Zusammenfassung der Vorlesung Mobilkommunikation von 2013/14 am KIT.

Einführung

Bereiche der Vorlesung

• Bitübertragungsschicht
  • Drahtlose Übertragung
  • Signalausbreitung
  • Modulationstechniken
  • Multiplextechniken
• Sicherungsschicht (Medienzugriff) z.B.
  • (Slotted) Aloha
  • Carrier Sense Multiple Access
• Vermittlungsschicht und Netzarchitektur
  • Mobilitätsmanagement
  • Anrufvermittlung im GSM System
  • Mobiles Internet Protokol (MobileIP)
• Transportschicht und darüber
  • Mobiles TCP
• Sicherheit in Mobilkommunikationssystemen
  • Teilnehmer-Authentifikation in GSM

Vergleich Drahtgebunden vs. Drahtlos

• GSM – ISDN
• WLAN – Ethernet
• Mobile IP – IP
• Semibroadcast-Medium – Broadcast-Medium

Neuer Herausforderungen

• Positionsmanagement
• Lokalisierungsdienst
• Handover: „Umbiegen“ der Verbindung bei Wechsel des Zugangspunkts
• Überlappung von LANs: Station empfängt DE aller Stationen in Reichweite
  • LAN-Zugehörigkeit in jeder DE
• Semi-Broadcast-Medium:
  • Es können nur DE von Stationen in Reichweite empfangen werden
  • Sender kann Kolissionen nicht erkennen
  • -> Problem versteckter Endgeräte
  • -> Ausgelieferte Endgeräte: Besetztes Medium obwohl außer Reichweite
    
• Nahe und ferne Endgeräte:
  • Signalstärke nimmt quadratisch ab P\_e ~ (1/d²) * P\_e
  • Übertönen von schwächeren Signalen
    • exakte Leistungskontrolle erforderlich
• Abhörbarkeit des Funkmediums
  • Sicherheitsmechanismen auf MAC-Schicht

Drahtlose Übertragung

Schicht 1

Drahtloses Übertragungsmedium

• Höherer Fehlerraten durch Interferenzen
  • Niedrigere Datenraten
  • Höhere Verzögerungen
• Geringere Sicherheit, Luftschnittstelle für jeden zugänglich
• Shared Medium: Multiplexing und Medienzugriff notwendig
• Regulierung der Frequenzbereich (nat./int. Koordination)

Signalausbreitung

• Idealerweise P_e ~ 1/d² * P_s
• Proportionalitätsfaktor von Frequenz abh.
• Empfangsleistung nimmt quatratisch mit der Entfernung d ab.
• Dezibel (dB)
  • In logarithmischer Skala dargestelltes Verhältnis zweier homogener Größen
• Unterschiedliche, in einander übergehende Bereiche, nicht unbedingt kreisförmige, der Signalausbreitungsbereiche:
  • Übertragungsbereich (Kommunikation möglich, niedrige Fehlerrate)
  • Erkennungsbereich (Signalerkennung möglich, Kommunikation nicht möglich)
  • Interferenzbereich (Signal kann nicht detektiert werden, aber wird als Hintergrundrauschen wahrgenommen)
    

Einflussfaktoren

• Streuungen durch kleine Hindernisse (Scattering)
  • Ein großes Signal in viele kleine schwächere Signale
• Beugung (Diffraction): Ablenkung von Wellen an einem „großen“ Hindernis
  • Welle wird in Abschattungsbereich eines Hindernisses gebeugt.
  • Stärker bei größerem Verhältnis von Wellenlänge zu Abmessung des Hindernisses (egal über 5Ghz)
• Abschattung durch Hinternisse, extreme Form der Dämpfung
• Reflexion Abschwächen des Signals, Abschwächung des Signals (Reflexion wie bei Licht durch Glas)
• Freiraumdämpfung
  • Wetterbedingen haben Auswirkungen (ist Frequenzabhängig > 12Ghz relevanter)
• Mehrwegeausbreitung: Zeitlich gestreute, phasenverschobene Signale werden empfangen
• Fading Schwankung der Aplitude des Empfangssignals über die Zeit
  • Schnelles Fading durch Signalüberlagerung
  • Langsames Fading durch Änderung der Empfangsleistung
    

Kanalkapazität

• Maximale Informationsmenge die bei geg. Branbreite B fehlerfrei übertragen werden kann
  • Abh. von SNR (Signal-Rausch-Abstand)
• Laut Shannon für Kanal mit additiven weißen Rauschen: C = B * log_2(1+SNR)
• Spektrale Effizenz E = C/B
  • Je Größer SNR desto größer E
• Bei N parallelen Übertragungen: C_N = N * log_2(1 + SNR/N)
• Sendeleistung wird auf N Pfade verteilt

Multiple-Input-Multiple-Output (MINO)

• Anwendung für N parallele Übertragungen
• Datenstrom unterteilt in mehrere Teilstörme
• Abstrahlung über Multi-Element-Antennen
• Intelligente Signalverarbeitung kann überlagerte Signale voneinander Trennen (bekannte Pilotsignale, statistische Eigenschaften)
• z.Bsp. bei WLAN IEEE 802.11n, LTE

Frequenzbereiche

• GSM, UMTS, WLAN im UHF (Ultra High Frequency) Bereich
• VHF (Very High Frequency)/UHF Bereich für Mobilfunk
  • händelbare Antennengrößen
  • Ausbreitungsbedingungen günstig für Mobilfunk (kaum Reflektion, kaum Abschattung durch Wände)

λ = c/f

• λ Wellenlänge
• c = 3*10^8 m/s
• f Frequenz

Signale

• Signale = physikalische Darstellung von Daten
• Zeit- und ortsabhängig,
• {zeit|wert}{konttinuierlich|diskret}
  • Analogsignal: Zeit- und Wertkontinuierlich
  • Digitalsignal: Zeit- und Wertdiskret
• Periodische Signale:
  • Periode T
  • Frequenz f = 1/T
  • Amplitude A
  • Phasenverschiebung Φ
  • Sinusförmige Trägerschwingung als spezielles periodisches Signal
  • Ein Periodisches Signal wird durch Fourier repräsentiert aus einer Grundfrequenz und sog. Harmonischen

Darstellung von Signalen

Modulationstechniken

• Darstellung von Symbolen durch Modifikation elektromagnetischer Wellen
• Digitale Modulation
  • Daten werden in ein analoges (Basisband-)Signal umgesetzt (z.Bsp. Amplitudenmodulation)
• Analoge Modulation
  • Verschieben des Basisbandsignals auf die Trägerfrequenz

Amplitudenmodulation (Aplitude Shift Keying)

• technisch einfach
• wenig Bandbreite
• störanfällig

Frequenzmodulation (FSK)

• größere Bandbreite
• für Telefonübertragung verwendet
• mit oder ohne Phasensprünge
• Binary FSK (BFSK) zwei Frequenzen 0: f_1, 1: f_2

Phasenmodulation (PSK)

