Kommunikationsnetze für MT Sommersemester 2018
Fachgebiet Kommunikationsnetze 1
7. Öffentliche Mobilkommunikations-netzeAllgemeine Grundlagen, GSM, GPRS, UMTS, LTE
Allgemeine Grundlagen
▪ Öffentliches terrestrisches Mobilfunknetz
▪ Public Land Mobile Network (PLMN)
▪ Infrastrukturnetz unter der Administration eines Betreibers
▪ Weltweit eindeutige Kennung (auch als PLMN bezeichnet) zusammengesetzt aus
▪ Mobile Country Code (MCC) – Beispiel Deutschland: MCC 262
▪ Mobile Network Code (MNC) – Beispiel Vodafone in Deutschland: MNC 02
▪ Üblicherweise unterteilt in
▪ Funksubsystem mit der Luftschnittstelle zwischen mobilem Endgerät und
Funkbasisstation
▪ Drahtgebundenes Vermittlungs(kern)netz zur Vermittlung der Informationen zwischen
Funkbasisstationen oder einer Funkbasisstation und einem Übergang in ein anderes Netz
▪ Netzleitsystem für Netzmanagement und Sicherheitsaufgaben
Kommunikationsnetze (MT) - 7. Öffentliche Mobilkommunikationsnetze 274
Kommunikationsnetze für MT Sommersemester 2018
Fachgebiet Kommunikationsnetze 2
Zellenbasierte Funkabdeckung
Kommunikationsnetze (MT) - 7. Öffentliche Mobilkommunikationsnetze 275
Idealisierte hexagonale Zellenform
(Zellen überlappen unregelmäßig)
Netzabdeckung UMTS
Kommunikationsnetze (MT) - 7. Öffentliche Mobilkommunikationsnetze 276
http://www.umts-netzabdeckung.com/files/2012/04/4-netze-umts-2-1024x355.jpg
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 3
Netzabdeckung LTE
Kommunikationsnetze (MT) - 7. Öffentliche Mobilkommunikationsnetze 277
Deutschlandweite LTE-Abdeckung von Telekom, Vodafone und o2 im Vergleich
Bild: teltarif.de
Zellenstruktur – Vorteile und Herausforderungen
Vorteile
▪ Benötigte Sendeleistung und Latenz
begrenzt wegen geringer Distanz zwischen
mobilem Endgerät und Basisstation
▪ Energieeffizienz
▪ Unterschiedliche Zellengröße wählbar
abhängig von erwartetem Verkehrs-
aufkommen (Stadtzentrum vs. Thüringer
Wald)
▪ Wiederverwendung von Frequenzen in
weiter entfernten Zellen möglich
▪ Erhöhung der Anzahl gleichzeitiger Nutzer
(„Raummultiplex“)
Herausforderungen
▪ Lokalisierung des mobilen Endgeräts bei
Kommunikationswunsch von außen
▪ Handover bei Zellwechsel
▪ Nachhaltige Planung der Zellstruktur unter
folgenden Gesichtspunkten:
▪ Erwartete Nutzerzahl
▪ Auswirkungen durch das Gelände / die
Bebauung
▪ Wirtschaftlichkeit
Kommunikationsnetze (MT) - 7. Öffentliche Mobilkommunikationsnetze 278
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 4
Funkschnittstelle
▪ Lizenzierte Frequenzbereiche exklusive Nutzung
▪ Duplexkommunikation
▪ Frequency Division Duplex (FDD): unterschiedliche Frequenzen für Uplink und
Downlink
▪ Time Division Duplex (TDD): unterschiedliche Zeitschlitze für Uplink und Downlink
▪ Kombination von FDD und TDD
▪ Unterstützung mehrerer Nutzer gleichzeitig
▪ Zeitmultiplex (TDMA)
▪ Frequenzmultiplex (FDMA)
▪ Codemultiplex (CDMA)
▪ Unterscheidung von Nutzdaten und Signalisierung
Kommunikationsnetze (MT) - 7. Öffentliche Mobilkommunikationsnetze 279
Lokalisierung
▪ Adressierung des Endgeräts durch eindeutige Adresse (z. B. Telefonnummer)
▪ Kein Rückschluss auf aktuellen Aufenthaltsort des Endgeräts
▪ Mitunter kein Rückschluss auf Provider (wegen Rufnummernmitnahme)
▪ Abbildung der Telefonnummer auf eindeutige Subscriber-Adresse,
die eine Kennung des Providers enthält
▪ Nachschlagen des Aufenthaltsorts in einer Datenbank, die ständig aktuell gehalten werden muss
Signalisierung durch das mobile Endgerät
▪ Lokalisierungsgranularität: Versorgungsbereich des Randvermittlungsknotens zur Verminderung
des Verkehrsaufkommens
Paging nach Endgerät notwendig
▪ Sicherheitsgefahr durch Verfolgen der Signalisierungsnachrichten
Nachverfolgung (Tracking) des Endgeräts möglich
Anonymisierung der Signalisierung
Kommunikationsnetze (MT) - 7. Öffentliche Mobilkommunikationsnetze 280
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 5
