Entfernungsabhängige Dämpfung begrenzt die Signalausbreitung zwischen Sender

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1 GSM - Basis moderner Mobilfunksysteme GSM: Global System for Mobile Communications gleichlaufende Einführung eines Mindeststandards in drei Phasen (99, 99, 99) durch die europäischen Fernmeldeorganisationen (Deutschland: D und D2) europaweites Roaming mobiler Endgeräte möglich mittlerweile Übernahme durch über 8 Drittländer (z.b. in Asien, Afrika, Amerika) über Millionen Teilnehmer in über 00 Netzen über 0 Milliarden SMS/Monat in Deutschland, > 0 Milliarden weltweit (über 0% der Umsätze von Netzbetreibern) % aller digitalen Mobiltelefone nutzt Funkübertragung mit Frequenzen um 900 und 800 MHz Sprach- und Datenverbindungen bis 9. Kbit/s (Erweiterung:. Kbit/s) Zugangskontrolle durch Chipkarten verschiedene Verschlüsselungsverfahren Nutzung einer Zellstruktur, um das Einzugsgebiet eines Anbieters einzuteilen (zwischen m Ø je Zelle innerhalb von Städten und 5 km außerhalb der Städte) Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 28 Zellularer Netzaufbau Größe einer Funkzelle ist bestimmt durch eine maximal vorgegebene Sendeleistung und eine bestimmte Empfangsleistung für einen ausreichend guten Empfang hexagonale Zellform ist idealisiert (Zellen überlappen unregelmäßig) keine einheitlichen Zellengrößen, Größe hängt von Verkehrsaufkommen und Senderreichweite ab (Stadtzentrum vs. Schwarzwald) Zellwechsel des mobilen Teilnehmers Übergabe der Verbindung in Nachbarzelle: Handover Cluster Wahl des Abstands auf Basis der verbleibenden Signalstärke Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 220 Netzaufbau: Prinzip zellularer Netze Entfernungsabhängige Dämpfung begrenzt die Signalausbreitung zwischen Sender und Empfänger (~ d² auf freiem Raum, d 5.5 auf dicht bebautem Gelände) Frequenzspektrum sehr begrenzt und für hohe Teilnehmerzahlen zu gering Wiederverwendung von Frequenzbereichen durch Aufteilung des Abdeckungsgebietes in Funkzellen absichtliche Begrenzung der Funkzelle durch geringere Sendeleistung knappe Sendefrequenzen können in einer ausreichend großen Entfernung wiederverwendet werden, ohne dass sich die Kanäle gegenseitig störend beeinflussen zwei weit genug voneinander entfernte Mobilfunkteilnehmer können beide gleichzeitig den gleichen Kanal belegen Zelle technisch möglicher Funkversorgungsbereich Zelle systemtechnische Einschränkung der Zellengröße Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 29 Zellulares Konzept Cluster: Bereich, in dem alle Frequenzen verwendet werden. Jeder Zelle innerhalb eines Clusters können mehrere Frequenzen zugeordnet werden Mehr Zellen pro Cluster: weniger Kanäle pro Zelle weniger Systemkapazität weniger co-channel interference (co-channel Zellen weiter voneinander entfernt) Weniger Zellen pro Cluster: mehr Kanäle pro Zelle mehr Systemkapazität mehr co-channel interference (co-channel Zellen näher zusammen) Zellplanung: Bestimmung einer möglichst optimalen Clustergröße N, so dass Kapazität maximiert und Interferenzen minimiert werden Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 22

2 Flächendeckung von GSM- Funknetzen ( T-Mobile (GSM-900/800) Berlin Vodafone (GSM-900/800) e-plus (GSM-800) O 2 (GSM-800) Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 222 GSM System-Architektur OMC ISC G PLMN, international PSTN ISDN EIR AUC HLR VLR AUC: Authentication Center : Base Station Controller EIR: Equipment Identity Register G: Gateway Mobile Switching Center HLR: Home Location Register ISC: International Switching Center : Mobile Switching Center OMC: Operation and Maintenance Center PLMN: Public Land Mobile Network VLR: Visitor Location Register Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 22 GSM - Architektur GSM-Netzwerk Region mit Mobile Switching Center () Lokalisierungsgebiet Region Base Station Subsystem Base Station Subsystem Zelle Zelle