Zellulare Netze - Institute of Computer Science

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3. Zellulare Netze
Geschichte
 Mobilfunk: Übertragung von Signalen und Nachrichten zwischen
Sender und Empfänger per Funk. Mindestens einer davon ist
beweglich (MS = Mobilstation, „Handy“)
 Anfänge des Mobilfunks reichen bis in die 20er Jahre!
Öffentliches Funktelefon in der Reichsbahn
 1946 erstes Mobiltelefon in den USA: 18 kg, 8 min. Akku
 1957 wurde in Deutschland das erste Mobilfunknetz in Betrieb
genommen, das sog. A-Netz, handvermittelt, 137 Rufzohnen
 1972 Inbetriebnahme des B-Netzes
B Netzes, selbstvermittelt
selbstvermittelt, aber
separate Tel-nr. in jeder Rufzohne (man muss also immer
wissen, wo sich jemand befindet, den man anrufen möchte)
Zellulare Netze
Generation 1 (1G)
Generation 2 (2G)
Generation 2.5 (2.5G)
Generation 3 (3G)
Generation 4 (4G)
Prof. Dr. Dieter Hogrefe
Mobilkommunikation
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
Geschichte
Geschichte
 1981 erstes analoges zellulares Netz mit fester Nummer pro
Teilnehmer, automatisches Handover, Roaming. NMT450
Skandinavien, man bezeichnet dies als 1G (1. Generation)
 1981 C-Netz
C Netz in Deutschland
Deutschland, bis 1
1.1.2001
1 2001
 1982 erste Arbeiten an digitaler Mobilfunktechnik, die neue
Dienste effizient ermöglicht (SMS, Rufumleitung, …), Groupe
S é i l M
Spéciale
Mobile
bil (GSM)
 1987 wurden die daraus resultierenden Ergebnisse von 18
g
Staaten in Form des "Memorandum of Understanding"
unterzeichnet. 1988 wurden die Standards vom europäischen
Institut ETSI übernommen, und fortan weiterentwickelt
2G (2. Generation)
 1992 erste GSM-Netze
 1993 bereits über 1.000.000 Teilnehmer
Mobilkommunikation
3.2









3.3
1998 GSM 1800
1999 Wireless Application Protocol (WAP)
1999 HSCSD
2000 GPRS
GPRS, Generation
G
ti 2.5
2 5 (2.5G)
(2 5G)
25.9.2002 Erste Inbetriebnahme eines 3G-Netzes in Europa
((UMTS)) in Österreich
Kapazität des UMTS-Netzes der österreichischen Mobilkom
beträgt bei Datenübertragung 384 kbps bei Video-Calls 664
kbps
Dezember 2006 NTT DoCoMo nimmt 4G Testnetz in Yokosuka
in Japan in Betrieb. Transferrate von 2,5 Gigabit pro Sekunde.
Februar 2007 Feldversuch mit 100 Gigabit/s bei 10 km/h
4G-Netze auf Basis LTE (Long Term Evolution) in 2010/11
Mobilkommunikation
3.4
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
Generationen
Histore von 1G
 Generation 0 (0G):
Rufzonen, kein Handover
Analog, einheitliche Rufnummer
Digital
 Generation 2.5 (2.5G):
 Anfang der 80er Jahre
 War nicht der Beginn der Mobilkommunikation
 Aber Beginn zellularer Mobilkommunikation mit Handover
g
zwischen Zellen und Roaming
 Kapazität von 1G war erheblich größer, als frühere Systeme
(z.B. A- und B-Netz in Europa), wg. SDMA
 Analoge Übertragungstechnik für Nutzkanäle
Nutzkanäle, ii.d.R.
dR
ausschließlich Sprache
 Digitale Signalisierung bei leitungsvermittelter Wählverbindung
 Kein
K i d
dominanter
i
t St
Standard:
d d
Datenübertragung
Breitbandig digital
Vollständig IP basiert, breitbandig





 etc.
Nordic Mobile Telephone NMT-450 und NMT-900
Total Access Communication System (TACS)
Advanced Mobile Phone Services (AMPS)
C-Netz (Deutschland)
Radiocomm 2000 ((Frankreich))
Generation 1 (1G)
Mobilkommunikation
3.5
3. Zellulare Netze
Mobilkommunikation
3. Zellulare Netze
NMT 450 Nordic Mobile Telephone
Advanced Mobile Phone Services (AMPS)
 weit verbreitetes analoges Netz in (Nord-) Europa, später auch z.B.
Osteuropa Schweiz
Osteuropa,
Schweiz, Indonesien
Indonesien, Thailand
 im 450 MHz-Band (g
(gibt auch 900 MHz Variante))
 180 Kanäle á 25 kHz
 U.S. Standard im 800 MHz-Band, auch Südamerika, Ferner Osten,
Australien und Neuseeland
 Dominierender Standard im US
US-Markt,
Markt fast alle Netzbetreiber
nutzten diesen Standard
 Erfolgsrezept: Massenproduktion von Netzequipment
 Von AT&T in den 70ern entwickelt
 Trotz Nutzung eines einheitlichen Standards, kein Roaming
zwischen den hunderten Netzen in den USA aus technischen
Gründen bis Mitte der 90er
 Nutzer zahlt eingehende und ausgehende Anrufe
Generation 1 (1G)
Mobilkommunikation
3.6
3.7
Generation 1 (1G)
Mobilkommunikation
3.8
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
Total Access Communication System (TACS):
C-Netz
C
Netz (Deutschland)
 Allgemeine Eigenschaften





 britischer Standard, aber auch Mittlerer Osten und Südeuropa,
Japan
 basiert auf AMPS im 900 MHz-Band
Einrichtungsbeginn:1981
Einsatzgebiet: Deutschland
Endkapazität: ca. 500000 Teilnehmer
Vorwahlnummer: 0161 (wird seit der Auflösung für D1 verwendet)
Auflösung: 01.01.2001
Generation 1 (1G)
Mobilkommunikation
3.9
3. Zellulare Netze
Generation 1 (1G)
Mobilkommunikation
3.10
3. Zellulare Netze
C-Netz
C
Netz (Deutschland)
Zellen-Cluster
Zellen
Cluster im C-Netz
C Netz
 Technische Eigenschaften
Radius 2 km - 20 km
 Übertragung: Sprach- und Datensignale werden durch Komprimierung
gleichzeitig übertragen
 Sprachsignale analog, 300 bis 3400 Hz
 Frequenzbereich von der Basisstation zum Teilnehmer (Überband):
461 30 bis 465
461,30
465,74
74 MHz
 Frequenzbereich vom Teilnehmer zur Basisstation (Unterband):
451,30 bis 455,74 MHz
 Duplexabstand: 10 MHz
 Kanalabstand: 20 kHz (222 Kanäle)
 Ausgangsleistung des Senders: 5 mW bis 15 W
Generation 1 (1G)
Mobilkommunikation
3.11
Generation 1 (1G)
Mobilkommunikation
3.12
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
Übertragungstechnik im C-Netz
C Netz
Übertragungsweg
Schon in der ersten Generation: den kleinsten Teil der Übertragungsstrecke
wird ein Mobilfunk
Mobilfunk-Gespräch
Gespräch über Funk geführt
 Sender teilt die Sprachsignale (S)
in Blöcke mit jeweils 12,5 ms ein
 Durch Komprimierung der Blöcke
entstehen Zeitschlitze zwischen
den Blöcken mit ca. 1,1 ms
 In den Zeitschlitzen werden
Datensignale (D) zur Steuerung,
z.B. Handover, untergebracht
 Empfänger trennt die
Sprachsignale und Datenblöcke
wieder voneinander, und
dekomprimiert das Sprachsignal
Handynutzer
Zugangsnetz
Luftschnittstelle
Kernnetz
Handynutzer
Festnetztelefon
Kernnetz
Gateway
Generation 1 (1G)
Mobilkommunikation
3.13
Generation 1 (1G)
Mobilkommunikation
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
Zweite Generation zellularer Netze (2G)
Haupt-Standards
Haupt
Standards für die 2
2. Generation
 Digitale Übertragungstechnik für Nutzkanäle und Signalisierung
 Höhere Kapazität, breiteres Frequenzspektrum
 Hierarchische Zellstruktur: MakroMakro , Mikro
Mikro- und Picozellen




