Kommunikations- netzemidas1.e-technik.tu-ilmenau.de/~webkn/Webdaten/Lehre/SS2016... · RNC ist...

Kommunikations-netze

9. Mobilkommunikation Infrastruktur- und Ad-hoc-Netze Grundlagen der Mobilkommunikation Öffentliche Mobilkommunikation:

GSM, GPRS, UMTS

Kommunikationsnetze (MT) - 9. Mobilkommunikation311

Vereinfachtes Referenzmodell in der Mobilkommunikation

Anwendung

Transport

Netzwerk

Sicherung

Bitübertragung

Medium

Sicherung

Bitübertragung

Anwendung

Transport

Netzwerk

Sicherung

Bitübertragung

Sicherung

Bitübertragung

Netzwerk Netzwerk

Funk


Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell

Anwendungsschicht Dienstelokation neue Anwendungen (Multimedia) Adaptive Anwendungen

Transportschicht Staukontrolle, Flusskontrolle Dienstqualität

Netzwerkschicht Adressierung, Wegewahl Endgerätelokalisierung Handover

Sicherungsschicht Authentifizierung Multiplexing, Medienzugriff Medienzugangskontrolle

Bitübertragungsschicht Verschlüsselung Modulation Interferenzen Dämpfung Frequenzen


Mobilfunkdienste und -netze

Mobilfunkdienste verwenden „drahtlose“ Übertragungskanäle als „Anschlussleitung“ Funkkanäle (Funksysteme) Infrarot (Indoorsysteme)

Ziele der Verwendung leitungsloser Anschlussleitungen Örtliche Beweglichkeit Teilnehmer-Endgerät Bypass als Netzzugang

Unterscheidung der Mobilfunknetze in Infrastrukturnetze Ad-hoc-Netze


Drahtlose Infrastrukturnetze

Mobiles EndgerätBasisstation

(Access Point)Festnetz


Drahtlose Infrastrukturnetze– Aufbau –

Infrastruktur ist Voraussetzung

Kommunikation zwischen Zugangspunkt (Basisstationen, Access Point) und drahtlos angebundenen Endgeräten (Mobilstationen)

1 Hop zum Zugangspunkt ins Festnetz 2 Hops (über den Zugangspunkt) zum Nachbarn

Basisstationen stellen Zugang zum Festnetz bereit

Basisstationen über ein Festnetz miteinander verbunden

mehrere drahtlose Netze können ein logisches Netz bilden

Bsp.: GSM-Netz


Drahtlose Infrastrukturnetze– Eigenschaften –

vorausgehende Planung nötig

Infrastruktur stellt Dienste zur Namensauflösung, Weiterleitung von Daten, Authentifizierung bereit

keine direkte Kommunikation zwischen den Endgeräten

Komplexität im Zugangspunkt

Endgeräte relativ einfach

Dienstgütegarantien möglich

zentralisierte Verwaltung/Administration

anfällig bei Katastrophenfällen wie Erdbeben, Bränden


Ad-hoc-Netze– Aufbau –

„ ... a collection of wireless nodes, all of which may be mobile, dynamically create a wireless network among themselves without using any such infrastructure or administrative support.“

IEEE Feb. 2001 S.142


Ad-hoc-Netze– Funktionsweise –

A

FE

D

CB

G H


Eigenschaften vonAd-hoc-Netzen (I) bedürfen keiner Infrastruktur bedürfen keiner vorausgehenden Planung dezentrales Netzmanagement

self-creating self-organizing immer und überall self-administering dadurch:

• dynamische Änderung der Topologie möglich• selbständige Aufnahme/Abmeldung von Stationen• größtmögliche Flexibilität und Unterstützung:

• von spontanen Treffen• einer Kommunikation fernab jeglicher Infrastruktur• des schnellen Ersatzes bei zerstörter Infrastruktur• ...

• hohe Komplexität der einzelnen Endgeräte


Eigenschaften vonAd-hoc-Netzen (II) Endgeräte können direkt miteinander kommunizieren einzelne oder alle Endgeräte arbeiten auch als Router Multihop-Verbindungen (über mobile Nodes) selbständige Routenwahl unanfällig gegenüber Katastrophen offene Fragen:

Zugang zu anderen Netzen Zugang zu Diensten (Authentifizierung, Verwaltung etc.) Dienstgütebereitstellung

durch folgende Spezifikationen unterstützt: WLAN (Wireless Local Area Network) (IEEE 802.11) HIPERLAN 1 (ETSI-Standard) Bluetooth


Einordnung vonAd-hoc-Netzen

Ad-hoc-Netze(bzw. infrastrukturlose Netze)

IEEE 802.11

HIPERLAN 1

Bluetooth

Infrastrukturnetze

GSM

UMTS

GPRS

HIPERLAN 2/3/4 (WATM)

...