Base Station Subsystem Lokalisierungsgebiet Lokalisierungsgebiet Region GSM-Netze sind hierarchisch strukturiert: mindestens eine administrative Region mit Mobile Switching Center () eine administrative Region besteht aus mindestens einem Lokalisierungsgebiet ein Lokalisierungsgebiet besteht aus mehreren Base Station Subsystems ein Base Station Subsystem enthält einen Base Station Controller () und mehrere Basisstationen (, Zellen) Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 22 Base Station Subsystem (BSS) GSM-Zelle entspricht dem Abdeckungsgebiet einer Basisstation um Basisstation von der Komplexität her klein zu halten, sind Kontroll- und Protokollintelligenz im untergebracht Basisstation und bilden zusammen das Base Station Subsystem (BSS) zwei Arten von Kanälen: Daten- und Signalisierungskanäle zwei Arten von Datenkanälen: full-rate Kanäle und half-rate Kanäle mit 9, kbit/s bzw.,8 kbit/s Base Transceiver Station (): Funktechnische Einrichtung, einschließlich Sende-/Empfangsantennen, für Kommunikation auf den Funk-Kanälen. Ein kann eine oder, falls Richtantennen installiert werden, auch mehrere Funkzellen versorgen. Base Station Controller (): Die Basisstationssteuerung führt die Vermittlung und steuert den Ablauf der Übertragungsprozesse der e. Sie ist für die Verwaltung der Netzressourcen zuständig. Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 225

3 Base Station Subsystem Base Station Controller F F2 F F5 F Fx - Frequenzbereich der Zelle F, F F8 F F F F9 F Basisstation (Base Transceiver Station, ) Jede Zelle wird mit einer Basisstation versehen, die alle Kommunikation in dieser Zelle regelt. Alle Geräte kommunizieren ausschließlich über die Basisstation. Probleme: Regelung des Zellübergangs und damit eines Frequenzwechsels (Handover) Lokalisierung eines mobilen Geräts (HLR/VLR) Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 22 Home and Visitor Location Register Zwei verschiedene Typen von Datenbanken für die Registrierung von Teilnehmern und ihrer aktuellen Position: Home Location Register (HLR) zentrale Aufenthaltsverwaltung, wodurch Suche nach den Teilnehmern in allen Vermittlungsstellen entfällt enthält unabhängig vom jeweiligen Aufenthaltsort sämtliche Teilnehmerdaten: Rufnummer, Zugriffsberechtigung, Dienste, Dienstmerkmale s erhalten vom HLR Informationen über Berechtigungen, Dienste und den momentanen Aufenthaltsbereich der Teilnehmer Visitor Location Register (VLR) Lokale Datenbank für eine Teilmenge der Benutzerdaten, einschließlich der Aufenthaltsorte der Teilnehmer speichert Informationen über Mobilteilnehmer, die sich z.zt. im zugeordneten -Bereich befinden enthält Datenbestände, die sich sehr häufig ändern und die durch einen Informationsaustausch mit dem HLR und den Mobilstationen aktualisiert werden Daten aus dem VLR folgen dem Teilnehmer, wenn dieser in den Bereich einer anderen VLR gelangt Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 228 Mobile Switching Network Vermittlungsstelle eines GSM-Netzes ist das Mobile Switching Center: Pfadsuche, Signalisierung und die Verarbeitung von Dienstmerkmalen Administration und Zugriff auf Funk-Ressourcen zusätzliche Funktion für Location Registration und Handover im Falle eines Zellwechsels (Zusatzfunktionen zur Unterstützung der Teilnehmermobilität) bestimmte Gateways zur Übertragung von Sprachdaten zwischen Festnetzen und mobilen Netzen (Gateway-; G) Die wichtigsten Funktionen des sind: Ruf-spezifische Funktionen in Zusammenhang mit der Mobilität Management der Mobilfunk-spezifischen Signalisierungsabläufe Location Registration und Verarbeitung der Aufenthalts-Information Bereitstellung neuer Dienstarten (Fax, Data Calls) Unterstützung des Kurznachrichtendienstes (SMS) Generierung und Weiterleitung der Gebührendaten Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 22 Verbindungsaufbau Telefonnetz Gateway- Ziel BSS HLR VLR - Anruf einer mobilen Station 2 - Weiterleitung des Anrufs zu einem Zugangspunkt des mobilen Netzes - Anfrage an das HLR zur Lokalisierung des Nutzers - Rückgabe der Routinginformation 5 - Weiterleitung des Rufs zum Ziel- - erfragt exakte Position des Teilnehmers im VLR - VLR überprüft Dienstprofil und Erreichbarkeit und liefert zuständiges BSS zurück 8 - Paging des mobilen Teilnehmers 9 - Antwort des mobilen Teilnehmers Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 229