• komplexe Demodulation mit Trägerrückgewinnung
• relativ störungssicher

BPSK (Binary Phase Shift Keying)

• 0: Sinusförmiges Signal, 1: negatives Sinussignal
• einfachstes Phasentastungsverfahren
• spektral ineffizient (verbraucht viel Bandbreite)
• robust, in Satellitensystemen benutzt

QPSK (Quaternary Phase Shift Keying)

• Zwei Datenbits werden in ein Symbol kodiert
• Symbol entspricht phasenverschobenes Sinussignal
• braucht weniger Bandbreite als bei BPSK
• komplexer

• Oft Übertragung der relativen Phasenverschiebung (weniger Bitfehler)
• Beispiel DQPSK (Differential …):
  

Quatraturamplitudenmodulation (QAM)

• Kombinierte Amplituden- und Phasenmodulation
• Aufteilung der Bits/Bitgruppen auf 2 Kanäle
• getrennte Amplitudenmodulation auf 2 um 90° pahsenverschobene Träger, die dann addiert werden
• n Bits pro Symbol
• 2^n diskrete Stufen (n = 2: QPSK)
• Bitfehlerrate steigt mit n, aber weniger Fehler als bei vergleichbaren PSK
• Beispiel: 16-QAM (4 Bits = 1 Symbol)

Multiplextechniken

• Ziel: Mehrfachnutzung des gemeinsamen Mediums
• 4 Mögliche Dimensionen (Raum, Zeit, Frequenz, Code)
• Schutzabstände sind wichtig!

Space Division Multiple Access (SDMA)

• Einteilung des Raums in Sektoren, gerichtete Antennen
• Zellenstruktur

Frequence Division Multiple Access (FDMA)

• Verfügbare Bandbreite wird in einzelne Frequenzabschnitte aufgeteilt
• Übertragungskanal belegt Frequenzsabschnitt über gesamten Zeitraum
• ++
  • keine dyn. Koodination
  • Auch für analoge Signale
• —
  • Bandbreitenverschwendung bei ungleichmäßiger Belastung
  • Unflexibel

Orthogonal Frequency Division Multiplex

• Problem: Mehrwegeausbreitung führt zu unterschiedlich langen Wegen für Signalausbreitung -> Intersysmbolinterferenz
• Parallele Datenübertragung statt serieller -> Höhere Datenrate bei geringerer Bandbreite
  • Orthogonale Unterträger (Mehrträgerverfahren), Unterbandpeaks bei Nullstellen in anderen Unterband
  • Geringere Symbolinterferenz als serielles Signal, da geringere Symbolrate
• z. Bsp. WLAN (802.11a/g/n) HiberLAN2, DAB, DVB, LTE, Bluetooth 3.0
• Unterschied zu trad. FDMA
  • Geringerer Abstand zwischen Unterträgern (können sich sogar überlappen) -> Bandbreitenersparnis
• ODFM Unterträger

Time Division Multiple Access (TDMA)

• Kanal belegt Frequenzraum für einen gewissen Zeitabschnitt
• ++
  • Ein Träger auf Medium pro Zeitabschnitt
  • Durchsatz bleibt auch bei hoher Teilnehmerzahl hoch
• —
  • Genaue Synchronisation nötig

Zeit- und Frequenzmultiplex

• Kombination beider Verfahren
• ++
  • relativ Abhörsicher
  • Schutz gegen Störungen
  • höhere Benutzerdatenraten als bei Codemultiplex möglich
• —
  • Genaue Koordination nötig

Code Division Multiple Access (CDMA)

• Stationen operieren zur gleichen Zeit auf gleicher Frequenz
• Signale werden vom Sender mit Code/Clipping Sequence (eindeutige Pseudozufallsfolge) versehen
• Empfänger weiß Clipping Sequences kann Sender Ermittel und mittel Korrelationsfunktion Orginalsignal restaurieren
• ++
  • Keine Frequenzplanung erforderlich
  • Sehr großer Coderaum (2^32)
  • Vorwärtskorrektur und Verschlüsselung leicht integrierbar
• —
  • Hohe Komplexität bei Signalgenerierung
  • Signale müssen bei Empfänger gleich stark ankommen

(Dargestellte Verknüpfungsoperation ist XOR)

Orthogonale Codes

• Damit man die Signale wiederherstellen kann braucht man Orthogonale Codes.
• Dafür wird die Walsh-Hadamard-Matrix verwendet
• Zeile der Matrix heißt Walsh Sequence

Orthogonal Variable Spreding Factor (OVSF)

• Motivation: Verschiedenen Spreizfaktoren für verschiedene Kanäle (-> unterschiedliche Datenraten)
• Konstruktion
  • Oberes Kind = Eltern-Sequenz 2x konkateniert
  • Unteres Kind = Eltern Sequenz konkateniert mit der inversen Elternsequenz
  • Für jede gewählte Sequenz dürfen Vorgänger und Nachfolger nicht verwendet werden.

Spreizspektrumtechnik

• Realisiert CDMA
• Verringerung des Einflusses von Interferenzen

• Problem:
  • Frequenzselektives Fading und schmalbandige Störungen können einige schmalbandige Kanäle „versprerren“
  • Robustheit soll erhöht werden
• Lösung:
  • Signal mittels Code auf breiteren Frequenzbereich spreizen
    • Kein versperrter Kanal mehr vorhanden -> Robustheit
    • Koexistenz mehrerer Nutzsignale
    • „Abhörsicherheit“
• Umsetzungen: Direct Sequence (nutzt Code-Multiplexing)
• Frequency Hopping (Nutzt Frequenz und Zeit-Multiplexing)

Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)

• Diskrete Wechsel der Trägerfrequenz
  • TDMA und FDMA
  • Sprungsequenz (Muster der Kanalbewegung: Hopping Sequenz)
    • Pseudozufallszahlenbasiert
    • Verweilzeit in einem Kanal : dwell time
• ++
  • Frequenzselektives Fading und Interferenz auf kurze Periode begrenzt
  • Einfache Implementierung
  • Nutzt nur schmalen Bereich des Spektrums zu einem Zeitpunkt
• --
  • nicht so robust wie DSSS
  • einfacher abhörbar

Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

• Ansatz: Spreizen des Signals durch digitale Codefolge zur Reduktion des frequenzabh. Fadings
  • Basisstationen konnen den gl. Frequenzbereich nutzen
  • mehrere Basisstationen können das Signal erkennen und rekonstruieren
  • weiche Handover möglich
• Vorgehensweise: XOR-Verknüpfung mit Chipping Sequence (muss Sender und Empfänger machen)
  • -> Code-Folge allen Stationen bekannt
  • Spreizfaktor = Chiprate / Bitrate
  • Hoher Spreizfaktor (z.Bsp. 128) führt zu hoher Bandbreit des resultierenden Signals
• • exakte Lesitungssteuerung notwendig
• Verwendung bei WLAN optional

• Chiprate r_c = 1/t_c
• Bitrate r_b = 1/t_b

Medienzugriff

Grundlegendes Problem: Mehrere Stationen konkurrieren um Zugriff auf dieselbe geteilte Ressource (Medium)