Drahtlose Netze


Klassifikation von Mobilfunknetzen

Öffentliche Mobilfunknetze

2. Generation: GSM

3. Generation: UMTS

4. Generation: ???

Wireless Local Area Networks WLAN

IEEE 802.11

Wireless Personal Area Networks WPAN

Bluetooth

IrDA

GPRS

HSDPA


MobilerSatellitenfunk

Übersicht über Mobilfunksysteme

Reichweite

Datenrate

WLAN

indoor regional national kontinental interkontinental

SchnurloseTK-Systeme

Funkrufsysteme

Bündelfunksysteme

(Zellulare) Mobilfunksysteme

UMTSWPAN


Zentrale technische Probleme in Mobilfunknetzen

Sparsamer Umgang mit Frequenzen

Nutzbares Frequenzspektrum ist endlich und begrenzt gegebenenfalls die Kapazität

Kosten: Siehe UMTS-Versteigerung

Effektive Nutzung durch Bandbreiteneffizenz(geringe Rohbitraten, Modulation)

Wiederverwendbarkeit der Frequenzen (Kanäle) in lokal begrenzten Netzabschnitten (Zellen, zellulare Netze)


Signalausbreitungsbereiche

Entfernung

Sender

Übertragung

Erkennung

Interferenz

Übertragungsbereich

Kommunikation möglich

niedrige Fehlerrate

Erkennungsbereich

Signalerkennung möglich

keine Kommunikation möglich

Interferenzbereich

Signal kann nicht detektiert werden

Signal trägt zumHintergrundrauschen bei


Signalausbreitung

Ausbreitung im freien Raum grundsätzlich geradlinig (wie Licht)

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

Empfangsleistung wird außerdem u.a. beeinflusst durch

Freiraumdämpfung (frequenzabhängig)

Abschattung durch Hindernisse

Reflektion an großen Flächen

Streuung (scattering) an kleinen Hindernissen

Beugung (diffraction) an scharfen Kanten

Reflektion Streuung BeugungAbschattung


Mehrwegeausbreitung

Signal kommt aufgrund von Reflektion, Streuung und Beugung auf mehreren Wegen beim Empfänger an

Signal wird zeitlich gestreut (time dispersion) Interferenz mit Nachbarsymbolen

Direkte und phasenverschobene Signalanteile werden empfangen

je nach Phasenlage abgeschwächtes Signal

Sendesignal

Empfangssignal


GSM

GSM: Groupe Speciale Mobile

Arbeitsgruppe der CEPT (Conference Europeéne des Administrations des Postes et des Telecommunications)

GSM: Global System for Mobile Communication


GSM-Empfehlung

Ausgangssituation Anfang der 80er Jahre: Trend zu nationalen und inkompatiblen Funknetzen hohe Gebühren und Gerätepreise

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

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

Nutzung und Berücksichtigung von Kenntnissen und Errungenschaften des ISDN

1987: Memorandum of Understanding Bereitschaftserklärung von 13 Staaten zur Einführung

Mobilfunk nach GSM-Standard

Hohe Komplexität des Digitalnetzes 8000 Seiten Standard


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


Besondere Merkmale der GSM-Empfehlung

Handover

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

Lenkung der Verkehrsverteilung

Recovery-Prozeduren bei Fehlschlag

Leistungsregelung 30 dB in 2-dB-Schritten

Stromeinsparung am Endgerät

Verminderung von Interferenzen

Diskontinuierliche Übertragung

Erkennung der Sprachaktivität

Einsparung von Energie

geringere Störungen durch Interferenz


GSM: Überblick

Festnetz

BSC

BSC

MSC MSC

GMSC

OMC,EIR, AUC

VLR

HLR

NSSmit OSS

RSS

VLR

BTS

BTS

BTS

BTS

BTS


Funkteilsystem (Radio Subsystem RSS)

Mobile Station (MS)

