Mobilkommunikationsnetze - GSM/UMTS -

Transkript

1 - GSM/UMTS - Andreas Mitschele-Thiel 1

2 GSM Global System for Mobile Communications Dienste: Sprache leitungsvermittelt Versch. Sprachcodecs (FR, HR, EFR, AMR, AMR-WB) Bandbreite Sprachsignal: 3,4-7 khz (abh. von Codec) Daten ursprünglich: 1,2 kbit/s leitungs-/9,6 kbit/s paketvermittelt heute: GPRS bis 171,2 kbit/s (theoretisch, praktisch meist weit darunter) Zusatzdienste SMS Fax 2

3 GSM Architektur BTS GSM Radio Access Network BSC MSC GSM Core Network (leitungsvermittelt) GMSC HLR, AuC, EIR ISDN 3

4 GSM Architektur RSS (Radio Subsystem) Mobilfunk Mobile Station (MS) Base Station Subsystem (BSS) oder Radio Access Network (RAN) Base Transceiver Station (BTS) Base Station Controller (BSC) NSS (Network and Switching Subsystem) Anbindung/Switching von Verbindungen, Handover Mobile Services Switching Center (MSC) Location Registers (LR): HLR, VLR 4

5 GSM Architektur OSS (Operation Subsystem) Netzbetrieb & -überwachung Operation and Maintenance Center (OMC) AuC (Authentication Center) Equipment Identity Register (EIR) 5

6 GSM Funknetz 14 Frequenzbänder ( Mhz) in Deutschland gebräuchlich: 900 & 1800 MHz Zellenbasiertes Netz Effizienzsteigerung Wiederverwendung von Frequenzen Zellgröße max. 35 km (technische Begrenzung durch Laufzeitgrenzen, mit Erweiterungen ~120 km) Handover an der Zellgrenze Überlappung notwendig Medienzugriff kombiniert SDMA, FDMA & TDMA 6

7 GSM Medienzugriff SDMA Netzaufteilung in Zellen Wiederverwendung von Ressourcen (Frequenzen, Zeitslots) 7

8 GSM Medienzugriff FDMA FDD für Duplexzugriff (Beispiel GSM-900: 890,2-915 MHz Uplink, 935,2-960 MHz Downlink) Aufteilung von Up- & Downlinkband in je 124 Kanäle à 200 khz 935,2 MHz MHz f Downlink 200 khz ,2 MHz MHz 1 Uplink t 8

9 GSM Medienzugriff TDMA Aufteilung Kanäle in TDMA-Frames à 4,615 ms Aufteilung TDMA-Frames in 8 Bursts pro Frame TDM-Kanal = 1 Burst pro Frame auf einem Kanal Verschiebung von Up- & Downlink um 3 Zeitschlitze keine duplexfähigen Transceiver notwendig Downlink Uplink

10 GSM Modulation/Codierung Sprache mit 8 khz, 8 Bit (ISDN) abgetastet 64 kbit/s Kompression auf max. 13 kbit/s in Paketen von 260 Bit/20 ms (abhängig vom Sprachcodec) Redundanzkodierung (22,8 kbit/s, 456 Bit/20 ms) Bits in 3 Klassen nach Wichtigkeit unterteilt Ia (50 Bit), Ib (132 Bit) & II (78 Bit) Unterschiedliche Redundanzkodierung abhängig von Bitklasse (Ia wichtigste, II ohne Redundanz) Interleaving: Aufteilung kodierter 456-Bit-Blöcke auf mehrere Bursts Schutz gegen kurzzeitige Störungen Modulation mittels GMSK bzw. 8-PSK (EDGE) 10

11 GSM Details der Sprachcodierung (Full Rate) 11

12 GSM Modulation/Coding GSM-Burst GSM-TDMA-Frame guard tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten tail guard 3 Bit 57 Bit 1 26 Bit 1 57 Bit 3 Bit Training: definierte Sequenz zur Kanalabschätzung/ Anpassung des Dekoders Guard: insgesamt 8,25 Bit/30,5 µs Abstand zum Nachbar-Frame S: Anzeige, ob Nutz- oder Steuerdaten (getrennt für beide Burst-Hälften) 12

13 GSM Mobility Management Lokalisierung Verfolgen/Auffinden von Endgeräten zum Verbindungsaufbau Rufaufbau Aufbau einer Verbindung zum/vom mobilen Teilnehmer Handover Wechsel der Funkzelle Wechsel des MSC 13