• Multiplexen
  • -> Mehrfachnutzung eines Mediums

Punkt-zu-Punkt Kommunikation

• Simplex: nur in eine Richtung
• Halb-Duplex: Nicht Zeitgleich, in beide Richtungen
• Duplex: Zeitgleich, in beide Richtungen

Duplex Kommunikation

• Uplink: Von Endgerät in Richtung Netz
• Downlink: Von Netz in Richtung Endgerät

Frequency Division Duplex (FDD)

• Frequenzmultiplex
• Verschiedene Frequenzen je Übertragungsrichtung
• Keine Interferenzen zw. Up- und Downlink
• Keine Unterstützung von asymmetrischen Datenverkehr
• UMTS, GSM (Down: 960MHz-935,2MHz, Up: 915MHz-890,2MHz)

Time Division Duplex (TDD)

• Zeitmultiplex
• Verschiedene Zeitslots je Übertragungsrichtung
• Unterstützung von asymmetrischen Datenverkehr
• Vermischung von Interferenzen auf Up- und Downlink
• DECT (417µs ein Slot* 12 Down, dann 12* Up, Fest zugordnete Zeitschlitze für Up- und Downlink), WLAN, UMTS(TDD), GSM (Steuerkanal, Verkehrskanal)

Kategorisierung von Medienzuteilungsstrategien

####Außerdem:
* Synchron: Einteilung in Zeitschlitze
* Asynchron: Zugriff auf den Kanak zu beliebigen Zeitpunkten

Aloha

• Erstes MAC-Protokoll für paketbasierte drahtlose Netze
• Zeitmultiplex, variabel, zufälliger Zugriff
• Asynchroner Zugriff
• Problem: Kollisionen möglich, Erkennung nur durch Bestätigung in höheren Schichten
  

Slotted Aloha

• Wie Aloha, zusätzlich Zeitschlitze
  • synchroner Zugriff nur zu Beginn eines Zeitschlitzes
  • Im Mittel weniger Kollisionen als Aloha
  • Einsatzbeispiel: GSM (Steuerkanal)
    

Demand Assigned Multiple Access (Reservation Aloha)

• Aloha mit Vorabreservierung
• Reservierungsphase
  • Variabler, zufälliger Zugriff auf (kurze) Reservierungszeitschlitze
  • Synchron (Slotted Aloha)
  • Kollisionen möglich
• Datenübertragungsphase
  • fester Zugriff auf zuvor explizit reservierte Datenzeitschlitze
  • Keine Kollisionen möglich
  • Ohne Reservierung können keine Daten gesendet werden

• Problem: Alle Stationen müssen konsistente Sicht auf Reservierungen haben“

Packet Reservation Multiple Access

• Ziel: Reservierung über einen längeren Zeitraum
• Bildung von Rahmen die periodisch gesendet werden
  • Zeitmultiplex der Rahmen
  • Mehrere Zeitschlitze pro Rahmen, ebenfalls Zeitmultiplex
• Vorgehensweise
  • Basisstation sendet regelmäßig Belegungsvektor
  • Freie Zeitschlitze: Variabler Zufälliger Zugriff, synchron (slotted Aloha)
    • Bei Kollision: Neuer Versuch in späteren Rahmen
  • Implizites Reservierungsverfahren: Station hält Reservierung solange Daten zum Senden vorhanden
  • Im nächsten Belegungsvektor muss die Reservierung nicht nochmal explizit eingetragen werden

Carrier Sense Multiple Access

• Sender hört Medium zu Beginn der Übertragung ab
  • Überprüft Energiepegel
  • Medienzugriff nur wenn Medium umgenutzt
  • Problem: Sender besitzt nur eine rein lokale Sich

Varianten

• Non-persistentes CSMA: Falls Kanal belegt, nach zufälliger Zeitspanne noch einmal versuchen
• p-persistentes CSMA: Kanal ist in (logische) Zeitschlitze eingeteilt. Falls Kanal frei, mit W! 0<p<1 senden, andernfalls in späteren Zeitschlitz noch einmal versuchen
• (1-)Persistentes CSMA: Senden sobald Kanal frei

Ansätze zur Kolliosnsvermeidung

Out-of-Band

• Dadurch keine Self-Interference
• Nachteil: weiterer Kanal nötig

Busy Tone Multiple Access (BTMA)

• Jeder, der andauernde Übertragung auf Datenkanal hört, sendet „Busy Tone“ auf einem anderen Kontrollkanal
• Alle Geräte im 2-hop Umkreis einer aktiven Station warten
• -> Keine versteckten Endgeräte, aber viele ausgelieferte Endgeräte

Receiver Initiated Busy Tone Multiple Access (RI-BTMA)

• Nur Empfänger sendet „Busy Tone“
• -> Kaum ausgelieferte Endgeräte, aber Busy Tone kann erst gesendet werden, wenn Empfänger Übertragungswunsch dekodiert hat

In-Band

• Kontrollnachrichten auf gleichen Kanal wie Daten

Multiple Access with Collion Avoidance (MACA)

• Drei-Wege-Handshake minimiert Anzahl versteckter Endgeräte
  • Sender sendet kurze Request to Send (RTS)
  • Empfänger antwortet mit Clear to Send (CTS)
  • Sender sendet Daten
• Während Handshaking-Phase können noch Kollisionen
  auftreten!
  • -> Aber mit geringerer W!, da RTS/CTS sehr klein
• Vermeidung versteckter Endgeräte
• Vermeidung ausgelieferter Endgeräte

Mobilitätsmanagement

Voraussetzungen für mobile Kommunikation

• Positionsmanagement: Netzzugang muss bekannt sein (Basisstation in zellularem Netz, AP in WLAN)
• Handover: Bei Verlassen den Abdeckungsbereich eines Zugangspunkte muss die Verbindung zum nächsten hergestellt werden
• (Re-)Routing: Verbindung/Datenpakete müssen zu neuem Zugangspunkt geleitet werden

Positionsmanagement

Grundlegende Operation

• Suche: Kommunikationssystem versucht Position von Gerät zu ermitteln
  • Rundruf (= Paging) im gesamten Netz -> Aufwendig!
  • Verschwendet Bandbreite im Downlink für Anfragen
  • Verschendet Energie und Brandbreite im Uplink für Antworten
  • Verbindungsaufbau/Datenübertragung verzögert
  • Zusätzliche Belastung der Infrastruktur (Netz), mehr Kommunikation
• Aktualisieren: Gerät teilt Kommunikationssystem aktuelle Position mit
  • Aktualisierungen machen Suche effizienter
  • Kostet Energie in Endgeräten
  • Verschwendet Bandbreite im Uplink
  • Benötigt Datenbanken für Positionsspeicherung

