Kommunikations- netzemidas1.e-technik.tu-ilmenau.de/~webkn/Webdaten/Lehre/SS2016... · RNC ist...
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Kommunikations-netze
9. Mobilkommunikation Infrastruktur- und Ad-hoc-Netze Grundlagen der Mobilkommunikation Öffentliche Mobilkommunikation:
GSM, GPRS, UMTS
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation311
Vereinfachtes Referenzmodell in der Mobilkommunikation
Anwendung
Transport
Netzwerk
Sicherung
Bitübertragung
Medium
Sicherung
Bitübertragung
Anwendung
Transport
Netzwerk
Sicherung
Bitübertragung
Sicherung
Bitübertragung
Netzwerk Netzwerk
Funk
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation312
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 Frequenzen
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation313
Mobilfunkdienste und -netze
Mobilfunkdienste verwenden „drahtlose“ Übertragungskanäle als „Anschlussleitung“ Funkkanäle (Funksysteme) Infrarot (Indoorsysteme)
Ziele der Verwendung leitungsloser Anschlussleitungen Örtliche Beweglichkeit Teilnehmer-Endgerät Bypass als Netzzugang
Unterscheidung der Mobilfunknetze in Infrastrukturnetze Ad-hoc-Netze
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation314
Drahtlose Infrastrukturnetze
Mobiles EndgerätBasisstation
(Access Point)Festnetz
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation315
Drahtlose Infrastrukturnetze– Aufbau –
Infrastruktur ist Voraussetzung
Kommunikation zwischen Zugangspunkt (Basisstationen, Access Point) und drahtlos angebundenen Endgeräten (Mobilstationen)
1 Hop zum Zugangspunkt ins Festnetz 2 Hops (über den Zugangspunkt) zum Nachbarn
Basisstationen stellen Zugang zum Festnetz bereit
Basisstationen über ein Festnetz miteinander verbunden
mehrere drahtlose Netze können ein logisches Netz bilden
Bsp.: GSM-Netz
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation316
Drahtlose Infrastrukturnetze– Eigenschaften –
vorausgehende Planung nötig
Infrastruktur stellt Dienste zur Namensauflösung, Weiterleitung von Daten, Authentifizierung bereit
keine direkte Kommunikation zwischen den Endgeräten
Komplexität im Zugangspunkt
Endgeräte relativ einfach
Dienstgütegarantien möglich
zentralisierte Verwaltung/Administration
anfällig bei Katastrophenfällen wie Erdbeben, Bränden
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation317
Ad-hoc-Netze– Aufbau –
„ ... a collection of wireless nodes, all of which may be mobile, dynamically create a wireless network among themselves without using any such infrastructure or administrative support.“
IEEE Feb. 2001 S.142
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation319
Eigenschaften vonAd-hoc-Netzen (I) bedürfen keiner Infrastruktur bedürfen keiner vorausgehenden Planung dezentrales Netzmanagement
self-creating self-organizing immer und überall self-administering dadurch:
• dynamische Änderung der Topologie möglich• selbständige Aufnahme/Abmeldung von Stationen• größtmögliche Flexibilität und Unterstützung:
• von spontanen Treffen• einer Kommunikation fernab jeglicher Infrastruktur• des schnellen Ersatzes bei zerstörter Infrastruktur• ...
• hohe Komplexität der einzelnen Endgeräte
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation320
Eigenschaften vonAd-hoc-Netzen (II) Endgeräte können direkt miteinander kommunizieren einzelne oder alle Endgeräte arbeiten auch als Router Multihop-Verbindungen (über mobile Nodes) selbständige Routenwahl unanfällig gegenüber Katastrophen offene Fragen:
Zugang zu anderen Netzen Zugang zu Diensten (Authentifizierung, Verwaltung etc.) Dienstgütebereitstellung
durch folgende Spezifikationen unterstützt: WLAN (Wireless Local Area Network) (IEEE 802.11) HIPERLAN 1 (ETSI-Standard) Bluetooth
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation321
Einordnung vonAd-hoc-Netzen
Ad-hoc-Netze(bzw. infrastrukturlose Netze)
IEEE 802.11
HIPERLAN 1
Bluetooth
Infrastrukturnetze
GSM
UMTS
GPRS
HIPERLAN 2/3/4 (WATM)
...
