WP A N WP A N - B lu e tooth Bluetooth-Pro to k olle Bluetooth
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neilofztasuZ TCS BIN SDP Radio Baseband SDP: service discovery protocol RFCOMM: radio frequency comm. Link Manager Control Verwaltung Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) RFCOMM (serial line interface) PPP/BNEP AT modem commands Telefonie-Anwendungen AT: attention sequence OBEX: object exchange TCS BIN: telephony control protocol specification – binary BNEP: Bluetooth network encapsulation protocol Audio TCP/UDP OBEX IP NW-Anw. vCal/vCard Host Controller Interface 74 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ Audio Baseband/Radio • Stellen Zugriff auf das Funk-Medium für höhere Protokollschichten bereit Link Manager Protocol (LMP) • Verwaltung von Verbindungen L2CAP • Bereitstellung mehrerer logischer Kanäle • Segmentierung großer Nachrichten für den Transport Host Controller Interface (HCI) • Kommandoschnittstelle zum Zugriff auf Baseband-Funktionen Service Discovery Protocol (SDP) • Suchen nach Diensten anderer Geräte RFCOMM • Emulation serieller Schnittstellen (dadurch Unterstützung einer Großzahl bisheriger Anwendungen) Telephony Control Protocol Specification - Binary (TCS BIN) • Bietet Funktionen zur Anrufkontrolle Bluetooth-Protokolle neilofztasuZ 54 Bluetooth-Protokolle Dienste zur Authentifikation und Verschlüsselung Möglich: Reservierung von Bandbreite, Einstellung von Dienstgüteparametern Unzuverlässiger Broadcast an mehrere Geräte Gezielte Suche nach installierten Diensten eines anderen Geräts Automatisches Verbinden mit Geräten in Kommunikationsreichweite Sprach- und Datenübertragung, ca. 1 Mbit/s Bruttodatenrate Verwendet das lizenzfreie 2,4 GHz-Band Kleine Reichweite (10 m, da aufgrund beschränkter Batteriekapazität nur eine geringe Sendeleistung verwendet wird) Oft für Geräte, die auch schon GSM oder UMTS unterstützen Eingebettet in andere Geräte, Ziel: 5€/Gerät (2002: 50€/USB Bluetooth) Verknüpfung von Computer mit Peripherie, tragbaren Geräten, PDAs, Handys – Zielgruppe im Wesentlichen: kleine Geräte mit reduzierten Fähigkeiten Universelles Funksystem für drahtlose Ad-hoc-Verbindungen zwischen Geräten verschiedener Typen emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ • Kleinstes Funknetz: Wireless Personal Area Network (WPAN) • Beispiel: Bluetooth – 1998: Gründung der Bluetooth Special Interest Group (Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba) – Später hinzugekommene Förderer: 3Com, Agere (früher: Lucent), Microsoft, Motorola – 2001: Erste Produkte für den Massenmarkt, Verabschiedung des Standards 1.1 – Übernommen von IEEE WPAN Working Group zur Integration in 802.15Standard. Dabei mehrere Varianten: • höhere Übertragungsraten • niedrige Übertragungsraten bei sehr geringem Stromverbrauch • Mehr Stationen pro Netz WPAN - Bluetooth 84 64 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL WPAN emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ M=Master S=Slave P=Parked SB=Standby SB S P M P SB S S P S S M SB P Pikonets (jedes mit max. Kapazität von 720 kbit/s) • Verbindung mehrerer räumlich naher Pikonetze durch gemeinsame Masteroder Slave-Geräte – Geräte können Slaves in einem Pikonetz sein, Master in einem anderen • Kommunikation zwischen Pikonetzen – Geräte, welche zwischen den Pikonetzen hin und her springen Scatternet 15 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ • Topologie – Grundeinheit: Pikonetz – Überlappende Pikonetze (Sterne) bilden ein Scatternet (Streunetz) 94 • Übertragungsverfahren: FHSS und TDD – Wahl eines Masters zur Koordination der Sendungen – Frequenzsprungverfahren mit 1600 Sprüngen/s (dadurch Slotdauer: 625µs) – Sprungfolge pseudozufällig, vorgegeben durch den Master – Time Division Duplex zur Richtungstrennung zum/vom Master • • • • • • • • Grundeinheit eines Bluetooth-Funknetzes Ansammlung von Geräten, welche spontan (ad-hoc) vernetzt werden Besteht aus einem Master (M) und bis zu 7 Slaves (S) Der Master koordiniert den Medienzugriff Slaves kommunizieren nur mit dem Master Möglich: überlappende Pikonetze. Geräte, die miteinander Daten austauschen, gehören dem gleichen Pikonetz an Bildung eines Pikonetzes mittels FHSS: der Master bestimmt die Sprungfolge (basierend auf seiner Adresse und Uhrzeit), die Slaves müssen sich darauf synchronisieren Jedes Pikonetz hat eine eindeutige Sprungfolge M M fk+6 M fk+6 S S fk+5 S fk+5 fk+6 M fk+4 M fk+4 fk+1 S M S fk+3 fk+3 M S P t t t fk: Trägerfrequenz f in Slot k entsprechend der Hopping-Sequenz fk fk+2 fk+1 SB S S P=Parked SB=Standby M P • TDMA, da mehr als 2 Geräte das Medium teilen • TDD zur Übertragung in beide Richtungen: Master in ungeraden, Slave in geraden Slots • Bei mehreren Slaves: Bandbreite wird geteilt, der Master pollt rundum alle Slaves an (Master alle ungerades Slots, Slaves teilen sich die geraden Slots) • 1, 3 oder 5 Slots können zu einem Paket kombiniert werden. Dabei kein FrequencyHopping, die entsprechenden Hops werden ausgelassen M fk M fk 625 µs P M=Master S=Slave SB S Frequenzwahl während der Übertragung neilofztasuZ • Verwendung des 2,4 GHz-Bandes – 79 Kanäle mit einer Bandbreite von je 1 MHz – Kanal 0: 2402 MHz … Kanal 78: 2480 MHz – GMSK zur Modulation – 1-100 mW Sendeleistung 25 Pikonetze emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL Radio/Baseband 05 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL SLAVE 2 SLAVE 1 neilofztasuZ f1 ACL f4 f5 SCO f6 f7 ACL f8 f9 SCO f12 f13 ACL f14 f17 SCO f18 f19 ACL f20 f21 neilofztasuZ SLAVE 2 SLAVE 1 MASTER A B C D C E F G H G ACK 55 NAK Da Quittungen direkt im nächsten Slot verschickt werden, reicht 1 Bit für Sequenz/Quittungsnummern: Quittungsmechanismus emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL SCO f0 3 AM-Adresse 54 Header 72 Zugriffscode 1/3-FEC: alles erscheint drei Mal im Header 4 Typ Flow 1 Nutzlast 0-2744 1 ARQN Bits 1 SEQN 8 HEC Bits • Einrichten von SCO-Verbindungen. Default ist ACL, es können bis zu drei SCOVerbindungen eingerichtet werden • Einstellen von Dienstgüte-Parametern als Reaktion auf die Übertragungsqualität (z.B. Verwendung einer höheren FEC-Rate im Datenteil) • Ändern der Sendeleistung aufgrund des gemessenen Empfangspegels • Ändern der Verbindungszustände (Park, Standby, Active) • Tausch der Master/Slave-Rollen, da die Batterie des Masters stärker belastet wird • Abgleich lokaler Uhren (Frequency Hopping) durch Berechnung eines Offsets, der auf die lokale Zeit addiert wird • Authentifikation des Kommunikationspartners, Verschlüsselung der Daten bei der Übertragung Stellt zusätzliche Funktionen zu den Basisband-Mechanismen bereit, die genutzt werden können: Link Manager Protocol neilofztasuZ MASTER 65 35 ACL (Asynchronous Connectionless) – Daten • Variable Paketgröße (1,3,5 Zeitschlitze) • asymmetrische (723,2:57,6 Kbit/s) oder symmetrische (433,9 Kbit/s) Bandbreite • Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen, paketvermittlet mit Flusskontrolle • Zugriffscode – Eindeutige Kennung im Pikonetz, abgeleitet von der Gerätekennung des Masters – Auch verwendet zur Synchronisation der Stationen • Header – Active Member Adress (1 Master, 7 Slaves) – Pakettyp, z.B. High-Quality Voice, POLL, … – Flow: Flussteuerung, Empfänger kann den Sender anhalten – ARQN/SEQN: Quittungsmechanismus. – HEC: Prüfsumme • Nutzlast: kann noch mal zusätzlich FEC verwenden (Senkung der Datenrate) emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ SCO (Synchronous Connection-Oriented) – Sprache • Reservierung von Slots in festen Intervallen • 64 Kbit/s Datenrate • Punkt-zu-Punkt-Verbindung, leitungsvermittelt • Nur FEC (Forward Error Correction), keine Übertragungswiederholung Basisband-Pakete 45 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL Verbindungstypen emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL ACL verbindungslos Basisband Basisband Signalisierung L2CAP L2CAP Master DIFS neilofztasuZ 100 byte SIFS ACK DIFS 100 byte 100 byte 500 byte SIFS ACK 100 byte 100 byte 500 byte t (getrennt durch Sprungfolge) 802.15 79 Kanäle (getrennt durch Installation) 802.11b 3 Kanäle verbindungsorientiert Basisband L2CAP Slave • Bluetooth könnte sich rüpelhaft in einem 802.11-Netz verhalten – weiß nichts um Sendepausen, IFS etc. • IEEE 802.15-2 greift diese Probleme auf – Vorschlag: Adaptive Frequency Hopping (nicht kollaborativ, reine Koexistenz ohne Zusammenarbeit) • Echte Auswirkungen? Viele unterschiedliche Meinungen, Veröffentlichungen, Tests, … – Ergebnisse reichen von komplettem Zusammenbruch bis zu störungsfrei – Bluetooth (FHSS) ist robuster als 802.11b (DSSS) 2402 DIFS 500 byte DIFS DIFS 1000 byte SIFS ACK f [MHz] 2480 SIFS ACK 802.11 vs. 802.15/Bluetooth SIFS ACK DIFS SIFS ACK DIFS neilofztasuZ emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL DIFS DIFS SIFS ACK Slave • Einfaches Sicherungsschichtprotokoll oberhalb des Basisbandsystems • Verbindungsorientierte oder verbindungslose Kanäle (basierend auf ACL), sowie Signalisierungskanäle • Mehrere logische Kanäle auf einer Verbindung • Verwaltung von QoS-Spezifikationen pro logischem Kanal • Multiplexen von Datenströmen höherer Schichten • Segmentierung & Reassemblierung von bis zu 64Kbyte großen Datenpaketen • Verwaltung von Kommunikationsgruppen 95 SIFS ACK TCP/UDP OBEX AT modem commands SDP Radio Baseband Host Controller Interface HIPERLAN 1 erreichte nie richtigen Produktstatus, die anderen Standards wurden umbenannt und modifiziert! HIPERLAN 2 HIPERLAN 3 HIPERLAN 4 (HIPERLAN/2) (HIPERACCESS) (HIPERLINK) Anwendung drahtloses LAN Zugang zu funkbasierte Punkt-zu-Punkt ATMAnschlussnetze drahtlose ATMFestnetzen Verbindungen Frequenz 5,1-5,3GHz 17,2-17,3GHz Topologie dezentral ad- zellular, zentral Punkt-zuPunkt-zu-Punkt hoc/Infrastruktur Mehrpunkt Antenne omnidirektional direktional Reichweite 50m 50-100m 5000m 150m Dienstgüte statistisch wie ATM-Festnetze (VBR, CBR, ABR, UBR) Mobilität <10m/s quasistationär Schnittstelle konventionelle ATM-Netze LAN Datenrate 23,5Mbit/s >20Mbit/s 155Mbit/s Energiesparja nicht zwingend maßnahmen HIPERLAN 1 Exkurs: HIPERLAN SDP: service discovery protocol RFCOMM: radio frequency comm. Link Manager Control Verwaltung Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) TCS