21. Mobile Kommunikation

21. Mobile Kommunikation 21.1 Überblick Historische Vorläufersysteme: - Betriebsfunk, Dezentrale Paketfunknetze, Modacom Dienst bei 433 MHz, C-Netz... Mobile & digitale Telefonnetze mit festen Basisstationen: - D1/D2/E+ Netze digital & zellulär (GSM), - DECT für Schnurlostelephone & -daten, - verschiedene Systeme in USA, - UMTS... Lokale Funknetze / WLANs: - IEEE 802.11x (USA..), HiperLAN2 (ETSI), Bluetooth,..., - Dezentrale oder zentrale Zugangssteuerung, Zugangspunkte zum Festnetz, - 1,2-32 Mbit/sec (Nettodatenrate), Zellengrösse 10-300m, 2,4 bzw. 5 GHz. Satelliten: - Rundfunk, Navigation, Telephon, Daten. Infrarotübertragung als Alternative. 1 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.2 Vergleich IEEE 802.11 versus Hiperlan 2 Standard Recommend. 802.11 802.11b 802.11a HiperLAN2 Radio Spectrum 2.4 GHz 2.4 GHz 5 GHz 5 GHz ~Max physical rate 2 Mb/s 11 Mbit/s 54 Mb/s 54 Mb/s ~Max data rate, layer 3 1.2 Mb/s 5 Mb/s 32 Mb/s 32 Mb/s Medium access Carrier sense CSMA/CA CSMA/CA TDMA/TDD Connectivity Conn.-less Conn.-less Conn.-less Connection-oriented Multicast Ja Ja Ja Ja QoS support PCF PCF PCF RSVP/DiffServ Authentication Keine Keine Keine NAI/IEEE address/x.509 Encryption 40-bit RC4 40/128-bit 40/128-bit DES, 3DES (56/112) Handover support spezial spezial spezial Standard for Ethernet Fixed network support Ethernet Ethernet Ethernet Ethernet, IP, ATM, UMTS Frequency selection DSSS or Frequenz-H. DSSS Single Carrier Single Carrier, dynamic sel. (http://www.hiperlan2.com, 2003), www.abcdata.de/wlan_standards_einleitung.htm 2 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.3 Mobilfunk nach GSM-Empfehlung = Global System for Mobile Communication. 21.3.1 Zelluläre Topologie Wieso zellulär? - Asymmetrische Leistung von Basisstation & Mobile, - Gerätedichte bestimmt Zellgröße (0,5..35 km), - Frequency reuse in übernächster Zelle, - Adaptive Steuerung der Sendeleistung. Zelltopologie, - Simulation & Messungen in gegebener Landschaft, - Evtl. Antennen mit Richtcharakteristik, - hexagonale Struktur nur theoretisch. Handover zur nächsten Zelle: - mobile Einheit wählt welche Zelle, - auch während eines Gesprächs, - pro Zelle eine Basisstation. 3 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.3.2 GSM-Netzarchitektur Abkürzungen ("Kürzelinflation"): - MSC - Mobile Switching Center - BTS - Base Transceiver Station, - BSC - Base Station Controller - BSS - Base Station Subsystem - IWF - InterWorking Function - MS - Mobile Station BTS BSC MSC BTS BTS BSC MSC PSTN /ISDN BTS BTS BSC MSC BSC BTS BTS 4 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

Übertragungskanäle: - "Bm": Sprachkanal brutto 22,8 Kbit/sec, - "Bm": Datenkanal mit netto 9600 Bit/sec, - "Lm": evtl. Sprache oder Daten mit halber Rate, - "Dm": Signalisierung & Messages mit ~750 B/s. Teledienste (Teleservices): - Sprache inkl. Notrufe, - Datenruf mit 9600 bit/sec, - Short Message Services / SMS, - Multimedia Messages / MMS, - Wireless Web Access Protocol / WAP Übertragungsdienste (Bearer service): - 13 kbps Sprache, 300 9600 Bps Daten: - Packet- & PAD Zugang zu X.25 (PSPDN), - IWF mit ISDN & CSPDN, synchron / asynchron, - Kanalbündelung für höhere Datenraten (HSCSD, GPRS, Edge..) 1*Bm + 1*Dm => oder 2*Lm + 1*Dm 5 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.3.3 