Granularität des Positionsmanagements

• Auf Ebene einer Zelle (bzw. Zugangspunkt)
  • Potentiell große Anzahl von Aktualisierungen (je Wechsel eines Geräts in andere Zelle)
  • Suche nur lokal in der Zelle
• Auf Ebene eines Positionierungsbereich (Location Area)
  • Niedrige Aktualisierungsraten: Nur wenn Gerät LA wechselt
  • Suche im gesamten LA
• Tradeoff zwischen Suchkosten und Aktualisierungskosten
• LAs haben großen Einfluss auf Systemleistung
  

Grundlegender Ansatz

Annahmen

• Granularität: Einzelne Zelle
• Zentrale Datenbank. Positionsregister (Location Register)
  • Speichert (Gerät,Zelle)
  • Soft State: Begrenzte Lebensdauer von Einträgen, muss dann erneuert werden
    • Einfluss auf Aktualisierungsrate

Protokoll

• Mobiles Gerät benachrichtigt beim Einschalten LR über aktuelle Zelle
• Bei Zellwechsel schickt es Aktualisierung
• Suche:
  • Anfrage an LR, liefert Zelle zurück
  • Zugangspunkt sendet Rundruf, Mobiles Gerät antwortet (wenn eingeschaltet)

Probleme

• LR ist Single-Point-of-Failure -> Replikation
• LR ist Engpass der Systemleistung -> Aufteilung der Zuständigkeit
• Entsprechende Designfragen
  • Wie werden Zuständigkeiten verteilt?
  • Wie werden die LRs organisiert (flach, hierarchisch)?
  • Wo im System sollen LRs platziert werden?

Verwendung von Positionierungsbereichen (LAs)

• Versorgungsbereich eines Netzes wird in eine Menge von Positionierungsbereichen (LAs) aufgeteilt
• LA = {räumlich zusammenh. Zellen}
• Aktualisierung bei Wechsel der LA statt bei Zellwechsel
  • Reduziert Aktualisierungsrate
• Suche: Paging in allen Zellen der LA
  • Erhöht Aufwand für Paging

Register Hierarchie

• Problem: LR typischerweise weit entfernt, dadurch Aktualisierung aufwändig
• Lösung:
  • Einführung einer Zwischenebene von** lokalen Positionsregistern (LLR)**
  • LLR verantwortlich für Menge von räumlich zusammenh. LAs
• Hierachie:
  • LR (Location Register): (Gerät, LLR)
  • LLR (Local Location Register): (Gerät, LA)
  • LA (Location Area): (Gerät, Cell)
  • Cell: Paging
  • Mobile Device

Verbindungsübergabe (Handover)

• Problem: Zellwechsel bei laufender Kommunikation
• Gründe für Verbindungsübergabe:
  • Qualität der Funkverbindung lässt nach
  • Kommunikation über andere Zelle erfordert weniger Funkressourcen
  • Unterstützte Reichweite überschritten
  • Aktuelle Zelle überlastet
  • Wartungsarbeiten

• Ziel: Herstellung einer Funkverbindung zwischen Gerät und neuem Zugangspunkt
• Ansätze:
  • Initiiert durch Netz (network-initiated handover): GSM
  • Initiiert durch Mobilstation (mobile-initiated handover): WLAN

Beispiel: Verbindungsübergabe WLAN APs

1. Feststellung des Abbruchs der Funkverbindung zu AP_1
   • Verbindungsabbruch basiert auf Niedriger Signalstärke des empfangenen Signals
     • Häufigster Ansatz
     • Verbindungsübergabe wenn Signalstärke unter Schwellwert (Vermeidung von Ping-Pong)
   • Fehlerhaft übertragene Funkrahmen
     • Langsamer als Signalstärkemessung
     • Auch andere Gründe möglich (werden zuerst eroiert): Kollision > Fading > Reichweitenprobleme
2. Suche nach neuem AP
   • Passives Scanning: APs senden auf den Sendefrequenzen im Abstand von 100ms Beacons die von der Basisstation empfangen werden können
   • Aktives Scanning:
     • Basisstaion sendet (mit Probe Delay) Probe Requests, wartet MinChannelTime auf Probe Response,
     • Wenn das Netzwerk ausgelastet ist in diesem Kanal, wartet BS MaxChannelTime bis er Probe Reqeuest sendet und wartet MinChannelTime (insgesamt MaxChannelTime im Kanal).
     • Sonst nächste Frequenz
3. (Re-)Authentifizierung mit neuem AP
   • Anzahl der Nachrichten abh. von Algorithmus (mind. 2 Nachrichten: Challenge-Response)
4. (Re-)Assoziierung mit neuem AP: Etabliert die drahtlose Verbindung

Dauer der Übergabe

• Große Variation mit gleicher Hardware und Konfiguration wegen stochatischem Verhalten der Funkschnittstelle
• Scannen ist Hauptgrund für Latenz
  • 90% der Verzögerung
  • 80% der ausgetauschten Nachrichten (abh. von Mobilitätsgrad und Qualität der Funkverbindung)

(Re-)Routing

• Problematik: IP ändert sich, Verbindung auf höheren Schichten geht verloren, Doppelfunktion von IP-Adressen
• Ziel: Verbindungsunterbrechung auf höheren Schichten sollen vermieden werden
  • Erfordert Wechsel der Zieladresse oder Aktualisierung der Routing-Tabellen
• Anforderungen:
  • Kompatibilität: Keine Änderung (fester) Geräte
  • Transparenz: Unsichtbar für höhere Schichten
  • Skalierbar, Effizient, Sicher

Spezifische Routen pro Gerät

• Änderung der Routing-Tabellen-Einträge für korrekte Weiterleitung
• Erfordert Routing Info für jedes Gerät überall
• Skaliert nicht
• Sicherheitsproblem durch Aktualisierung der Routingtabelle

Modifikation der Zieladresse

• Anpassung der Zeiladresse entsprechend aktueller Position durch HA (Home Agent) „Mobilitätsanker“
• Probleme druch Adresswechel auf höheren Schichten
• Sicherheitsprobleme

Tunneln

• Weiterleitung der Pakete in einem neuen Paket
• Quell und Zieladresse bleiben erhalten (transparent für höhere Schichten)
• Benötigt HA
• Sicherheitsprobleme

WLAN nach IEEE 802.11

Allgemeinen

Vorteile

• Keine Verkabelungsprobleme
• Geringe Kosten
• flexibel
• ohne Planung realisierbar (Ad-hoc-Netze)
• Robustheit gegenüber Beschädigung

Nachteile

• Geringere Übertragungsraten als Festnetz
• Geringere Dienstgüte
• Sicherheit

Entwurfziele

• Weltweite Funktion
• Betrieb ohne Sondergenehmigungen oder Lizenzen möglich
• geringe Leistungsaufnahme
• Robuste Übertragungstechnik
• Interoperabilität mit LANs
• Transparenz für höhere Schichten
• Sicherheit

Architekturen und Schichten

• Station (STA): Endgerät mit Zugriff auf drahtloses Medium
• Independent Basic Service Set (IBBS): Ad-hoc Netz (ohne Infrastruktur)
• Basic Service Set (BBS): Infrastrukturnetz mit Zugangspunkten (Access Points)