14 GSM Mobility Management - Lokalisierung Location Area 1 Location Area 2 MSC 1 VLR 1 HLR VLR 2 MSC 2 14

15 GSM Mobility Management - Lokalisierung Home Location Register (HLR) Heimatdatenbank eines Endgerätes Telefonnummer (Mobile Subscriber ISDN Number, MSISDN) International Mobile Subscriber Identity (IMSI) Verwaltungsinformationen (Tarifdetails, Berechtigungen, Abrechnungsdaten etc.) aktuellen Aufenthaltsort (zuständiges MSC & VLR Location Area) Visitor Location Register (VLR): aktuell notwendige Verwaltungsdaten permanente IDs: IMSI, MSISDN, zuständiges HLR temporäre IDs: Temporary MSI, Mobile Station Roaming Number (MSRN) Ggf. weitere Informationen zur Abwicklung des Dienstes (Abrechnungsdaten, Berechtigungen etc.) 15

16 GSM MM Rufaufbau vom Endgerät 1. Verbindungsanforderung 2. Sicherheitsprüfung 3. Ressourcenprüfung Verfügbarkeit eines leitungsvermittelten Kanals 4. Rufaufbau Ziel 3 Telefonnetz 3 3 GMSC BSS VLR 2 MSC MS 16

17 GSM MM Rufaufbau zum Endgerät 1. Anrufer wählt Nummer des GSM-Kunden 2. Transport via Telefonnetz zu Gateway MSC 3. Identifikation HLR, Signalisierung Verbindungsaufbau 4. Identifikation VLR, Abfrage MSRN Anrufer 5. Identifikation zuständiges MSC, Rückmeldung an GMSC 6. Anruf an aktuelles MSC weiterleiten 7. Abfrage aktueller Status der MS 8. Paging der MS 9. Antwort MS auf Rundruf Identifikation passendes BSS 10. Verbindungsaufbau 1 Telefonnetz 2 3 HLR 5 GMSC 4 6 MS VLR MSC BSS BSS BSS

18 GSM Mobility Management - Handover HO-Entscheidung durch Netz basiert auf Messungen der MS Hysterese (Handover Margin) zur Vermeidung von Ping- Pong-Effekten Bisheriger Link Handover Margin Neuer Link 18

19 GSM Mobility Management - Handover Strategie Make before break 1. Verbindungsaufbau einschließlich Ressourcenreservierung an neuer Zelle 2. Verbindungsabbau in alter Zelle Übergabe auf verschiedenen Ebenen möglich Intrazelle: Wechsel Funkfreqenz, BTS gleich Intra-BSC: Wechsel BTS, BSC gleich Intra-MSC: Wechsel BSC, MSC gleich Inter-MSC: Wechsel zwischen zwei MSC Terminierung des Handovers möglichst weit draußen vermeidet Belastung des Core-Netzes 19

20 GSM MM - Handover Beispiel: Wechsel des BSC MS BTS old BSC old MSC BSC new BTS new Messung HO command Messung HO command clear cmd. clear complete HO-Entscheidung HO required HO command HO access Verbindungsaufbau clear cmd. clear complete HO request HO request ACK HO complete Ressourcenreservierung Channel activation CA ACK HO complete Make Break 20

21 GSM Security Authentifizierung Nutzer ggü. SIM: PIN SIM ggü. Netz: Challenge Response (A3) Verschlüsselung Ableitung eines (identischen) Kodes für Verschlüsselung (für Stromchiffre oder Blockchiffre) aus Zufallszahl und gemeinsamem Schlüssel (A5, versch. Versionen) Anonymität IMSI wird nur bei Erstkontakt über Funk übertragen ansonsten Verwendung der TMSI, die häufiger gewechselt wird 21

22 GSM GPRS General Packet Radio Service Datendienst auf GSM-Basis Verwendung mehrerer Zeitschlitze pro Frame höhere Datenraten möglich Im Downlink keine explizite Reservierung von Ressourcen Funkressourcen werden belegt, wenn nötig Im Uplink Anforderung von Ressourcen durch Mobile und temporäre Zuweisung (Reservierung) durch Infrastruktur Zusätzliches, paketvermitteltes Kernnetz Evolutionspfad hin zu UMTS 22

23 GSM GPRS BTS GSM Radio Access Network BSC MSC GSM Core Network (leitungsvermittelt) GMSC HLR, AuC, EIR ISDN SGSN GPRS Core Network (paketvermittelt) GGSN Internet 23

24 GSM-EDGE Erhöhung der Datenrate auf bis zu 473,6 kbit/s (bei Verwendung aller 8 Bursts) Adaption der Modulation GMSK (GSM 1 Bit/Symbol) 8-PSK (3 Bit/Symbol) Adaption der Codierung (9 Codierschemata) Verbesserung des Durchsatzes insb. bei sehr guten Empfangsbedingungen Komplexe Erweiterung von GSM 24

