Mobilfunknetze und ihre Protokolle 1

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1 Bernhard Walke Mobilfunknetze und ihre Protokolle 1 Grundlagen, GSM, UMTS und andere zellulare Mobilfunknetze 3. Auflage Mit 226 Abbildungen und 84 Tabellen Teubner B.G.Teubner Stuttgart Leipzig Wiesbaden

2 Vorwort Vorwort zur zweiten Auflage Vorwort zur dritten Auflage Kurzinhalt Band 2 VII X XI XXI 1 Einleitung Bestehende bzw. in Einführung befindliche Netze und Dienste GSM/DCS1800-System DECT Funknetze als Bypass des verdrahteten Ortsnetzes Drahtlose lokale Netze (IEEE WLAN, Wireless LAN, ETSI/HIPERLAN 1) Drahtlose Netze für die Prozeßautomatisierung Universal Mobile Telecommunications System UMTS Drahtlose Breitbandsysteme Mobiler Satellitenfunk Universelle persönliche Mobilität Systeme mit intelligenten Antennen Mobilfunksysteme mit dynamischer Kanalvergabe Weitere Aspekte Selbstorganisierende Systeme Elektromagnetische Umweltverträglichkeitsuntersuchungen Historische Entwicklung 23 2 Systemaspekte Charakteristika der Funkübertragung Dämpfung Ausbreitung über einer Ebene Schwund bei Ausbreitung mit vielen Reflektoren (Mehrwegeausbreitung) Statistische Beschreibung des Übertragungskanals Reflexion Beugung 45

3 2.1.7 RMS Delay-Spread Abschattung Störungen durch Fremdsysteme Modelle zur Funkfeldberechnung Empirische Modelle Beugungsmodelle Strahl verfolgungsverfahren Das Okumura/Hata-Modell Funkausbreitung in Mikrozellen Zellulare Systeme Clusterbildung und Störabstand C/I-Verhältnis und Verminderungsfaktor Verkehrslast und Zellradius Sektorisierung und spektrale Effizienz Effizienz und tragbarer Verkehr Wirkung der Sektorisierung bei fester Clustergröße Effizienz und tragbarer Verkehr bei Sektorisierung und unterschiedlicher Clustergröße Sektorisierung bei Abschattung Das ISO/OSI-Referenzmodell Zuteilung der Funkkanäle Frequenzmultiplex, FDM Zeitmultiplex, TDM Codemultiplex, CDM CDMA-Technik für den zellularen Mobilfunk Raummultiplex, SDM Hybride Verfahren Kanalvergabestrategien Klassifizierung der Kanalvergabeverfahren FCA BCA DCA HCA Adaptivität der BCA/HCA-Kanalvergabeverfahren Grundlagen der Fehlersicherung Besonderheiten der Fehlersicherung bei Funkkanälen Fehlererkennung Fehlerkorrektur Fehlerbehandelnde Verfahren (Schiebefensterprotokolle) Hybride ARQ/FEC-Verfahren Grundlagen zum Zufallszugriff Die Slotted-ALOHA Zugriffsmethode 101

4 XV Slotted-ALOHA mit Zufallszugriffsrahmen Zugriffsverzögerung bei Slotted-ALOHA Algorithmen zur Kollisionsauflösung bei Slotted-ALOHA GSM-System Die GSM-Empfehlung Die Architektur des GSM-Systems Funktioneller Aufbau des GSM-Systems Schnittstellen des GSM-Systems Die Funkschnittstelle am Bezugspunkt U m Multiplex-Struktur Frequency Hopping (FH) Logische Kanäle Hierarchie der Rahmenstrukturen Kombinationen logischer Kanäle Kanalkombinationen einer Zelle in Abhängigkeit von der erwarteten Zellauslastung Schicht 1: Bitübertragung GSM-Schicht-2: Sicherung SignalisierungsprotokoUe der GSM-Sicherungsschicht Das LAPD m -Protokoll Dienste der physikalischen Schicht Einfluß der physikalischen Schicht auf das LAPD m Dienste des LAPD m Die Netzschicht im GSM Verbindungsaufbau Dienste der CC-Teilschicht Dienste der MM-Teilschicht Dienste der RR-Teilschicht Format und Codierung einer Schicht-3-Nachricht Weiterleiten einer Schicht-3-Nachricht Primitive der Teilschichten GSM-Handover Notwendigkeit für Handover GSM-Empfehlungen Handovervorbereitung Meßwertreporte Handoverentscheidung Beispielalgorithmus GSM Probleme des GSM-Handoverprozesses Intra-MSC-Handover Das Intra-MSC-Handoverprotokoll 242