BIN Telefonie-Anwendungen RFCOMM (serial line interface) PPP/BNEP IP NW-Anw. vCal/vCard AT: attention sequence OBEX: object exchange TCS BIN: telephony control protocol specification – binary BNEP: Bluetooth network encapsulation protocol Audio Audio Höhere Protokolle neilofztasuZ 75 DIFS emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL L2CAP - Logical Link Control and Adaptation Protocol 06 85 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL 2 1 5 3 4 7 6 neilofztasuZ 3 4 2 1 5 3 4 7 6 2 1 5 7 6 Wahl des Abstands auf Basis der verbleibenden Signalstärke Cluster 1 7 6 36 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ • Größe einer Funkzelle ist bestimmt durch eine maximal vorgegebene Sendeleistung und eine bestimmte Empfangsleistung für einen ausreichend guten Empfang • hexagonale Zellform ist idealisiert (Zellen überlappen unregelmäßig) • keine einheitlichen Zellengrößen, Größe hängt von Verkehrsaufkommen und Senderreichweite ab (Stadtzentrum vs. Schwarzwald) • Zellwechsel des mobilen Teilnehmers → Übergabe der Verbindung in Nachbarzelle: Handover Zelle 1 systemtechnische Einschränkung der Zellengröße technisch möglicher Funkversorgungsbereich Zellplanung: • Bestimmung einer möglichst optimalen Clustergröße N, so dass Kapazität maximiert und Interferenzen minimiert werden • Weniger Zellen pro Cluster: mehr Kanäle pro Zelle mehr Systemkapazität mehr co-channel interference (co-channel Zellen näher zusammen) • Mehr Zellen pro Cluster: weniger Kanäle pro Zelle weniger Systemkapazität weniger co-channel interference (co-channel Zellen weiter voneinander entfernt) Cluster: Bereich, in dem alle Frequenzen verwendet werden. Jeder Zelle innerhalb eines Clusters können mehrere Frequenzen zugeordnet werden Zellulares Konzept neilofztasuZ 16 Zellularer Netzaufbau Zelle 1 • Entfernungsabhängige Dämpfung begrenzt die Signalausbreitung zwischen Sender und Empfänger (~ d² auf freiem Raum, d5.5 auf dicht bebautem Gelände) • Frequenzspektrum sehr begrenzt und für hohe Teilnehmerzahlen zu gering Wiederverwendung von Frequenzbereichen durch Aufteilung des Abdeckungsgebietes in Funkzellen absichtliche Begrenzung der Funkzelle durch geringere Sendeleistung knappe Sendefrequenzen können in einer ausreichend großen Entfernung wiederverwendet werden, ohne dass sich die Kanäle gegenseitig störend beeinflussen zwei weit genug voneinander entfernte Mobilfunkteilnehmer können beide gleichzeitig den gleichen Kanal belegen emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ • GSM: Global System for Mobile Communications • gleichlaufende Einführung eines Mindeststandards in drei Phasen (1991, 1994, 1996) durch die europäischen Fernmeldeorganisationen (Deutschland: D1 und D2) → europaweites Roaming mobiler Endgeräte möglich • mittlerweile Übernahme durch über 184 Drittländer (z.B. in Asien, Afrika, Amerika) • über 747 Millionen Teilnehmer in über 400 Netzen • über 10 Milliarden SMS/Monat in Deutschland, > 360 Milliarden weltweit (über 10% der Umsätze von Netzbetreibern) • 74% aller digitalen Mobiltelefone • nutzt Funkübertragung mit Frequenzen um 900 und 1800 MHz • Sprach- und Datenverbindungen bis 9.6 Kbit/s (Erweiterung: 14.4 Kbit/s) • Zugangskontrolle durch Chipkarten • verschiedene Verschlüsselungsverfahren • Nutzung einer Zellstruktur, um das Einzugsgebiet eines Anbieters einzuteilen (zwischen 100-500m Ø je Zelle innerhalb von Städten