zellulare netze -...

Zellulare Netze

Generation 1 (1G)Generation 2 (2G)Generation 2.5 (2.5G)Generation 3 (3G)Generation 4 (4G)

3.2Prof. Dr. Dieter HogrefeMobilkommunikation

3. Zellulare Netze

Geschichte

Mobilfunk: Übertragung von Signalen und Nachrichten zwischen Sende-Empfangsantenne. Eine Antenne ist fest, die andere beweglich (MS = Mobilstation, „Handy“)Anfänge des Mobilfunks reichen bis in die 20er Jahre! Öffentliches Funktelefon in der Reichsbahn1946 erstes Mobiltelefon in den USA: 18 kg, 8 min. Akku1957 wurde in Deutschland das erste Mobilfunknetz in Betrieb genommen, das sog. A-Netz, handvermittelt, 137 Rufzohnen1972 Inbetriebnahme des B-Netzes, selbstvermittelt, aber separate Tel-nr. in jeder Rufzohne (man muss also immer wissen, wo sich jemand befindet, den man anrufen möchte)


3. Zellulare Netze

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 in Deutschland, bis 1.1.20011982 erste Arbeiten an digitaler Mobilfunktechnik, die neue Dienste effizient ermöglicht (SMS, Rufumleitung, …), Groupe Spéciale Mobile (GSM)1987 wurden die daraus resultierenden Ergebnisse von 18 Staaten in Form des "Memorandum of Understanding" unterzeichnet. 1988 wurden die Standards vom europäischen Institut ETSI übernommen, und fortan weiterentwickelt2G (2. Generation)1992 erste GSM-Netze1993 bereits über 1.000.000 Teilnehmer


3. Zellulare Netze

Geschichte

1998 GSM 18001999 Wireless Application Protocol (WAP)1999 HSCSD2000 GPRS, Generation 2.5 (2.5G)25.9.2002 Erste Inbetriebnahme eines 3G-Netzes in Europa (UMTS) in ÖsterreichKapazität des UMTS-Netzes der österreichischen Mobilkombeträgt bei Datenübertragung 384 kbps bei Video-Calls 664 kbpsDezember 2006 NTT DoCoMo nimmt 4G Testnetz in Yokosukain Japan in Betrieb. Transferrate von 2,5 Gigabit pro Sekunde.Februar 2007 Feldversuch mit 100 Gigabit/s bei 10 km/h


3. Zellulare Netze

Generationen

Generation 0 (0G): Rufzonen, kein Handover

Generation 1 (1G): Analog, einheitliche Rufnummer

Generation 2 (2G): DigitalGeneration 2.5 (2.5G): Datenübertragung

Generation 3 (3G): Breitbandig digital

Generation 4 (4G): Vollständig IP basiert

etc.


3. Zellulare Netze

Histore von 1G

Anfang der 80er JahreWar nicht der Beginn der MobilkommunikationAber Beginn zellularer Mobilkommunikation mit Handover zwischen Zellen und RoamingKapazität von 1G war erheblich größer, als frühere Systeme (z.B. A- und B-Netz in Europa), wg. SDMAAnaloge Übertragungstechnik für Nutzkanäle, i.d.R. ausschließlich SpracheDigitale Signalisierung bei leitungsvermittelter WählverbindungKein dominanter Standard:

Nordic Mobile Telephone NMT-450 und NMT-900Total Access Communication System (TACS)Advanced Mobile Phone Services (AMPS)C-Netz (Deutschland)Radiocomm 2000 (Frankreich)

Generation 1 (1G)


3. Zellulare Netze

weit verbreitetes analoges Netz in (Nord-) Europa, später auch z.B. Osteuropa, Schweiz, Indonesien, Thailand

im 450 MHz-Band (gibt auch 900 MHz Variante)

180 Kanäle á 25 kHz

NMT 450 Nordic Mobile Telephone

Generation 1 (1G)


3. Zellulare Netze

U.S. Standard im 800 MHz-Band, auch Südamerika, Ferner Osten, Australien und NeuseelandDominierender Standard im US-Markt, fast alle Netzbetreiber nutzen diesen StandardErfolgsrezept: Massenproduktion von NetzequipmentVon AT&T in den 70ern entwickeltTrotz Nutzung eines einheitlichen Standards, kein Roaming zwischen den hunderten Netzen in den USA aus technischen Gründen bis Mitte der 90erNutzer zahlt eingehende und ausgehende Anrufe

Advanced Mobile Phone Services (AMPS)

Generation 1 (1G)


3. Zellulare Netze

britischer Standard, aber auch Mittlerer Osten und Südeuropa, Japanbasiert auf AMPS im 900 MHz-Band

Total Access Communication System (TACS):

Generation 1 (1G)


3. Zellulare Netze

Allgemeine EigenschaftenEinrichtungsbeginn:1981Einsatzgebiet: DeutschlandEndkapazität: ca. 500000 TeilnehmerVorwahlnummer: 0161 (wird seit der Auflösung für D1 verwendet)Auflösung: 01.01.2001

C-Netz (Deutschland)

Generation 1 (1G)


3. Zellulare Netze

Technische EigenschaftenÜbertragung: Sprach- und Datensignale werden durch Komprimierung gleichzeitig übertragenSprachsignale analog, 300 bis 3400 HzFrequenzbereich von der Basisstation zum Teilnehmer (Überband): 461,30 bis 465,74 MHzFrequenzbereich vom Teilnehmer zur Basisstation (Unterband):451,30 bis 455,74 MHzDuplexabstand: 10 MHzKanalabstand: 20 kHz (222 Kanäle)Ausgangsleistung des Senders: 5 mW bis 15 W

C-Netz (Deutschland)

Generation 1 (1G)


3. Zellulare Netze

Zellen-Cluster im C-Netz

Radius 2 km - 20 km

Generation 1 (1G)


3. Zellulare Netze

Übertragungstechnik im C-Netz

Sender teilt die Sprachsignale (S) in Blöcke mit jeweils 12,5 ms einDurch Komprimierung der Blöcke entstehen Zeitschlitze zwischen den Blöcken mit ca. 1,1 msIn den Zeitschlitzen werden Datensignale (D) zur Steuerung, z.B. Handover, untergebrachtEmpfänger trennt die Sprachsignale und Datenblöcke wieder voneinander, und dekomprimiert das Sprachsignal

Generation 1 (1G)


3. Zellulare Netze

Übertragungsweg

Festnetz

Festnetz

Festnetz

Handynutzer

Handynutzer

Festnetztelefon

Schon in der ersten Generation: den kleinsten Teil der Übertragungsstreckewird ein Mobilfunk-Gespräch über Funk geführt

Generation 1 (1G)


3. Zellulare Netze

Zweite Generation zellularer Netze (2G)

Digitale Übertragungstechnik für Nutzkanäle und SignalisierungHöhere Kapazität, breiteres FrequenzspektrumHierarchische Zellstruktur: Makro-, Mikro- und Picozellen

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Haupt-Standards für die 2. Generation

Generation 2 (2G)