25 UMTS 3G-Netze als Nachfolger von GSM 14 Frequenzbänder von Mhz CDMA mit FDD oder TDD, 5 MHz Kanalbandbreite paket- und leitungsvermittelte Dienste Datenraten UMTS R99: bis 384 kbit/s im Downlink (je Nutzer) High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA): 0,9 MBit/s (QPSK) 21,1 MBit/s (64-QAM) 42,2 MBit/s (64-QAM + MIMO) bis zu 337,5 MBit/s durch Kanalbündelung (bei 8 x 5 MHz) 25

26 UMTS R99 Evolution von GSM BTS GSM Radio Access Network BSC MSC GSM Core Network (leitungsvermittelt) GMSC HLR, AuC, EIR ISDN Node B/ Base Station UTRAN RNC SGSN GPRS Core Network (paketvermittelt) GGSN Internet 26

27 UMTS R5 IMS GSM Edge Radio Access Network BTS BSC HLR, AuC, EIR Node B/ Base Station UTRAN RNC SGSN 3G Core Network (paketvermittelt, IPbasiert) GGSN Internet 27

28 UMTS Soft Handover Gleichzeitige Verbindung zu Funkzellen verschiedener Node Bs (selber oder anderer RNC) Vorteile Störungen durch Abschattung/Fading zwischen einzelnen Basistationen kaum korreliert geringe Wahrscheinlichkeit eines totalen Verbindungsverlustes nur eine erfolgreich empfangende Basisstation notwendig - Abregeln der Sendeleistung auf beste Verbindung möglich Nachteile Kombination im RNC (Schicht 1 und 2) Sonderfall Softer Handover: Soft Handover zwischen zwei Sektoren einer Basisstation effizientere Signalkombination möglich 28

29 UMTS Soft Handover Node B 1 Node B 2 RNC 29

30 UMTS Power Control Problem: CDMA setzt ähnliche Empfangsstärke aller Endgeräte an der Basisstation voraus unterschiedliche Pfadbedingungen machen Anpassung der Sendeleistung notwendig Beispiel: Inner Loop Power Control (ILPC) im Uplink Rate 1500 Hz Schätzung Signal-Rausch-Verhältnis durch Node B Node B sendet Transmit Power Control Commands ( up oder down an Endgerät) Endgerät passt Sendeleistung in voreingestellter Schrittweite an Ähnliches Verfahren im Downlink Ziel: schneller Ausgleich wechselnder Kanalbedingungen (Fast Fading) 30

31 UMTS Medienzugriff CDMA-basierter Medienzugriff Auf- und Abbau (Reservierung) von Kanälen nach Bedarf durch Radio Resource Control (RRC) Protokoll Kanalarten auf versch. Protokollschichten Radio Bearer: L2-Dienstzugangspunkt (L2-SAP) Separate Kanäle für Nutz- und Steuerinformationen (Signaling Radio Bearer) Logische Kanäle: MAC-Dienstzugangspunkt Separate Kanäle für Nutz- und Steuerinformationen Beispiel: Common Control Channel (CCCH) gemeinsamer Kanal für Steuerdaten aller MS einer Zelle (bspw. Aushandeln von Funkressourcen) 31

32 UMTS Medienzugriff Kanalarten (Fortsetzung) Transportkanäle: PHY-Dienstzugangspunkt Broadcast Channel (BCH, Downlink) Paging Channel (PCH, Downlink) Forward Access Channel (FACH, Downlink) Random Access Channel (RACH, Uplink) Dedicated Channel (DCH) einem Teilnehmer zugeordneter Kanal (bspw. für Sprachdaten) Physikalische Kanäle: PHY-intern definiert durch Trägerfrequenz Scrambling und Channelization Code... 32

33 UMTS Cell Breathing Zellgröße bei UMTS abhängig von Last Bestimmter Durchsatz bzw. Fehlerrate bei gegebenem Spreizfaktor nur bei bestimmtem Störspannungsabstand erreichbar Durch höhere Last in der Zelle (und ggf. Nachbarzellen) höhere Interferenz bei gleichbleibender Signalstärke geringerer Störspannungsabstand (SIR) SIR unterschreitet im Randbereich der Zelle kritischen Wert Pilotkanal der Zelle am Zellrand nicht mehr detektierbar Zellgrenze nach innen verschoben (Cell Breathing) 33

34 UMTS Mobility Management Tunneling von IP mittels GPRS Tunneling Protocol Application Ende-zu-Ende IP-Transport E.g., IP, PPP PDCP PDCP Relay IP-Tunnel zwischen RNC und SGSN GTP - U GTP -U Relay IP-Tunnel zwischen SGSN und GGSN GTP - U E.g., IP, PPP GTP - U RLC RLC UDP/IP UDP/IP UDP/IP UDP/IP MAC MAC L2 L2 L2 L2 L1 MS L1 L1 L1 L1 L1 Uu Iu-PS Gn Gi UTRAN 3G - SGSN 3G - GGSN 34