Mobilkommunikationsnetze - GSM/UMTS · 2017. 11. 5. · UMTS • 3G-Netze als Nachfolger von GSM...

Mobilkommunikationsnetze

Vorlesung

1

Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Mitschele-Thiel

Fachgebiet Integrierte Kommunikationssysteme

www.tu-ilmenau.de/iks


- GSM/UMTS -

Vorlesung

Andreas Mitschele-Thiel


Vorlesung

2




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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3




GSM – Architektur

GSM Radio Access Network

BSC

BTS

GSM Core Network(leitungs-

vermittelt)

MSC

GMSC

ISDN

HLR, AuC, EIR


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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


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5




GSM – Architektur

• 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 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/Codierung

• Sprache mit 8 kHz, 8 Bit (ISDN) 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 – Details der Sprachcodierung (Full Rate)


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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 Bit1 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

HLRVLR 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 MSCZiel

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 MSCAnrufer

MS

Telefon-netz

BSS BSS BSS

1 2

3

4

5

6

7

8 8 8

910


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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

HandoverMargin


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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


Vorlesung

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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

MessungMessung

HO-Entscheidung

HO required HO request

Ressourcen-reservierung

Channelactivation

CA ACKHO request

ACKHO 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

– keine explizite Reservierung von Ressourcen

Funkressourcen werden belegt, wenn nötig

– Zusätzliches, paketvermitteltes Kernnetz

Evolutionspfad hin zu UMTS


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GSM – GPRS


BSC

BTS


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

– 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


BSCBTS


vermittelt)

MSC

GMSC

ISDN

GPRS Core Network(paket-

vermittelt)

SGSN

GGSN

Internet

HLR, AuC, EIR

UTRAN

RNCNode B/Base Station


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UMTS R5 – IMS

GSM Edge Radio Access Network

BSCBTS

3G Core Network(paket-

vermittelt, IP-basiert)

SGSN

GGSN

Internet

HLR, AuC, EIR

UTRAN

RNCNode B/Base Station


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UMTS – Soft Handover

Node B 1 Node B 2

RNC


Vorlesung

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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

• 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) 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)


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UMTS – Medienzugriff

• CDMA-basierter Medienzugriff

• Kanalarten

– Radio Bearer

• L2-Dienstzugangspunkt (Service Access Point)

• 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)


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UMTS – Medienzugriff

• Kanalarten (Fortsetzung)

– Transportkanäle

• PHY-Dienstzugangspunkt, von MAC bedient

• Beispiel: Dedicated Channel (DCH) einem Teilnehmer

zugeordneter Kanal (bspw. für Sprachdaten)

– Physikalische Kanäle

• PHY-intern

• definiert durch

– Trägerfrequenz

– Scrambling (und optional Channelization) Code

– Zeitslot (bei Verwendung von TDD)

• 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 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 (Breathing)


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UMTS – Mobility Management

• Tunneling von IP mittels GPRS Tunneling

ProtocolEnde-zu-Ende IP-Transport

IP-Tunnel zwischen SGSN und GGSN

IP-Tunnel zwischen RNC und SGSN

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