Global System for Mobile Communication (GSM)Digital AMPS (D-AMPS)IS-95Personal Digital Cellular (PDC)


3. Zellulare Netze

GSM ist das erfolgreichste 2G-System mit einem weltweiten Anteil von etwa 70%1982: CEPT gründet Group Spéciale Mobile (GSM) 1988 Zeigen erste Versuche, dass GSM funktionieren könnte1989 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

GSM (Global System for Mobile Communications)

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

1993 bereits mehr als eine Million Teilnehmer1993 erste Implementierung außerhalb Europas (Australien, Hongkong, Neuseeland)z.Zt ca. 2.400.000.000 Teilnehmer (ca. 87 Mio. in Deutschland)http://www.gsmworld.comweltweite Abdeckung: http://www.gsmworld.com/roaming/gsminfoDigitales Netz im 900, 1800 und 1900 MHz BandIn Deutschland T-Mobile, Vodafone, E-Plus, O2„Roaming“-Verträge machen aus den verschiedenen GSM-Netzen ein einziges großes NetzEs sind auch 400 MHz und 800 MHz Varianten standardisiert, um z.B. freiwerdende Frequenzen von NMT-450 wieder verwenden zu können

GSM

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

GSM – Beispiel: Netzabdeckung in China 2007

Generation 2 (2G)

Quelle: GSM Association


3. Zellulare Netze

GSM – Beispiel: Netzabdeckung in den USA 2007Cingular Wireless

Generation 2 (2G)



3. Zellulare Netze

GSM – Beispiel: Netzabdeckung in DeutschlandT-Mobile

Generation 2 (2G)



3. Zellulare Netze

GSM Systemarchitektur

Festnetz, z.B.ISDN

BTS

BSC(G)MSC

VLR HLR

Base Station Subsystem (BSS) =Radio Access Network (RAN)

Core Network(CN)

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

max. Sendeleistung beträgt 2-20WEine MS funktioniert nur mit SIM (Subscriber Identification Module):

„Smart-Card“ mit Memory-ChipIdentifiziert den Teilnehmer im NetzKann persönliche Daten speichern, z.B. häufig benutzte TelefonnummernKann durch eine PIN geschützt werden

GSM - Komponenten

MSMobile Station

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Ist das Gegenstück zur MSBefindet sich i.d.R. in der Mitte einer Zelle

BTSBase (Transceiver) Station

Generation 2 (2G)

GSM - Komponenten


3. Zellulare Netze

Überwacht und kontrolliert mehrere BTSFrequenzallokationHandoverfunktionen zwischen Zellen

BSCBase Station Controller

Generation 2 (2G)

GSM - Komponenten


3. Zellulare Netze

Schnittstelle zum FestnetzKomplette Vermittlungsanlage mit allen Routingfunktionalitäten für Gespräche vom Festnetz zur MS und umgekehrtEnthält wichtige Daten über individuelle MS

(G)MSC(Gateway) Mobil Switching Center

Generation 2 (2G)

GSM - Komponenten


3. Zellulare Netze

Ist das „Zuhause“ einer MS (bzw. SIM)Enthält die Daten aller beheimateten MSPermanente Daten:

IMSI (International Mobile Subscriber Identification Number)(Nicht identisch mit der Telefonnummer)

Authentifizierungsschlüsseldie Zusatzdienste des Mobilnehmers (z.B. Anrufweiterleitung)

Temporäre Daten, z.B.:Adresse des gegenwärtigen VLRZieladresse bei Anrufweiterleitung

HLRHome Location Register

Generation 2 (2G)

GSM - Komponenten


3. Zellulare Netze

Enthält alle relevanten Daten einer MS im Bereich eines GMSCPermanente Daten sind die gleichen wie die im HLRTemporäre Daten sind etwas anders:

TMSI (Temporäre MSI), um nicht immer die IMSI über die Luftschnittstelle zu übertragen (Datenschutz)

VLRVisitor Location Register

Generation 2 (2G)

GSM - Komponenten


3. Zellulare Netze

Frequenzallokation GSM 900

925 - 960 Mhz (downlink)

880 - 915 Mhz (uplink)

890,6 MhzKanal 43

890,8 MhzKanal 44

891,0 MhzKanal 45

891,2 Mhz...

...

Generation 2 (2G)

35 Mhz Band = 175 × 200 Khz Kanäle8 Benutzer pro Kanal (Time slots)


3. Zellulare Netze

Frequenzallokation GSM 1800

Generation 2 (2G)

1805 - 1880 Mhz (downlink)

1710 - 1785 Mhz (uplink)


3. Zellulare Netze

Zugriff auf einen Frequenz-Kanal ist nur zu bestimmten periodischen Zeitpunkten gestattet

Jede MS hat einen Zeitschlitz in einem TDMA-Rahmen

GSM – TDMA Verfahren

6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 1

TDMA-Rahmen4,615 ms

0… …

MS A

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Einer MS werden in GSM für Uplink und Downlink die gleichen TDMA-Schlitze zugeordnet, wobei die Rahmen allerdings um 3 Schlitze verschoben sind. Vorteile:

kein gleichzeitiges Senden und Empfangen notwendig, einfache Antenneweniger Energiebedarfgeringere Kosten

GSM – TDMA Verfahren

Time Division Duplex0 1 2 3 4 5 6 7 10… …

6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0… …

2 3 downlink

5 uplink

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Auf- und Abbau der Antennenenergie erfolgt im Mikrosekundenbereich

GSM Datenstoß (Burst)

dB

+4

-6

-30

-70

28 μs 28 μs542.8 μs

(147 bits)

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Generation 2 (2G)


Struktur eines normalen Datenstoßes ("Normal Burst") in einem Zeitschlitz:

CodierteDaten57 Bits

CodierteDaten57 Bits

TrainingSequenz26 Bits

T3

T3

S1

S1

GP8,25

148 Bits = 546.12 μs

T (Tail Bits)S (Signalling/User Data)GP (Guard Period)


3. Zellulare Netze

Für die GSM-Zeitschlitzübertragung sind 5 Datenformate definiert, die man als Übertragungsbursts bezeichnet

Generation 2 (2G)



3. Zellulare Netze

GSM - Logische Kanäle

Nutzkanäle

Die Nutzkanäle stehen dem Benutzer zur Übertragung von Sprache oder Daten zu Verfügung.

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 Teilnehmerzahlen bei gleichen Ressourcen zu ermöglichen. 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, der dann an der Mobilstation auf einen Datenkanal umgeschaltet wird. 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

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze


Signalisierungskanäle

Man unterscheidet

- Funkkontrollkanäle (BCH - Broadcast Channel),

- allgemeine Kontrollkanäle (CCCH - Common Control Channel)

- gewidmete Kontrollkanäle (DCCH - Dedicated Control Channel) mitzugeordneten Kontrollkanälen (ACCH - Associated Control Channel).