Handover / Handoff
▪ Wechsel der Zelle / des Kanals der Funkschnittstelle
▪ aufgrund der Mobilität des Endgeräts
▪ aufgrund der aktuellen Netzauslastung
▪ wegen eines gestörten Kanals in der Zelle
▪ Ziel: keine Unterbrechung eines laufenden Kommunikationsvorgangs
▪ Drei Phasen:
(1) Erkennen der Notwendigkeit eines Handovers
Messungen von Kanalparametern und Handover-Entscheidung
(2) Identifikation und Reservierung des neuen Kanals
(3) Umschalten auf neuen Kanal und Freigeben des alten Kanals
▪ Arten des Handovers (in Bezug auf Phase 3):
▪ Hard Handover – Nutzdaten werden immer nur über eine Basisstation geschickt
▪ Soft Handover – Nutzdaten werden gleichzeitig über zwei Basisstationen geschickt
Kommunikationsnetze (MT) - 7. Öffentliche Mobilkommunikationsnetze 281
Arten des Handover
▪ Network Controlled Handover
▪ Netzseitige Kanalmessung
▪ Netzseitige Handover-Entscheidung
▪ Network Assisted Handover
▪ Kanalmessung auf beiden Seiten (mobiles Endgerät und Netz)
▪ Übermittlung der Messergebnisse vom Netz zum mobilen Endgerät
▪ Handover-Entscheidung auf dem mobilen Endgerät
▪ Mobile Assisted Handover
▪ Kanalmessung auf beiden Seiten (mobiles Endgerät und Netz)
▪ Übermittlung der Messergebnisse vom mobilen Endgerät zum Netz
▪ Netzseitige Handover-Entscheidung
▪ Mobile Controlled Handover
▪ Kanalmessung nur auf dem mobilen Endgerät
▪ Handover-Entscheidung auf dem mobilen Endgerät
Kommunikationsnetze (MT) - 7. Öffentliche Mobilkommunikationsnetze 282
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 6
Handover-Entscheidung
▪ Verschiedene Handover-Vorgänge
▪ Horizontaler Handover Wechsel des Kanals bei gleichbleibender Technologie
▪ Vertikaler Handover Wechsel der Technologie (z. B. Handover von LTE nach WLAN)
▪ Verschiedene zu berücksichtigende Parameter:
▪ Kanaleigenschaften (üblicherweise auf beiden Seiten)
▪ Received Signal Strength (RSS), Signalrauschabstand (SNIR), Bitfehlerrate, …
▪ Dienstgüteeigenschaften
▪ Verzögerung, Durchsatz, Jitter, laufende Anwendungen, Anzahl der Handover (Ping-Pong-Effekt), …
▪ Providerparameter
▪ Aktuelle Auslastung, Lastverteilung, …
▪ Nutzerpräferenzen
▪ Kosten, bevorzugte Provider, …
▪ Mehrdimensionales Problem Multi Criteria Decision Making
Kommunikationsnetze (MT) - 7. Öffentliche Mobilkommunikationsnetze 283
Roaming
▪ Nutzung von Kommunikationsdiensten in
Fremdnetzen, die nicht vom eigentlichen Provider
betrieben werden, z. B. Nutzung des Handys im Ausland
weltweite Erreichbarkeit unter einer Telefonnummer
▪ „Roaming Agreements“ zwischen den Providern
▪ Fremdnetz muss zur Lokalisierung des Nutzers beitragen
▪ Spezielle Roaming-Tarife, die in der EU im Juni 2017 gefallen sind
Kommunikationsnetze (MT) - 7. Öffentliche Mobilkommunikationsnetze 284
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 7
Sicherheitsgefahren
▪ Vertraulichkeit des Funkkanals
▪ Verschlüsselung
▪ Authentisierung
▪ beim Einbuchen
▪ bei der Lokalisierung / beim Paging
▪ beim Handover
▪ Verhinderung der Nachverfolgung
▪ Anonymisierung
Kommunikationsnetze (MT) - 7. Öffentliche Mobilkommunikationsnetze 285
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation 286
Vereinfachtes Referenzmodell in der Mobilkommunikation
Anwendung
Transport
Netzwerk
Sicherung
Bitübertragung
Medium
Sicherung
Bitübertragung
Anwendung
Transport
Netzwerk
Sicherung
Bitübertragung
Sicherung
Bitübertragung
Netzwerk Netzwerk
Funk
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 8
Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell
Anwendungsschicht Dienstelokation neue Anwendungen (Multimedia) Adaptive Anwendungen
Transportschicht Staukontrolle, Flusskontrolle Dienstqualität
Netzwerkschicht Adressierung, Wegewahl Endgerätelokalisierung Handover
Sicherungsschicht Authentifizierung Multiplexing, Medienzugriff Medienzugangskontrolle
Bitübertragungsschicht Verschlüsselung Modulation Interferenzen Dämpfung