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

Teile:• Schnittstellenspezifische Hard- und Software

• Subscriber Identity Module (SIM)

Base Station Subsystem (BSS)

Gesamter funkbezogener Teil des GSM-Netzes


Zeit-Vielfachzugriff (TDMA)

ZeitbereichGSM-TDMA-Rahmen

GSM-Zeitschlitz

4,615 ms

546,5 µs577 µs

3

935-960 MHz 124 Kanäle mit je 200 kHzAbwärtsrichtung

890-915 MHz

Höhere GSM-Rahmenstrukturen

124 Kanäle mit je 200 kHzAufwärtsrichtung

1 2 3 4 5 6 7 8

Schutz-zeit

Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten TailSchutz-

zeit

3 bit57 1 26 1 57


GPRS

General Packet Radio Service

Basiert auf existierenden GSM-Netzen

Basis ist Leitungsvermittlung

skalierbare Bitraten durch Bündelung von bis zu 8 Zeitschlitzen (ein gesamter Funkkanal)

Erreichbare Bitraten bis ca. 170 kbit/s


Systemarchitektur

Erweiterung des NSS um

Gateway GPRS Support Node (GGSN)• Gateway zu anderen Paketnetzen

• Umsetzung Paketnetzadressen in IMSI-Adressen

Serving GPRS Support Node (SGSN)• funktionelle Unterstützung der Mobilstationen

• Abfrage der Adressen von Gruppenrufen

GPRS Register• GPRS bezogene Teilnehmerdaten, Teil des HLR


GPRS – Architektur und Schnittstellen

MS BSS GGSNSGSN

MSC

Um

EIR

HLR/GR

VLR

PDN

Gb Gn Gi

SGSN

Gn


Zielstellung von UMTS

Bereitstellung von universellen Diensten innerhalb eines Mobilfunknetzes

Dienste des ISDN

GSM-Dienste, Funkrufsysteme, Datenkommunikation leitungsvermittelt, paketvermittelt

Unterstützung verschiedener Zugriffsverfahren: TDMA, FDMA, CDMA, hybrid

Entwicklung der UMTS-Teilnehmerzahlen


http://www.sfnblog.com/special.php?tag=mobile&category=&order=&lastn=25&offset=25&blogs=3


UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN)

UTRAN besteht aus mehreren RNS

Node B kann FDD, TDD oder beides unterstützen

RNC ist verantwortlich für Handover-Entscheidungen, die der Signalisierung zum UE bedürfen

Zelle bietet FDD oder TDD

RNC: Radio Network Controller

RNS: Radio Network Subsystem

Node B

Node B

RNC

Iub

Node B

UE1

RNS

CN

Node B

Node B

RNC

Iub

Node B

RNS

Iur

Node B

UE2

UE3

Iu


Core Network: Aufbau

BTS

Node B

BSC

Abis

BTS

BSS

MSC

Node B

Node B

RNC

Iub

Node BRNS

Node BSGSN GGSN

GMSC

HLR

VLR

IuPS

IuCS

Iu

CN

EIR

GnGp

C

PSTN

GcGr

Gf

D

B

F


Übermittlungsdienste in UMTS

Leitungsvermittelt (Kanalvermittelt)• Unterstützung Kanäle aus ISDN (64kb/s,

128kb/s, 384kb/s,1920kb/s)

• Sprache; 3,1-5-7-Audio

• Sprache/Daten alternativ mit Datenraten8-16-32-64

Paketvermittelt• SVC, PVC

• ISDN verbindungslos, Benutzersignalisierung


IEEE-Standard 802.11 für Wireless Local Area Networks

Mobiles Endgerät(Mobile terminal)

Zugangspunkt (Access point)

Server

Festes Endgerät(Fixed terminal)