Siehe z.B. http://www.boeschatt.at/Mobil/mobilfunk_html.php?gsm_glossar.php

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze


Signalisierungskanäle - Funkkontrollkanäle

Die Funkkontrollkanäle dienen der Übertragung der physikalischen Informationen zum Aufsynchronisieren und der zellspezifischen 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. SCH: Synchronisation Channel (Synchronisations-Kanal), über diesen sendet die Basisstation der Mobilstation erste Informationen zur zeitlichen Aufsynchronisationauf das Netzwerk.

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze


Signalisierungskanäle - allgemeine Kontrollkanäle

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), über diesen logischen 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)


3. Zellulare Netze


Signalisierungskanäle - gewidmete Kontrollkanäle

Die gewidmeten Kontrollkanäle sind für eine Verbindung zwischen einer Mobilstation und einer Basisstation vorgesehen.

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 Kontrollkanal). Wie der Name bereits sagt, wird dieser Kanal anderen Kanälen, 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)


3. Zellulare Netze

GSM – Rahmenhierarchie

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Synchronisation einer MS mit dem Netz (Vorgang dauert 2-20 Sekunden)BTS nutzt einen FDMA-Kanal als Basiskanal (ein komplettes 200kHz Frequenzband)BTS sendet auf dem Basiskanal mit hoher Energie, d.h. jeder TDMA-Rahmen wird mit einem „Dummy“-Stoß gefüllt. Daher ist der Basiskanal leicht zu findenIn dem Basiskanal wird nach einem bestimmten Signalmuster gesucht (FCCH)An Hand des FCCH kann sich die MS frequenzseitig und an SCH (Sync.-Bursts) zeitlich synchronisieren (TDMA) und nun relevante Informationen lesen, die die BTS permanent auf dem Basiskanal sendet:

Synchronisationsmuster der Zellewie kann die BTS angesprochen werden (Frequenz, Zeitschlitz)Netzbetreiber (D1, D2, ...)Lokation der Zelle (neues VLR? Wenn ja -> Registrierungsprozedur)

GSM - Beispiel für die Synchronisation

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

GSM – Aufenthalts Aktualisierung (Location Update)

Channel request

MS BTS BSC MSC VLR HLR

Channel activation command

Channel Activation acknowledge

Channel assignment

Location update request

Authentication request

Authentication response

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

MS BTS BSC MSC VLR HLR

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)

GSM - Aufenthalts Aktualisierung (Location Update)


3. Zellulare Netze

GSM - Anrufaufbau - Mobil-Originating-Call (MOC)

Channel request

MS BTS

Channel assignment

Call establishment request

Authentication request

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

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

MS 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 acknowledge, now the call is active and both parties can talk to each other

Exchange of speech data

Generation 2 (2G)

GSM - Anrufaufbau - Mobil-Originating-Call (MOC)


3. Zellulare Netze

Wenn eine eingeschaltete MS von einer Zelle zur nächsten bewegt wird, findet eine Handover-Prozedur stattBTS teilt der MS auf dem Basiskanal eine Liste mit Kanälen von Nachbarstationen mit

MS misst ständig den Signalpegel dieser Kanäle

Die Pegel der eigenen Zelle und die der Nachbarzellen werden periodisch der BTS zurückgemeldetWenn sich Handover anbietet, wird es durchgeführt

GSM - Handover

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Generation 2 (2G)

GSM - Handover


3. Zellulare Netze

Es gibt verschiedene Arten von Handover

BTS 2

BSC

BTS 1

Generation 2 (2G)

GSM - Handover


3. Zellulare Netze

Falls MSC1 und MSC2 unterschiedlichen Netzbetreibern gehören, ist ein spezieller Vertrag („Roaming“-Abkommen) zwischen diesen nötig, in dem Abrechnungsmodalitäten für fremde SIMs definiert sind. Üblich: Tarif 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.

BTS 2

BSC 1

BTS 1

MSC 1

BSC 2

MSC 2

Generation 2 (2G)

GSM - Handover


3. Zellulare Netze

Generation 2 (2G)

GSM - Handover


3. Zellulare Netze

GSM - Dienste

Generation 2 (2G)

Trägerdienste (Bearer Services)Teledienste (Telematic Services)Zusatzdienste (Supplementary Services)


3. Zellulare Netze

Dienste zwischen Benutzer und Netz

Asynchronous data 300 - 9.600 kBit/sSynchronous data 300 - 9.600 kBit/sAsynchronous PAD access (paketvermittelndes Netz, Packet assembler/disassembler)300 - 9.600 kBit/sAlternate speech and data300 - 9.600 kBit/s

GSM - Trägerdienste (Bearer-Services)

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Basisdienste zwischen Endgeräten

Sprachübertragungfull rate 13 kBit/shalf 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

GSM - Teledienste (Telematic-Services)

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Dienste zwischen Endgeräten, z.B.Call forwarding (busy, not reachable, no answer)Call barring (all calls, international calls, incoming calls)Calling/connected line identity presentationCalling/connected line identity restrictionCall waitingCall holdMultiparty communicationClosed User GroupAdvice of chargeUnstructured supplementary services dataOperator-determined barringCall completion to busy subscriber

GSM - Zusatzdienste (Supplementary Services)

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Der häufige SMS-Gebrauch von Jugentlichen führt nach einerenglischen Studie zu einem zunehmenden Verfall derGrammatik- 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 usedto go to New York to see my brother, his girlfriend and their threescreaming kids face to face. I love New York, it´s a great place."

GSM - SMS

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

SMS - Einführung I

SMS = Short Message Service

(Text-) Kurznachrichten für Mobiltelefone (Handy)Anbindung von PC, FAX u.a. über GatewaysEmpfangen 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 garantierte Zustellzeit

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

SMS - Einführung II

Erste „Killerapplikation“ für Mobilfunk-Datenkommunikation

Integration mit E-Mail, Voice-Mail, Fax über Mehrwertdienste des Mobilfunkbetreibers (Unified Messaging)

In Europa sehr verbreitet, insbesondere Deutschland

In Amerika nicht besonders populär

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

SMS - Anwendungen

Persönliche KommunikationTerminabsprachen, Grüße, Smalltalk

SMS-InfodiensteBörsendaten, Wetter, Sportergebnisse, Staumeldungen, etc.Abonnement von regelmäßig erscheinenden Meldungen zu bestimmten ThemenIn der Regel kostenpflichtig

Unified MessagingE-Mail SMS

Chat-DiensteDiskussionsforen zu bestimmten Themen

Steuer- und RegelsystemeSteuerung von Computern und Maschinen

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Die Steckdose mit Handy - das Handy mit Steckdose,

von 'aussen' steuerbar mit jedem Festnetz-oder Mobiltelefon

z.B.- Heizung - Rechner am Arbeitsplatz - Alarmanlage

*0# sofortiges Ausschalten der Steckdose *1# sofortiges Einschalten der Steckdose *2# Reset auslösen (Steckdose ausschalten –

10 Sekunden warten - einschalten) *20# Status - SMS an den momentanen Anrufer

SMS – Anwendungen, Beispiel


3. Zellulare Netze

SMS - Nachrichtenlänge / Zeichensatz

Nachrichtenlänge140 Oktetts = 160 Zeichen in 7-Bit Kodierungu.U. Einschränkung durch den Mobilfunkbetreiber

ZeichensatzBuchstaben, Ziffern und einige SonderzeichenUnterscheidung Groß/Klein-SchreibungBestimmte Mobiltelefone können auch einfache Grafiken und Klingeltöne als SMS-Nachricht senden/empfangen

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

SMS - Netzaufbau

SMSC

Gateway

Modem / ISDN / Internet

Standleitung / X.25

Sender ZugangVersandweg Empfänger

NotebookNotebook

PC

Server

HandyHandy

E-Mail

Fax

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

SMS - Zentrale I

SMSC = SMS Center

Zwischenspeicherung von SMS, falls Empfänger gerade nicht erreichbar ist

Erweiterte Funktionalität (abhängig von Mobilfunkanbieter und Mobiltelefon-Typ)

Maximale SpeicherdauerQuittierungsanforderung: Zustellung einer SMS wird durch eine Antwort-SMS an den Absender bestätigtSteuercodes: erweiterte SMS-Funktionalität der SMS-Zentrale, z.B.