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation287
Signalausbreitungsbereiche
▪ Übertragungsbereich
▪ Kommunikation möglich
▪ niedrige Fehlerrate
▪ Erkennungsbereich
▪ Signalerkennung möglich
▪ keine Kommunikation
möglich
▪ Interferenzbereich
▪ Signal kann nicht detektiert werden
▪ Signal trägt zum Hintergrundrauschen bei
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation 288
Entfernung
Sender
Übertragung
Erkennung
Interferenz
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 9
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
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation 289
Reflektion Streuung BeugungAbschattung
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation 290
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
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 10
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation 291
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. Mobilkommunikation 292
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
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 11
Entwicklung der GSM-Teilnehmerzahlen
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation 293
https://www.telegeography.com/products/commsupdate/assets/comms_update/images/assets/news20150616-1.gif
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation 294
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
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 12
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation 295
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. Mobilkommunikation 296
GSM: Überblick
Festnetz
BSC
BSC
MSC MSC
GMSC
OMC,
EIR, AUC
VLR
HLR
NSS
mit OSS
RSS
VLR
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 13
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation 297
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. Mobilkommunikation 298
Zeit-Vielfachzugriff (TDMA)
Zeitbereich
GSM-TDMA-Rahmen
GSM-Zeitschlitz
4,615 ms
546,5 µs
577 µs
3
935-960 MHz 124 Kanäle mit je 200 kHz
Abwärtsrichtung
890-915 MHz
Höhere GSM-Rahmenstrukturen
124 Kanäle mit je 200 kHz
Aufwärtsrichtung
1 2 3 4 5 6 7 8
Schutz-
zeitTail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail
Schutz-
zeit
3 bit57 1 26 1 57
Kommunikationsnetze für MT Sommersemester 2018
Fachgebiet Kommunikationsnetze 14
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation 299
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. Mobilkommunikation 300
Systemarchitektur
▪ Erweiterung des GSM NSS um
▪ Gateway GPRS Support Node (GGSN)
▪ Gateway zu anderen Paketnetzen
▪ Umsetzung Paketnetzadressen in IMSI-Adressen
▪ Serving GPRS Support Node (SGSN)
▪ funktionelle Unterstützung der Mobilstationen
▪ Abfrage der Adressen von Gruppenrufen
▪ GPRS Register
▪ GPRS bezogene Teilnehmerdaten, Teil des HLR
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 15
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation 301
GPRS – Architektur und Schnittstellen
MS BSS GGSNSGSN
MSC
Um
EIR
HLR/
GR
VLR
PDN
Gb Gn Gi
SGSN
Gn
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation 302
Zielstellung von UMTS
▪ Universal Mobile Telecommunication System
▪ Bereitstellung von universellen Diensten innerhalb eines Mobilfunknetzes
▪ Dienste des ISDN
▪ GSM-Dienste, Funkrufsysteme, Datenkommunikation leitungsvermittelt,
paketvermittelt
▪ Unterstützung verschiedener Zugriffsverfahren: TDMA, FDMA, CDMA, hybrid
Kommunikationsnetze für MT Sommersemester 2018
Fachgebiet Kommunikationsnetze 16
UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN)
Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation 303
▪ 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. Mobilkommunikation 304
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 für MT Sommersemester 2018
Fachgebiet Kommunikationsnetze 17
High Speed Packet Access HSPA
▪ High Speed Packet Access