4 GSM900 vs. GSM800 Kriterium GSM900 GSM800 Frequenz (Uplink) 890 MHz - 95 MHz 0 MHz - 85 MHz Frequenz (Downlink) 95 MHz - 90 MHz 805 MHz MHz Duplexabstand 5 MHz 95 MHz Bandbreite Up- und Downlink 2 x 25 MHz 2 x 5 MHz Bandbreite eines Frequenzkanals 200 khz 200 khz Zugriffsverfahren FDMA & TDMA FDMA & TDMA Trägerfrequenzen 2 2 Zeitslots je Trägerfrequenz 8 8 Verkehrskanäle Bitrate 20,8 kbit/s 20,8 kbit/s Nettobitrate für Sprache kbit/s kbit/s Modulationsverfahren GMSK GMSK Zellradius 2-5 km 0,2-8 km Leistung einer mobilen Station max 20 Watt Watt Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 20 TDMA Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 22 Das GSM-Protokoll Zugriffsverfahren: Kombination aus Frequenzmultiplexverfahren (FDMA/FDD) senden auf 2 Kanälen zu je 200 khz zwischen 890 und 95 MHz empfangen auf 2 Kanälen zu je 200 khz zwischen 95 und 90 MHz Zeitmultiplexverfahren (TDMA) mit Versetzung von Senden/Empfangen für eine Mobilstation um Zeitslots, um keine vollduplex-fähige Sende- /Empfangseinheit einsetzen zu müssen 90 MHz f MHz 200 khz 95 MHz MHz MHz t Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 2 Frequenzbereich MHz MHz 2 Kanäle mit je 200 khz Abwärtsrichtung GSM-TDMA-Rahmen 2 Kanäle mit je 200 khz Aufwärtsrichtung Höhere GSM-Rahmenstrukturen 2 5 8,5 ms Zeitbereich Schutzzeit GSM-Zeitslot Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail Schutzzeit bit 5,5 µs 5 µs GSM-Zeitslot: Burst und Schutzzeiten Tail (000): definierter Start und Schluss des Bursts Training: bitgenaue Synchronisation des Bursts durch vorher bekannte Bitfolge zur Anpassung des Empfängers auf die derzeitigen Signalausbreitungsverhältnisse und zum Ermitteln des stärksten Signals bei Mehrwegausbreitung S (Signalisierung): Anzeige des Inhalts der Nutzdatenfelder: Nutzdaten/Steuerdaten (optional: slow frequency hopping nach jedem TDMA-Rahmen zur Vermeidung eines frequenzabhängigen Signalschwunds) Handover Automatischer Wechsel der Funkzone, ohne dass die Qualität der laufenden Verbindung davon wesentlich beeinflusst wird. Für die Teilnehmer der Verbindung ist keine Unterbrechung erkennbar Ablauf:. Messung während der Übertragung permanente Messungen im Signalisierungskanal, um Notwendigkeit eines Handover zu erkennen (Empfangsleistung, Bitfehlerraten, Abstand zur Basisstation, Verkehrsbelastung in einer Zelle, Störungen in einem Frequenzbereich) 2. Handover-Einleitung Durchschalten von Verbindungen von der Mobilvermittlungsstelle zur neuen Basisstation Auswahl eines neuen, geeigneten Übertragungskanals. Umschaltung zur Zielbasisstation netzgesteuerter Handover (z.b. C-Netz), mobilstationsunterstützter Handover (z.b. GSM) oder mobilstationsgesteuerter Handover (z.b. DECT) Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 2

5 Handover-Entscheidung Pegel von Signal A Empfangssignalstärke Pegel von Signal B Handover-Bereich MS MS Bewegung Letzter Umschaltpunkt A B Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 2 Handover-Typen Handover innerhalb einer Zelle (intracell) Handover zwischen zwei Zellen des gleichen -Bereichs (intercell) wird nötig, wenn ein Funkkanal innerhalb einer Zelle gestört wird, die Mobilstation aber für die weitere Kommunikation einen Kanal innerhalb der Zelle benötigt kann notwendig werden, weil sich beispielsweise der Teilnehmer über die Grenze zweier Nachbarzellen hinweg bewegt Gesprächsübergabe wird durch gesteuert, wird über erfolgten Handover