StatusabfrageSendezeit, etc.

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

SMS - Zentrale II

Store & Forward-Einrichtung (Speichern und Weiterleiten)Akzeptiert Kurzmitteilungen verschiedenster Herkunft

Modem, andere digitale Terminals, andere SMSC, InternetSpeichert die zu sendenden Kurzmitteilungen so lange, bis sie diese erfolgreich an das mobile digitale Empfangsterminal senden konnteEs existiert eine maximale Zeitspanne, die beschreibt, wie langeKurzmitteilungen im Speicher der SMSC gehalten werdenSollte die SMSC nicht in der Lage sein, die Kurzmitteilung sofort zu übermitteln (hängt in den meisten Fällen vom Netzbetreiber ab)

Variiert zwischen einer Stunde und einigen Wochenwerden bei Überschreitung des Zeitlimits die Kurznachrichten gelöscht

Es wird kein weiterer Versuch unternommen, dem Empfänger die Botschaft zu übermitteln

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

SMS - Gateway

Gateway allgemein:Verbindungsrechner zwischen heterogenen Datenverarbeitungs-Netzen

SMS-Gateway:Wandlung der Nachrichtenart

SMS E-MailWeiterleitung in das zugehörige Netz

GSM InternetGehört zur Infrastruktur des Mobilfunk-Anbieters

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

SMS - Konvertierung

Erfordert i.d.R. die Freischaltung durch den Mobilfunkanbieter (über spezielle SMS-Meldung)Komplette Kurznachricht steht in der „Betreff“ Zeile (Subject)Grafik und Anhänge werden ignoriertSMS-Empfang von E-Mails ist kostenpflichtigAnzahl der Meldungen pro Tag ist begrenzt

Möglichkeiten:SMS E-MailE-Mail SMSSMS FaxSMS Sprache

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

SMS - Allgemeine Informationen

Die erste Textnachricht wurde 1992 versendet

GSM Netzbetreiber: 860 (Mai 2007)Länder mit GSM-System: 220 (Mai 2007)GSM Kunden: 2450 Mio. (Mai 2007)SMS Nachrichten in D pro Monat: 2,5 Mrd. (Mai 2006)SMS Nachrichten in E pro Monat: 12 Mrd. (Mai 2006)

23% der mobilen Kunden (weltweit) nutzen SMS mehr als 1x pro Tag davon sind55% 18 Jahre alt oder jünger

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

SMS - Historische Entwicklung I

1992Anfangs nur Textnachrichten mit maximaler Länge von 160 Zeichen möglichJedes Zeichen wurde mit 7-Bit kodifiziertEinführung erweiterter Features wurde dadurch behindert, dass

die SMSCs (Short Message Service Center) keine 8-Bit Nachrichten undkeine User Data Header (UDH) unterstützten

1996Nokia verabschiedet die „Smart Messaging Specification“

Versenden erweiterter Nachrichten auch ohne UDH möglichkeine Beschränkung ausschließlich auf TextnachrichtenKlingeltöne, Operator Logos, Telefonbucheinträge, u.v.m. können nun versendet werden

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

SMS - Historische Entwicklung II

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

2001Alcatel, 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

2002Einführung von MMS = Multimedia Message Service

Erste Handys mit Kamera von Nokia, Siemens, Motorola und EricssonMultimedia-Erweiterungen (Bilder, Sounddateien, Videoclips)

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

SMS - Arten

Im GSM-Standard gibt es zwei verschiedene Arten von SMS:SMS Point to Point (SMS/PP)SMS Cell Broadcast (SMS/CB)

SMS/PP: Versenden von Kurzmitteilungen von einem GSM Telefon 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 enthaltenBei diesem Typ ist es möglich bis zu 15 Kurzmitteilungen aneinanderzureihen, um daraus eine so genannte Macro-Kurzmitteilung zu erstellenSMS wird als „Protokoll ohne Verbindung“ bezeichnet

Denn bei Weiterleitung einer Kurzmitteilung kommt keine direkte Verbindung zwischen dem sendenden Terminal und dem Empfangenden zustande

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Technische Informationen über SMS

Der SMS benutzt verschiedene Arten von Protokollen

Senden eines KommandosTelefon => SMSCSMS-COMMAND

Senden des Status einer KurzmitteilungSMSC => TelefonSMS-STATUS-REPORT

Senden des Grunds des Nichtempfangs der Kurzmitteilung

SMSC => TelefonSMS-SUBMIT-REPORT

Senden einer KurzmitteilungTelefon => SMSCSMS-SUBMIT

Senden des Grunds des Nichtempfangs der Kurzmitteilung

Telefon => SMSCSMS-DELIVER-REPORT

Senden einer KurzmitteilungSMSC => TelefonSMS-DELIVERFunktionRichtungTyp PDU

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Weitere Funktionen des SMS-Service

More Message To SendReduzierung der Übertragungsdauer der so genannten multiplen Kurzmitteilungen

Alphabet ExtensionErhöhung der möglichen zu versendenden Zeichen durch Einführung des Unicode-Standards

Concatenated Short MessageVerkettung von Kurzmitteilungenbis zu 38760 Zeichen bei 7-Bit Kodifizierung

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Wireless Application Protocol (WAP)

Ein WAP-Handy:

WAP soll Internet-Dienste flächendeckend über die existierende GSM-Infrastruktur auf das Handy bringen.1997 Gründung WAP Forum: Ericsson, Nokia, Motorola und Unwired PlanetGründe für WAP:

HTML, HTTP und TCP sind ineffizient über niedrige Bandbreite, hohe Verzögerung und geringe StabilitätStandard-HTML Seiten eignen sich nicht für ein kleines Handy-Display

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Wireless Application Protocol (WAP)

WAP-Inhalte werden mit WML (Wireless Markup Language) programmiert.WML ist eine XML-basierte Sprache, die die Benutzung von kleinen Displays optimiert und es ermöglicht, mit einer Hand zu navigieren. WAP-Inhalte sind skalierbar, vom kleinen 2-Zeilen Display bis zum voll graphikfähigen Display eines Organizers.Beispiele: http://www.w3schools.com/wap/wap_demo.asp

Client

WML Skript

WML

WAP Gateway

WML Skript Compiler

WML Encoder

Protocol Adapt.