5 Inter-MSC Handover Aktualisierung des Aufenthaltsbereiches (Location Update) Unterstützung von Roaming Numerierungsplan für das Roaming Verbindungsaufbau Kommender Ruf (Mobile Terminated Call) Gehender Ruf (Mobile Originated Call) Datenübertragung und Raten-Anpassungsfunktionen Ratenanpassung an die Leistung des Verkehrskanals Ratenanpassung bei der Verbindung BTS/Transcoder zur MSC bzw. MSC/IWF Schicht-2-Brückenfunktion (Layer 2 Relay, L2R) und Radio Link Protocol (RLP) Das Radio-Link Protokoll (RLP) Die Dienste im GSM-Mobilfunknetz Einführungsphasen der Dienste Trägerdienste Teledienste Zusatzdienste Zukünftige Sprach- und Datendienste im GSM ASCI - erweiterte GSM-Sprachdienste HSCSD - der hochbitratige kanalvermittelte Datendienst GPRS - der GSM-Paketdatendienst Netzübergangsfunktion - Interworking Function, IWF Übergang zum öffentlichen Fernsprechwählnetz Übergang zum ISDN Übergang zum öffentlichen paketvermittelten Datennetz Übergang zum öffentlichen kanalvermittelten Datennetz Netzübergangsfunktionen für Teledienste Sicherheitsaspekte Authentisierung Vertraulichkeit der Nutz- und Signalisierdaten Vertraulichkeit der Teilnehmeridentität Transport sicherheitsrelevanter Informationen GSM in Deutschland Schlußbemerkung Digital-Mobilfunknetz ETSI/DCS Enhanced Data Rates for GSM Evolution Modulation Sendeleistungssteuerung Steuerung der Übertragungsqualität 343

6 XVII 4 Weitere öffentliche Mobilfunksysteme Flugtelefon-Netz für öffentliche Luft-Boden-Kommunikation TFTS-Zellularnetz Frequenz- und Zeitmultiplexkanäle Sprach- und Datenübertragung Funktionsmerkmale Bodenstationen und Frequenzplan Das US Digital Cellular System (USDC) Technische Daten des USDC-Systems CDMA-Zellularfunk gemäß IS Forward-Link Return-Link Praktische Erfahrungen mit IS-95-CDMA Das japanische Personal Digital Cellular System (PDC) Technische Daten des PDC-Systems Vergleich von Zellularsystemen der 2. Generation Zellulare Mobilfunknetze der 3. Generation UMTS - Universal Mobile Telecommunications System FPLMTS - IMT Dienste für UMTS und IMT Trägerdienste Teledienste Zusatzdienste Mehrwertdienste Dienstparameter Verkehrsdichte Frequenzspektrum für UMTS Die Architektur des UMTS User Equipment Domain Access Network Domain Core Network Domain Die Zugangsebene Das Kernnetz UMTS Terrestrial Radio Access Network Funktionaler Aufbau des UTRAN Funktionen des UTRAN Die Funkschnittstelle am Bezugspunkt U u Die Bitübertragungsschicht Vielfachzugriff Die Transportkanäle Physikalische Kanäle im FDD-Modus 408

7 5.8.4 Physikalische Kanäle im TDD-Modus Code-Spreizung und Modulation Kanalcodierung, Multiplexen und Verschachteln Die Sicherungsschicht Die MAC-Teilschicht Die RLC-Teilschicht Datenfluß durch die Sicherungsschicht Die BMC-Teilschicht Die PDCP-Teilschicht Die Netzschicht Funktionen der Netzschicht Aufbau der Netzschicht Der UMTS Standard 453 A Warte- und Verlustsysteme 463 A.l Das Wartesystem M/M/n-oo 463 A.l.l Zustandsprozeß als spezieller Geburts- und Sterbe-Prozeß. 464 A.l.2 Charakteristische Leistungskenngrößen 465 A.2 Das Warte-Verlustsystem M/M/n-s 467 A.2.1 Zustandsraum als spezieller GS-Prozeß 467 A.2.2 Charakteristische Größen 468 В Standards und Empfehlungen 471 B.l Internationale Standardisierungsorganisationen 472 B.l.l ISO 472 B.1.2 ITU 473 B.1.3 IEC 477 B.1.4 INTELSAT/INMARSAT 478 B.1.5 ATM Forum 478 B.2 Europäische Standardisierungsorganisationen 478 B.2.1 CEN/CENELEC 479 B.2.2 CEPT 479 B.2.3 ETSI 480 B.2.4 ECMA 488 B.2.5 EBU 489 B.2.6 EUTELSAT 489 B.2.7 ESA 489 B.3 Nationale Standardisierungsorganisationen 489 B.4 Quasi-Standards 490 B.4.1 Firmen-Standards 490 B.4.2 Benutzer-Standards 491

8 XIX С Internationale Frequenzzuweisungen 493 D Frequenzen europäischer Mobilfunksysteme 497 E Der GSM-Standard 499 F Abkürzungen 505 Literaturverzeichnis 525 Index 539