informiert Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 2 Handover-Strategien Handover mit festem Umschaltpunkt gleichzeitiges Durchschalten der neuen Leitung und Umleiten der Teilnehmerdaten, dadurch kurze Verbindungsunterbrechung (kann sich aber als Knacken bemerkbar machen) zu jeder Zeit wird nur ein Kanal auf der Luftschnittstelle belegt Handover mit variablem Umschaltpunkt Mobilfunkverbindung wird für kurze Zeit zu zwei Basisstationen geführt, erst wenn alle nötigen Vorbereitungen beendet sind, wird die bereits funktionierende neue Übertragungsstrecke aktiviert Mobilstation muss während des Handovers auf zwei Kanälen senden und empfangen Soft Handover Gleichzeitige Verbindung zu zwei Basisstationen, beide Verbindungen werden benutzt, um einen gemeinsamen Datenstrom am zu erzeugen über längeren Zeitraum wird immer gerade das Signal ausgewählt, welches am stärksten bzw. am wenigsten gestört ist (Steigerung der Übertragungsqualität) hohe Übertragungskapazität erforderlich Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 25 Handover-Typen Handover zwischen zwei Zellen verschiedener -Bereiche (intercell) Handover zwischen verschiedenen s Anchor- wird nötig, wenn durch Bewegung des Teilnehmers die Grenzen zwischen zwei -Bereichen überschritten werden Gespräch wird in neuen -Bereich geschaltet, verbleibt aber im Anschlussbereich desselben Gesprächsübergabe wird durch gesteuert wird nötig bei Wechsel zwischen Zellen, die unterschiedlichen s zugeordnet sind komplex, da komplette Verbindung zu einer anderen Vermittlungsstelle geschaltet werden muss Kontrolle liegt bei der entsprechenden Anchor- Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 2

6 Datendienste in GSM Ursprünglich Übertragung mit lediglich 9, kbit/s möglich fortgeschrittene Kanalcodierung erlaubt, kbit/s zu wenig für Internet- und Multimedia-Anwendungen HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data) Zusammenfassung mehrerer Zeitkanäle für höhere AIUR (Air Interface User Rate, z.b. 5, kbit/s bei Slots zu,) Hauptsächlich Software-Aktualisierung zur Realisierung dieser Zusammenfassung Vorteil: schneller verfügbar, kontinuierliche Qualität, einfacher Nachteil: verbindungsorientiert, Kanäle sind für Sprache blockiert, Signalisierung für mehrere Kanäle nötig AIUR [kbit/s] TCH/F.8 TCH/F9. TCH/F Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 28 UMTS und IMT-2000 Vorschläge für IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) UWC-, cdma2000, WP-CDMA UMTS (Universal Mobile Telecommunications System, Europa) UMTS weltweiter, systemübergreifender Mobilfunk-Standard der. Generation (G) Verschmelzung verschiedener Mobilfunk-, Schnurlos- und Pager-Systeme zu einem Funk-Zugangsnetzwerk mit weltweitem Roaming Integration von Sprach-, Daten-, Multimediadiensten Erweiterungen von GSM: Höhere Datenraten, Erweitertes Dienstkonzept, Globales Roaming Datenraten: kbit/s mobil, bis zu 2 Mbit/s im schnurlosen Nahbereich min. kbit/s auf dem Land (Ziel: 8 kbit/s) min. 8 kbit/s in den Vorstädten (Ziel: 52 kbit/s) bis zu 2 Mbit/s innerstädtisch Virtual Home Environment (VHE): angebotene Dienste frei konfigurierbar, Konfiguration steht überall im Netz zur Verfügung Kompatibel zu GSM, ATM, ISDN und IP Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 20 Datendienste in GSM GPRS (General Packet Radio Service) paketorientierte Datenübertragung, auch nutzbar für Multicast Anforderungsgesteuerte Bündelung von bis zu 8 Zeitslots eines TDMA-Rahmens Belegung der Zeitslots nur wenn Daten vorhanden (z.b. 50 kbit/s bei kurzfristiger Belegung von Slots) Vorteil: Schritt in Richtung UMTS, flexibler Nachteil: mehr Investitionen (neue Hardware), Engpass auf der Luftschnittstelle bei starker Nachfrage EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) GSM mit bis zu 8 kbit/s durch fortgeschrittene Modulationstechniken und weitere Mechanismen Kapitel : Lokale Netze / Weitverkehrsnetze Seite 29