GSM Funkkanalorganisation & Frequenzaufteilung Richtungstrennung im Frequenzbereich (D-Netze, E-Netze hoehere Fr.): - MS-BS: 890-915 MHz, BS-MS: 935-960 MHz In jede Richtung 124 Trägerfrequenzen: - jeweils pro Basisstation (-Überlappung), Frequenzabstand 200 KHz, - um die Mehrwegeausbreitung zu kompensieren 217 Frequenzwechsel pro Sec. - 270,833 kbit/sec pro Trägerfrequenz, TDMA-Rahmen: - 217 pro Sekunde (4,615 msec), - 1 normaler Zeitschlitz pro Gespräch, - 8 Zeitschlitze pro Rahmen (je 577 µsec), - auf 25 normale Rahmen folgt ein Kontrollrahmen, - brutto (~150 * 217) Bits/sec, netto ~13 kbps für Sprache. 4 Typen von Zeitschlitzen: - Normaler Burst für Nutzinformation, - Synchronisier Burst für die Rahmensynchr., - Frequenzkorrektur zur Feinabstimmung, - Verkürzter access Burst zur Anmeldung. 6 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

- Viele Subkanaäle im Überrahmen. "Nachrichtentechnische Kaskade": - FDMA 124-fach, - TDMA 8-fach, - Blockung 2-fach, - Interleaving 8-fach, - Überrahmen / 26, upstream 270,833 kbit/s downstream 935-960 MHz 890-915 MHz 200 khz TDMA-Rahmen (217 pro Sec.) 8 Zeitschl. pro TDMA-Rahmen 57 Bit Daten 26 Bit Training 57 Bit Daten 1 normaler Zeitschlitz 7 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess 1 Überrahmen

Funkkanäle sind besonders unzuverlässig: - Gleichkanalstörungen aus Nachbarzellen, - Mehrwegausbreitung, Dopplereffekte, - Abschattung, Dispersion. Frequenzhüpfen als Abhilfe (Slow frequency hopping): - 217 mal pro Sekunde, - destruktive Interferenz ist selten, - Konflikte mit Nachbarzellen nicht auf jeder Frequenz. Verschachtelung der Gesprächspakete (Interleaving),: - Verteilt stossartiger Störungen zum Beispiel über 8 TDMA-Slots, - Verzögerung entsprechend 8 TDMA Rahmen unvermeidlich. Datenkanäle mit gleichmässiger Redundanz: - Faltungscode mit (51% Redundanz), - Prüfsumme (40 Bits von 224), - Radio Link Protokoll (RLP). 8 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.3.4 Redundante Sprachcodierung anschliessend an optimales Codec, unterschiedlich relevante Bitklassen. 50 Bits (1a) 132 Bits (1b) 78 Bits (2) Blocksicherung 50 3 132 4 Faltungscode (r=0,5 ; K=5 ) 13 kbps Sprachcodec (LPC) PCM Abtastung 8 Bit, 8000 mal pro Sekunde 378 78 Interleaving (z.b. 8 fach: 5,13,21,29 453) nachfolgender Block 57 Training 57 9 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.3.5 GSM Schnittstellen Interworking Funktion zum festen Netz: - Anpassung der Sprachcodierung, - Bitratenadaptierung TE MT Mensch-Maschine Schnittstelle Mobilstation Telematikdienst Übertragungsdienst (bearer ) Basisstation Mobilfunk- Verm. IWF Festes Netz, z.b.isdn Basisstation Mobilfunk- Verm. "GSM"-"PLMN" NT 10 TE Mensch-Maschine Schnittstelle Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.3.6 Teilnehmeradressierung: Mobile Teiln. ISDN Nummer (MSISDN): - Country Code / Heimat-Netz Nummer, - Vorwahl / Ortsnetzkennung -> HLR index, - Teilnehmer-Nummer lokal, - verankert in einer Einsteckkarte. Internationale Mobilstationsnummer: - Country Code / Heimat-Netz Nummer, - Vorwahl / Ortsnetzkennung -> HLR index, - Teilnehmer-Identität, - auch als Diebstahlsicherung. Mobile Station roaming number: - Country Code, fremdes Netz, - Vorwahl / Ortsnetzkennung -> VLR index, - temporäre Teilnehmer-Nummer aus der Sicht des Netzes. 