7. Öffentliche Mobilkommunikations-...

Kommunikationsnetze für MT Sommersemester 2018

Fachgebiet Kommunikationsnetze 1

7. Öffentliche Mobilkommunikations-netzeAllgemeine Grundlagen, GSM, GPRS, UMTS, LTE

Allgemeine Grundlagen

▪ Öffentliches terrestrisches Mobilfunknetz

▪ Public Land Mobile Network (PLMN)

▪ Infrastrukturnetz unter der Administration eines Betreibers

▪ Weltweit eindeutige Kennung (auch als PLMN bezeichnet) zusammengesetzt aus

▪ Mobile Country Code (MCC) – Beispiel Deutschland: MCC 262

▪ Mobile Network Code (MNC) – Beispiel Vodafone in Deutschland: MNC 02

▪ Üblicherweise unterteilt in

▪ Funksubsystem mit der Luftschnittstelle zwischen mobilem Endgerät und

Funkbasisstation

▪ Drahtgebundenes Vermittlungs(kern)netz zur Vermittlung der Informationen zwischen

Funkbasisstationen oder einer Funkbasisstation und einem Übergang in ein anderes Netz

▪ Netzleitsystem für Netzmanagement und Sicherheitsaufgaben

Kommunikationsnetze (MT) - 7. Öffentliche Mobilkommunikationsnetze 274



Zellenbasierte Funkabdeckung


Idealisierte hexagonale Zellenform

(Zellen überlappen unregelmäßig)

Netzabdeckung UMTS


http://www.umts-netzabdeckung.com/files/2012/04/4-netze-umts-2-1024x355.jpg



Netzabdeckung LTE


Deutschlandweite LTE-Abdeckung von Telekom, Vodafone und o2 im Vergleich

Bild: teltarif.de

Zellenstruktur – Vorteile und Herausforderungen

Vorteile

▪ Benötigte Sendeleistung und Latenz

begrenzt wegen geringer Distanz zwischen

mobilem Endgerät und Basisstation

▪ Energieeffizienz

▪ Unterschiedliche Zellengröße wählbar

abhängig von erwartetem Verkehrs-

aufkommen (Stadtzentrum vs. Thüringer

Wald)

▪ Wiederverwendung von Frequenzen in

weiter entfernten Zellen möglich

▪ Erhöhung der Anzahl gleichzeitiger Nutzer

(„Raummultiplex“)

Herausforderungen

▪ Lokalisierung des mobilen Endgeräts bei

Kommunikationswunsch von außen

▪ Handover bei Zellwechsel

▪ Nachhaltige Planung der Zellstruktur unter

folgenden Gesichtspunkten:

▪ Erwartete Nutzerzahl

▪ Auswirkungen durch das Gelände / die

Bebauung

▪ Wirtschaftlichkeit




Funkschnittstelle

▪ Lizenzierte Frequenzbereiche exklusive Nutzung

▪ Duplexkommunikation

▪ Frequency Division Duplex (FDD): unterschiedliche Frequenzen für Uplink und

Downlink

▪ Time Division Duplex (TDD): unterschiedliche Zeitschlitze für Uplink und Downlink

▪ Kombination von FDD und TDD

▪ Unterstützung mehrerer Nutzer gleichzeitig

▪ Zeitmultiplex (TDMA)

▪ Frequenzmultiplex (FDMA)

▪ Codemultiplex (CDMA)

▪ Unterscheidung von Nutzdaten und Signalisierung


Lokalisierung

▪ Adressierung des Endgeräts durch eindeutige Adresse (z. B. Telefonnummer)

▪ Kein Rückschluss auf aktuellen Aufenthaltsort des Endgeräts

▪ Mitunter kein Rückschluss auf Provider (wegen Rufnummernmitnahme)

▪ Abbildung der Telefonnummer auf eindeutige Subscriber-Adresse,

die eine Kennung des Providers enthält

▪ Nachschlagen des Aufenthaltsorts in einer Datenbank, die ständig aktuell gehalten werden muss