und 35 km außerhalb der Städte) Netzaufbau: Prinzip zellularer Netze 46 26 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL GSM - Basis moderner Mobilfunksysteme emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ MSC OMC Authentication Center Base Station Controller Equipment Identity Register Gateway Mobile Switching Center Home Location Register 4 AUC: BSC: EIR: GMSC: HLR: BSC BSC 4 4 GSM – System-Architektur ISC: MSC: OMC: PLMN: VLR: EIR HLR VLR GMSC PSTN ISDN PLMN, international International Switching Center Mobile Switching Center Operation and Maintenance Center Public Land Mobile Network Visitor Location Register AUC ISC O2 (GSM-1800) e-plus (GSM-1800) 76 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ Vodafone (GSM-900/1800) Zelle Base Station Subsystem Base Station Subsystem Lokalisierungsgebiet Lokalisierungsgebiet MSC Region MSC Region • ein Base Station Subsystem enthält einen Base Station Controller (BSC) und mehrere Basisstationen (BTS, Zellen) • ein Lokalisierungsgebiet besteht aus mehreren Base Station Subsystems • eine administrative Region besteht aus mindestens einem Lokalisierungsgebiet • mindestens eine administrative Region mit Mobile Switching Center (MSC) GSM-Netze sind hierarchisch strukturiert: Zelle Base Station Subsystem Lokalisierungsgebiet Region mit Mobile Switching Center (MSC) GSM-Netzwerk • GSM-Zelle entspricht dem Abdeckungsgebiet einer Basisstation • um Basisstation von der Komplexität her klein zu halten, sind Kontroll- und Protokollintelligenz im BSC untergebracht • Basisstation und BSC bilden zusammen das Base Station Subsystem (BSS) • zwei Arten von Kanälen: Daten- und Signalisierungskanäle • zwei Arten von Datenkanälen: full-rate Kanäle und half-rate Kanäle mit 9,6 kBit/s bzw. 4,8 kBit/s • Base Transceiver Station (BTS): Funktechnische Einrichtung, einschließlich Sende-/Empfangsantennen, für Kommunikation auf den Funk-Kanälen. Ein BTS kann eine oder, falls Richtantennen installiert werden, auch mehrere Funkzellen versorgen. • Base Station Controller (BSC): Die Basisstationssteuerung führt die Vermittlung und steuert den Ablauf der Übertragungsprozesse der BTSe. Sie ist für die Verwaltung der Netzressourcen zuständig. Base Station Subsystem (BSS) neilofztasuZ 56 T-Mobile (GSM-900/1800) Berlin GSM - Architektur emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL Flächendeckung von GSM-Funknetzen (www.gsmworld.com) 86 66 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL F8 F9 F2 F4 F3 F6 F1 BSC F3 F5 F7 Basisstation (Base Transceiver Station, BTS) Fx - Frequenzbereich der Zelle Base Station Controller neilofztasuZ Visitor Location Register (VLR) • Lokale Datenbank für eine Teilmenge der Benutzerdaten, einschließlich der Aufenthaltsorte der Teilnehmer • speichert Informationen über Mobilteilnehmer, die sich z.Zt. im zugeordneten MSC-Bereich befinden • enthält Datenbestände, die sich sehr häufig ändern und die durch einen Informationsaustausch mit dem HLR und den Mobilstationen aktualisiert werden • Daten aus dem VLR “folgen” dem Teilnehmer, wenn dieser in den Bereich einer anderen VLR gelangt Home Location Register (HLR) • zentrale Aufenthaltsverwaltung, wodurch Suche nach den Teilnehmern in allen Vermittlungsstellen entfällt • enthält unabhängig vom jeweiligen Aufenthaltsort sämtliche Teilnehmerdaten: Rufnummer, Zugriffsberechtigung, Dienste, Dienstmerkmale • MSCs erhalten vom