Protokollstack Übersicht

MAC Schicht

• MAC (Medium Access Control)
  • Medienzugriff
  • Zugriffsverfahren
    • CSMA/CA
    • Distribution Coodrination Function (DCF)
    • Point Coordination Function (PCF)
  • ARQ
  • Fragmentierung
  • Sicherheitsmechanismen/Verschlüsselung
• MAC Management
  • Synchronisation: Timer Synchronisation Function
  • Power-Management
    • Active Mode
    • Power Save
  • QoS
    • Enhanced Distributed Coodination Function (EDCF)
    • Hybrid Coodrination Function (HCF)
  • Authentifizierung/Verschlüsselung
    • Scanning
  • Assoziierung/Reassoziierung

PHY Schicht

• Physical Layer Convergence Protocol (PLCP)
  • Einheitlicher PHY-Zugangspunkt unabhängig von Übertragungstechnik
  • Clear Channel Assessment Signal
  • Signalschwelle für Carrier Sense
• Physical Medium Dependent (PMD)
  • Modulation
  • Codierung
• PHY Management
  • Kanalwahl

Station Management

• Koordination der Management-Funktionen

PHY Schicht

Basisstandard-Varianten

• 3 Varianten (alle 1-2 Mbit/s)
• DSSS
  • weit verbreitet (heute noch in 802.11b/g)
• FHSS
  • wird in WLAN nicht verwendet -> Bluetooth
• Infrarot
  • wird in WLAN nicht verwendet -> IrDA

DSSS in IEEE 802.11

• PMD-Schicht

Erweiterungen des Basisstandards

IEEE 802.11a

• 5 Ghz
• OFDM

IEEE 802.11b

• Höhere Datenraten im 2,4GHz-Bereich (5,5 und 11 Mbit/s)
  • 4 bzw. 64 komplexe Code müssen Empfänger bekannt sein um Nutzdaten zu dekodieren
• Abwärtskompatibel zum Basisstandard
• Complementary Code Keying (CCK)
  • Statt 11bit Chip Baker Codes nur 8bit Complementary Codes
  • Neue Symbolrate, Modulationsrate bleibt gleich
• Definition von kurzen Dateneinheiten

IEEE 802.11g

• Höhere Datenraten im 2,4Ghz-Bereich (6-54 Mbit/s)
  • 2 GHz -> weltweit lizenzfreies Frequenzband
  • geringere Dämpfung als 5GHz -> weniger Sendeleistung nötig
• ODFM -> Bandbreitenersparnis
• Abwärtskompatibel zu Basisstandard und b

IEEE 802.11n

• Höhere Datenraten (600Mbit/s)
  • Übertragungskanäle von 20 auf 40 MHz verbreitert (geht weil ODFM)
  • Multiple Input Multiple Output (MINO) bis zu 4×4 MIMOcxxxx
• 2,4 und 5 GHz
  • kompatibel mit b und g Netzen
  • Koexistenz mit a Netzen möglich
• OFDM, Unterträger je nach Verbindungsqualität mit BPSK,QPSK oder QAM

IEEE 802.11ac

• OFDM
• Nur 5GHz
• 8×8 MINO
• 6936 MBit/s

MAC Schicht

CSMA/CA

• Problem: Versteckte Endgeräte -> Spezielles Medienzugriffsverfahren notwendig
• CSMA/CD einsetzbar?
  • Nein, Kollisionserkennung im Sender nicht möglich, da Hardwareaufwand (Sender und Empfänger getrennte Einheiten bei WLAN) zu groß müsste gleichzeitig Senden und Empfangen
  • -> Kollisionserkennung im Empfänger
  • Problem: Verstekcter Endgeräte
    • -> CSMA/CA: Wahrscheinlichkeit für Kollision wird minimiert

Distribution Coordination Function (DCF)

• Eine Umsetzung für CSMA/CA mit binären Backoff Algorithmus
• Dezentraler Ansatz
• Infrastruktur und Ad-Hoc-Netze einsetzbar
• Wettbewerbsphase (Contention Period): Konkurrieren der Stationen um Medienzugriff
• 802.11: DCF muss unterstützt werden

Bestandteile

• Virtuelle Carrier-Sense-Funktion basierend auf Network Allocation Vector (NAV)
  • In jeder MAC-DE enthalten
  • Zeigt voraussichtliche Dauer der Medienbelegung an
• Unterschiedliche Wartezeiten nach Ablauf des NAV
  • Short Interframe Space (SIFS): Höchste Priorität -> kürzeste Wartezeit
  • Distributed (Coordination Function) Interframe Space (DIFS): Geringste Priorität -> längste Wartezeit
• Backof-Algorithmus
  • Bestimmung einer zufälligen Wartezeit
  • backoff_time = random(CW) * slot_time
    • CWmin <= random(CW) <= CWmax: Wettbewerbsfenster (Contention Window)
    • slot_time: Zeitschlitz, festgelegt durch physikalische Schicht (DSSS = 20µs)

Ablauf

Ausgangssituation: Sendewillige Station hört Medium ab

• Medium ist für die Dauer eines entsprechenden IFS frei -> Daten senden
• Medium belegt
  • -> Warten bis Medium für IFS frei + backoff_time
  • Dyn. Anppasung des Wettbewerbsfensters:
    • Fehlversuch -> CWmin, CWmax verdoppelt (bis Maximalwert)
    • Erfolg -> CWmin, CWmax auf Minimalwert zurücksetzen
  • Medium wird während backoff_time belegt durch andere Station -> Anhalten der backoff_time

Senden von Unicats DE

1. Daten werden nach DIFS gesendet (gemäß Standardablauf)
2. Empfänger sendet ACK nach SIFS wenn korrekt (CRC-Check)
3. Wenn kein ACK kommt -> Fehlerfall -> Sender wiederholt automatisch (gemäß Standardablauf)

CSMA/CA RTS/CTS

• RTS: Ready to Send, CTS: Clear to Send
• Erweiterung für Unicast-DE

Ablauf

1. Sender wartet DIFS dann sendet er RTS (Belegungsdauer als Parameter)

* Nach SIFS sendet Empfänger CTS (Belegungsdauer als Parameter)
* Sofortiges senden nach SIFS möglich (Bestätigung via ACK)
* Andere Stationen speichern Belegungsdauer im NAV ab -> virtuelle Reservierung

Fragmentierung

• Ziel: Übertragung längerer zusammenhängender Daten
• Vorgehensweise:
  • Über Sequenznummer und Fragmentnummern gesteuert
  • Stop-and-Wait ARQ-Verfahren für Fragmente

Point Coordination Function (PCF)

• Zentraler Ansatz (von Point Coordinator gesteuert)
• Nur für Infrastruktur Netze einsetzbar
• Point Coordinator kontrolliert innerhalb der wettbewerbsfreien Phase (Contention Free Period) den Medienzugriff
• Medienzugriff wird Station für bestimmten Zeitraum garantiert
• Wird von aktuellen Produkten nicht mehr unterstützt
  • Muss nicht von jeder Station unterstützt werden

