mobilkommunikationsnetze - gsm/umts · • interleaving: aufteilung kodierter 456-bit-blöcke auf...
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Mobilkommunikationsnetze
Vorlesung
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Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Mitschele-Thiel
Fachgebiet Integrierte Kommunikationssysteme
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Mobilkommunikationsnetze
- GSM/UMTS -
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Markus Brückner
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GSM
• Global System for Mobile Communications
• Dienste:
– Sprache
• leitungsvermittelt
• 7 kHz Kanalbandbreite
– 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
• …
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GSM – Gliederung
• 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
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GSM – Gliederung
• OSS (Operation Subsystem)
– Netzbetrieb & -überwachung
– Operation and Maintenance Center (OMC)
– AuC (Authentication Center)
– Equipment Identity Register (EIR)
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GSM – Funknetz
• 14 Frequenzbänder (380-1900 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
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GSM – Medienzugriff – SDMA
• Netzaufteilung in Zellen
• Wiederverwendung von Ressourcen (Frequenzen,
Zeitslots)
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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
124
1
124
1
200 kHz
⁞
⁞
f
t
935,2 MHz - 960 MHz
890,2 MHz - 915 MHz
Downlink
Uplink
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GSM – Medienzugriff – TDMA
• Aufteilung Kanäle in GSMA-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
6 7 8 1 2 3 4 5
1 2 3 4 5 6 7 8
Downlink
Uplink
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GSM – Modulation/Coding
• Sprache mit 8 kHz, 8 Bit abgetastet 64 kBit/s
• Kompression auf max. 13 kBit/s in Paketen von
20 ms/260 Bit (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)
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GSM – Modulation/Coding
• GSM-Burst
• 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)
1 2 3 4 5 6 7 8
guard tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten tail guard
GSM-TDMA-Frame
3 Bit 57 Bit 26 Bit 57 Bit 3 Bit 1 1
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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
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GSM – Mobility Management - Lokalisierung
HLR VLR 1
VLR 2
MSC 1
MSC 2
Location Area 1 Location Area 2
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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.)
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GSM – MM – Rufaufbau vom Endgerät
1. Verbindungs-
anforderung
2. Sicherheitsprüfung
3. Ressourcen-
prüfung
Verfügbarkeit
eines leitungs-
vermittelten Kanals
4. Rufaufbau
VLR
GMSC MSC Ziel
MS
Telefon-netz
BSS
3 3 3
2
4 1
4 1
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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
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
HLR VLR
GMSC MSC Anrufer
MS
Telefon-netz
BSS BSS BSS
1 2
3
4
5
6
7
8 8 8
9 10
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GSM – Mobility Management - Handover
• HO-Entscheidung durch Netz basiert auf Messungen
der MS
– Hysterese (Handover Margin) zur Vermeidung von Ping-
Pong-Effekten
Bisheriger Link
Neuer Link
Handover Margin
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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
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clear cmd. clear cmd. HO complete
HO complete
HO command HO command
GSM – MM - Handover
• Beispiel: Wechsel des BSC
MS BTSold BSCold MSC BSCnew BTSnew
Messung Messung
HO-Entscheidung
HO required HO request
Ressourcen-reservierung
Channel activation
CA ACK HO request ACK
HO command
HO access
Verbindungsaufbau
clear complete clear complete
Make
Break
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GSM – Security
• Authentifizierung
– Nutzer ggü. SIM: PIN
– SIM ggü. Netz: Challenge Response (A3)
• Verschlüsselung
– A5/1: häufig verwendeter Stromchiffre, mittlerweile
gebrochen
– A5/2: schwächere Version von A5/1, für neue Geräte
unzulässig
– A5/3: neuer Blockchiffre, noch nicht überall unterstützt,