Signalisierung durch das mobile Endgerät

▪ Lokalisierungsgranularität: Versorgungsbereich des Randvermittlungsknotens zur Verminderung

des Verkehrsaufkommens

Paging nach Endgerät notwendig

▪ Sicherheitsgefahr durch Verfolgen der Signalisierungsnachrichten

Nachverfolgung (Tracking) des Endgeräts möglich

Anonymisierung der Signalisierung




Handover / Handoff

▪ Wechsel der Zelle / des Kanals der Funkschnittstelle

▪ aufgrund der Mobilität des Endgeräts

▪ aufgrund der aktuellen Netzauslastung

▪ wegen eines gestörten Kanals in der Zelle

▪ Ziel: keine Unterbrechung eines laufenden Kommunikationsvorgangs

▪ Drei Phasen:

(1) Erkennen der Notwendigkeit eines Handovers

Messungen von Kanalparametern und Handover-Entscheidung

(2) Identifikation und Reservierung des neuen Kanals

(3) Umschalten auf neuen Kanal und Freigeben des alten Kanals

▪ Arten des Handovers (in Bezug auf Phase 3):

▪ Hard Handover – Nutzdaten werden immer nur über eine Basisstation geschickt

▪ Soft Handover – Nutzdaten werden gleichzeitig über zwei Basisstationen geschickt


Arten des Handover

▪ Network Controlled Handover

▪ Netzseitige Kanalmessung

▪ Netzseitige Handover-Entscheidung

▪ Network Assisted Handover

▪ Kanalmessung auf beiden Seiten (mobiles Endgerät und Netz)

▪ Übermittlung der Messergebnisse vom Netz zum mobilen Endgerät

▪ Handover-Entscheidung auf dem mobilen Endgerät

▪ Mobile Assisted Handover

▪ Kanalmessung auf beiden Seiten (mobiles Endgerät und Netz)

▪ Übermittlung der Messergebnisse vom mobilen Endgerät zum Netz

▪ Netzseitige Handover-Entscheidung

▪ Mobile Controlled Handover

▪ Kanalmessung nur auf dem mobilen Endgerät

▪ Handover-Entscheidung auf dem mobilen Endgerät




Handover-Entscheidung

▪ Verschiedene Handover-Vorgänge

▪ Horizontaler Handover Wechsel des Kanals bei gleichbleibender Technologie

▪ Vertikaler Handover Wechsel der Technologie (z. B. Handover von LTE nach WLAN)

▪ Verschiedene zu berücksichtigende Parameter:

▪ Kanaleigenschaften (üblicherweise auf beiden Seiten)

▪ Received Signal Strength (RSS), Signalrauschabstand (SNIR), Bitfehlerrate, …

▪ Dienstgüteeigenschaften

▪ Verzögerung, Durchsatz, Jitter, laufende Anwendungen, Anzahl der Handover (Ping-Pong-Effekt), …

▪ Providerparameter

▪ Aktuelle Auslastung, Lastverteilung, …

▪ Nutzerpräferenzen

▪ Kosten, bevorzugte Provider, …

▪ Mehrdimensionales Problem Multi Criteria Decision Making


Roaming

▪ Nutzung von Kommunikationsdiensten in

Fremdnetzen, die nicht vom eigentlichen Provider

betrieben werden, z. B. Nutzung des Handys im Ausland

weltweite Erreichbarkeit unter einer Telefonnummer

▪ „Roaming Agreements“ zwischen den Providern

▪ Fremdnetz muss zur Lokalisierung des Nutzers beitragen

▪ Spezielle Roaming-Tarife, die in der EU im Juni 2017 gefallen sind




Sicherheitsgefahren

▪ Vertraulichkeit des Funkkanals

▪ Verschlüsselung

▪ Authentisierung

▪ beim Einbuchen

▪ bei der Lokalisierung / beim Paging

▪ beim Handover

▪ Verhinderung der Nachverfolgung

▪ Anonymisierung


Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation 286

Vereinfachtes Referenzmodell in der Mobilkommunikation

Anwendung

Transport

Netzwerk

Sicherung

Bitübertragung

Medium

Sicherung

Bitübertragung

Anwendung

Transport

Netzwerk

Sicherung

Bitübertragung

Sicherung

Bitübertragung

Netzwerk Netzwerk

Funk



Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell

Anwendungsschicht Dienstelokation neue Anwendungen (Multimedia) Adaptive Anwendungen