Web Server

WML Decks WML Skripts

CGI Skripts

HTTP WSP/WTP

Content

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Beispiel eines WAP Netzes

Wireless Network

WAP Gateway

WTA Server

Binär WML HTML Filter

WebServer

WML

WML HTML

Generation 2 (2G)

WTA = Wireless Telephony Application


3. Zellulare Netze

WAP Gateway

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

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 PrivacyAuthentifizierungDenial-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)


3. Zellulare Netze

WAP Gateway

HTTP Interface ermöglicht, vom Handy angeforderte WAP-Inhalteaus dem Internet zu holenWAP-Inhalte (WML und WMLScript) werden für die Übertragung über die Luftschnittstelle in ein kompaktes Binärformat umgewandelt

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Beispiel einer typischen Session mit 3 Requests und 3 Replies

HTTP/TCP/IP WSP/WTP/UDP →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 of Data ←Reply →ACK of Reply →TCP FIN ←TCP FIN, ACK of FIN →ACK of FIN

→Data Request ←ACK, Reply →ACK, Data Request ←ACK, Reply →ACK, Data Request ←ACK, Reply →ACK

Fette Pakete sind Nutznachrichten Nicht-fette Pakete sind Overhead HTTP/TCP/IP WSP/WTP/UDP 17 Pakete 7 Pakete 65% Overhead 14% Overhead

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

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

Content (XML)

XSL Processor

WML Style Sheet HTML Style Sheet

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

WML

Für Teilnehmer, die gerne eine eigene WML-Seite erstellen wollen, gibt es viele Hilfsprogramme mit einer geeigneten EntwicklungsumgebungZur Darstellung von Bildern existiert ein eigenes Grafikformat namens WBMP (Wireless Bitmap)WBMP-Grafiken besitzen 1 Bit Farbtiefe (schwarz oder weiß) und lassen sich mit einem Konverter (Format-Umwandler) von GIF- oder JPEG-Grafikformaten nach WBMP wandelnKonverter-Software zum Download: www.webcab.de

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

i-mode

aus Japan stammender Standard für mobilen Internetzugangwurde im Februar 1999 von NTTDoCoMo gestartettechnisch ähnlich wie WAP 2.0Seiten werden mit iHTML programmiert, bietet etwas Graphikmöglichkeiten als WMLwird in Deutschland von E-Plus über GPRS angeboten

Games & FunNews, Infos & Sport Klingeltöne & Logos Chat & Messagingi-mode™ Mail

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

i-mode

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

beliebte Anwendung des mobilen Internet i-mode und WAP:Internetauktionen

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

MMS - Multimedia Messaging Service

MMS - Netzarchitektur

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

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 (nur mit UMTS sinnvoll --> siehe QoS-Profile von UMTS)

MMS - Medienformate

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

A/D-Wandler:Abtastung mit 8000 Hz = alle 125μs ein WertQuantisierung auf 13 Bit resultiert in 8000 × 13 = 104 kBit/s Sprach-CodecPrediktive Differentialcodierung resultiert in 13 kBit/s (full rate)

GSM - Sprachkodierung

Band-filter

300 Hz-3,4 kHz

A

D

Sprach-codierer

Kanal-codierer

zurModulation

Niedrig-frequ.-filter

4 kHz

A

D

Sprach-decodierer

Kanal-decodierer

vonModulation

Sprach-Codec

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Digital AMPS (D-AMPS)

IS-95 (PCS)

Personal Digital Cellular (PDC)

Weitere Standards der 2. Generation

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Wird auch als IS-54 bezeichnetWird vorwiegend in Nord- und Südamerika eingesetztBasiert auf AMPS, dem 1G-Standard in AmerikaHat digitale Kontroll- und NutzkanäleDualmode Telefone: AMPS und D-AMPSEffizientere Frequenznutzung als AMPSNutzt TDMA für Medienzugriff, wird daher auch als US-TDMA bezeichnet824-849 und 869-894 MHz 30 kHz-Kanäle, die sich 3 Nutzer per TDMA teilen13.2 kbps Sprachkodierungssystem

Digital AMPS (D-AMPS)

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

IS-95 (PCS)

Personal Communication SystemsUS-StandardErstes Zellulares System das CDMA nutztIS-95 wird auch als CDMAone bezeichnet

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Japanischer StandardBasiert auf TDMA800 und 1500 MHz Physische Charakteristik ähnelt D-AMPSWenig Erfolg außerhalb Japans, daher keine „Economy of Scale“

Japan ist einer der Hauptmotoren für 3G

Personal Digital Cellular (PDC)

Generation 2 (2G)


3. Zellulare Netze

Speziell aus GSM Upgrades entstandene GenerationBeinhaltet alle Upgrades der zweiten GenerationInsbesondere Unterstützung für Non-Voice AnwendungenHöhere Datenraten für LuftschnittstelleHat bereits viele Charakteristiken von 3GInsbesondere

General Packet Radio Service (GPRS)High-Speed Circuit-Switched Data (HSCSD)Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE)

Generation 2.5 zellularer Netze (2.5G)

Generation 2.5 (2.5G)


3. Zellulare Netze

GSM – Vergleich 2G, 2.5G, 3G in Deutschland

Seit Anfang 2005seit Ende 1999 (E-Plus)seit November 2000 (D2)

seit April 2001 in allen deutschen Mobilfunknetzen

seit 1992Verfügbarkeit

Mehrfachnutzung je Kanal

theoretisch max. 8 Kanäletheoretisch max. 8 Kanäle

nicht möglichKanalbündelung

janeinjaneinAlways-on-Funktion

DatenmengeVerbindungszeitDatenmenge oder Verbindungszeit

VerbindungszeitAbrechnung nach

in der Regel unter 384 kBit/s

43,2 kBit/s(Downlink)28,8 kBit/s(Uplink)

40,2 kBit/s (Downlink)13,4 kBit/s (Uplink)

9,6 kBit/sÜbertragungsratenvorh. Geräte

2 MBit/smehr mit HSDPA

115,2 kBit/s171,2 kBit/s9,6 und 14,4 kBit/sÜbertragungsratentheoretisch

paket-/codevermittelnd

leitungsvermittelndpaketvermittelndleitungsvermittelndÜbertragungs-verfahren

UMTSHSCSDGPRSGSM2G, 2.5G und 3G in Deutschland:



3. Zellulare Netze

HSCSD

HSCSD bündelt mehre GSM-Kanäle zu einem leistungsfähigen KanalDabei gibt es symmetrische und asymmetrische DatenratenIst eine leitungsvermittelte Technologie, für schwankenden Verkehr (z.B. Internet Browsing) nicht ideal wg. Ineffizienz



3. Zellulare Netze

HSCSD - Anwendungsgebiete

Schnelle Datendienste via GSM-Netz (Datenraten wie Festnetz!) Echtzeitdatendienste (bei GPRS nicht so gut implementierbar!) m-Commerce Telemetrie (Messdaten technischer Anlagen werden per Mobilfunk in das Büro übertragen) Überwachungsdienste (z.B. Webcam überträgt per HSCSD Raumüberwachungsbilder)Bildtelefonie