HLR Informationen über Berechtigungen, Dienste und den momentanen Aufenthaltsbereich der Teilnehmer Zwei verschiedene Typen von Datenbanken für die Registrierung von Teilnehmern und ihrer aktuellen Position: Home and Visitor Location Register emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ Probleme: • Regelung des Zellübergangs und damit eines Frequenzwechsels (Handover) • Lokalisierung eines mobilen Geräts (HLR/VLR) Jede Zelle wird mit einer Basisstation versehen, die alle Kommunikation in dieser Zelle regelt. Alle Geräte kommunizieren ausschließlich über die Basisstation. F7, F6 F1 BSC 17 BSC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - 9 2 9 HLR 4 3 GatewayMSC 5 9 7 VLR 6 8 9 9 BSS 8 Anruf einer mobilen Station Weiterleitung des Anrufs zu einem Zugangspunkt des mobilen Netzes Anfrage an das HLR zur Lokalisierung des Nutzers Rückgabe der Routinginformation Weiterleitung des Rufs zum Ziel-MSC MSC erfragt exakte Position des Teilnehmers im VLR VLR überprüft Dienstprofil und Erreichbarkeit und liefert zuständiges BSS zurück Paging des mobilen Teilnehmers Antwort des mobilen Teilnehmers 1 Telefonnetz Verbindungsaufbau ZielMSC • Vermittlungsstelle eines GSM-Netzes ist das Mobile Switching Center: Pfadsuche, Signalisierung und die Verarbeitung von Dienstmerkmalen • Administration und Zugriff auf Funk-Ressourcen • zusätzliche Funktion für Location Registration und Handover im Falle eines Zellwechsels (Zusatzfunktionen zur Unterstützung der Teilnehmermobilität) • bestimmte Gateways zur Übertragung von Sprachdaten zwischen Festnetzen und mobilen Netzen (Gateway-MSC; GMSC) • Die wichtigsten Funktionen des MSC sind: – Ruf-spezifische Funktionen in Zusammenhang mit der Mobilität – Management der Mobilfunk-spezifischen Signalisierungsabläufe – Location Registration und Verarbeitung der Aufenthalts-Information – Bereitstellung neuer Dienstarten (Fax, Data Calls) – Unterstützung des Kurznachrichtendienstes (SMS) – Generierung und Weiterleitung der Gebührendaten neilofztasuZ 96 BSC Mobile Switching Network 4 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL Base Station Subsystem 27 07 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL 2976 270,833 kBit/s 200 kHz FDMA & TDMA 124 8 992 270,833 kBit/s 13 kBit/s GMSK 2 - 35 km 20 Watt Bandbreite eines Frequenzkanals Zugriffsverfahren Trägerfrequenzen Zeitslots je Trägerfrequenz Verkehrskanäle Bitrate Nettobitrate für Sprache Modulationsverfahren Zellradius Leistung einer mobilen Station max neilofztasuZ 3 5 GSM-Zeitslot 4 6 7 8 4,615 ms SchutzSchutzTail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail zeit zeit 57 1 26 1 57 3 bit 3 546,5 µs 577 µs 2 Zeitbereich 124 Kanäle mit je 200 kHz Abwärtsrichtung 124 Kanäle mit je 200 kHz Aufwärtsrichtung Höhere GSM-Rahmenstrukturen GSM-TDMA-Rahmen 890-915 MHz 935-960 MHz 95 MHz • 890.2 MHz 915 MHz 935.2 MHz 960 MHz f 1 124 123 122 1 124 123 122 t 200 kHz 2. Handover-Einleitung • Durchschalten von Verbindungen von der Mobilvermittlungsstelle zur neuen Basisstation • Auswahl eines neuen, geeigneten Übertragungskanals 3. Umschaltung zur Zielbasisstation • netzgesteuerter Handover (z.B. C-Netz), mobilstationsunterstützter Handover (z.B. GSM) oder mobilstationsgesteuerter Handover (z.B. DECT) (optional: slow frequency hopping nach jedem TDMA-Rahmen zur Vermeidung eines frequenzabhängigen Signalschwunds) 1. Messung • während der Übertragung