Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme

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1 Martin Sauter Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme UMTS, HSDPA und LTE, GSM, GPRS und Wireless LAN 4., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 186 Abbildungen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

2 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) 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 Mobility Management und Call Control Cell Reselection und Location Area Update 69 IX

3 1.8.2 Mobile Terminated Call Handoverszenarien Mobile Endgeräte DieSIM-Karte Das Intelligent Network Subsystem und CAMEL Fragen und Aufgaben 92 2 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 Leitungsvermitteiter Verbindungsaufbau GPRS-Verbindungsaufbau Der Multimedia Messaging Service (MMS) über GPRS 146 X

4 2.11 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 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: 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) 208 XI

5 Inhaltsverzeich n is Node-B, Iub Interface, NBAP und FP Der RNC, Iu, Iub und Iur-Schnittstelle, RANAP und RNSAP Adaptive Multi Rate (AMR) 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-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 UMTS Release 6: 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 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 Sl und X2-Schnittstellen 285 XII

6 4.2.3 Die Mobility Management Entity (MME) Das Serving-Gateway Das PDN-Gateway DasHSS 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 Mobility Management und Leistungsoptimierung Mobilitätsmanagement im Connected State Mobility Management im Idle State Zusammenspiel mit UMTS und GSM Cell Reselection zwischen LTE und GSM/UMTS Cell Change Order zwischen LTE und GSM/UMTS Handover zwischen LTE und GSM/UMTS Self-Organizing Networks Fragen und Aufgaben 336 XIII

7 5 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 36l IEEE g mit bis zu 54 MBit/s IEEE a mit bis zu 54 MBit/s IEEE n mit bis zu 600 MBit/s 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 IEEE 802.lle und WMM-Qualityof Service Vergleich zwischen Wireless LAN und UMTS Fragen und Aufgaben 409 Literaturverzeichnis 411 Sachwortverzeichnis 413 XIV