Anwendung

TCP

802.11 PHY

802.11 MAC

IP

802.3 MAC

802.3 PHY

Anwendung

TCP

802.3 PHY

802.3 MAC

IP

802.11 MAC

802.11 PHY

Infrastrukturnetz


Distribution System

Portal

802.x LAN

AccessPoint

802.11 LAN

BSS2

802.11 LAN

BSS1

AccessPoint

Drahtloses Infrastrukturnetz –Beispiel WLAN

Station (STA) Rechner mit Zugriffsfunktion auf

das drahtlose Medium und Funk-kontakt zum Access Point

Basic Service Set (BSS) Gruppe von Stationen, die dieselbe

Funkfrequenz nutzen

Access Point Station, die sowohl in das Funk-

LAN als auch das verbindende Festnetz (Distribution System) integriert ist

Portal Übergang in ein anderes Festnetz

Distribution System Verbindung verschiedener Zellen,

um ein Netz (ESS: Extended Service Set) zu bilden

STA1

STA2 STA3

ESS


Ad-hoc Netzwerk – Beispiel WLAN

Direkte Kommunikation mit begrenzter Reichweite

Station (STA):Rechner mit Zugriffsfunktion aufdas drahtlose Medium

Basic Service Set (BSS):Gruppe von Stationen, die dieselbe Funkfrequenz nutzen

802.11 LAN

BSS2

802.11 LAN

BSS1

STA1

STA4

STA5

STA2

STA3


Zugriffsverfahren für WLAN

CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance)

Konkurrierender Medienzugriff

RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send)

Koordinierung zwischen zwei Kommunikationspartnern zur Vermeidung des Hidden Node Problems

PCF (Point Coordination Function)

Möglichkeit der Zuweisung von Übertragungs-kapazität über einen zentralen Punkt


Bluetooth

Konsortium: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba - viele Mitglieder

Anwendungen

Anbindung von Peripheriegeräten

• Lautsprecher, Joystick, Kopfhörer

Unterstützung von ad-hoc-Netzwerken

• kleine, billige Geräte

Verbindung von Netzwerken

• beispielweise GSM über Handy - Bluetooth - Laptop

Einfacher, billiger Ersatz für IrDA

eingeschränkte Reichweite

niedrige Datenraten


Bluetooth – Begriffe

Master Das Gerät, das eine Verbindung zu einem anderen

Gerät aufbaut Slave

Alle Geräte, die sich mit dem Master einen Kanal teilen

Piconetz Eine Ansammlung von zwei bis acht Geräten, die

sich einen Kanal teilen (1 Master, 1-7 Slaves) AM-Adresse (active member)

3-bit lange, temporäre Adresse zur Unterscheidung von Geräten in einem Pico-Netz


Vergleich Bluetooth – IrDA –WLAN

Standard Bluetooth IrDA Wireless LAN

Verbindungsart Punkt zu Punkt,Punkt zu Mehrpunkt

Punkt zu Punkt

Punkt zu Mehrpunkt

Punkt zu Punkt,Punkt zu Mehrpunkt

Übertragungsrate 0,7 – 24 Mbit/s 4 – 1.000 Mbit/s Bis 500 Mbit/s

Übertragungs-distanz (ca.)

10 – 100 m 1 m 300 m

Übertragungs-umkreis

Omnidirektional 30° Winkel Omnidirektional

Anzahl unterstützter Geräte

8 2

(P2MP optional....)

256

Sicherheits-maßnahmen

Hardwareebene Softwareebene Hardwareebene

HW/SW-Unterstützung

Breit / zunehmend Breit / abnehmend Breit


Literatur

GROTE, H.; U. STÖPEL; J. SEITZ u. R. TOSSE: Mobile digitale Kommunikation. München: Verlag Moderne Industrie, 2004. ISBN 3-937889-02-7.

KRÜGER, G. u. D. RESCHKE, Hrsg.: Lehr- und Übungsbuch Telematik – Netze, Dienste, Protokolle. 3. aktualisierte Auflage, München; Wien: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2004. ISBN 3-446-22862-4.

ROTH, J.: Mobile Computing – Grundlagen, Technik, Konzepte. Heidelberg: dpunkt.verlag, 2002. ISBN 3-89864-165-1.

SCHILLER, J.: Mobilkommunikation. 2. überarbeitete Auflage, München: Addison Wesley/Pearson Studium, 2003. ISBN 3-8273-7060-4. – Danke für die Überlassung der Folien –

SEITZ, J. ; DEBES, M. ; HEUBACH, M. ; TOSSE, R.: Digitale Sprach-und Datenkommunikation; Netze – Protokolle – Vermittlung. München, Wien : Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2007. – ISBN 3-446-22979-5.

Date post:	31-Aug-2019
Category:	Documents
Upload:	others
View:	2 times
Download:	0 times

Kommunikations- netzemidas1.e-technik.tu-ilmenau.de/~webkn/Webdaten/Lehre/SS2016... · RNC ist...

Documents