11 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.3.7 Roaming: Home Location Register in jeder Mobilfunkvermittlung: Visitor Location Register für netzfremde Besucher, Entgelt für Nutzung ausländischer Netze? erlaubt Entgegennehmen von Anrufen, herumstreunende Teilnehmer, Anmeldung im fremden Netz, BSS Verm. VLR Verm. BSS HLR 12 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.3.8 Handover: - impliziert durch zelluläre Organisation - nicht zu verwechseln mit Roaming, - internes Handover: unter Verantwortung der Basisstation, - extern unter Einbezug der Vermittlung, Vertraulichkeit ist wünschenswert für - für Gesprächsinhalt und für den Aufenthaltsort der Teilnehmer BSS interne Weitergabe BSS Verm. externe Weitergabe BSS Verm. 13 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.4 DECT (=Digital Enhanced Cordless Telephone) url: www.dms.it/tecnical/dect/dect.htm Drahtlose Kommunikation im lokalen Bereich: - 100 m innerhalb von Gebäuden, 500 m im Freien, - maximal 120 Kanäle à 32 kbps. Netztopologie: - Verbindung zum Festnetz und zu anderen Mobilteilen über Basisstation, - Zelluläre Netzstruktur für höhere Teilnehmerzahlen möglich, - über Basisstation oder Peer-to-Peer (ad-hoc) Rechnernetze. Primär für Telephonbetrieb: - Gute Sprachqualität (digitales Verfahren), - Sprachcodierung: ADPCM, G.721 (ITU), - "Air Interface": ETS 300.175-x. Datenkommunikation: - n * 32 KBit/sec, Zugang zum ISDN mit 64 KBit/sec, - Kleinere Datenrate pro Kanal als W-LAN. - Gutes Real-Time Verhalten. - Synergien mit Telephon. 14 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.4.1 Szenarien: Private Haushalte: Schnurlose Ergänzung für PBX. "Letzte Meile" zum Teilnehmer: Öffentliche Telephonversorgung in Ballungsräumen: Legende: - RFP: Radio Fixed Part, - WRS: Drahtlose Relais Station, - CTA: Customer Teleph. Adapter. - CCFP: PBX, Common Control Fixed part 15 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.4.2 FDMA/TDMA-Konzept: 100 Rahmen pro Sekunde & Frequenz. 2 * 12 Zeitschlitze pro Rahmen. 320 Nutzbits pro Zeitschlitz. 10 Trägerfrequenzen. 16 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.4.3 Technische Kenngrössen: Charakteristiken: - Datenrate: 32 KBit/sec - Kanäle: 120 Duplexkanäle - Frequenz: 1880-1900 MHz (Europa) - Träger: maximal 10 Trägerfrequenzen - Rahmen: 100 / sec je Trägerfrequenz - Leistung: 10 mw (max. 250 mw) - Zeitschlitze: 24 pro Rahmen - Reichweite: 50-500 m "DECT Application Profiles": - gap: minimale Anforderungen für Sprache - iip: ISDN Anbindung (Telephon) - gip: GSM interworking Profile - mmap: Multimedia Access Profile - rap: Öffentlicher Telefondienst - ctm: Benutzermobilität im Intelligenten Netz. Einfache Basisstationen unterstützen nur 1 Trägerfrequenz gleichzeitig. 17 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.4.4 DECT Architekturmodell: Vergleichbar und angelehnt an ISDN Protokollstack. Netzwerkebene für Signalisierung, Autorisierung, Handover zw. Zellen. Dezentrale Mediumszugangssteuerung: - Beacon Funktion der Basisstation... 