Drahtlose Netze
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation322
Klassifikation von Mobilfunknetzen
Öffentliche Mobilfunknetze
2. Generation: GSM
3. Generation: UMTS
4. Generation: ???
Wireless Local Area Networks WLAN
IEEE 802.11
Wireless Personal Area Networks WPAN
Bluetooth
IrDA
GPRS
HSDPA
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation323
MobilerSatellitenfunk
Übersicht über Mobilfunksysteme
Reichweite
Datenrate
WLAN
indoor regional national kontinental interkontinental
SchnurloseTK-Systeme
Funkrufsysteme
Bündelfunksysteme
(Zellulare) Mobilfunksysteme
UMTSWPAN
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation324
Zentrale technische Probleme in Mobilfunknetzen
Sparsamer Umgang mit Frequenzen
Nutzbares Frequenzspektrum ist endlich und begrenzt gegebenenfalls die Kapazität
Kosten: Siehe UMTS-Versteigerung
Effektive Nutzung durch Bandbreiteneffizenz(geringe Rohbitraten, Modulation)
Wiederverwendbarkeit der Frequenzen (Kanäle) in lokal begrenzten Netzabschnitten (Zellen, zellulare Netze)
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation325
Signalausbreitungsbereiche
Entfernung
Sender
Übertragung
Erkennung
Interferenz
Übertragungsbereich
Kommunikation möglich
niedrige Fehlerrate
Erkennungsbereich
Signalerkennung möglich
keine Kommunikation möglich
Interferenzbereich
Signal kann nicht detektiert werden
Signal trägt zumHintergrundrauschen bei
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation326
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
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation327
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
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation328
GSM
GSM: Groupe Speciale Mobile
Arbeitsgruppe der CEPT (Conference Europeéne des Administrations des Postes et des Telecommunications)
GSM: Global System for Mobile Communication
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation329
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
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation330
Besondere Merkmale der GSM-Empfehlung
Frequenzband GSM 900
• 935-960 MHz Downlink• 890-915 MHz Uplink
DCS 1800• 1805-1880 MHz Downlink• 1710-1785 MHz Uplink
PCS 1900 • 1930-1990 MHz Downlink• 1850-1910 MHz Uplink
Multiplexverfahren Kanalabstand 200 kHz ermöglicht 124 Kanäle
(Funkschnittstelle: FDM) Je FDM-Kanal TDM von 8 Nutzkanälen
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation331
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
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation332
GSM: Überblick
Festnetz
BSC
BSC
MSC MSC
GMSC
OMC,EIR, AUC
VLR
HLR
NSSmit OSS
RSS
VLR
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation333
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
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation334
Zeit-Vielfachzugriff (TDMA)
ZeitbereichGSM-TDMA-Rahmen
GSM-Zeitschlitz
4,615 ms
546,5 µs577 µs
3
935-960 MHz 124 Kanäle mit je 200 kHzAbwärtsrichtung
890-915 MHz
Höhere GSM-Rahmenstrukturen
124 Kanäle mit je 200 kHzAufwärtsrichtung
1 2 3 4 5 6 7 8
Schutz-zeit
Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten TailSchutz-
zeit
3 bit57 1 26 1 57
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation335
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
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation336
Systemarchitektur
Erweiterung des 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
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation337
GPRS – Architektur und Schnittstellen
MS BSS GGSNSGSN
MSC
Um
EIR
HLR/GR
VLR
PDN
Gb Gn Gi
SGSN
Gn
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation338
Zielstellung von UMTS
Bereitstellung von universellen Diensten innerhalb eines Mobilfunknetzes
Dienste des ISDN
GSM-Dienste, Funkrufsysteme, Datenkommunikation leitungsvermittelt, paketvermittelt
Unterstützung verschiedener Zugriffsverfahren: TDMA, FDMA, CDMA, hybrid
Entwicklung der UMTS-Teilnehmerzahlen
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation339
http://www.sfnblog.com/special.php?tag=mobile&category=&order=&lastn=25&offset=25&blogs=3
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation340
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
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation341
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
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation342
Übermittlungsdienste in UMTS