3. Zellulare Netze

HSCSD - Dienste

Symmetrisch / asymmetrisch: ermöglicht Datendienste, bei denen die Downlinkstrecke (GSM-Netz zum Handy) eine andere, meist höhere, Datenrate zugewiesen bekommt als die Uplinkstrecke (Handy zum GSM-Netz)

Transparent / Nicht-Transparent: Transparente Datendienste beinhalten keine Maßnahmen zur Fehlererkennung und -korrektur Nicht-transparente Datendienste nutzen das Radio Link Protocol (RLP), um diese Funktionen auszuführen



3. Zellulare Netze

HSCSD



3. Zellulare Netze

Datenraten in HSCSD

38,4 kbit/s57,6 kbit/s428,8 kbit/s43, 2 kbit/s319,2 kbit/s28,8 kbit/s29,6 kbit/s14,4 kbit/s1

9,6 kbit/s pro Kanal14,4 kbit/s pro KanalZahl der

gebündelten Kanäle



3. Zellulare Netze

Für Datenübertragung im GSM Netz entwickelt

Bisheriger Weg (langsam und teuer):leitungsvermittelte Ende-zu-Ende-Verbindung aufbauen (wie bei Sprache)Dann mit 9,6 kBit/sec Daten übertragen, ein Zeitschlitz pro TDMA-Rahmen festEinzige Alternative bisher SMS (Short Message Service): senden von max. 160 alphanumerischen Zeichen zu einer MS

GPRS - General Packet Radio Service



3. Zellulare Netze

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 benutzenBesonders geeignet für stoßweisen Datenverkehr (z.B. Internet WWW)GPRS kann bezüglich eines einzigen Benutzers:

einen existierenden GSM Kanalmehrere Zeitschlitze eines TDMA-Rahmens gleichzeitigoder auch das gesamte 200 kHz Band einer Zelle

nutzenZeitschlitze werden dynamisch vergeben und nicht statisch

GPRS



3. Zellulare Netze

GPRS

Beispiel für statische Vergabe vonZeitschlitzen beim Sprachverkehr

6 7 0 1 2 3 4 5TDMA-Rahmen

4,615 ms

… …

MS A

6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2

Beispiel für dynamische Vergabe vonZeitschlitzen beim GPRS

6 7 0 1 2 3 4 5TDMA-Rahmen

4,615 ms

… …

MS A

6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2



3. Zellulare Netze

max. 171 kBit/sec (alle 8 Zeitschlitze, neue Formen der Kanalkodierung, z.B. ohne Fehlerkorrektur)

Vorteile, die sich aus "packet data over the air" gegenüber der herkömmlichen leitungsvermittelnden Technologie ergeben

Virtuelle Connectivität zu einem Datennetz jederzeit „always on“Schnelle Ressourcenzuweisung nach BedarfAlternative Wege der Abrechnung, z.B.pay-per-bit, -per-session oder MonatspauschaleAsymmetrische Bandbreite im Uplink und Downlink (z.B. Internetsurfen)

Wird in Deutschland von allen Netzbetreibern angeboten

GPRS



3. Zellulare Netze

GPRS

Bruttodatendurchsatz bei verschiedenen Kodierungsverfahren

171,2 kbit/s124,8 kbit/s107,2 kbit/s72,50 kbit/s8 TS Data Rate







21,4 kbit/s15,6 kbit/s13,4 kbit/s9.05 kbit/s1 TS Data Rate

CS4CS3CS2CS1Kanalcodierung



3. Zellulare Netze

GPRS

Unbegrenzt44Klasse 14


544Klasse 12

534Klasse 11

524Klasse 10

523Klasse 9

514Klasse 8

533Klasse 7

423Klasse 6

422Klasse 5

413Klasse 4

322Klasse 3

312Klasse 2

211Klasse 1

GesamtUploadDownload Multislot-Klasse
















Mobiltelefone unterscheiden sich in der Zahl der Kanäle, die sie bündeln können



3. Zellulare Netze

GSM-HSCSD-GPRS Vergleich

Überblick: Eignung der Übertragungsverfahren für verschiedene Anwendungen

gutungeeignetwenigSicherheitsüberwachung mit Datensignalisierung

ungeeignetsehr gutungeeignetVideostreaming

sehr gutsehr gutungeeignetBildübertragung

sehr gutsehr gutungeeignetFile Transfer

sehr gutwenigmittelWAP

sehr gutwenigungeeignetmobiler Zugriff auf Intranet

sehr gutwenigungeeignetmobiler Zugriff auf Internet

sehr gutmittelmittelE-Mail

ungeeignetungeeignetsehr gutSprache

GPRSHSCSDGSM


Anwendung


3. Zellulare Netze

EDGE - Enhanced Datarate for Global Evolution

Auch: Enhanced Data rates for GSM Evolution, Weiterentwicklung von GPRS, daher die Bezeichnung EGPRSEDGE führt eine zusätzliches Modulierungsschema ein: 8-PSKDadurch werden 3 Bit statt einem Bit pro Signalschritt übertragen. Das mach 8-PSK natürlich viel anfälliger gegen InterferenzDaher müssen die Zellen kleiner werden, was zu höheren Kosten führtDatenübertragungsraten bis zu 473,6 Kbps, wenn alle 8 Zeitschlitze belegt werdenWurde ursprünglich für GSM für solche Netzbetreiber entwickelt, die keine UMTS-Lizenz erwerben konntenEDGE ist ein Software-Update für GSM-Basisstationen neuerer Bauart



3. Zellulare Netze

EDGE

Beispiel: 2PSK = BPSK(ähnlich zu GMSK)



3. Zellulare Netze

EDGE

8PSK



3. Zellulare Netze

EDGE

EDGE:8-Phase Shift Keying (PSK)

GSM:Gaussian Minimum-Shift

Keying (GMSK).