Global System for Mobile Communication (GSM)
Digital AMPS (D-AMPS)
IS-95
P
Personal
l Di
Digital
it l C
Cellular
ll l (PDC)
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.14
3.15
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.16
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
GSM (Global System for Mobile Communications)
GSM
 GSM ist das erfolgreichste 2G-System mit einem weltweiten Anteil
von etwa 70%
 1982: CEPT gründet Group Spéciale Mobile (GSM)
 1988 Zeigen erste Versuche,
Versuche dass GSM funktionieren könnte
 1989 Übernahme der Arbeiten durch ETSI (European
Telecommunications Standards Institute)
 geplant: Juli 1991 Inbetriebnahme erster Netze (aber es gab keine
korrekt funktionierenden Endgeräte)
 1992 Inbetriebnahme erster Netze
 1993 bereits mehr als eine Million Teilnehmer
 1993 erste Implementierung außerhalb Europas (Australien,
Hongkong, Neuseeland)
 z.Zt.
z Zt ca.
ca 3.700.000.000
3 700 000 000 Teilnehmer (ca.
(ca 87 Mio
Mio. in Deutschland)
http://www.gsmworld.com
 weltweite Abdeckung: http://www.gsmworld.com/roaming/gsminfo
 Digitales Netz größtenteils im 900, 1800 und 1900 MHz Band
 In Deutschland T-Mobile, Vodafone, E-Plus, O2
 „Roaming“-Verträge
R
i “ V t ä machen
h aus d
den verschiedenen
hi d
GSM
GSM-Netzen
N t
ein einziges großes Netz
 Es sind auch 400 MHz und 800 MHz Varianten standardisiert,, um
z.B. freiwerdende Frequenzen von NMT-450 wieder verwenden zu
können
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.17
3. Zellulare Netze
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.18
3. Zellulare Netze
GSM – Beispiel: Netzabdeckung in den USA 2009
AT&T Mobility
GSM – Beispiel: Netzabdeckung in China 2009
China Mobile
Quelle: GSM Association
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.19
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.20
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
GSM – Beispiel: Netzabdeckung in Mexico 2009
GSM – Beispiel: Netzabdeckung in Deutschland
Radiomovil
E-Plus
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.21
3. Zellulare Netze
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.22
3. Zellulare Netze
GSM Systemarchitektur
GSM - Komponenten
VLR
HLR
MS
Festnetz, z.B.
ISDN
BSC
(G)MSC
Mobile Station
 max
max. Sendeleistung beträgt 2
2-20W
20W
 Eine MS funktioniert nur mit SIM (Subscriber Identification Module):
 „Smart-Card“
„
mit Memory-Chip
y
p
 Identifiziert den Teilnehmer im Netz
 Kann persönliche Daten speichern, z.B. häufig benutzte
Telefonnummern
 Kann durch eine PIN geschützt werden
Core Network
(CN)
BTS
Base Station Subsystem (BSS) =
Radio Access Network (RAN)
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.23
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.24
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
GSM - Komponenten
BTS
GSM - Komponenten
Base (Transceiver) Station
BSC
Base Station Controller
 Überwacht und kontrolliert mehrere BTS
 Frequenzallokation
 Handoverfunktionen zwischen Zellen
 Ist das Gegenstück zur MS
 Befindet sich i.d.R. in der Mitte einer Zelle
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.25
3. Zellulare Netze
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.26
3. Zellulare Netze
GSM - Komponenten
GSM - Komponenten
((Gateway)
y) Mobil Switching
g Center
(G)MSC
HLR
 S
Schnittstelle
h itt t ll zum F
Festnetz
t t
 Komplette Vermittlungsanlage mit allen Routingfunktionalitäten für
Gespräche
p
vom Festnetz zur MS und umgekehrt
g
 Enthält wichtige Daten über individuelle MS
Home Location Register
 Ist das „Zuhause
Zuhause“ einer MS (bzw.
(bzw SIM)
 Enthält die Daten aller beheimateten MS
 Permanente Daten:
 IMSI (International Mobile Subscriber Identification Number)
 (Nicht identisch mit der Telefonnummer)
 Authentifizierungsschlüssel
 die Zusatzdienste des Mobilnehmers (z.B. Anrufweiterleitung)
 Temporäre Daten, z.B.:
 Adresse des gegenwärtigen VLR
 Zieladresse bei Anrufweiterleitung
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.27
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.28
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
GSM - Komponenten
VLR
Frequenzallokation GSM 900
Visitor Location Register
 35 Mhz Band = 175  200 Khz Kanäle
 8 Benutzer pro Kanal (Time slots)
 Enthält alle relevanten Daten einer MS im Bereich eines GMSC
 Permanente Daten sind die gleichen wie die im HLR
 Temporäre
p
Daten sind etwas anders:
 TMSI (Temporäre MSI), um nicht immer die IMSI über die
Luftschnittstelle zu übertragen (Datenschutz)
880 - 915 Mhz (uplink)
925 - 960 Mhz (downlink)
...
Kanal 45
K l 44
Kanal
Kanal 43
...
891,2 Mhz
891,0
, Mhz
890,8 Mhz
890,6 Mhz
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.29
3. Zellulare Netze
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.30
3. Zellulare Netze
Frequenzallokation GSM 1800
GSM – TDMA Verfahren
 Zugriff auf einen Frequenz-Kanal ist nur zu bestimmten
periodischen Zeitpunkten gestattet
 Jede MS hat einen Zeitschlitz in einem TDMA-Rahmen
1710 - 1785 Mhz (uplink)
MS A
 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 
1805 - 1880 Mh
Mhz (d
(downlink)
li k)
TDMA-Rahmen
4,615 ms
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.31
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.32
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
GSM – TDMA Verfahren
GSM Datenstoß (Burst)
 Einer MS werden in GSM für Uplink und Downlink die gleichen
TDMA-Schlitze zugeordnet
zugeordnet, wobei die Rahmen allerdings um 3
Schlitze verschoben sind. Vorteile:
Auf- und Abbau der Antennenenergie erfolgt im Mikrosekundenbereich
dB
 kein gleichzeitiges Senden und Empfangen notwendig, einfache
A t
Antenne
 weniger Energiebedarf
 geringere Kosten
+4
-66
Time Division Duplex
p
-30
30
 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 
downlink
 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 
uplink
(147 bits)
-70
28 s
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.33
3. Zellulare Netze
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.34
Struktur eines normalen Datenstoßes
("Normal Burst") in einem Zeitschlitz:
Codierte
Daten
57 Bits
28 s
3. Zellulare Netze
T
3
542.8 s
S
1
Training
Sequenz
26 Bits
S
1
Codierte
Daten
57 Bits
T
3
Für die GSM-Zeitschlitzübertragung
g g sind 5 Datenformate definiert,
die man als Übertragungsbursts bezeichnet
GP
8,25
148 Bits = 546.12 s
T (Tail Bits)
g
g
Data))
S ((Signalling/User
GP (Guard Period)
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.35
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.36
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
GSM - Logische Kanäle
Nutzkanäle
Signalisierungskanäle
g
g
Die Nutzkanäle stehen dem Benutzer zur Übertragung von Sprache
oder Daten zu Verfügung.
Man unterscheidet
- Funkkontrollkanäle (BCH - Broadcast Channel),
TCH/FS Traffic Channel/Full Rate Speech (Sprachkanal mit voller Bitrate), auf
diesem Kanal werden die Sprachdaten mit einer Rate von 13 kbit/s übertragen.
TCH/HS Traffic Channel/Half Rate Speech (Sprachkanal mit halber Bitrate).
Dieser Sprachkanal ist vorgesehen, um eine Verdoppelung der
gleichen Ressourcen zu ermöglichen.
g
Teilnehmerzahlen bei g
TCH/F9,6/4,8/2,4 Datenkanal mit einer Datenrate von 9,6/4,8/2,4 kbit/s. Zur
Datenübertragung wird ein normaler Sprachkanal mit voller Bitrate verwendet,
g
wird.
der dann an der Mobilstation auf einen Datenkanal umgeschaltet
TCH/H4,8/2,4 Datenkanal mit einer Datenrate von 4,8/2,4 kbit/s. Zur
Datenübertragung wird ein normaler Sprachkanal mit halber Bitrate verwendet
- allgemeine Kontrollkanäle (CCCH - Common Control Channel)
- gewidmete Kontrollkanäle (DCCH - Dedicated Control Channel) mit
zugeordneten
geordneten Kontrollkanälen (ACCH - Associated Control Channel)
Channel).
Siehe z.B. http://www.boeschatt.at/Mobil/mobilfunk_html.php?gsm_glossar.php
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.37
3. Zellulare Netze
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.38
3. Zellulare Netze
g
g
- Funkkontrollkanäle
g
g
- allgemeine
g
Kontrollkanäle
Die Funkkontrollkanäle dienen der Übertragung der physikalischen Informationen
zum Aufsynchronisieren
y
und der zellspezifischen
p
Daten von der Basisstation zur
Mobilstation hin:
BCCH: Broadcast Control Channel (Sende-Kontroll-Kanal, Basiskanal), über diesen
Kontrollkanal informiert die Basisstation die Mobilstationen über netzwerkspezifische
Parameter. Diese Parameter sind unter anderem die augenblickliche Position (LAC Location Area Code), das Netzwerk (z.B. A1), Zelloptionen, Zugriffsparameter, usw.
Der BCCH enthält den FCCH und auch den SCH.
FCCH: Frequency Correction Channel (Frequenz-Korrektur-Kanal), über den FCCH
versorgt die Basisstation die Mobilstation mit dem Frequenznormal der Basisstation.
Der FCCH sendet in seinen Informationsbits nur Nullen, die zu einem Sinussignal
führen.
füh
SCH: Synchronisation Channel (Synchronisations-Kanal), über diesen sendet die
Basisstation der Mobilstation erste Informationen zur zeitlichen Aufsynchronisation
auf das Netzwerk
Netzwerk.
Die allgemeinen Kontrollkanäle dienen der Einrichtung eines physikalischen
Kanals zwischen Mobilstation und Basisstation, sowohl auf Wunsch der
Mobilstation als auch auf Wunsch der Basisstation.
RACH: Random Access Channel ((Zufalls-Zugriffs-Kanal),
g
) über diesen logischen
g
Kanal fordert die Mobilstation einen Kanal von der Basisstation an.
PCH: Paging Channel (Anruf-Kanal), die Basisstation ruft über diesen Kanal
eine bestimmte Mobilstation an.
AGCH: Access Grant Channel (Zuweisungs-Kanal), die Basisstation weist der
Mobilstation über den AGCH einen Signalisierungs-Kanal zu.
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.39
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.40
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
GSM – Rahmenhierarchie
g
g
-g
gewidmete Kontrollkanäle
Die gewidmeten Kontrollkanäle sind für eine Verbindung zwischen einer
Mobilstation und einer Basisstation vorgesehen.
g
SDCCH: Stand alone dedicated control channel ("alleinstehender" gewidmeter
Kontrollkanal), über den SDCCH kommunizieren sowohl Basisstation als auch
Mobilstation miteinander.
SACCH: Slow associated Control Channel (langsamer zugeordneter
) Wie der Name bereits sagt,
g , wird dieser Kanal anderen Kanälen,,
Kontrollkanal).
z.B. einem Nutzkanal oder dem Signalisierungskanal, zugeordnet z.B. für
Handover, etc.).
FACCH: Fast associated Control Channel (schneller zugeordneter
Kontrollkanal). Dieser Kontrollkanal überträgt dieselben Meldungen wie der
SDCCH, nur ist er dem TCH zugeordnet.
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.41
3. Zellulare Netze
GSM – Aufenthalts Aktualisierung (Location Update)
Synchronisation einer MS mit dem Netz (Vorgang dauert 2-20 Sekunden)
 BTS nutzt
t t einen
i
FDMA
FDMA-Kanal
K
l als
l B
Basiskanal
i k
l ((ein
i kkomplettes
l tt 200kH
200kHz
Frequenzband)
 BTS sendet auf dem Basiskanal mit hoher Energie, d.h. jeder TDMARahmen wird mit einem „Dummy“-Stoß
“ S ß gefüllt.
f
Daher ist der Basiskanal
leicht zu finden
 In dem Basiskanal wird nach einem bestimmten Signalmuster gesucht
(FCCH)
 An Hand des FCCH kann sich die MS frequenzseitig und an SCH
((Sync.-Bursts)
y
) zeitlich synchronisieren
y
(TDMA)
(
) und nun relevante
Informationen lesen, die die BTS permanent auf dem Basiskanal
sendet:
MS
BTS
Channel Activation
acknowledge
Channel assignment
Location update request
Authentication request
Authentication response
Generation 2 (2G)
3.43
BSC MSC VLR HLR
Channel request
Channel activation
command
Synchronisationsmuster der Zelle
wie kann die BTS angesprochen werden (Frequenz, Zeitschlitz)
Netzbetreiber (D1, D2, ...)
Lokation der Zelle (neues VLR? Wenn ja -> Registrierungsprozedur)
Mobilkommunikation
3.42
3. Zellulare Netze
GSM - Beispiel für die Synchronisation




Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.44
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
GSM - Aufenthalts Aktualisierung (Location Update)
MS
BTS
GSM - Anrufaufbau - Mobil
Mobil-Originating-Call
Originating Call (MOC)
BSC MSC VLR HLR
MS
BTS
Channel request
Channel assignment
Call establishment request
A th ti ti requestt
Authentication
Authentication response
Ciphering command
Ciphering complete (now ciphering)
Setup message, indicating the desired
number
Call proceeding, the network routes the
call to the desired number
Comparison of
Authentication parameters
Assignment of the new
area and the TMSI
Acknowledgement of the
new area and the TMSI
Entry of the new area and
TMSI into VLR and HLR
Channel release
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.45
3. Zellulare Netze
GSM - Handover
 W
Wenn eine
i eingeschaltete
i
h l
MS von einer
i
Z
Zelle
ll zur nächsten
ä h
b
bewegt
wird, findet eine Handover-Prozedur statt
 BTS teilt der MS auf dem Basiskanal eine Liste mit Kanälen von
Nachbarstationen mit
BTS
Assignment of a traffic channel for the
user data
Assignment complete, from now on all
messages are exchanged on traffic channel
Alerting, the called number is not busy and
the phone is ringing
Connect the called party accepted the call
Connect,
Connect acknowledge, now the call is active
and both parties can talk to each other
Exchange of speech data
 MS misst
i t ständig
tä di d
den Si
Signalpegel
l
l di
dieser K
Kanäle
äl
 Die Pegel der eigenen Zelle und die der Nachbarzellen werden
periodisch der BTS zurückgemeldet
 Wenn sich Handover anbietet, wird es durchgeführt
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.46
3. Zellulare Netze
GSM - Anrufaufbau - Mobil
Mobil-Originating-Call
Originating Call (MOC)
MS
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.47
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.48
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
GSM - Handover
GSM - Handover
Es gibt verschiedene Arten von Handover
BTS 1
BTS 2
BSC
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.49
3. Zellulare Netze
GSM - Handover
BTS 2
BSC 1
BSC 2
MSC 1
MSC 2
Falls MSC1 und MSC2
unterschiedlichen Netzbetreibern
gehören, ist ein spezieller Vertrag
( Roaming“-Abkommen)
(„Roaming
Abkommen) zwischen
diesen nötig, in dem
Abrechnungsmodalitäten für fremde
SIM d
SIMs
definiert
fi i t sind.
i d Übli
Üblich:
h T
Tarif
if d
des
eigenen Netzes + 25% Aufschlag. Erst
durch „Roaming“ ist GSM europäisch,
bzw. international. Z.B. kein „Roaming“
zwischen D1 und D2, aber zwischen D1
und SFR ((Frankreich)) und D2 und SFR.
SFR Abonnenten können also D1 und
D2 nutzen.
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.50
3. Zellulare Netze
GSM - Handover
BTS 1
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.51
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.52
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
GSM - Dienste
GSM - Zusatzdienste (Supplementary Services)
 Trägerdienste (Bearer Services)
 Übertragungen von sogenannten leitungs- und paketvermittelten Daten
zwischen dem mobilen Netzbenutzer und dem Festnetz
 Teledienste (Telematic Services) Basisdienste zw. Endgeräten
 Sprachübertragung
 full rate 13 kBit/s
 half rate 6,5 kBit/s
 Emergency Call (Sprache)
 SMS (Short Message Service), alpha-numerische Kurznachrichten für
das Display der Endgeräts
 Telefax Gruppe 3 und 4
 Zusatzdienste (Supplementary Services), ähnlich zu ISDN
Dienste
e ste zwischen
sc e Endgeräten,
dge äte , z.B.
 Call forwarding (busy, not reachable, no answer)
 Call barring (all calls, international calls, incoming calls)
 Calling/connected line identity presentation
 Calling/connected line identity restriction
 Call waiting
 Call hold
 Multiparty
p y communication
 Closed User Group
 Advice of charge
 Unstructured supplementary services data
 Operator-determined barring
 Call completion to busy subscriber
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.53
3. Zellulare Netze
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.54
3. Zellulare Netze
GSM - SMS
SMS - Einführung I
Der häufige
g SMS-Gebrauch von Jugentlichen
g
führt nach einer
englischen Studie zu einem zunehmenden Verfall der
Grammatik- und Rechtschreibkenntnisse:
"My smmr hols wr CWOT. B4, we used 2go2 NY 2C my bro, his
GF & thr 3 :- FTF. ILNY, it´s a gr8 plc.„
"My summer holidays were a complete waste of time. Before, we used
to go to New York to see my brother,
brother his girlfriend and their three
screaming kids face to face. I love New York, it´s a great place."
 SMS = Short Message Service
 (Text-) Kurznachrichten für Mobiltelefone (Handy)
 Anbindung von PC
PC, FAX u
u.a.
a über Gateways
 Empfangen und Senden vom Mobiltelefon aus
(two way multipurpose messaging)
 Bestandteil des GSM-Standards („GSM Phase 1“)
 Asynchron 
Zustellung trotz belegtem oder ausgeschaltetem Mobiltelefon
 Langsam 
keine g
garantierte Zustellzeit
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.55
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.56
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
SMS - Einführung II
SMS - Anwendungen
 Erste „Killerapplikation“ für Mobilfunk-Datenkommunikation
 Persönliche Kommunikation
 Terminabsprachen, Grüße, Smalltalk
 Integration mit E-Mail, Voice-Mail, Fax über Mehrwertdienste des
Mobilfunkbetreibers (Unified Messaging)
 SMS-Infodienste
 Börsendaten, Wetter, Sportergebnisse, Staumeldungen, etc.
 Abonnement von regelmäßig erscheinenden Meldungen zu bestimmten Themen
g kostenpflichtig
p
g
 In der Regel
 In Europa
p sehr verbreitet,, insbesondere Deutschland ((ca. 23
Milliarden SMS pro Jahr allein in D)
 Unified Messaging
 E
E-Mail
Mail  SMS
 Mittlerweile
Mittl
il auch
h iin A
Amerika
ik auch
h populär
lä
 Chat-Dienste
 Diskussionsforen zu bestimmten Themen
 Steuer- und Regelsysteme
 Steuerung von Computern und Maschinen
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.57
3. Zellulare Netze
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.58
3. Zellulare Netze
SMS – Anwendungen,
Anwendungen Beispiel
SMS - Nachrichtenlänge / Zeichensatz
Die Steckdose mit Handy - das Handy mit Steckdose,
 Nachrichtenlänge
 140 Oktetts = 160 Zeichen in 7-Bit Kodierung
 u.U. Einschränkung durch den Mobilfunkbetreiber
von 'aussen' steuerbar mit jedem Festnetz- oder
Mobiltelefon
z.B.
- Heizung
- Rechner am Arbeitsplatz
p
- Alarmanlage
 Zeichensatz
 Buchstaben, Ziffern und einige Sonderzeichen
 Unterscheidung Groß/Klein-Schreibung
 Bestimmte Mobiltelefone können auch einfache Grafiken und
g
als SMS-Nachricht senden/empfangen
p g
Klingeltöne
g Ausschalten der Steckdose
OFF! sofortiges
ON! sofortiges Einschalten der Steckdose
RESET! Reset auslösen (Steckdose ausschalten –
10 Sekunden warten - einschalten)
Status? Status - SMS an den Absender veranlassen
Befehle immer mit Passwort, z.B. 1357 ON!
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.59
Mobilkommunikation
3.60
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
SMS - Netzaufbau
Zugang
Sender
Notebook
SMS - Zentrale I
Versandweg
Empfänger
 SMSC = SMS Center
Handy/GSM-Modul
SMSC
Notebook
Handy/GSM-Modul
 Zwischenspeicherung von SMS, falls Empfänger gerade nicht
erreichbar ist
 Erweiterte Funktionalität ((abhängig
g g von Mobilfunkanbieter und
Mobiltelefon-Typ)
Internet
 Maximale Speicherdauer
 Quittierungsanforderung: Zustellung einer SMS wird durch eine Antwort
AntwortSMS an den Absender bestätigt
 Steuercodes: erweiterte SMS-Funktionalität der SMS-Zentrale, z.B.
E-Mail
PC
 Statusabfrage
St t
bf
 Sendezeit, etc.
Gateway
Fax/Sprache
Generation 2 (2G)
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.61
3. Zellulare Netze
Mobilkommunikation
3.62
3. Zellulare Netze
SMS - Zentrale II
SMS - Gateway
 Store & Forward-Einrichtung (Speichern und Weiterleiten)
 Akzeptiert Kurzmitteilungen verschiedenster Herkunft
 Gateway allgemein:
Verbindungsrechner zwischen heterogenen DatenverarbeitungsNetzen
 Modem, andere digitale Terminals, andere SMSC, Internet
 Speichert die zu sendenden Kurzmitteilungen so lange
lange, bis diese
erfolgreich an das mobile digitale Empfangsterminal gesendet
werden konnten
 Es existiert eine maximale Zeitspanne, die beschreibt, wie lange
Kurzmitteilungen im Speicher der SMSC gehalten werden
 Sollte die SMSC nicht in der Lage sein,
sein die Kurzmitteilung sofort zu
übermitteln (hängt in den meisten Fällen vom Netzbetreiber ab)
 SMS-Gateway:
 Wandlung der Nachrichtenart
 SMS  E-Mail
 Weiterleitung in das zugehörige Netz
 GSM  Internet
 Gehört zur Infrastruktur des Mobilfunk-Anbieters
 Variiert zwischen einer Stunde und einigen Wochen
werden bei Überschreitung
Ü
des Zeitlimits die Kurznachrichten
gelöscht
 Es wird kein weiterer Versuch unternommen,, dem Empfänger
p g die
Botschaft zu übermitteln
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.63
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.64
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
SMS - Konvertierung
SMS - Allgemeine Informationen
 Erfordert i.d.R. die Freischaltung durch den Mobilfunkanbieter (über
spezielle SMS-Meldung)
 z.T. kostenpflichtig
 Die erste Textnachricht wurde 1992 versendet
 Möglichkeiten:




SMS  E-Mail
E-Mail  SMS
SMS  Fax
SMS  Sprache





GSM Netzbetreiber:
ca. 1000 (Nov 2008)
Länder
Lä
d mit
it GSM
GSM-System:
S t
ca. 220 (N
(Nov 2008)
GSM Kunden:
ca. 3000 Mio. (Nov 2008)
SMS Nachrichten in D pro Monat:
2 Mrd.
Mrd (Nov 2008)
SMS Nachrichten in E pro Monat:
12 Mrd. (Mai 2006)
 23% der mobilen Kunden (weltweit) nutzen SMS mehr als 1x pro
Tag davon sind
 55% 18 Jahre alt oder jünger
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.65
3. Zellulare Netze
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.66
3. Zellulare Netze
SMS - Historische Entwicklung I
SMS - Historische Entwicklung II
1992
 Anfangs nur Textnachrichten mit maximaler Länge von 160 Zeichen
möglich
 Jedes Zeichen wurde mit 7-Bit kodifiziert
 Einführung erweiterter Features wurde dadurch behindert, dass
 Immer mehr Netzbetreiber nutzten die Möglichkeiten, SIM Toolkit
Funktionalität via SMS zu steuern und Einstellungen wie z.B. WAP
Settings als SMS an das Telefon zu senden
 die SMSCs (Short Message Service Center) keine 8-Bit Nachrichten
und
 keine User Data Header (UDH) unterstützten
1996
 Nokia verabschiedet die „Smart Messaging Specification“
 Versenden erweiterter Nachrichten auch ohne UDH möglich
 keine Beschränkung ausschließlich auf Textnachrichten
 Klingeltöne, Operator Logos, Telefonbucheinträge, u.v.m. können nun
versendet werden
2001
 Alcatel, Ericsson, Motorola und Siemens versuchen mit dem
Enhanced Messaging Service (EMS) einen herstellerübergreifenden
Standard für den Versand von Bildern, Melodien u.a. gegen Nokia
zu etablieren
2002
 Einführung von MMS = Multimedia Message Service
 Erste Handys mit Kamera von Nokia, Siemens, Motorola und Ericsson
 Multimedia-Erweiterungen (Bilder, Sounddateien, Videoclips)
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.67
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.68
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
SMS - Arten
Technische Informationen über SMS
 Im GSM-Standard gibt es zwei verschiedene Arten von SMS:
 Der SMS Dienst benutzt verschiedene Arten von Protokollen
 SMS P
Point
i t to
t Point
P i t (SMS/PP)
 SMS Cell Broadcast (SMS/CB)
 SMS/PP:
SMS/PP




V
Versenden
d von K
Kurzmitteilungen
itt il
von einem
i
GSM T
Telefon
l f
auf ein anderes
SMS/CB: Versenden einer oder mehrerer Kurzmitteilungen
gleichzeitig (broadcasting) an alle Telefone innerhalb einer
bestimmten Zone
Die Kurzmitteilung vom Typ Cell Broadcast kann bis zu 93 Zeichen
enthalten
Bei diesem Typ ist es möglich bis zu 15 Kurzmitteilungen
aneinanderzureihen, um daraus eine so genannte Macro-Kurzmitteilung zu
erstellen
SMS wird als „verbindungslos“ bezeichnet
Typ
yp PDU
Richtung
g
SMS-DELIVER
SMSC => Telefon
Funktion
Senden einer Kurzmitteilung
SMS-DELIVER-REPORT
Telefon => SMSC
Senden des Grunds des
Nichtempfangs der
Kurzmitteilung
SMS-SUBMIT
Telefon => SMSC
Senden einer Kurzmitteilung
SMS-SUBMIT-REPORT
SMSC => Telefon
Senden des Grunds des
Nichtempfangs der
Kurzmitteilung
SMS-STATUS-REPORT
SMSC => Telefon
Senden des Status einer
Kurzmitteilung
SMS-COMMAND
Telefon => SMSC
Senden eines Kommandos
 Denn bei Weiterleitung einer Kurzmitteilung kommt keine direkte Verbindung
zwischen dem sendenden Terminal und dem Empfangenden zustande
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.69
3. Zellulare Netze
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.70
3. Zellulare Netze
Weitere Funktionen des SMS-Service
SMS Service
Wireless Application Protocol (WAP)
 More Message To Send
 WAP-Uhrenhandy von Hyundai
 Reduzierung der Übertragungsdauer der so genannten multiplen
Kurzmitteilungen
 WAP sollll IInternet-Dienste
t
t Di
t flächendeckend
flä h d k d üb
über di
die existierende
i ti
d
GSM-Infrastruktur auf das Handy bringen.
 1997 Gründung
g WAP Forum: Ericsson,, Nokia,, Motorola und
Unwired Planet
 Gründe für WAP:
 Alphabet Extension
 Erhöhung der möglichen zu versendenden Zeichen durch Einführung
des Unicode
Unicode-Standards
Standards
 Concatenated Short Message
 HTML
HTML, HTTP und
nd TCP sind
ineffizient über niedrige Bandbreite,
hohe Verzögerung und geringe
Stabilität
 Standard-HTML Seiten eignen sich
nicht für ein kleines Handy-Display
 Verkettung von Kurzmitteilungen
 bis zu 38760 Zeichen bei 7-Bit Kodifizierung
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.71
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.72
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
Wireless Application Protocol (WAP)
Web Server
WAP Gateway
Client
CGI Skripts
WML Encoder
WML
WML
Skript
WSP/WTP
WML Skript
C
Compiler
il
Protocol Adapt.
Beispiel eines WAP Netzes
HTTP
WAP
Gateway
WML Decks
WML Skripts
Web
Server
WML
HTML
Content
Binär WML
 WAP-Inhalte werden mit WML (Wireless Markup Language)
programmiert.
programmiert
 WML ist eine XML-basierte Sprache, die die Benutzung von kleinen
Displays optimiert und es ermöglicht, mit einer Hand zu navigieren.
WAP I h lt sind
WAP-Inhalte
i d skalierbar,
k li b vom kl
kleinen
i
2
2-Zeilen
Z il Di
Display
l bi
bis zum
voll graphikfähigen Display eines Organizers.
 Beispiele:
p
http://www.w3schools.com/wap/wap_demo.asp
p
p
p_
p
Wireless
Network
3.73
3. Zellulare Netze
HTML
Filter
WTA
Server
WTA = Wireless Telephony Application
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
WML
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.74
3. Zellulare Netze
WAP Gateway
WAP Gateway
 WDP (WAP Datagram Protocol) ist die Transportschicht. Sie kann
über verschiedene Dienste (Bearers) laufen: z.B. SMS, GPRS, CSD
(Circuit Switched Data), ...
 WTLS (Wireless Transport Layer Security) ist eine optionale
Sicherungs-schicht, z.B. für E-Banking:




Datenintegrität
Pi
Privacy
Authentifizierung
Denial-of-Service Protection
 WTP (WAP Transaction Protocol) erhöht die Zuverlässigkeit von
WDP
 WSP (WAP Session Protocol) erlaubt den effizienten Austausch
von Daten zwischen Anwendungen
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.75
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.76
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
WAP Gateway
Beispiel einer typischen Session mit 3 Requests und 3 Replies
 HTTP Interface ermöglicht, vom Handy angeforderte WAP-Inhalte
aus dem Internet zu holen
 WAP-Inhalte (WML und WMLScript) werden für die Übertragung
über die Luftschnittstelle in ein kompaktes Binärformat
umgewandelt
HTTP/TCP/IP
TCP SYN
TCP SYN, ACK of SYN
ACK of SYN, Data Request
ACK of Data
Reply
ACK of Reply
Data Request
ACK of Data
Reply
ACK of Reply
Data Request
ACK
ACK off D
Data
Reply
ACK of Reply
TCP FIN
TCP FIN, ACK of FIN
ACK of FIN
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.77
3. Zellulare Netze
WSP/WTP/UDP
Data Request
ACK Reply
ACK,
ACK, Data Request
ACK, Reply
ACK, Data Request
ACK,
ACK Reply
R l
ACK
Fette Pakete sind Nutznachrichten
Ni ht f tt P
Nicht-fette
Pakete
k t sind
i d Overhead
O h d
HTTP/TCP/IP
17 Pakete
65% O
Overhead
h d
WSP/WTP/UDP
7 Pakete
14% O
Overhead
h d
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.78
3. Zellulare Netze
WML
WML
 Momentan werden noch weitgehend separate Inhalte für WAP und
WWW geschrieben. Das Szenarium könnte aber einfacher sein.
 XSL = eXtensible Style Language Regelwerk zu Konvertierung von
XML
 Technologie zur Entwicklung universeller Inhalte ist noch nicht
verfügbar, WML wurde aber bereits im Hinblick darauf entworfen
 Für Teilnehmer, die gerne eine eigene WML-Seite erstellen wollen,
gibt es viele Hilfsprogramme mit einer geeigneten
Entwicklungsumgebung
g von Bildern existiert ein eigenes
g
Grafikformat
 Zur Darstellung
namens WBMP (Wireless Bitmap)
 WBMP-Grafiken besitzen 1 Bit Farbtiefe (schwarz oder weiß) und
lassen sich mit einem Konverter (Format-Umwandler)
(Format Umwandler) von GIF
GIF- oder
JPEG-Grafikformaten nach WBMP wandeln
 Konverter-Software zum Download: www.webcab.de
Content
(XML)
XSL Processor
WML Style Sheet
HTML Style Sheet
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.79
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.80
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
i mode
i-mode
ii-mode
mode weltweit
Area




aus Japan stammender Standard für mobilen Internetzugang
wurde im Februar 1999 von NTTDoCoMo gestartet
technisch ähnlich wie WAP 2.0
programmiert,
g
, bietet etwas
Seiten werden mit iHTML p
Graphikmöglichkeiten als WML
 wurde von 2002-2008 in Deutschland von E-Plus über GPRS
angeboten:





Asia
Games & Fun
News, Infos & Sport
Klingeltöne & Logos
Chat & Messaging
i-mode™ Mail
E rope
Europe
 anders als in Japan
p blieben in D die Kundenzahlen stark hinter den
Erwartungen zurück
Middle East
Country/Region
Japan
Taiwan
Singapore
Hong Kong
Philippines
the Netherlands
Belgium
F
France
Spain
Italy
G
Greece
UK
Ireland
B l i
Bulgaria
Operator
NTT DOCOMO
Far EasTone
StarHub
3 Hong Kong
Smart
KPN Mobile
BASE
B
Bouygues
T
Telecom
l
Telefonica Moviles
Wind
COSMOTE
O2
O2
GLOBUL
Romania
COSMOTE Romania
Israel
Cellcom Israel
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.81
3. Zellulare Netze
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.82
3. Zellulare Netze
beliebte Anwendung des mobilen Internet ii-mode
mode und WAP:
Internetauktionen
MMS - Multimedia Messaging Service
MMS - Netzarchitektur
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.83
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.84
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
MMS - Medienformate
GSM - Sprachkodierung
Medienformate für MMS:
 Text mit gängigen Zeichensätzen und Schriften (Fonts) ,
 Sprache AMR-kodiert (wie bei UMTS),
 Bilder als JPEG und JPEG2000, GIF oder WBMP.
 für Musik MP3, Midi und Wav,
 für Video MPEG4 (Simple Profile), Quicktime und ITU-T H.263,
 MMS-Streaming
MMS St
i ((nur mit
it UMTS sinnvoll
i
ll --> siehe
i h Q
QoS-Profile
S P fil von
UMTS)
A/D Wandler:
A/D-Wandler:
 Abtastung mit 8000 Hz = alle 125s ein Wert
 Quantisierung auf 13 Bit resultiert in 8000  13 = 104 kBit/s
Sprach-Codec
 Prediktive Differentialcodierung resultiert in 13 kBit/s (full rate)
Bandfilter
300 Hz3 4 kHz
3,4
Niedrigf
frequ.filter
4 kHz
Apple
pp iPhone 3.0 mit MMS
(präsentiert am 17.3.2009)
A
D
Sprachcodierer
zur
M odulation
Kanalcodierer
SprachCodec
A
D
Sprachdecodierer
Kanaldecodierer
von
M odulation
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.85
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
Weitere Standards der 2.
2 Generation
Generation 2.5
2 5 zellularer Netze (2
(2.5G)
5G)
 IS-95 (CDMAone): ein Standard der 2. Generation, der CDMA auf
der Luftschnittstelle nutzt. Einst in Nordamerika favorisiert, erhält
jetzt heftige Konkurrenz durch GSM/UMTS
GSM/UMTS, aber auch seinem
eigenen Nachfolger CDMA2000
 Personal Digital Cellular (PDC)





3.86






Speziell aus GSM Upgrades entstandene Generation
Beinhaltet alle Upgrades der zweiten Generation
Insbesondere Unterstützung für Non-Voice Anwendungen
Höh
Höhere
Datenraten
D t
t für
fü Luftschnittstelle
L ft h itt t ll
Hat bereits viele Charakteristiken von 3G
Insbesondere
 General Packet Radio Service (GPRS)
 High-Speed Circuit-Switched Data (HSCSD)
 Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE)
Japanischer Standard
Basiert auf TDMA
800 und 1500 MHz
Physische Charakteristik ähnelt D-AMPS
W i E
Wenig
Erfolg
f l außerhalb
ß h lb JJapans, d
daher
h kkeine
i „Economy
E
off Scale“
S l “
 Japa
Japan ist
st e
einer
e de
der Hauptmotoren
aupt oto e für
ü 3G
Generation 2 (2G)
Mobilkommunikation
3.87
Mobilkommunikation
3.88
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
HSCSD
GSM – Vergleich 2G
2G, 2
2.5G,
5G 3G in Deutschland
2G, 2.5G und 3G in
Deutschland:
GSM
GPRS
HSCSD
UMTS
Übertragungsverfahren
leitungsvermittelnd
paketvermittelnd
leitungsvermittelnd
leitungs/paketvermittelnd
Übertragungsraten
g g
theoretisch
, und 14,4
, kBit/s
9,6
171,2
, kBit/s
115,2
, kBit/s
2 MBit/s
mit HSDPA 7,2
Übertragungsraten
vorh. Geräte
9,6 kBit/s
40,2 kBit/s (Downlink)
13,4 kBit/s (Uplink)
43,2 kBit/s(Downlink)
28,8 kBit/s(Uplink)
in der Regel unter
384 kBit/s
Abrechnung nach
Verbindungszeit
Datenmenge oder
Verbindungszeit
Verbindungszeit
Datenmenge
Always-onFunktion
nein
ja
nein
ja
Kanalbündelung
nicht möglich
theoretisch max. 8
Kanäle
theoretisch max. 8 Kanäle
Mehrfachnutzung
je Kanal
Verfügbarkeit
seit 1992
seit April 2001 in allen
deutschen
Mobilfunknetzen
seit Ende 1999 (E-Plus)
seit November 2000 (D2)
Seit Anfang 2005
 HSCSD bündelt mehre GSM-Kanäle zu einem
leistungsfähigen Kanal
 Dabei gibt es symmetrische und asymmetrische Datenraten
 Ist eine leitungsvermittelte Technologie
Technologie, für schwankenden
Verkehr (z.B. Internet Browsing) nicht ideal wg. Ineffizienz
Mobilkommunikation
3.89
3. Zellulare Netze
Mobilkommunikation
3.90
3. Zellulare Netze
HSCSD - Anwendungsgebiete
HSCSD - Dienste




 Symmetrisch / asymmetrisch: ermöglicht Datendienste, bei denen
die Downlinkstrecke (GSM-Netz zum Handy) eine andere, meist
höhere Datenrate zugewiesen bekommt als die Uplinkstrecke
höhere,
(Handy zum GSM-Netz)
Schnelle Datendienste via GSM-Netz (Datenraten wie Festnetz!)
Echtzeitdatendienste (bei GPRS nicht so gut implementierbar!)
m-Commerce
C
Telemetrie (Messdaten technischer Anlagen werden per Mobilfunk
in das Büro übertragen)
g )
 Überwachungsdienste (z.B. Webcam überträgt per HSCSD
Raumüberwachungsbilder)
 Bildtelefonie
Bildt l f i
 Transparent / Nicht-Transparent: Transparente Datendienste
beinhalten keine Maßnahmen zur Fehlererkennung und -korrektur
p
Datendienste nutzen das Radio Link Protocol
Nicht-transparente
(RLP), um diese Funktionen auszuführen
Mobilkommunikation
3.91
Mobilkommunikation
3.92
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
HSCSD
Datenraten in HSCSD
Zahl der
gebündelten
Kanäle
14,4 kbit/s pro Kanal
9,6 kbit/s pro Kanal
1
14,4 kbit/s
9,6 kbit/s
2
28,8 kbit/s
19,2 kbit/s
3
43 2 kbit/
43,
kbit/s
28 8 kbit/
28,8
kbit/s
4
57,6 kbit/s
38,4 kbit/s
Mobilkommunikation
3.93
3. Zellulare Netze
Mobilkommunikation
3.94
3. Zellulare Netze
GPRS - General Packet Radio Service
GPRS
Für Datenübertragung im GSM Netz entwickelt
 GPRS: paketvermittelter Dienst zwischen einer MS und einem
externen Datennetz (z.B. Internet)
 GPRS erlaubt Senden und Empfangen von Daten mit hoher Rate
ohne Netzressourcen im leitungsvermittelten Modus zu benutzen
 Besonders geeignet für stoßweisen Datenverkehr (z.B. Internet
WWW)
 GPRS kann bezüglich eines einzigen Benutzers:
Bisheriger Weg (langsam und teuer):
 leitungsvermittelte
l it
itt lt Ende-zu-Ende-Verbindung
E d
E d V bi d
aufbauen
fb
((wie
i b
beii
Sprache)
 Dann mit 9,6
, kBit/sec Daten übertragen,
g , ein Zeitschlitz pro
p TDMARahmen fest
 Einzige Alternative bisher SMS (Short Message Service): senden
von max
max. 160 alphanumerischen Zeichen zu einer MS
 einen existierenden GSM Kanal
 mehrere Zeitschlitze eines TDMA-Rahmens
TDMA Rahmens gleichzeitig
 oder auch das gesamte 200 kHz Band einer Zelle
nutzen
 Zeitschlitze werden dynamisch vergeben und nicht statisch
Mobilkommunikation
3.95
Mobilkommunikation
3.96
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
GPRS
GPRS
Beispiel für statische Vergabe von
Z i hli
Zeitschlitzen
beim
b i Sprachverkehr
S
h k h
 max. 171 kBit/sec (alle 8 Zeitschlitze, neue Formen der
Kanalkodierung, z.B. ohne Fehlerkorrektur)
MS A