Transportschicht Staukontrolle, Flusskontrolle Dienstqualität

Netzwerkschicht Adressierung, Wegewahl Endgerätelokalisierung Handover

Sicherungsschicht Authentifizierung Multiplexing, Medienzugriff Medienzugangskontrolle

Bitübertragungsschicht Verschlüsselung Modulation Interferenzen Dämpfung

Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation287

Signalausbreitungsbereiche

▪ Übertragungsbereich

▪ Kommunikation möglich

▪ niedrige Fehlerrate

▪ Erkennungsbereich

▪ Signalerkennung möglich

▪ keine Kommunikation

möglich

▪ Interferenzbereich

▪ Signal kann nicht detektiert werden

▪ Signal trägt zum Hintergrundrauschen bei


Entfernung

Sender

Übertragung

Erkennung

Interferenz



Signalausbreitung

▪ Ausbreitung im freien Raum grundsätzlich geradlinig (wie Licht)

▪ Empfangsleistung nimmt mit 1/d² ab (d = Entfernung zwischen Sender und Empfänger)

▪ Empfangsleistung wird außerdem u.a. beeinflusst durch

▪ Freiraumdämpfung (frequenzabhängig)

▪ Abschattung durch Hindernisse

▪ Reflektion an großen Flächen

▪ Streuung (scattering) an kleinen Hindernissen

▪ Beugung (diffraction) an scharfen Kanten


Reflektion Streuung BeugungAbschattung


Mehrwegeausbreitung

▪ Signal kommt aufgrund von Reflektion, Streuung und Beugung auf mehreren Wegen

beim Empfänger an

▪ Signal wird zeitlich gestreut (time dispersion)

Interferenz mit Nachbarsymbolen

▪ Direkte und phasenverschobene Signalanteile werden empfangen

je nach Phasenlage abgeschwächtes Signal

Sendesignal

Empfangssignal




GSM

▪ GSM: Groupe Speciale Mobile

▪ Arbeitsgruppe der CEPT

(Conference Europeéne des Administrations des Postes et des

Telecommunications)

▪ GSM: Global System for Mobile Communication


GSM-Empfehlung

▪ Ausgangssituation Anfang der 80er Jahre:

▪ Trend zu nationalen und inkompatiblen Funknetzen

▪ hohe Gebühren und Gerätepreise

▪ Beschluss der CEPT zur Entwicklung eines paneuropäischen zellularen Mobilfunknetzes (1982)

▪ Noch keine Festlegung digitale Übertragung der Sprache, erst im Verlauf der Entwicklung

▪ Nutzung und Berücksichtigung von Kenntnissen und Errungenschaften des ISDN

▪ 1987: Memorandum of Understanding

▪ Bereitschaftserklärung von 13 Staaten zur Einführung Mobilfunk nach GSM-Standard

▪ Hohe Komplexität des Digitalnetzes

▪ 8000 Seiten Standard



Entwicklung der GSM-Teilnehmerzahlen


https://www.telegeography.com/products/commsupdate/assets/comms_update/images/assets/news20150616-1.gif


Besondere Merkmale der GSM-Empfehlung

▪ Frequenzband

▪ GSM 900

▪ 935-960 MHz Downlink

▪ 890-915 MHz Uplink

▪ DCS 1800



▪ PCS 1900



▪ Multiplexverfahren

▪ Kanalabstand 200 kHz ermöglicht 124 Kanäle (Funkschnittstelle: FDM)

▪ Je FDM-Kanal TDM von 8 Nutzkanälen




Besondere Merkmale der GSM-Empfehlung

▪ Handover

▪ Aufrechterhaltung Verbindung(squalität) bei Wechsel der Feststation (Zelle)

▪ Lenkung der Verkehrsverteilung

▪ Recovery-Prozeduren bei Fehlschlag

▪ Leistungsregelung 30 dB in 2-dB-Schritten

▪ Stromeinsparung am Endgerät

▪ Verminderung von Interferenzen

▪ Diskontinuierliche Übertragung

▪ Erkennung der Sprachaktivität

▪ Einsparung von Energie

▪ geringere Störungen durch Interferenz


GSM: Überblick

Festnetz

BSC

BSC

MSC MSC

GMSC

OMC,

EIR, AUC

VLR

HLR

NSS

mit OSS

RSS

VLR

BTS

BTS

BTS

BTS

BTS




Funkteilsystem (Radio Subsystem RSS)

▪ Mobile Station (MS)

▪ gesamte Ausrüstung des Teilnehmers („Handy“, Autotelefon ...)