3. Zellulare Netze

EDGE

01,41 / 01 1 1H-451 / -11 1 0G

-135-1 / -11 0 1E-900 / -1,411 0 0F451 / 10 1 1A900 / 1,410 1 0B

180-1,41 / 00 0 1D135-1 / 10 0 0C

Phase (zur x-Achse)Koordinaten3 zugeordnete BitSymbol

Ein Bitstrom von: 001011110101000111111001000000101unterteilt in Dreiergruppen: 001 011 110 101 000 111 111 001 000 000 101würde also als Übertragungssymbole ergeben: D, A, G, E, C, H, H, D, C, C, E



3. Zellulare Netze

EDGE - Bursts

Normal Burst für EDGE-Dienste mit 8PSK-Modulation:

Normal Burst für GSM-Dienste mit GMSK-Modulation:



3. Zellulare Netze

EDGE - Problem der Interferenzen



3. Zellulare Netze

EDGE - Nettodatenraten

GPRSGPRS

Header+Protection

User Payload

CS-1

CS-2

CS-3

CS-4

8

12

14.4

20

EDGE

MCS-1

MCS-2

MCS-3

MCS-4

8.8

11.2

14.8

17.6

MCS-5

MCS-6

MCS-7

MCS-8

22.4

29.6

44.8

54.4

MCS-959.2

Header+Protection

User Payload

GMSK-Modulation

8PSK-Modulation



3. Zellulare Netze

EDGE - Architektur

Base Station Subsystem (BSS)=Radio Access Network (RAN) Core Network (CN)



3. Zellulare Netze

2G-Ziel: effiziente Nutzung des Frequenzspektrums durch Digitalisierung zellularer Netze, Erfolgsmodell GSM

3G-Ziel: effiziente Integration von mobilen Sprach- und Datendiensten in zellularen Netzen

Dabei:weltweite Verfügbarkeit und technische Kompatibilität der Terminals und InfrastrukturMigration von 2G nach 3Gneue Frequenzspektren

Dritte Generation zellularer Netze (3G)

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

Es gibt nicht eine 3. Generation

Standardisierung in der ITU unter dem Stichwort IMT-2000

Terrestrische drahtlose Zugangstechniken im IMT-2000:GSM-basierte 3. Generation: GPRS/EDGE (s. 2.5G)UMTS-basierte 3. Generation: W-CDMA und TD-(S)CDMAIS-95-basierte 3. Generation: CDMA2000DECT (derzeit nur für privaten Bereich)

Industriekonsortien:3GPP (Third Generation Partnership Project): W-CDMA und TD-(S)CDMA, weitgehend von Europa, Japan und China getrieben3GPP2: CDMA2000, von USA getrieben

Dritte Generation zellularer Netze (3G)

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

ITU IMT-2000 Standardisierung der 3. Generation

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

Frequenzen für 3G

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

Frequenzen für 3G

Sondersituation USA:Teile der IMT-2000 Frequenzen sind bereits an 2G Systeme (IS-95 PCS) vergeben, weitere an völlig andere SystemeIm 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 Regierungs-behörden, Flugkommunikation, Satellitensteuerung, etc.In 2110-2170 Paging Systeme, lokale Fernsehsender, Satellit, etc.

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

Frequenzen für 3G

Frequenzaufteilung:UMTS: 1900 - 2025MHz und 2110 - 2200MHz

Gepaarte lizenzierte Frequenzen: 2 x 60MHz = 12 Pakete Uplink: 1920 - 1980MHz Downlink: 2110 - 2170MHz

Ungepaarte lizenzierte Frequenzen: 1 x 25MHz = 5 Pakete 1900 - 1920MHz und 2020 - 2025MHz

Ungepaarte nichtlizenzierte Frequenzen: 2 Pakete 2010 - 2020MHz

Satellitenanbindung (optional in Zukunft): Uplink: 1980 - 2010MHz Downlink: 2170 - 2200MHz

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

Frequenzen für 3G

UMTS-Lizenzvergabe in Deutschland

0,561598,8112Summe

0,1227116,452Group 3G /Quam(aufgegeben)

0,121116,372Mobilcom (aufgegeben)0,1227116,582T-Mobil

0,121116,472Vodafone (ehem. Manesmann Mobilf.)

16,522O2

0,0736116,422E-Plus / Hutchinson

PreisMrd. DM

Ungepaarte Pakete

PreisMrd. DM

Gepaarte Pakete

Netzbetreiber

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

QoS Klassen von UMTS

Dienstqualitäten:

Low BERE-mailSMSFile transfer

Preserves the payload contentBackground4

Low round trip delay timeLow BER

Web-browsingDatabase retrieval

Bounded response timePreserves the payload content

Interactive3

Low jitterMultimediaVideo on demandWebcastReal-time video

Preserves time relation between entities making up the stream; real-time

Streaming2

Low jitterLow delay

VoiceVideo telephonyVideo gamingVideo conferencing

Preserves time relation between entities making up the stream conversational pattern based on human perception; real-time

Conversational1

Relevant QoS Requirements

ExampleClass DescriptionTraffic ClassClass

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

Datenverlust und Zeitverzögerung

Generation 3 (3G)

interaktiv gemischt rechtzeitig unkritisch


3. Zellulare Netze

Typische QoS-Parameter für Sprache

Generation 3 (3G)

< 1% FER < 1 msec< 10 sec 32-128 kb/s

Primarily one-way

High quality streaming audio

< 3% FER < 1 msec< 1 sec for playback < 2 sec for record

4-13 kb/s

Primarilyone-way

Voice messaging

< 3% FER (Frame Error Rate)

< 1 msec<150 msecpreferred<400 mseclimit

4-13 kb/s

Two-wayConversational voice

Information loss

Delayvariation

One-wayDelay

Data rate


3. Zellulare Netze

UMTS-Modell der Dienstgüte (QoS)

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

Übertragungsraten (mindestens):144 Kbit/s in ländlichen Gebieten bei 500 km/h (z.B. ICE)384 Kbit/s in der Stadt bei 120 km/h2 Mbit/s in Gebäuden bei 10 km/h

Gleichzeitige Nutzung verschiedener Übertragungsdienste (Daten/Sprache)Leitungs- und Paket-orientierte DiensteVariable Bitraten in Realzeit Handover ohne Datenverlust selbst bei hohen BitratenHandover zwischen UMTS und GSMMehrere unsynchronisierte Systeme können nebeneinander in derselben Umgebung koexistieren (auch unkoordinierte Basisstationen)

Allgemeine Anforderungen an UMTS

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

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

Die derzeit installierte Version (Release-99) von UMTS beinhaltet nur FDD

UMTS Standardisierung

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

Frequency Division Duplex (FDD)Time Division Duplex (TDD).

Transmission by FDD method

Transmission by TDD method

FDD und TDD

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

W-CDMA - Wideband direct sequence CDMA

Klassisches CDMA:

UMTS W-CDMA

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

UMTS W-CDMA

DPCCH DPDCHPilotNPilot bits

TPCNTPC bits

RINRI bits

DataNData bits

Slot #1 Slot #2 Slot #i Slot #16

Frame #1 Frame #2 Frame #i Frame #72

0.625 ms, 20*2k bits (k=0..6)

Tf = 10 ms

T??? = 720 ms

Variable Raten werden durch variable Spreading Faktoren (SF = 4 ... 256) erreicht, d.h. Anzahl Chips pro Bit. SF wird pro 10ms Frame definiert.