▪ Weiterentwicklung von UMTS, die höhere Datenübertragungsraten ermöglicht
▪ Unterteilung:
▪ Highspeed Downlink Packet Access HSDPA zur Beschleunigung des Downlink
▪ Highspeed Uplink Packet Access HSUPA für den Uplink
▪ Weiterentwicklung HSPA+ mit Downstream-Übertragungsrate von 28-84 Mbit/s
Kapitel 8: PLMN 305Sommersemeste
r 2017
HSDPA - Übertragungsraten
Kapitel 8: PLMN 306
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
HSDPA, 3. Ausbaustufe - Uplink: 3,6 MBit/s
HSDPA, 3. Ausbaustufe - Downlink: 7,2…
HSDPA, 2. Ausbaustufe - Uplink: 1,8 MBit/s
HSDPA, 2. Ausbaustufe - Downlink: 3,6…
HSDPA, 1. Ausbaustufe - Uplink: 384 kBit/s
HSDPA, 1. Ausbaustufe - Downlink: 1,8…
UMTS, Uplink: 64 kBit/s
UMTS, Downlink: 384 kBit/s
Quelle: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/1301141.htm Sommersemeste
r 2017
Kommunikationsnetze für MT Sommersemester 2018
Fachgebiet Kommunikationsnetze 18
Entwicklung HSDPA / HSUPA
Kapitel 8: PLMN 307
Quelle: http://www.ltemobile.de/HSPA.46.0.html TTI: Transmission
Time Interval
Sommersemeste
r 2017
HSPA+
▪ Ziel der 3GPP-Spezifikation mit der Bezeichnung „HSPA+ Release 7“:
Erhöhung der Datenraten
▪ Bessere Ausnutzung des Frequenzspektrums durch
▪ 64QAM im Downlink
▪ 16QAM im Uplink
▪ MIMO (Multiple Input Multiple Output)
▪ Maximale Geschwindigkeiten:
▪ HSPA+ Release 7: 28,0 Mbit/s (Downlink) 11,5 Mbit/s (Uplink)
▪ HSPA+ Release 8: 42,2 Mbit/s (Downlink) 11,5 Mbit/s (Uplink)
▪ HSPA+ Release 9: 56 Mbit/s (Downlink) 11,5 Mbit/s (Uplink)
Kapitel 8: PLMN 308Sommersemeste
r 2017
Kommunikationsnetze für MT Sommersemester 2018
Fachgebiet Kommunikationsnetze 19
Long Term Evolution (LTE)
▪ Aktueller Standard für hochratige mobile Datenkommunikation
▪ Migrationspfad von UMTS über HSDPA und HSUPA zu LTE
▪ Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
▪ Multiple-Input-Multiple-Output-Antennentechnologie (MIMO)
▪ Geringe Latenzzeiten zur Realisierung von IP-basierter Sprachübertragung
▪ Maximale erwartete Datenraten von 300 Mbit/s im Downlink und 75 Mbit/s im Uplink
Kapitel 8: PLMN 309Sommersemeste
r 2017
LTE Netzaufbau
▪ eNB = E-UTRAN Node B
▪ MME = Mobility
Management Entity
▪ S-GW = Serving Gateway
http://www.slideshare.net/h
amdani2/lte-long-term-
evolution
Kapitel 8: PLMN 310Sommersemeste
r 2017
Kommunikationsnetze für MT Sommersemester 2018
Fachgebiet Kommunikationsnetze 20
Vergleich HSPA und LTE
Sommersemeste
r 2017Kapitel 8: PLMN 311
htt
p:/
/ww
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Trends
Kapitel 8: PLMN 312
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Sommersemeste
r 2017
Kommunikationsnetze für MT Sommersemester 2018
Fachgebiet Kommunikationsnetze 21
Hin zu 5 G
5G: IMT 2020 mit folgenden Zielstellungen
▪ 100fach höhere Datenrate als heutige LTE-Netze (also bis zu 10.000 Mbit/s)
▪ rund 1000fach höhere Kapazität
▪ weltweit 100 Mrd. Mobilfunkgeräte gleichzeitig ansprechbar
▪ extrem niedrige Latenzzeiten Ping von unter 1 Millisekunde
▪ 1/1000 Energieverbrauch pro übertragenem Bit
▪ 90% geringerer Stromverbrauch
Kapitel 8: PLMN 313
Quelle: http://www.lte-anbieter.info/5g/
Sommersemeste
r 2017
Literatur
▪ Al Agha, Khaldoun ; Pujolle, Guy ; Ali-Yahiya, Tara: Mobile and Wireless
Networks. London: John Wiley & Sons, 2016.
▪ Andersson, Christoffer: GPRS and 3G Wireless Applications: Professional
Developer’s Guide. New York; Chichester: John Wiley & Sons, 2001.
▪ Roth, Jörg: Mobile Computing. Heidelberg: Dpunkt.Verlag GmbH, 2005.
▪ Sauter, Martin: Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme, 6. Auflage.
Wiesbaden: Vieweg+Teubner Verlag, 2015.
▪ Schiller, Jochen: Mobilkommunikation. München: Addison-Wesley, 2000.
▪ Seitz, Jochen ; Debes, Maik : Kommunikationsnetze. Eine umfassende
Einführung. Anwendungen – Dienste – Protokolle. Unicopy Campus Edition:
Ilmenau, 2016.
Kommunikationsnetze (MT) - 7. Öffentliche Mobilkommunikationsnetze 314