Ablauf der Integration in DCF

• Zwei Phasen unterschieden:
  • Contention Period (CP): Verwendung von DCF für Medienzugriff (Auch Stationen die nicht PCF unterstützen können Kommunizieren)
  • Contention Free Period (CFP): Verwendung von PCF für Medienzugriff (Zentrale Steuerung von zeitkritischen Diensten)
• CFP-Intervall = CFP + CP (Vielfaches des Beacon-Intervalls)
• Periodische Beacons des Access Points setzen NAV-Wert bei Stationen die kein PCF unterstüten (zur Reservierung für PCF basierte CFP)

PCF Interne Koordination

• Poll-Liste bei PC: Enthält alle PCF-fähigen Stationen, PCF-Fähigkeit wird bei Betreten des WLANs bekannt gegeben
• Point (Coordination Function) Interframe Space (PIPS): Mittlere Wartezeit/Priorität (zwischen SIFS und DIFS)

MAC Management

Synchronisation: Timer Synchronisation Function (TSF)

• Problem: Für viele Aufgaben synchronisierter Timer notwendig (Synchronisation Sprungfolge FHSS, Powermanagement, Koordinationder PCF)
• Stationen und APs besitzen Timer (64Bit, 1MHz, 25 parts per million Genauigkeit)
• Timer synchronisieren sich untereinander (Für Infrastruktur/Ad-hoc-Netz unterschiedlich)

Inrastrukturnetz (BBS)

• AP sendet Beacon mit Timerwert
• Target Beacon Transmission Time (TBTT): Startzeitpunkt bzw. Intervall in der die Beacons versendet werden sollen
• Falls Medium besetzt wird Beacon verzögert gesendet (mit echter Sendezeit als Timerwert)
• Stationen aktualisieren anhand der Information im Beacon

Ad-hoc Netz (IBBS)

• Nach Ablauf de TBTT bestimmt jede Station eine zufällige Verzögerung
• Station sendet Beacon, wenn nach Ablauf der zufälligen Verzögerung noch kein Beacon empfangen wurde
• Timer wird nur aktualisiert wenn Timer-Wert im Beacon > eigener Timer-Wert
  • -> Sync auf schnellste Uhr

Powermanagement

• Ziel: Geringer Energieverbauch
• Zwei Betriebsmodi:
  • Active Mode (AM): Daten können gesendet und empfangen werden
  • Power Save (PS): Kein Datenverkehr möglich, DEs werden zwischengespeichert (BBS: AP, IBBS: andere Stationen)
• PS-Mode wird über Powermanagement Feld in DE signalisiert

Ablauf

1. Stationen befinden sich die meiste Zeit im PS-Modus
2. Zwischenspeicherung von Dateneinheiten durch Zugangspunkte/andere Stationen
3. Station wechselt zu festgelegten Zeitpunkten in den AM-Modus
4. Station ruft zwischengespeicherte Dateneinheiten ab
5. Station wechselt zurück in den PS-Modus

QoS

• Ziel: Qos für zeitkritische Daten (z. Bsp. VoIP)
• QBBS: Funkzelle die QoS bereitstellt
• Zwei neue Medienzuteilungsverfahren
  • Enhanced Distributed Coordination Function (EDCF)
  • Hybrid Coordination Function (HCF)
• Blockacknowledgements (bis zu 64 DE mit SIFS Abstand senden danach erst Block-ACK-Response)

EDCF

• Ersetzt DCF
• Nur in CP möglich
• Priorisierung mit 8 unterschiedlichen Traffic Categories (TC)
• Höhere Prio -> geringere Wartezeit
• Abriation Interframe Space (AIFS) abh. von TC
• Unabh. Backoff für jede TC
• Virtuelle Kollisionen werden durch internen Scheduler nach Priorisierung aufgelöst

HCF

• Zentrale Verwaltung der QBSS
• Hybrid Coordinator stuert Medienzugriff (ersetzt PCF)
• CP/CFP möglich
• Transmission Opportunity (TXOP): Zeitintervall für eine bestimmte TC
• Stationen teilen HC mit für welche Stationen TXOPs notwendig sind
• HC leitet über QoS Poll CFP für bestimmte TXOP ein

Bluetooth

WPANs (Wireless Personal Area Network

• Vernetzung von Geräten in einem relativ kleinen räumlichen Bereich um einen oder mehrere Menschen
• Z. Bsp. Sensorik und kleinere Geräte
• Vision „Ubiquitäre Netze“ / Autonome Netz

Charakeristika

• Begrenzte Reichweite (<10m)
• Begrenzte Batteriekapatität
• Automatische Konfirguration (Plug&Play)
• Drahtlose Kommunikation (auch Infrarot, RFID, Bluetooth, ZigBee)
• Fehlende/Eingeschränkte Multipoint2Multipoint-Fähigkeit
• Kostengünstiges Hardwaredesign -> Massenproduktion

Anforderungen Bluetooth

• Automatische Konfiguration (Auffinden anderer Geräte und deren Dienste sowie Konfiguration)
• Einstellbarkeit Dienstgüteparameter bzw. Zuverlässigkeit (je nach Anwendung)
• Sicherheit (Auth. und Verschl.)

Netzarchitektur

• 2,4GHz, lizenzfreies ISM-Band (Aufteilung in 79 Kanäle)
• Inteferenz mit WLAN oder Mirkowellen

Pikonetz

• 1 Master verteilt das Senderecht an die Slaves
• 1-7 Slaves können nur über Master kommunizieren, keine direkte Kommunikation zwischen Slaves
• Jedes Gerät ist entweder Master oder Slave
• Gerät das Pikonetz aufbaut ist zunächst autom. Master
• Master kann während Betrieb wechseln
  

Scatternetz

• Für größere Netze
• Überlappung meherer Pikonetze
  • 1 Master pro Pikonetz
  • 1 Knoten kann Slave in mehreren Pikonetzen sein, aber nur in einem Master

Übertragung

• Wird von Master gesteuert
• Time Division Multiplex (TDD), Variante von TDMA
  • Übertragung ist in Zeitschlitze gegliedert (i.R. eine DE braucht einen Zeitschlitz)
  • Zeitschlitze werden wechselweise von Master und Slaves genutzt (Ungerade: Master, Gerade: Slaves)
  • Slave darf erst antworten wenn Master ihn auffordert -> Kollisionsvermeidung
  • Master kann abwechselnd Daten an verschiedene Slaves senden

Frequenzspingen (vgl. FDMA)

• Ziel: Robuste Kommunikation
• Frequenzwechsel zwischen Zeitschlitzen bzw. DEs
• Falls DE länger (z.Bsp Länge 3) als Zeitschlitz wird Frequenz beibehalten, Nach Ende trotzdem Sprung auf Frequenz n+3 -> Gewohnte Sequenzreihenfolge wird beibehalten
• 1600 Frequenzwechsel in der Sekunde (625µs Zeitschlitzlänge)
• Vorteil: gestörte Frequenzen stören nicht die gesamte Übertragung
• Version 1.2: Adatives Springen (Störfrequenzen werden ausgelassen)