6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2
TDMA-Rahmen
4,615 ms

 Vorteile
Vorteile, die sich aus "packet
packet data over the air"
air gegenüber der
herkömmlichen leitungsvermittelnden Technologie ergeben
 Virtuelle Connectivität zu einem Datennetz jederzeit „always on“
 Schnelle Ressourcenzuweisung nach Bedarf
 Alternative Wege der Abrechnung, z.B.pay-per-bit, -per-session oder
p
Monatspauschale
 Asymmetrische Bandbreite im Uplink und Downlink (z.B.
Internetsurfen)
Beispiel
p für dynamische
y
Vergabe
g
von
Zeitschlitzen beim GPRS
MS A

6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2
TDMA-Rahmen
4,615 ms

 Wird in Deutschland von allen Netzbetreibern angeboten
Mobilkommunikation
3.97
3. Zellulare Netze
Mobilkommunikation
3.98
3. Zellulare Netze
GPRS
GPRS
Mobiltelefone unterscheiden sich in der Zahl der Kanäle, die sie bündeln können
Bruttodatendurchsatz bei verschiedenen Kodierungsverfahren
MultislotKlasse
Download
Upload
Gesamt
Klasse 15
5
5
Unbegrenzt
Klasse 1
1
1
2
Klasse 16
6
6
Unbegrenzt
Klasse 2
2
1
3
Klasse 17
7
7
Unbegrenzt
Kl
Klasse
3
2
2
3
Kl
Klasse
18
8
8
U b
Unbegrenzt
t
Klasse 4
3
1
4
Klasse 19
6
2
Unbegrenzt
Klasse 5
2
2
4
Klasse 20
6
3
Unbegrenzt
Klasse 6
3
2
4
Klasse 21
6
4
Unbegrenzt
Klasse 7
3
3
5
Klasse 22
6
4
Unbegrenzt
Klasse 8
4
1
5
Klasse 23
6
6
Unbegrenzt
10 0 kbi
107,0
kbit/s
/
Klasse 9
3
2
5
Klasse 24
8
2
Unbegrenzt
128,4 kbit/s
Klasse 10
4
2
5
Klasse 25
8
3
Unbegrenzt
Klasse 11
4
3
5
Klasse 26
8
4
Unbegrenzt
g
Kanalcodierung
CS1
CS2
CS3
CS4
1 TS Data Rate
9.05 kbit/s
13,4 kbit/s
15,6 kbit/s
21,4 kbit/s
2 TS Data Rate
18,10 kbit/s
26,8 kbit/s
31,2 kbit/s
42,8 kbit/s
3 TS Data Rate
27 15 kbit/s
27,15
40 2 kbit/s
40,2
46 8 kbit/s
46,8
64 2 kbit/s
64,2
4 TS Data Rate
36,30 kbit/s
53,6 kbit/s
62,4 kbit/s
85,6 kbit/s
5 TS Data
D
R
Rate
6 TS Data Rate
4 3 kbi
45,35
kbit/s
/
54,40 kbit/s
6 0 kbi
67,0
kbit/s
/
80,4 kbit/s
78,0
8 0 kbi
kbit/s
/
93,6 kbit/s
7 TS Data Rate
63,45 kbit/s
93,8 kbit/s
109,2 kbit/s
149,8 kbit/s
Klasse 12
4
4
5
Klasse 27
8
4
Unbegrenzt
8 TS Data Rate
72,50 kbit/s
107,2 kbit/s
124,8 kbit/s
171,2 kbit/s
Klasse 13
3
3
Unbegrenzt
Klasse 28
8
6
Unbegrenzt
Klasse 14
4
4
Unbegrenzt
Klasse 29
8
8
Mobilkommunikation
3.99
Unbegrenzt
Mobilkommunikation
3.100
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
GSM-HSCSD-GPRS
GSM
HSCSD GPRS Vergleich
EDGE - Enhanced Datarate for Global Evolution
Überblick: Eignung der Übertragungsverfahren für verschiedene Anwendungen
 Auch: Enhanced Data rates for GSM Evolution, Weiterentwicklung
von GPRS, daher die Bezeichnung EGPRS
 EDGE führt eine zusätzliches Modulierungsschema ein: 8-PSK
 Dadurch werden 3 Bit statt einem Bit pro Signalschritt übertragen
übertragen.
Das mach 8-PSK natürlich viel anfälliger gegen Interferenz
 Daher müssen die Zellen kleiner werden, was zu höheren Kosten
führt
 Datenübertragungsraten bis zu 473,6 Kbps, wenn alle 8 Zeitschlitze
belegt werden
 Wurde ursprünglich für GSM für solche Netzbetreiber entwickelt,
die keine UMTS-Lizenz erwerben konnten
 EDGE ist ein Software-Update für GSM-Basisstationen neuerer
Bauart
GSM
HSCSD
GPRS
sehr gut
ungeeignet
ungeeignet
mittel
mittel
sehr gut
mobiler Zugriff auf Internet
ungeeignet
wenig
sehr gut
mobiler Zugriff auf Intranet
ungeeignet
wenig
sehr gut
Anwendung
Sprache
E-Mail
WAP
mittel
wenig
sehr gut
Fil Transfer
File
T
f
ungeeignet
i
t
sehr
h gutt
sehr
h gutt
Bildübertragung
ungeeignet
sehr gut
sehr gut
Videostreaming
ungeeignet
sehr gut
ungeeignet
wenig
ungeeignet
gut
Sicherheitsüberwachung
mit Datensignalisierung
Mobilkommunikation
3.101
3. Zellulare Netze
Mobilkommunikation
3.102
3. Zellulare Netze
EDGE
EDGE
Beispiel:
p
2PSK = BPSK
(ähnlich zu GMSK)
8PSK
Mobilkommunikation
3.103
Mobilkommunikation
3.104
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
EDGE
EDGE
Symbol 3 zugeordnete Bit Koordinaten
GSM:
Gaussian Minimum-Shift
K i (GMSK)
Keying
(GMSK).
EDGE:
8-Phase Shift Keying (PSK)
Phase (zur x-Achse)
C
000
-1 / 1
135
D
001
-1,41 / 0
180
B
010
0 / 1,41
90
A
011
1/1
45
F
100
0 / -1,41
1 1
-90
90
E
101
-1 / -1
-135
G
110
1 / -1
1
-45
45
H
111
1,41 / 0
0
Ein Bitstrom von: 001011110101000111111001000000101
unterteilt in Dreiergruppen: 001 011 110 101 000 111 111 001 000 000 101
würde also als Übertragungssymbole ergeben: D, A, G, E, C, H, H, D, C, C, E
Mobilkommunikation - SS 05
3.105
3. Zellulare Netze
Mobilkommunikation
3.106
3. Zellulare Netze
EDGE - Bursts
EDGE - Problem der Interferenzen
Normal Burst für GSM-Dienste mit GMSK-Modulation:
Normal Burst für EDGE-Dienste mit 8PSK-Modulation:
Mobilkommunikation
3.107
Mobilkommunikation
3.108
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
EDGE - Nettodatenraten
EDGE - Architektur
GPRS
EDGE
CS-1
8
CS-2
12
CS-3
CS
3
14 4
14.4
20
MCS-1
8.8
GMSKModulation
MCS-2
11.2
CS-4
MCS-3
MCS
3
14 8
14.8
MCS-4
17.6
MCS-5
22.4
H d +P t ti
Header+Protection
MCS-6
29.6
User Payload
8PSKModulation
Header+Protection
MCS-7
44.8
MCS-8
54.4
User Payload
59.2
MCS-9
Base Station
B
St ti Subsystem
S b
t
(BSS)
=
Radio Access Network (RAN)
Core Network (CN)
Mobilkommunikation
3.109
3. Zellulare Netze
Mobilkommunikation
3.110
3. Zellulare Netze
Dritte Generation zellularer Netze (3G)
Dritte Generation zellularer Netze (3G)
 2G-Ziel: effiziente Nutzung des Frequenzspektrums durch
Digitalisierung zellularer Netze, Erfolgsmodell GSM
 Es gibt nicht eine 3. Generation
 Standardisierung in der ITU unter dem Stichwort IMT-2000
 3G
3G-Ziel:
Ziel: effiziente Integration von mobilen Sprach
Sprach- und
Datendiensten in zellularen Netzen
 Terrestrische drahtlose Zugangstechniken im IMT-2000:




 Dabei:
 weltweite Verfügbarkeit und technische Kompatibilität der Endgeräte
und Infrastruktur
 Migration von 2G nach 3G
 neue Frequenzspektren
GSM-basierte 3. Generation: GPRS/EDGE (s. 2.5G)
UMTS b i t 3
UMTS-basierte
3. G
Generation:
ti
W
W-CDMA
CDMA und
d TD
TD-(S)CDMA
(S)CDMA
IS-95-basierte 3. Generation: CDMA2000
DECT (derzeit nur für privaten Bereich)
 Industriekonsortien, die auch die Standardisierung betreiben:
 3GPP ((Third Generation Partnership Project):
j ) W-CDMA und TD(S)CDMA, weitgehend von Europa, Japan und China getrieben
 3GPP2: CDMA2000, von USA getrieben
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.111
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.112
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
ITU IMT
IMT-2000
2000 Standardisierung der 3
3. Generation
Frequenzen für 3G
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.113
3. Zellulare Netze
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.114
3. Zellulare Netze
Frequenzen für 3G
Frequenzen für 3G
Sondersituation USA:
 Teile der IMT-2000 Frequenzen sind bereits an 2G Systeme (IS-95
PCS) vergeben, weitere an völlig andere Systeme
 Im September 2006 wurden seitens der Federal Communications
Commission (FCC) die Frequenzen 1710-1755 MHz und 2110-2155
MHz für 3G versteigert.
 In 1710-1755 befanden sich vorher Systeme der Regierungsbehörden, Flugkommunikation, Satellitensteuerung, etc.
 In 2110-2170
2110 2170 Paging Systeme,
Systeme lokale Fernsehsender
Fernsehsender, Satellit
Satellit, etc
etc.
Frequenzaufteilung:
UMTS: 1900 - 2025MHz und 2110 - 2200MHz
 Gepaarte lizenzierte Frequenzen: 2 x 60MHz = 12 Pakete
 Uplink: 1920 - 1980MHz
 Downlink:
D
li k 2110 - 2170MHz
2170MH
 Ungepaarte lizenzierte Frequenzen: 1 x 25MHz = 5 Pakete
 1900 - 1920MHz und 2020 - 2025MHz
 Ungepaarte nichtlizenzierte Frequenzen: 2 Pakete
 2010 - 2020MHz
 Satellitenanbindung
S lli
bi d
((optional
i
l iin Z
Zukunft):
k f)
 Uplink: 1980 - 2010MHz
 Downlink: 2170 - 2200MHz
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.115
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.116
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
Frequenzen für 3G
QoS Klassen von UMTS
UMTS-Lizenzvergabe in Deutschland
Dienstqualitäten:
Class
Netzbetreiber
Gepaarte
Pakete
Preis
Mrd. DM
Ungepaarte
Pakete
Preis
Mrd. DM
E-Plus / Hutchinson
2
16,42
1
0,0736
O2
2
16,52
Vodafone (ehem.
Manesmann Mobilf.)
2
16,47
1
0,121
T-Mobil
2
16 58
16,58
1
0 1227
0,1227
Mobilcom (aufgegeben)
2
16,37
1
0,121
Group 3G /Quam
(aufgegeben)
2
16,45
1
0,1227
Summe
12
98,81
5
0,561
Traffic Class
Class Description
Example
Relevant QoS
Requirements
1
Conversational
Preserves time relation between entities
making up the stream conversational
pattern based on human perception;
real-time
Voice
Video telephony
Video gaming
Video conferencing
Low jitter
Low delay
2
Streaming
Preserves time relation between entities
making up the stream; real-time
Multimedia
Video on demand
Webcast
Real-time
Real
time video
Low jitter
3
Interactive
Bounded response time
Preserves the payload content
Web-browsing
Database retrieval
Low round trip delay time
Low BER
4
Background
Preserves the payload content
E-mail
SMS
File transfer
Low BER
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.117
3. Zellulare Netze
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.118
3. Zellulare Netze
Typische QoS-Parameter
QoS Parameter für Sprache
Allgemeine Eigenschaften von UMTS
 Übertragungsraten (typisch):
Conversational
voice
Two-way
Two
way
Voice
messaging
Primarily
one-way
High quality
Primarily
streaming audio one-way
Data
D
rate
One-way
O
Delay
Delay
D
l
variation
IInformation
f
i
loss
4 13
4-13
kb/s
<150
150 msec
preferred
<400 msec
limit
< 1 msec
< 3% FER
(Frame Error
Rate)
4-13
kb/s
< 1 sec for
playback
< 2 sec ffor
record
< 1 msec
< 3% FER
32 128
32-128
kb/s
< 10 sec
< 1 msec
< 1% FER
 144 Kbit/s in ländlichen Gebieten bei 500 km/h (z.B. ICE)
 384 Kbit/s in der Stadt bei 120 km/h
 2 Mbit/s in Gebäuden bei 10 km/h
 Gleichzeitige Nutzung verschiedener Übertragungsdienste
(Daten/Sprache)
 Leitungs- und Paket-orientierte Dienste
 Variable Bitraten in Realzeit
Handover ohne Datenverlust selbst bei hohen Bitraten
 Handover zwischen UMTS und GSM
 Mehrere unsynchronisierte Systeme können nebeneinander in
derselben Umgebung koexistieren (auch unkoordinierte
Basisstationen)
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.119
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.120
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
UMTS Standardisierung
FDD und TDD
Es gab im Wesentlichen 2 Vorschläge im ETSI für die 3. Generation, die jeweils von
bedeutenden Industriekonsortien gestützt wurden:
 Alpha: W/CDMA (Nokia, Ericsson)
 Delta TD/CDMA (Siemens)
Am 29.1.98 Einigung auf Kompromiss, weil für keinen Vorschlag die erforderlichen
71% zustande kamen:
Alpha (61.1%) für das FDD-Verfahren:
 Erhält den Großteil der Frequenzen, daher überwiegend Einsatz im öffentlichen
Weitverkehrsbereich
Delta (38,7%) für TDD:
 Im überwiegend privaten Bereich
 Frequency Division Duplex (FDD)
 Time Division
Di ision D
Duplex
ple (TDD)
(TDD).
Die derzeit in D installierte Version (Release-5) von UMTS beinhaltet nur FDD. In
Tschechien hat T-Mobile CZ seit 2005 ein Netz mit UMTS-TDD
Transmission b
by TDD method
Transmission by FDD method
Die Standardisierung von UMTS findet seit Ende 1998 im sog
sog. 3GPP statt
statt, einem
dem ETSI angegliederten Konsortium von Standardisierungsorganisationen
g 3G LTE ((Long
g Term Evolution)) als 4G Technologie,
g , basiert wie
Neueste Entwicklung:
WiMAX auf OFDM, Datenraten von 100MBit/sec
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.121
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.122
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
UMTS W-CDMA
W CDMA
UMTS W-CDMA
W CDMA
W-CDMA - Wideband direct sequence CDMA
Variable Raten werden durch variable Spreading Faktoren (SF = 4 ... 256)
erreicht, d.h. Anzahl Chips pro Bit. SF wird pro 10ms Frame definiert.
Klassisches CDMA:
Beispiel: Downlink dedicated physical channel
DPDCH
DPCCH
Pilot
NPilot bits
TPC
NTPC bits
RI
NRI bits
Data
NData bits
0.625 ms, 20*2k bits (k=0..6)
Slot #1
Slot #2
Slot #i
Slot #16
Tf = 10 ms
Frame #1
Frame #2
Frame #i
Frame #72
T??? = 720 ms
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.123
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.124
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
UMTS TD-CDMA
TD CDMA
UMTS TD-SCDMA
TD SCDMA
 Variante von TD-CDMA, bei der das 5MHz-Band in 3 mal 1.6 MHz
aufgeteilt
f t ilt ist.
i t
 Ermöglicht größere Flexibilität, insbes. falls keine kompletten 5MHz
zur Verfügung stehen
 Wird zunächst in China implementiert
TD/CDMA wird auch UMTS TDD genannt
sehr ähnlich zu GSM:
16 CDMA Kanäle
In 15 Zeitschlitzen
Datenraten von 9,6 kBit/s
Bis 2 MBit/s
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.125
3. Zellulare Netze
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.126
3. Zellulare Netze
 UMTS Release 99 (2000)
 Based on GSM,
 End-to-end packet switching based on IP (IMS),
 Downlink data rate of over 10 Mbit/s (HSDPA),
 GSM EDGE Radio
R di Access
A
Network
N t
k (GERAN);
(GERAN)
 Backward compatible with GSM,
 Interoperation between UMTS and GSM;
 Definition of the UTRAN
 UTRA
(
)
 UMTS FDD (W-CDMA)
 IMS "Phase 2" (IMS Messaging, conferencing and Group
Management),
Management)
 High Speed Uplink (HSUPA)
 Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS)
 WLAN interworking
(
)
 Separation of user data flows and control mechanisms,
 UMTS TDD Time Division CDMA (TD
(TD-CDMA),
CDMA)
 High data rate UMTS TDD with 3.84 Mchips/s,
 Narrowband TDD with 1.28 Mchips/s;
 Position
P iti location
l
ti functionality;
f
ti
lit
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.127
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.128
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
HSPA
High Speed Packet Access
 Enhanced uplink, other spectrum,
 Multiple Input Multiple Output antennas (MIMO),
 IMS Emergency
E
callll handling.
h dli
 Ist eine Erweiterung und Effizienzsteigerung von UMTS bestehend
aus HSDPA und HSUPA
 Durch Optimierungen wird erreicht:
 Bis zu 14 MBit/s downlink und 5,8 MBit/s uplink
 Niedrigere Verzögerung (Latenz)
 Meist kann HSPA durch einen SW-Upgrade auf existierende UMTSNetze erreicht werden
 Ca. 200 Netzbetreiber haben das bereits eingeführt (in D alle außer
E-Plus, nur Probebetrieb in Leipzig)
 3GPP Release 8 (2009)
(
)
 3GPP Long Term Evolution (LTE)
 Ist der Nachfolger von UMTS
 Wird manchmal als 3
3.9G,
9G ne
neuerdings
erdings a
auch
ch als 4G be
bezeichnet
eichnet
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.129
3. Zellulare Netze
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3. Zellulare Netze
HSPA
HSPA
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.130
3.131
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.132
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
HSPA
HSDPA
High Speed Downlink Packet Access
 Ermöglicht in der derzeitigen Spezifikation im UTRAN bis zu 14
MBit/s Downlink-Datenraten
 Zunächst haben die Netzbetreiber eine 3,6 MBit/s Variante
angeboten
 Seit 2008 bieten Netzbetreiber auch 7
7,2
2 MBit/s an
 Teil von Release 5 von 3GPP
 Kann für UTRAN FDD und TDD angewendet werden
 Benutzt ein 16QAM Modellierungsschema
 HSDPA benötigt ein 5 MHz-Band (in D ohnehin für UMTS üblich)
 Sendeleistung in einer Zelle wird optimiert und die Datenrate
entsprechend angepasst, statt nur ein Kanal werden alle möglichen
Kanäle für die Datenübertragung genutzt
 Sprache hat aber immer Priorität
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.133
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3. Zellulare Netze
3.134
3. Zellulare Netze
HSUPA
HSPA+ / HSPA Evolution
High Speed Uplink Packet Access
Übertragungstechniken für bessere Ausnutzung des Frequenzspektrums








Teil von 3GPP Release 6
Steigert die maximale Uplink-Rate
Uplink Rate von UMTS bis auf 5,8
5 8 MBit/s
Verwendung von bis zu 6 Codes gleichzeitig
Es wird das weniger fehleranfällige BSPK verwendet
64QAM im Downlink
16QAM im Uplink
MIMO (Multiple Input Multiple Output)
Erste Testversuche von T-Mobile, Vodafone und O2 in 2009 in
Deutschland und Spanien
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.135
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.136
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
LTE - Long Term Evolution
Femtocells: kleine UMTS-Basisstationen
UMTS Basisstationen für „zuhaue
zuhaue“
Innovationen