Angriffe demonstriert
• Anonymität
– IMSI wird nicht via Funk übertragen, stattdessen
Verwendung von TMSI
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GSM – GPRS
• General Packet Radio Service
• Datendienst auf GSM-Basis
– Verwendung mehrerer Zeitschlitze pro Frame
deutlich höhere Datenraten möglich
– kein expliziter Aufbau einer Verbindung Funkressourcen
werden belegt, wenn nötig
– Zusätzliches, paketvermitteltes Kernnetz
Evolutionspfad hin zu UMTS
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GSM – GPRS
GSM Radio Access Network
BSC
BTS
GSM Core Network (leitungs-
vermittelt)
MSC
GMSC
ISDN
GPRS Core Network (paket-
vermittelt)
SGSN
GGSN
Internet
HLR, AuC, EIR
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UMTS
• 3G-Netze als Nachfolger von GSM
• 14 Frequenzbänder von 700-2600 Mhz
• CDMA mit FDD oder TDD, 5 MHz Kanalbandbreite
• paket- und leitungsvermittelt
• Datenraten
– 64 kBit/s Sprachkanäle
– UMTS R99: bis 384 kBit/s Downlink
– High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA): 0,9 MBit/s
(QPSK) bis 21,1 Mbit/s (64-QAM) mehr durch
Bündelung mehrerer Zellen/Kanäle
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UMTS R99 – Evolution von GSM
GSM Radio Access Network
BSC BTS
GSM Core Network (leitungs-
vermittelt)
MSC
GMSC
ISDN
GPRS Core Network (paket-
vermittelt)
SGSN
GGSN
Internet
HLR, AuC, EIR
UTRAN
RNC Node B/ Base Station
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UMTS R5 – IMS
GSM Edge Radio Access Network
BSC BTS
3G Core Network (paket-
vermittelt, IP-basiert)
SGSN
GGSN
Internet
HLR, AuC, EIR
UTRAN
RNC Node B/ Base Station
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UMTS – Soft Handover
Node B 1 Node B 2
RNC
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UMTS – Soft Handover
• Gleichzeitige Verbindung zu mehreren Funkzellen des gleichen 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
– aufwändige Signalkombination im RNC
• Sonderfall Softer Handover: Soft Handover zwischen zwei Sektoren einer Basisstation effizientere Signalkombination möglich
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UMTS – Power Control
• Problem: CDMA setzt ähnliche Empfangsstärke aller
Endgeräte an der Basisstation voraus
unterschiedliche Pfadbedingungen
Anpassung der Sendeleistung notwendig
• Beispiel: Inner Loop Power Control (ILPC)
– Rate 1500 Hz
– Schätzung Signal-Rausch-Verhältnis durch Node B
– Node B sendet Transmit Power Control Commands („up“
oder „down“ an Endgerät
– abhängig von Algorithmus: Endgerät passt Sendeleistung
in voreingestellter Schrittweite an
– Ziel: schneller Ausgleich wechselner Kanalbedingungen
(Fast Fading)
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UMTS – Medienzugriff
• CDMA-basierter Medienzugriff
• Kanalarten
– Logisch
• RLC –Ebene
• Transport- oder Steuerkanäle
• Beispiel: Common Control Channel (CCCH) gemeinsamer
Kanal für Steuerdaten aller MS einer Zelle (bspw.
Aushandeln von Funkressourcen)
– Transport
• MAC-Ebene
• Beispiel: Dedicated Channel (DCH) einem Teilnehmer
zugeordneter Kanal (bspw. für Sprachdaten)
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UMTS – Medienzugriff
• Kanalarten (Fortsetzung)
– Physisch
• auf PHY-Ebene
• definiert durch
– Trägerfrequenz
– Scrambling (und optional Channelization) Code
– Zeitslot (bei Verwendung von TDD)
• Beispiel: Dedicated Physical Data Channel (DPDCH)
Transportkanal für DCH
• Auf- und Abbau von Kanälen durch Radio Resource
Control nach Bedarf
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UMTS – Cell Breathing
• Zellgröße bei UMTS abhängig von Last
– bestimmter Durchsatz nur bei bestimmtem Signal-Rausch-
Abstand erreichbar
– Kommunikation anderer Teilnehmer
höhere Interferenz
bei gleichbleibender Signalstärke geringerer Signal-
Rausch-Abstand
– letztlich: SNR unterschreitet kritische Marke, Geräte
müssen Zelle wechseln Zellgrenze nach innen
verschoben
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UMTS – Mobility Management
• Tunneling von IP mittels GPRS Tunneling
Protocol
Terminierung des IP-Tunnels des Endgeräts
Tunnel über IP-Netz
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Kontakt
Besucheradresse:
Technische Universität Ilmenau Helmholtzplatz 5 Zusebau, Raum 1034 D-98693 Ilmenau
fon: +49 (0)3677 69 4125 fax: +49 (0)3677 69 1226 e-mail: markus.brueckner@tu-ilmenau.de
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