Frequenzsequenz

• Master und Slave(s) müssen sich auf eine Sequenz und Phase von Frequenzen einigen.
• Abfolge der Frequenzen wird von Master vorgegeben (basiert auf Pseudozufallszahlenfolge)
• Sprung-Sequenz -> Geräteadresse Master
• „Phase“ innerhalb der Sequenz -> Uhr des Master
• Sprungsequenzen unterschiedlicher Pikonetzte unterscheiden sich -> ein Knoten kann nicht in zwei Netzen Master sein
• In Scatternetz: Slave kann immer nur in einem Netz aktiv sein
  • Abmelden im alten Netz „Parken
  • Anmelden im neuen Netz

Inquiry-Prozedur

• Kennenlernen/Finden der Geräte in Reichweite
  • Geräteadresse
  • Uhren
• Problem: Neue Geräte kennen nicht die Sprung-Sequenz bzw. deren Phase

Vorgehensweise

• Geräte folgen speziellen Inquiry-Sprungsequenzen (32 Frequenzen, allen Geräten bekannt)
• Alle Geräte hören auf 16 Frequenzen mit Sequenz aus eigener Geräteadresse
• Unterschiedliche Häufigkeit des Springens (zw. Suchenden und Hörenden Knoten)
  • Suchende Geräte 312,5µs pro Frequenz (2 Inquiry DE pro Zeitslot)
  • Hörende Geräte 1,28s pro Frequenz (18 Zeitschlitze)
• Hörende Geräte Antworten mit Geräteadresse und Uhr -> Paging schneller

Sichtbarkeit

• Währen Inquiry immer sichtbar
  • Privatsphäre möglicher verletzt und Angriffe möglich
• Gerät kann auch Unsichtbar geschaltet werden -> keine Antwort auf Inquiries
• Verbindungsaufbau via Paging dennoch möglich
• Aber keine Sicherheit (Geräteadresse kann erraten werden)

Paging-Prozedur

• Einladen eines (bereits bekannten) Gerätes ins Pikonetz
• Verbindungsaufbau, Vergabe der Adressen im Pikonetz

Ablauf

1. Einlader berechnet Sprungsequenz aus Geräteadresse des Einzuladenden Geräts (Besteht aus 32 Frequenzen)
2. Einlader berechnet Phase aus (geschätzer) Uhr
   • driften oft etwas
   • wenns nicht klappt wird Phase davor bzw. danach gesucht
3. Beide unterschiedliche Wechselgeschwindigkeiten für Sprungsequenz, Sprung bei:
   • Einlader 312,5µs und sendet Paging-Dateneinheit für Verbindungsaufbau
   • Einzuladendes Gerät 1,28s
4. Eingeladenes Gerät wird Master

Protokollstack IEEE802.15.1

ISO/OSI Bluetooth

• Enthält Protokolle der PHY- und MAC-Schicht, gegliedert in
  • Baseband:
    • L2CAP (Ligical Link Control and Adaption Protocol): Stellt pro Link mehrere Kanäle zur Verfügung, Dienstgüte, Segmentierung/Reassemblierung
    • LMP (Link Manager Protocol): Verwaltung von physikalischen Links (Paring, Verschlüsselung, Sync, Rollenwechsel, Sendeleistung)
  • Radio: Bitübertragung

• SDP (Service Discovery Protocol): Suche nach Diensten anderer Geräte, Dienstparameter feststellen
• RFCOMM: Emulation serieller Schnittstellen

LMP Betriebsmodi

• Low-Power-Modi können durch Master forciert werden
• SNIFF:
  • Gerät schläft periodisch und hört in größeren Abständen auf Poll-Anfragen“
  • bleibt aktiver Bestandteil im Pikonetz
• HOLD:
  • Gerät schläft einmalig für „hold time“
  • bleibt aktiver Bestandteil im Pikonetz
• PARK:
  • Gerät ist kein aktiver Teil des Pikonetzes (Parked Member Adress)
  • Erhaltung der Sync. durch Beacons von Master (große Abstände)

GSM

• „Group Special Mobil“ bzw. „Global System for Mobile Communication“

Architektur GSM

• Funkteilsystem (RSS: Radio Subsystem): Luftschnittstelle
• Vermittlungsteilsystem (NSS: Network Subsystem): Vermittlungstechnische Vorgänge, Mobilitätsmanagement, Anbindung anderer Netze
• Betreiberteilsystem (OSS: Operation Subsystem): Betrieb und Wartung

Funkteilsystem

• Flächendeckendes zellulares Netz
• Besteht aus:
  • Mobilstationen (MS – Mobile Station)
  • Basisstationsteilsystem (BSS – Base Station Subsystem):
    • Basisstationen (BTS – Base Tranceiver Station): Sende/Empfangsanlagen einschließlich Antennen (auch mehrere Antennen sowie mehrer Zellen versorgen)
    • Feststationssteruerungen (BSC – Base Station Controller): Zentrale Verwaltung der Luftschnittstelle

Prinzip zellularer Netze

• Keine gleichen Frequenzen in benachbarten Zellen
• Keine einheitliche Zellengrößen (abh. Verkehrsaufkommen, Sendereichweite)
  • Stadt 500m, Land 35km
• Hexagone Zellform ist idealisiert, eher unregelmäßige Überlappung

Zellenstruktur

• Raummultiplex: BTS deckt bestimmten räumlichen Bereich ab
• Vorteile:
  • Weniger Sendeleistung notwendig
  • robuster gegen Ausfälle
  • überschaubarere Ausbreitungsbedingungen
• Probleme:
  • Netz zum Verbinden der Basisstationen notwendig
  • Handover-Prozess notwendig
  • Es kann zu Inter-Zell Interferenzen kommen

Frequenzplanung

• Wiederverwendung von gleicher Frequenz erfordert genügend Zellabstand
• Feste Frequenzbereichszuordnung für gewisse Zelle
  • Problem: Wechsel in Belastung der Zellen
• Dynamische Kanalzuordnung
  • Frequenzen einer Zelle werden nach bereits zugeordneten Frequenzen der benachbarten Zellen gewählt (über Interferenzmessungen)
  • -> mehr Kapazität in Gebieten mit höherer Nachfrage

Vermittlungsteilsystem

• Mobilvermittlungsstelle (Mobile Switching Center – MSC)
  • Normale Vermittlungsaufgaben; Digitale ISDN-Vermittlungsstelle
  • An einem MSC mehrere BSCs anschließbar
  • Bindeglied zwischen Mobilfunknetz und drahtgebundenen Netzen
• Heimatregister (Home Location Register – HLR)
  • Einmal pro Provider
  • Datenbank mit allen für einen MS relevanten Informationen
  • Jeder MS ist in genau einem Heimatregister registriert
• Besucherregister (Visitor Location Register – VLR)
  • Datenbank, die einem MSC zugeordnet ist
  • Verwaltung aktueller Teilnehmer im Zuständigkeitsbereich der MSC