18 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.5 CDMA (= Code Division Multiple Access) 21.5.1 Zugriffsdimensionen für Mobilfunknetze Zeitschlitze: TDMA (Time Division Multiple Access). Spreizspektrum: CDMA (Code Division Multiple Access), Trägerfrequenzen: FDMA (Freq. Division Multiple Access), Funkzellen, Abstrahlwinkel: SDMA (Space Division Mult. Acc.), Nutzung mehrerer Multiplex-Dimensionen: Standard GSM DECT IS-95 UMTS 802.11x Bluetooth SDMA FDMA TDMA CDMA CSMA + + + - - + - + - - + - - + - + - + + - + + - + + + + + - - 19 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.5.2 Spreizspektrumtechnik: IS-95A als Vorläufer-Standard; Konkurrenz zu GSM in den US. Anwendungsbereiche: - Mobilfunksysteme der 3. Generation, - global positioning System (GPS), - militärische Funkgeräte, - drahtlose LANs. Vorteile: - Geringere Batteriebelastung, - Asynchroner Betrieb der Endgeräte, - Bessere Ausnutzung des verfügbaren Radio-Spektrums, - Unterschiedliche Datenraten auf gemeinsamem Kanal sind möglich, - Durch Mehrwegausbreitung entstehendes Fading wird reduziert, Varianten zur Spektrumsspreizung: - "Slow Frequency Hopping" (GSM: 217 Hz), - "Fast Frequency Hopping" (1 Symbol/Hop), - "Direct Sequence F... " (<<1 Symbol/Hop). 20 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.5.3 Allgemeines Prinzip der Spektrumsspreizung: Lösungsansatz: - Aufweiten des Übertragungsspektrums, - gemeinsame Nutzung des Spektrums, - spezifische Frequenzfolge pro Nutzer, - synchrone Decodierung. Auf einer Frequenz auftretende Störungen werden unterdrückt. Nutzsignal kann schwächer als der im Kanal vorhandene Rauschpegel ausfallen (Geheimhaltung). Gespreiztes Signal Empfangenes Sig. Nutzsignal f f Störung f f Decodiertes Signal 21 f Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.5.4 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS, zb. IS-95) Jeder Teilnehmer erhält eine separate Zufallszahl als Code (z.b. 64 Bit). Nutzsignal wird mit dem Code "zerhackt": Chiprate: - Bitrate mit welcher der Code getaktet wird, - IS-95 zum Beispiel mit 1,2288 MBit/Sekunde, - ein Chip ist ein Bit der Codesequenz. 64 Bit Code 1,2288 Mbps 19,2 kbps Nutzsignal XOR 22 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

Faltungscodierer als Vorstufe: - erhöht Sprachbitrate von 9,6 auf 19,2 kbps, - Verschränkt die einzelnen Bits (Interleaving). Übertragung des gespreizten Signales: - nach entsprechender Filterung, - Bandbreite ca. 1.3 MHz. Für öffentlichen Telephondienst: - Keine Frequenzen in Europa. - 45 MHz Trägerseparation, - 1,3 MHz Bandbreite. - 806-890 MHz, PCS: - Personal Comm. Systems - Für schnurlose Telephone: - 1850-1990 MHz, - 80 MHz Trägerseparation, - 1,3 MHz Bandbreite. 1,3 MHz ~850 MHz Upstream Downstream 45 Mhz 10 khz f 23 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

21.5.5 Empfang von CDMA Kanälen: Sendeleistung wird auf ein breiteres Frequenzband verteilt: - aufwendige Verarbeitung im Empfänger (Processing Gain). - niedriges S/N Verhältnis zulässig, Synchrone Decodierung: - Empfänger muss auf die Chip-Folge synchronisieren, - evtl. mehrere Mobilstationen simultan decodieren => "Joint Detection": - BS kennt alle Teilnehmercodes, - Basisstation bedient viele Teilnehmer, - in jedem Kanal fremde Beiträge subtrahieren, - ergibt verbesserte Detektion in der BS, - verlangt grosse Rechenleistung. "CODE Division Multiple Access", - dient der Adressierung des Teilnehmers, - ist Grundlage für das Multiplexprinzip, - dient der Verschlüsselung. DSSS Signal nur zu erkennen, wenn Frequenzcodierung bekannt. 24 Rechnernetze II, So 2004, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess