluetooth Profile Grundlegende Profile: GAP, SDP und Serial Profile Object Exchange Profile: FTP, Object Push und Synchronize Headset, Hands-Free und SIM-Access Profile High Quality Audio Streaming Fragen und Aufgaben Weiterführende Literatur Sachwortverzeichnis