Beispiel: Downlink dedicated physical channel

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

TD/CDMA wird auch UMTS TDD genannt

sehr ähnlich zu GSM:

16 CDMA KanäleIn 15 Zeitschlitzen

Datenraten von 9,6 kBit/sBis 2 MBit/s

UMTS TD-CDMA

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

UMTS TD-SCDMA

Variante von TD-CDMA, bei der das 5MHz-Band in 3 mal 1.6 MHz aufgeteilt ist.Ermöglicht größere Flexibilität, insbes. falls keine kompletten 5MHz zur Verfügung stehenWird zunächst in China implementiert

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

UMTS HSDPA

High Speed Downlink Packet Access

Ermöglicht in der derzeitigen Spezifikation im UTRAN bis zu 10 Mbps Downlink-DatenratenDerzeitige Endgeräte schaffen max. 3,6 MbpsTeil von Release 5 von 3GPPKann für UTRAN FDD und TDD angewendet werdenBenutzt ein 16QAM ModellierungsschemaHSDPA benötigt ein komplettes 5 MHz-BandEin physischer HSDPA-Kanal kann von mehreren Benutzern auf statistischer Basis geteilt werden

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

UMTS - Zellatmung

Generation 3 (3G)

Reichweite der UMTS-Basisstation ist abhängig von der in ihr befindlichen Teilnehmer

Aufgrund des CDMA steigen mit der Anzahl der Teilnehmer auch die Störeinflüsse an. Dies lässt sich auf Seite der Mobilgeräte nur dadurch beheben, dass die Sendeleistung angehoben wird – was wiederum zu mehr Störsignalen führt.

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. Umgekehrt bewirkt eine geringe Auslastung einer UMTS-Zelle, dass ihr effektiver Nutzradius wächst


3. Zellulare Netze

UMTS - Netzarchitektur

PSTN / ISDN

InternetX.25, private

networks

UTRAN Core Network

GERAN

Node BNode B

Node BNode B

RNCRNC

BTSBTS

BTSBTS

BSCBSC

MSC/VLRMSC/VLR GMSCGMSC

SGSNSGSN GGSNGGSN

HLRHLR

lub

Abis

lur

lucs

lupo

Gs

D

Gr

C

Gc

Gn

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

UTRAN

UE

UE

Node B(BTS)

Node B(BTS)

Backbone

Backbone

Backbone

RNC

RNC

Uu

Uu

lub

lub lub

lub

lur

lur

lu

lucs

lucs

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

GERAN

GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network):

Harmonisierung der Paketdienste von GSM/GPRS/EDGE mit UMTS

Schnittstellendefinition zum UMTS-Netz, lu-Schnittstellen (lucs und lupo)

Alle QoS-Klassen werden auch von GERAN unterstützt

Rückwärtskompatibilität zur GSM/GPRS-Architektur, in diesem Fall werden paketbasiert nur die QoS-Klassen 3 und 4 unterstützt

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

CDMA2000

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 McpsDatenraten bis zu 625 kbps

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

CDMA2000 Netzarchitektur

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

Vergleiche

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

Dritte Generation zellularer Netze (3G) – regionale Aspekte

Amerika (Nord-)

Cingular: cdma2000 seit 2006Verizon: cdma2000 seit 1.2.2005AT&T: UMTS seit Juli 2004T-Mobile. UMTS ab 2007

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

Nach Angaben von Chinas Netzbetreibern werden kommerzielle 3G Dienste ab Ende 2007 angeboten werden, aber man möchte auf jeden Fall zu den olympischen Spielen 2008 3G-Dienste anbieten.4 potentielle Betreiber für 3G:

China Unicom: CDMA2000China Mobile: UMTS (W-CDMA)China Telecom: UMTS (TD-SCDMA) Netcom: UMTS (TD-SCDMA)

Netzbetreiber scheuten sich bisher sich vor zu schneller Migration von 2G auf 3GChina Mobile plant insgesamt 8600 Basisstationen in Peking, Shanghai und verschiedenen chinesischen Provinzen


China

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze


Europa

Erste UMTS WCDMA-FDD Installationen 2002Vollwertige UMTS-Dienste seit Ende 2004ca. 600 Mio. GSM-Kunden

Größte GSM-Kundschaft weltweitCa. 150 NetzbetreiberGSM/GPRS-Kunden sind auch potentielle UMTS-Kunden, wegen der Ähnlichkeit und Überlappung der Netze

Generation 3 (3G)


3. Zellulare Netze

Vierte Generation zellularer Netze (4G)

Der Begriff 4G wird verbunden mit der Integration von WLAN und WiMAX in zellulare Netze und der Verfügbarkeit sehr viel höherer drahtloser Bandbreite (100-1000 Mbit/s real)ITU (International Telecommunication Union definiert 4G wie folgt:

mindestens 100 MBit/s unter voll mobiler Nutzungmindestens 1 GBit/s unter nomadischer Nutzung

Die Frequenzen für 4G sollen im Oktober 2007 von der WRC (World Radiocommunication Conference) festgelegt werdenMit 4G wird erst 2010 gerechnet, Samsung hat 2006 auf dem 4G Forum in Jeju Island, Korea in einem 4G Bus 100 MBit/s bei 60 km/h und multi-cell Handoverdemonstriert und 1 GBit/s nomadisch

Generation 4 (4G)


3. Zellulare Netze

Vergleich von 3G und 4G

4G Konvergenz von WLAN mit zellularen Netzenvollständig Packet SwitchedNetwork (All-IP)Alle Netz-Elemente sind digital Höhere Bandbreite, z.B. 100-1000MbpsErweiterung der 3G Kapazität

3G Rückwärtskompatibel zu 2G Circuit und Packet SwitchedNetworkKombination von existierendem & evolutionärem Equipment Datenrate bis 2Mbps

Generation 4 (4G)


3. Zellulare Netze

Innovationen für 4G

Modulierungs- und Multiple Access TechnikenInsbesondere Kombination von OFDM mit CDMA und TDMA

Multiple Antennen TechnikenMinimierung der Multipath- und ähnlichen Probleme durch Einsatz mehrerer Antennen an Basisstationen und Mobilstationen

All IP-NetzeAusgangspunkt: viele private drahtlose Zugangsnetze, i.d.R. basierend auf 802.11 u.ä.IP als gemeinsame PlattformKommerzielle Nutzung basierend auf AAA-Protokollen (Authentication, Authorization and Accounting)

Neuigkeiten zu 4G z.B. in http://www.4g.co.uk/

Generation 4 (4G)


3. Zellulare Netze

Innovationen für 4G

Komponenten der 4G Standardisierung: UWB 802.11n SDR802.16-2005 (ehemals 802.16e)802.16m

Generation 4 (4G)


3. Zellulare Netze

IMS – Internet Multimedia Subsystem

erster Schritt in Richtung Integration von 3G-Zugangstechnik und InternetIMS ist ein Standard der 3GPPIMS standardisiert eine Architektur für den Zugang zu real-time IP Services, insbes. VoIP, über UMTSIMS basiert auf dem weit verbreiteten SIP-Standard für Multimediadienste, insbes. VoIPdas SIP Protokoll standardisiert die aus dem GSM/UMTS bekannten Konzepte des HLR, etc., für das Internet, insbes.

RegistrierungRoutingetc.


3. Zellulare Netze

IMS Architektur

mehr zu IMS, z.B.: http://www.mobilein.com/what_is_IMS.htm


3. Zellulare Netze

SIP Funktionsweise, Registrierung


3. Zellulare Netze

SIP Funktionsweise, Anruf

mehr zu SIP, z.B.: http://www.iptel.org/sip/siptutorial.pdfund in Mobilkommunikation II

zellulare netze -...

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