20MHz- breite Kanäle (UMTS nur 5 MHz) im 2,6 GHz-Band
Frequenzvergabe bis Ende 2009
OFDMA mit 64QAM
MIMO (wie bei HSPA+ und 802.11n)
Reale Datenraten von 100 MBit/s downlink und 50 Mbit/s uplink
werden angestrebt
 Theoretisch möglich: 326.4 MBit/s für 4x4 Antennen, 172.8 Mbit/s for
2x2 Antennen pro 20 MHz Frequenzkanal
 einfache Integration in das bestehende UMTS/GSM-Mobilfunknetz
g
und eine einfache Architektur mit sich selbst konfigurierenden
Basisstationen
 mit geringer Reichweite, z.B. nur 10-20 m
 dadurch lassen sich Nutzer in Gebäuden effizienter versorgen
 dadurch auch Kapazitätserweiterung, weil die Indoor-Benutzer nicht
g
g
großen Zellen belasten.
die regulären
 obwohl vom Mobilfunkanbieter betrieben, ist die Femto-Basisstation
i.d.R. über den privaten DSL- oder Kabel-Anschluß angebunden
 kann im privaten Bereich Alternative zu WiFi sein
sein, muss aber als
Paket vom Mobilfunkbetreiber angeboten werden, wg. der Lizenzen
 Vorteile:
 h
homogene N
Netzinfrastruktur
t i f t kt vereinfacht
i f ht unterbrechungsfreies
t b h
f i
Handover
 keine Dualmode-(WLAN/UMTS) Endgeräte notwendig
 P
Probleme
bl
b
bereiten
it di
die IInterferenzen
t f
von F
Femtozellen
t
ll untereinander
t i
d
und zwischen Femto- und Makrozellen
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.137
3. Zellulare Netze
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.138
3. Zellulare Netze
UMTS - Zellatmung
UMTS - Netzarchitektur
Reichweite der UMTS-Basisstation ist
abhängig von der in ihr befindlichen
Teilnehmer
Node B
g
des CDMA steigen
g mit der
Aufgrund
Anzahl der Teilnehmer auch die
Störeinflüsse an. Dies lässt sich auf
g
nur dadurch
Seite der Mobilgeräte
beheben, dass die Sendeleistung
adaptiv angehoben wird – was
wiederum zu mehr Störsignalen führt.
lucs
lub
GMSC
MSC/VLR
PSTN / ISDN
RNC
D
Node B
C
lur
BTS
Gc
Gr
Abis
BTS
Generation 3 (3G)
3.139
HLR
Gs
GERAN
Nutzt also etwa ein Mobiltelefon den größten Teil seiner Sendeleistung zum
Ausgleich von Störsignalen, sinkt entsprechend seine effektive Reichweite. Aus
Sicht des Benutzers verkleinert sich also der Wirkungsradius der Basisstation
Basisstation.
Umgekehrt bewirkt eine geringe Auslastung einer UMTS-Zelle, dass ihr effektiver
Nutzradius wächst
Mobilkommunikation
Core Network
UTRAN
BSC
lupo
SGSN
Gn
Internet
X.25, private
networks
GGSN
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.140
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
GERAN
CDMA2000
GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network):
 Basiert auf IS-95 (s. 2G)
 Ähnlich wie W-CDMA, aber 1.25MHz Bänder, also 3 Carrier in
einem 5MHz Band (Vorteile wie bei TD-SCDMA)
 1.2288
1 2288 Mcps
 Datenraten bis zu 625 kbps
 Harmonisierung der Paketdienste von GSM/GPRS/EDGE mit UMTS
 Schnittstellendefinition zum UMTS-Netz, lu-Schnittstellen (lucs und
p )
lupo)
 Alle QoS-Klassen werden auch von GERAN unterstützt
 Rückwärtskompatibilität zur GSM/GPRS-Architektur, in diesem Fall
werden paketbasiert nur die QoS-Klassen
QoS Klassen 3 und 4 unterstützt
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.141
3. Zellulare Netze
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.142
3. Zellulare Netze
Dritte Generation zellularer Netze (3G) – regionale Aspekte
CDMA2000 N
Netzarchitektur
t
hit kt
Amerika (Nord-)
 Verizon, Sprint, und andere: cdma2000 seit 1.2.2005
 AT&T:
AT&T UMTS seitit Juli
J li 2004
 T-Mobile. UMTS seit 2007
 Verizon, AT&T und T-Mobile setzen auf LTE als 4G-Technologie
 Sprint setzt auf WiMAX als 4G-Technologie
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.143
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.144
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
China
Europa
 Nach Angaben von Chinas Netzbetreibern werden kommerzielle 3G
Dienste ab 2009 angeboten werden
 der ursprüngliche Plan
Plan, zu den olympischen Spielen 2008 3G
3G-Dienste
Dienste
anbieten, konnte nicht eingehalten werden
 Betreiber für 3G:
 China
Chi M
Mobile:
bil UMTS (TD
(TD-SCDMA)
SCDMA) Lizenzen
Li
seit
it 2009
 China Telecom: CDMA2000 Lizenzen seit 2009
 China Unicom: UMTS ((W-CDMA)) ab April 2009
 Netzbetreiber scheuten sich bisher sich vor zu schneller Migration von 2G
auf 3G
 Erste UMTS WCDMA-FDD Installationen 2002
 Vollwertige
V ll
ti UMTS
UMTS-Dienste
Di
t seit
it E
Ende
d 2004
 ca. 800 Mio. GSM-Kunden
 Größte GSM-Kundschaft
GSM Kundschaft weltweit
 ca. 150 Mio. UMTS Nutzer
 ca. 150 Netzbetreiber
 GSM/GPRS-Kunden sind auch potentielle UMTS-Kunden, wegen
der Ähnlichkeit und Überlappung der Netze
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3.145
3. Zellulare Netze
Generation 3 (3G)
Mobilkommunikation
3. Zellulare Netze
Vierte Generation zellularer Netze (4G)
Vergleich von 3G und 4G
 Der Begriff 4G wird verbunden mit der Integration von WLAN,
WiMAX und LTE in zellulare Netze und der Verfügbarkeit sehr viel
höherer drahtloser Bandbreite (100-1000 Mbit/s real)
 ITU (International Telecommunication Union definiert 4G wie folgt:
 100 MBit/s unter voll mobiler Nutzung
 1 GBit/s unter nomadischer Nutzung
 Die Frequenzen für 4G wurden im Oktober 2007 von der WRC
(World Radiocommunication Conference) festgelegt
p
p
_
http://www.itu.int/newsroom/press_releases/2007/36.html
 Mit 4G wird erst 2010 gerechnet,
 Samsung hat schon 2006 auf dem 4G Forum in Jeju Island, Korea
i einem
in
i
4G Bus
B 100 MBit/s
MBit/ bei
b i 60 km/h
k /h und
d multi-cell
lti ll H
Handover
d
demonstriert und 1 GBit/s nomadisch
 Konkurrierende Technologien:
g
WiMAX und 3GPP LTE
3G
 Rückwärtskompatibel zu 2G
 Circuit und Packet Switched
Network
 Kombination von
existierendem &
evolutionärem Equipment
 Datenrate bis 2Mbps
Generation 4 (4G)
Mobilkommunikation
3.146
3.147
4G
 Konvergenz von WLAN mit
zellularen Netzen
 vollständig Packet Switched
Network (All-IP)
 Alle Netz-Elemente sind digital
 Höhere Bandbreite, z.B. 1001000Mbps
 Erweiterung der 3G Kapazität
 Mit LTE ggf. rückwärtskompatible
Elemente zu 3G
Generation 4 (4G)
Mobilkommunikation
3.148
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
Innovationen für 4G
Innovationen für 4G
 Modulierungs- und Multiple Access Techniken
 Komponenten der 4G Standardisierung:
 Insbesondere Kombination von OFDM mit CDMA und TDMA
 Multiple Antennen Techniken
 Minimierung der Multipath- und ähnlichen Probleme durch Einsatz
mehrerer Antennen an Basisstationen und Mobilstationen
 All IP-Netze
 Ausgangspunkt: viele private drahtlose Zugangsnetze, i.d.R. basierend
auf 802.11 u.ä.
 IP als gemeinsame Plattform
 Kommerzielle Nutzung basierend auf AAA-Protokollen (Authentication,
Authorization and Accounting)






UWB
802.11n
802
11n
SDR
802.16-2005 (ehemals 802.16e)
802.16m
3GPP LTE (Weiterentwicklung von UMTS)
 Neuigkeiten zu 4G z.B. in http://www.4g.co.uk/
Generation 4 (4G)
Mobilkommunikation
3.149
3. Zellulare Netze
Generation 4 (4G)
Mobilkommunikation
3.150
3. Zellulare Netze
IMS – Internet Multimedia Subsystem
IMS Architektur
 erster Schritt in Richtung Integration von 3G-Zugangstechnik und
Internet
 IMS ist ein Standard der 3GPP
 IMS standardisiert eine Architektur für den Zugang zu real
real-time
time IP
Services, insbes. VoIP, über UMTS
 IMS basiert auf dem weit verbreiteten SIP-Standard für
Multimediadienste, insbes. VoIP
 das SIP Protokoll standardisiert die aus dem GSM/UMTS
bekannten Konzepte des HLR
HLR, etc
etc., für das Internet
Internet, insbes
insbes.
 Registrierung
 Routing
 etc.
 mehr zu IMS, z.B.: http://www.mobilein.com/what_is_IMS.htm
Mobilkommunikation
3.151
Mobilkommunikation
3.152
3. Zellulare Netze
3. Zellulare Netze
SIP Funktionsweise,
Funktionsweise Registrierung
SIP Funktionsweise
Funktionsweise, Anruf
 mehr zu SIP, z.B.: http://www.iptel.org/sip/siptutorial.pdf
und in Mobilkommunikation II
Mobilkommunikation
3.153
Mobilkommunikation
3.154

Zellulare Netze - Institute of Computer Science

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