Leitungsvermittelt (Kanalvermittelt)• Unterstützung Kanäle aus ISDN (64kb/s,
128kb/s, 384kb/s,1920kb/s)
• Sprache; 3,1-5-7-Audio
• Sprache/Daten alternativ mit Datenraten8-16-32-64
Paketvermittelt• SVC, PVC
• ISDN verbindungslos, Benutzersignalisierung
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation343
IEEE-Standard 802.11 für Wireless Local Area Networks
Mobiles Endgerät(Mobile terminal)
Zugangspunkt (Access point)
Server
Festes Endgerät(Fixed terminal)
Anwendung
TCP
802.11 PHY
802.11 MAC
IP
802.3 MAC
802.3 PHY
Anwendung
TCP
802.3 PHY
802.3 MAC
IP
802.11 MAC
802.11 PHY
Infrastrukturnetz
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation344
Distribution System
Portal
802.x LAN
AccessPoint
802.11 LAN
BSS2
802.11 LAN
BSS1
AccessPoint
Drahtloses Infrastrukturnetz –Beispiel WLAN
Station (STA) Rechner mit Zugriffsfunktion auf
das drahtlose Medium und Funk-kontakt zum Access Point
Basic Service Set (BSS) Gruppe von Stationen, die dieselbe
Funkfrequenz nutzen
Access Point Station, die sowohl in das Funk-
LAN als auch das verbindende Festnetz (Distribution System) integriert ist
Portal Übergang in ein anderes Festnetz
Distribution System Verbindung verschiedener Zellen,
um ein Netz (ESS: Extended Service Set) zu bilden
STA1
STA2 STA3
ESS
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation345
Ad-hoc Netzwerk – Beispiel WLAN
Direkte Kommunikation mit begrenzter Reichweite
Station (STA):Rechner mit Zugriffsfunktion aufdas drahtlose Medium
Basic Service Set (BSS):Gruppe von Stationen, die dieselbe Funkfrequenz nutzen
802.11 LAN
BSS2
802.11 LAN
BSS1
STA1
STA4
STA5
STA2
STA3
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation346
Zugriffsverfahren für WLAN
CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance)
Konkurrierender Medienzugriff
RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send)
Koordinierung zwischen zwei Kommunikationspartnern zur Vermeidung des Hidden Node Problems
PCF (Point Coordination Function)
Möglichkeit der Zuweisung von Übertragungs-kapazität über einen zentralen Punkt
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation347
Bluetooth
Konsortium: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba - viele Mitglieder
Anwendungen
Anbindung von Peripheriegeräten
• Lautsprecher, Joystick, Kopfhörer
Unterstützung von ad-hoc-Netzwerken
• kleine, billige Geräte
Verbindung von Netzwerken
• beispielweise GSM über Handy - Bluetooth - Laptop
Einfacher, billiger Ersatz für IrDA
eingeschränkte Reichweite
niedrige Datenraten
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation348
Bluetooth – Begriffe
Master Das Gerät, das eine Verbindung zu einem anderen
Gerät aufbaut Slave
Alle Geräte, die sich mit dem Master einen Kanal teilen
Piconetz Eine Ansammlung von zwei bis acht Geräten, die
sich einen Kanal teilen (1 Master, 1-7 Slaves) AM-Adresse (active member)
3-bit lange, temporäre Adresse zur Unterscheidung von Geräten in einem Pico-Netz
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation349
Vergleich Bluetooth – IrDA –WLAN
Standard Bluetooth IrDA Wireless LAN
Verbindungsart Punkt zu Punkt,Punkt zu Mehrpunkt
Punkt zu Punkt
Punkt zu Mehrpunkt
Punkt zu Punkt,Punkt zu Mehrpunkt
Übertragungsrate 0,7 – 24 Mbit/s 4 – 1.000 Mbit/s Bis 500 Mbit/s
Übertragungs-distanz (ca.)
10 – 100 m 1 m 300 m
Übertragungs-umkreis
Omnidirektional 30° Winkel Omnidirektional
Anzahl unterstützter Geräte
8 2
(P2MP optional....)
256
Sicherheits-maßnahmen
Hardwareebene Softwareebene Hardwareebene
HW/SW-Unterstützung
Breit / zunehmend Breit / abnehmend Breit
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation350
Literatur
GROTE, H.; U. STÖPEL; J. SEITZ u. R. TOSSE: Mobile digitale Kommunikation. München: Verlag Moderne Industrie, 2004. ISBN 3-937889-02-7.
KRÜGER, G. u. D. RESCHKE, Hrsg.: Lehr- und Übungsbuch Telematik – Netze, Dienste, Protokolle. 3. aktualisierte Auflage, München; Wien: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2004. ISBN 3-446-22862-4.
ROTH, J.: Mobile Computing – Grundlagen, Technik, Konzepte. Heidelberg: dpunkt.verlag, 2002. ISBN 3-89864-165-1.
SCHILLER, J.: Mobilkommunikation. 2. überarbeitete Auflage, München: Addison Wesley/Pearson Studium, 2003. ISBN 3-8273-7060-4. – Danke für die Überlassung der Folien –
SEITZ, J. ; DEBES, M. ; HEUBACH, M. ; TOSSE, R.: Digitale Sprach-und Datenkommunikation; Netze – Protokolle – Vermittlung. München, Wien : Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2007. – ISBN 3-446-22979-5.