permanente Messungen im Signalisierungskanal, um Notwendigkeit eines Handover zu erkennen (Empfangsleistung, Bitfehlerraten, Abstand zur Basisstation, Verkehrsbelastung in einer Zelle, Störungen in einem Frequenzbereich) Ablauf: • Automatischer Wechsel der Funkzone, ohne dass die Qualität der laufenden Verbindung davon wesentlich beeinflusst wird. Für die Teilnehmer der Verbindung ist keine Unterbrechung erkennbar Handover 20 MHz Zugriffsverfahren: Kombination aus – Frequenzmultiplexverfahren (FDMA/FDD) • senden auf 124 Kanälen zu je 200 kHz zwischen 890 und 915 MHz • empfangen auf 124 Kanälen zu je 200 kHz zwischen 935 und 960 MHz – Zeitmultiplexverfahren (TDMA) mit Versetzung von Senden/Empfangen für eine Mobilstation um 3 Zeitslots, um keine vollduplex-fähige Sende/Empfangseinheit einsetzen zu müssen GSM-Zeitslot: Burst und Schutzzeiten • Tail (000): definierter Start und Schluss des Bursts • Training: bitgenaue Synchronisation des Bursts durch vorher bekannte Bitfolge zur Anpassung des Empfängers auf die derzeitigen Signalausbreitungsverhältnisse und zum Ermitteln des stärksten Signals bei Mehrwegausbreitung • S (Signalisierung): Anzeige des Inhalts der Nutzdatenfelder: Nutzdaten/Steuerdaten 1 Watt 0,2 - 8 km GMSK 13 kBit/s 8 372 FDMA & TDMA 200 kHz 2 x 75 MHz 45 MHz 2 x 25 MHz TDMA 1 1710 MHz - 1785 MHz 1805 MHz - 1880 MHz Bandbreite Up- und Downlink Frequenz (Downlink) GSM1800 Duplexabstand 890 MHz - 915 MHz 935 MHz - 960 MHz Frequenz (Uplink) GSM900 57 Kriterium Das GSM-Protokoll neilofztasuZ emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ Fr 37 eq ue n z be re ich emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL GSM900 vs. GSM1800 67 47 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL 4 neilofztasuZ BSC BTS BSC BSC MSC MSC • wird nötig, wenn ein Funkkanal innerhalb einer Zelle gestört wird, die Mobilstation aber für die weitere Kommunikation einen Kanal innerhalb der Zelle benötigt BTS BTS 4 Handover innerhalb einer Zelle (intracell) Handover-Typen BTSB BSC BTS BSC MSC MSC • kann notwendig werden, weil sich beispielsweise der Teilnehmer über die Grenze zweier Nachbarzellen hinweg bewegt • Gesprächsübergabe wird durch BSC gesteuert, MSC wird über erfolgten Handover informiert BTS BTS BSC BTS Handover zwischen zwei Zellen des gleichen BSC-Bereichs (intercell) 4 BTSA MS Letzter Umschaltpunkt Bewegung 4 neilofztasuZ emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL MS 97 Handover-Bereich BSC BTS BSC MSC MSC • wird nötig, wenn durch Bewegung des Teilnehmers die Grenzen zwischen zwei BSC-Bereichen überschritten werden • Gespräch wird in neuen BSC-Bereich geschaltet, verbleibt aber im Anschlussbereich desselben MSC • Gesprächsübergabe wird durch MSC gesteuert BTS BTS BSC Handover zwischen zwei Zellen verschiedener BSC-Bereiche (intercell) Handover-Typen BSC BTS BSC MSC • wird nötig bei Wechsel zwischen Zellen, die unterschiedlichen MSCs zugeordnet sind • komplex, da komplette Verbindung zu einer anderen Vermittlungsstelle geschaltet werden muss • Kontrolle liegt bei der entsprechenden Anchor-MSC BTS BTS BSC Anchor-MSC Handover zwischen verschiedenen MSCs Soft Handover • Gleichzeitige Verbindung zu zwei Basisstationen, beide Verbindungen werden benutzt, um einen gemeinsamen Datenstrom am MSC zu erzeugen • über längeren Zeitraum wird immer gerade das Signal ausgewählt, welches am stärksten bzw. am wenigsten gestört ist (Steigerung der Übertragungsqualität) • hohe Übertragungskapazität erforderlich Handover mit variablem Umschaltpunkt • Mobilfunkverbindung wird für kurze Zeit zu zwei Basisstationen geführt, erst wenn alle nötigen Vorbereitungen beendet sind, wird die bereits funktionierende neue Übertragungsstrecke aktiviert • Mobilstation muss während des Handovers auf zwei Kanälen senden und empfangen Handover mit festem Umschaltpunkt • gleichzeitiges Durchschalten der neuen Leitung und Umleiten der Teilnehmerdaten, dadurch kurze Verbindungsunterbrechung (kann sich aber als „Knacken“ bemerkbar machen) • zu jeder Zeit wird nur ein Kanal auf der Luftschnittstelle belegt neilofztasuZ Pegel von Signal B 08 4 4 77 Empfangssignalstärke 4 4 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ Pegel von Signal A Handover-Strategien 87 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL Handover-Entscheidung emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL neilofztasuZ TCH/F4.8 1 2 3 4 2 3 4 1 TCH/F9.6 3 4 2 1 TCH/F14.4 neilofztasuZ UMTS • weltweiter, systemübergreifender Mobilfunk-Standard der 3. Generation (3G) • Verschmelzung verschiedener Mobilfunk-, Schnurlos- und Pager-Systeme zu einem Funk-Zugangsnetzwerk mit weltweitem Roaming • Integration von Sprach-, Daten-, Multimediadiensten • Erweiterungen von GSM: Höhere Datenraten, Erweitertes Dienstkonzept, Globales Roaming • Datenraten: 144 kbit/s mobil, bis zu 2 Mbit/s im schnurlosen Nahbereich – min. 144 kbit/s auf dem Land (Ziel: 384 kbit/s) – min. 384 kbit/s in den Vorstädten (Ziel: 512 kbit/s) – bis zu 2 Mbit/s innerstädtisch • Virtual Home Environment (VHE): angebotene Dienste frei konfigurierbar, Konfiguration steht überall im Netz zur Verfügung • Kompatibel zu GSM, ATM, ISDN und IP Vorschläge für IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) • UWC-136, cdma2000, WP-CDMA • UMTS (Universal Mobile Telecommunications System, Europa) UMTS und IMT-2000 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL AIUR [kbit/s] 4.8 9.6 14.4 19.2 28.8 38.4 43.2 57.6 38 18 HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data) • Zusammenfassung mehrerer Zeitkanäle für höhere AIUR (Air Interface User Rate, z.B. 57,6 kbit/s bei 4 Slots zu 14,4) • Hauptsächlich Software-Aktualisierung zur Realisierung dieser Zusammenfassung • Vorteil: schneller verfügbar, kontinuierliche Qualität, einfacher • Nachteil: verbindungsorientiert, Kanäle sind für Sprache blockiert, Signalisierung für mehrere Kanäle nötig EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) • GSM mit bis zu 384 kbit/s durch fortgeschrittene Modulationstechniken und weitere Mechanismen GPRS (General Packet Radio Service) • paketorientierte Datenübertragung, auch nutzbar für Multicast • Anforderungsgesteuerte Bündelung von bis zu 8 Zeitslots eines TDMA-Rahmens • Belegung der Zeitslots nur wenn Daten vorhanden (z.B. 50 kbit/s bei kurzfristiger Belegung von 4 Slots) • Vorteil: Schritt in Richtung UMTS, flexibler • Nachteil: mehr Investitionen (neue Hardware), Engpass auf der Luftschnittstelle bei starker Nachfrage neilofztasuZ Ursprünglich Übertragung mit lediglich 9,6 kbit/s möglich • fortgeschrittene Kanalcodierung erlaubt 14,4 kbit/s • zu wenig für Internet- und Multimedia-Anwendungen Datendienste in GSM 28 emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL Datendienste in GSM emetsyS etlietrev dnu noitakinummoK 4 kitamrofnI rüf lhutsrheL