▪ Teile:

▪ Schnittstellenspezifische Hard- und Software

▪ Subscriber Identity Module (SIM)

▪ Base Station Subsystem (BSS)

▪ Gesamter funkbezogener Teil des GSM-Netzes


Zeit-Vielfachzugriff (TDMA)

Zeitbereich

GSM-TDMA-Rahmen

GSM-Zeitschlitz

4,615 ms

546,5 µs

577 µs

3

935-960 MHz 124 Kanäle mit je 200 kHz

Abwärtsrichtung

890-915 MHz

Höhere GSM-Rahmenstrukturen

124 Kanäle mit je 200 kHz

Aufwärtsrichtung

1 2 3 4 5 6 7 8

Schutz-

zeitTail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail

Schutz-

zeit

3 bit57 1 26 1 57




GPRS

▪ General Packet Radio Service

▪ Basiert auf existierenden GSM-Netzen

▪ Basis ist Leitungsvermittlung

▪ skalierbare Bitraten durch Bündelung von bis zu 8 Zeitschlitzen

(ein gesamter Funkkanal)

▪ Erreichbare Bitraten bis ca. 170 kbit/s


Systemarchitektur

▪ Erweiterung des GSM NSS um

▪ Gateway GPRS Support Node (GGSN)

▪ Gateway zu anderen Paketnetzen

▪ Umsetzung Paketnetzadressen in IMSI-Adressen

▪ Serving GPRS Support Node (SGSN)

▪ funktionelle Unterstützung der Mobilstationen

▪ Abfrage der Adressen von Gruppenrufen

▪ GPRS Register

▪ GPRS bezogene Teilnehmerdaten, Teil des HLR




GPRS – Architektur und Schnittstellen

MS BSS GGSNSGSN

MSC

Um

EIR

HLR/

GR

VLR

PDN

Gb Gn Gi

SGSN

Gn


Zielstellung von UMTS

▪ Universal Mobile Telecommunication System

▪ Bereitstellung von universellen Diensten innerhalb eines Mobilfunknetzes

▪ Dienste des ISDN

▪ GSM-Dienste, Funkrufsysteme, Datenkommunikation leitungsvermittelt,

paketvermittelt

▪ Unterstützung verschiedener Zugriffsverfahren: TDMA, FDMA, CDMA, hybrid



UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN)


▪ UTRAN besteht aus mehreren RNS

▪ Node B kann FDD, TDD oder beides

unterstützen

▪ RNC ist verantwortlich für Handover-

Entscheidungen, die der

Signalisierung zum UE bedürfen

▪ Zelle bietet FDD oder TDD

RNC: Radio Network Controller

RNS: Radio Network Subsystem

Node B

Node B

RNC

Iub

Node B

UE1

RNS

CN

Node B

Node B

RNC

Iub

Node B

RNS

Iur

Node B

UE2

UE3

Iu


Core Network: Aufbau

BTS

Node B

BSC

Abis

BTS

BSS

MSC

Node B

Node B

RNC

Iub

Node BRNS

Node BSGSN GGSN

GMSC

HLR

VLR

IuPS

IuCS

Iu

CN

EIR

GnGp

C

PSTN

GcGr

Gf

D

B

F



High Speed Packet Access HSPA

▪ High Speed Packet Access

▪ Weiterentwicklung von UMTS, die höhere Datenübertragungsraten ermöglicht

▪ Unterteilung:

▪ Highspeed Downlink Packet Access HSDPA zur Beschleunigung des Downlink

▪ Highspeed Uplink Packet Access HSUPA für den Uplink

▪ Weiterentwicklung HSPA+ mit Downstream-Übertragungsrate von 28-84 Mbit/s

Kapitel 8: PLMN 305Sommersemeste

r 2017

HSDPA - Übertragungsraten

Kapitel 8: PLMN 306

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

HSDPA, 3. Ausbaustufe - Uplink: 3,6 MBit/s

HSDPA, 3. Ausbaustufe - Downlink: 7,2…

HSDPA, 2. Ausbaustufe - Uplink: 1,8 MBit/s


HSDPA, 1. Ausbaustufe - Uplink: 384 kBit/s


UMTS, Uplink: 64 kBit/s

UMTS, Downlink: 384 kBit/s

Quelle: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/1301141.htm Sommersemeste

r 2017



Entwicklung HSDPA / HSUPA

Kapitel 8: PLMN 307

Quelle: http://www.ltemobile.de/HSPA.46.0.html TTI: Transmission

Time Interval

Sommersemeste

r 2017

HSPA+

▪ Ziel der 3GPP-Spezifikation mit der Bezeichnung „HSPA+ Release 7“:

Erhöhung der Datenraten

▪ Bessere Ausnutzung des Frequenzspektrums durch

▪ 64QAM im Downlink

▪ 16QAM im Uplink

▪ MIMO (Multiple Input Multiple Output)

▪ Maximale Geschwindigkeiten:

▪ HSPA+ Release 7: 28,0 Mbit/s (Downlink) 11,5 Mbit/s (Uplink)

▪ HSPA+ Release 8: 42,2 Mbit/s (Downlink) 11,5 Mbit/s (Uplink)

▪ HSPA+ Release 9: 56 Mbit/s (Downlink) 11,5 Mbit/s (Uplink)


r 2017



Long Term Evolution (LTE)

▪ Aktueller Standard für hochratige mobile Datenkommunikation

▪ Migrationspfad von UMTS über HSDPA und HSUPA zu LTE

▪ Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)

▪ Multiple-Input-Multiple-Output-Antennentechnologie (MIMO)

▪ Geringe Latenzzeiten zur Realisierung von IP-basierter Sprachübertragung

▪ Maximale erwartete Datenraten von 300 Mbit/s im Downlink und 75 Mbit/s im Uplink


r 2017

LTE Netzaufbau

▪ eNB = E-UTRAN Node B

▪ MME = Mobility

Management Entity

▪ S-GW = Serving Gateway

http://www.slideshare.net/h

amdani2/lte-long-term-

evolution


r 2017



Vergleich HSPA und LTE

Sommersemeste

r 2017Kapitel 8: PLMN 311

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Trends

Kapitel 8: PLMN 312

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Sommersemeste

r 2017



Hin zu 5 G

5G: IMT 2020 mit folgenden Zielstellungen

▪ 100fach höhere Datenrate als heutige LTE-Netze (also bis zu 10.000 Mbit/s)

▪ rund 1000fach höhere Kapazität

▪ weltweit 100 Mrd. Mobilfunkgeräte gleichzeitig ansprechbar

▪ extrem niedrige Latenzzeiten Ping von unter 1 Millisekunde

▪ 1/1000 Energieverbrauch pro übertragenem Bit

▪ 90% geringerer Stromverbrauch

Kapitel 8: PLMN 313

Quelle: http://www.lte-anbieter.info/5g/

Sommersemeste

r 2017

Literatur

▪ Al Agha, Khaldoun ; Pujolle, Guy ; Ali-Yahiya, Tara: Mobile and Wireless

Networks. London: John Wiley & Sons, 2016.

▪ Andersson, Christoffer: GPRS and 3G Wireless Applications: Professional

Developer’s Guide. New York; Chichester: John Wiley & Sons, 2001.

▪ Roth, Jörg: Mobile Computing. Heidelberg: Dpunkt.Verlag GmbH, 2005.

▪ Sauter, Martin: Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme, 6. Auflage.

Wiesbaden: Vieweg+Teubner Verlag, 2015.

▪ Schiller, Jochen: Mobilkommunikation. München: Addison-Wesley, 2000.

▪ Seitz, Jochen ; Debes, Maik : Kommunikationsnetze. Eine umfassende

Einführung. Anwendungen – Dienste – Protokolle. Unicopy Campus Edition:

Ilmenau, 2016.


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