Nummern/Kennungen einer MS

• Mobile Subscriber International ISDN Number (MSISDN)
  • „Telefonnummer“, mehrere pro Nutzer möglich
  • Nicht auf SIM gespeichert
  • MSISDN = CC + NDC + SN
    • CC = Country Code: Internationale Ländervorwahl
    • NDC = National Destination Code: identifiziert HLR des Netzbetreibers
    • SN = Subscriber Number: Teilnehmernummer
• International Mobile Subscriber Identity (IMSI)
  • „Teilnehmer ID“, ist eindeutig (Teilnehmer mit mehreren MSISDN möglich)
  • IMSI = MCC + MNC + MSIN
    • Mobile Coutry Code: Mobilfunkkennzahl Heimatland
    • Mobile Network Code: Code des Mobilnetzes -> HLR
    • Mobile Subscriber Identification Number: Teilnehmeridentität
• Mobile Station Roaming Number (MSRN)
  • „Temporär Telefonnummer“
  • Temporäre Kennung mit Bezug zum aktuellen Standort
  • Für Verbindungsaufbau notwendig
  • Vom MSC angefordert, vom VLR vergeben, im HLR gespeichert
  • MSRN = VCC + VNDC + VMSC + VSN
  • Sicherung des Signalverkehrs vor Abhören (Identität und Standort von MS)
• Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI)
  • „Temporäre Teilnehmer ID“
  • Temporäre, strukturlose Kennung (4 Byte)
  • Vom VLR vergeben und verschlüsselt zur MS übertragen
  • Verbirgt IMSI auf Luftschnittstelle
  • Für Signalisierung von MS verwendet
  • TMSI wird periodisch gewechselt -> Vertraulichkeit

HLR

• Statische Daten: MSISDN, IMSI, Abonnierte Dienst (& Schlüsselmaterial falls AuC integriert)
• Temporäre Daten: Momentaner Aufenthaltsbereich (MS->MSC?), MSRN
• Gebührenerfassung

VLR

• Alle von HLR übertragenen Daten:
  • MSISDN, IMSI, Abonnierte Dienste
  • Schlüsselmaterial (oder von AuC)
• Steuert Zuordnung MSRN->MSISDN und TMSI->IMSI
• Abfragen und Änderungen häufiger als beim Heimatregister

Wo liegen welche Daten?

Betreiberteilsystem

• Teilnehmerverwaltung
  • Authentifikationszentrum (Authentication Center – AuC)
  • Enthält alle sicherheitsrelevanten Informationen
  • Authentifikationsalgorithmus und –schlüssel (K_i)
  • Erzeugt auf Anforderung teilnehmerspezifische Berechtigungsparameter
  • Bereitstellung der vereinbarten Dienste
  • Gebührenberechnung
• Netzbetrieb und Wartung
  • Betriebs- und Wartungszentrum (Operation and Maintenance Center – OMC)
  • Getrenntes Vermittlungsnetz für Netzmanagement
• Mobilstationsverwaltung
  • Geräteidentifikationsregister (Equipment Identity Register – EIR)
  • Information bzgl. Besitzer- und Mobilstationsidentität
  • z. Bsp. für Suche gestohlener bzw. defekter Mobilstationen

Luftschnittstelle U_m

• Zwischen MS und „restlichem“ GSM-Netz
• Physikalische Kommunikation
  • Zwischen MS und BTS
• Logische Kommunikation
  • Zwischen MS und BSC/MSC
• Verwendete Multiplextechniken
  • Raummultiplex SDMA: Zellstruktur
  • Frequenzmultiplex FDMA: physikalische Frequenzen <-> logische Kanäle
  • Zeitmultiplex TDMA: Zeitschlitze auf Kanälen

Frequenzmultiplexen

• Frequenzbasiertes Duplex: Uplink/Downlink über verschiedene Frequenzbänder

Zeitmultiplexen

• Auf einer Trägerfrequenz 8 physikalische Kanäle via TDMA
• Tail: auf Null gesetzt
• Training: feste Sequenz
• S: Daten/Kontrolle
• 8 Zeitschlitze bilden TDMA-Rahmen
• Auf dem Up/Downlink senden Stationen nicht gleichzeigit
• Versatz der Kanäle um 3 zeitschlitze zwuschen Up und Downlink

Logische Kanäle

• Semantische Zuordnung von Zeitschlitzen physikalischer Kanäle zu logischen Kanälen
  • Zusammenfassung von TDMA-Rahmen zu Mehrfachrahmen
  • Platzierung logische Kanäle an exakt spezifizierten Stellen innerhalb der Mehrfachrahmen
  • Es kann der ganze physikalische Kanal oder nur teilweise belegt werden
• Unterscheidung in zwei Hauptgruppe logischer Kanäle:
  • Verkehrskanäle (Traffic Channel – TCH): Nutzdatenübertragung
  • Steuerkanäle (Control Channel – CCH): Signalisierung zur Vermittlung, Mobilitätsmanagement, Zugriffssteuerung auf Luftschnittstelle

Verbindungsmanagement

Dedizierter Verbindungsaufbau

• MS sendet channel_req via RACH mit Aufbaugrund und Zufallsreferenz an Basisstation
• Basistation antwortet immediate_assignment via AGCH an MS, Inhalt:
  • channel_req (Zufallssequenz)
  • dedizierten Kanal
• MS mit gleicher Zufallsreferenz belegt dedizierten Kanal (SDCCH) (Aber: Kollisionen möglich, Zufallsequenz sehr kurz!)
• Bidirektionale Schicht-2 Verbindung im bestätigten Modus wird aufgebaut
  • MS sendet SABM (Assync. Balanced Mode): (IMSI, TMSI, IMEI) an Basisstation
  • Basisstation antwortet mit UA (Unnumbered Ack.)
  • IDs unterschiedlich: Verbindungsabbruch
  • IDs gleich: Wechsel in bestätigten Modus -> Datentransfer
  • -> Auflösung von Kollisionen: Eine Art CDMA-Verfahren

Vermittlungsschicht

• Unterteilt sich in drei eigenständige Schichten
• Radio Ressource Management (RR)
  • Belegung, Aufrechterhaltung, Freigabe einer dedizierten Funkkanalverbindung
  • BTS/BSC
• Mobility Management (MM)
  • Registrierung, Authentifizierung, Geräteidentifikation
  • Aktualisierung des Aufenthaltsorts
  • Bereitstellung temporärer Teilnehmerkennung (TMSI)
• Call Managment (CM)
  • Call Control (CC)
    • Verbindungsauf- und -abbau, Änderung Verbindungsparameter
    • Fernabfrage Anrufbeantworter
  • Short Message Service (SMS)
    • Nachrichtenübermittlung über Steuerkanäle SDCCH und SACCH

Kommender Ruf (Mobile Terminated Call)

• 1. Ruf von extern via MSISDN des GSM Teilnehmers
• 1. Weiterleitung zum GMSC (Erkennt das es sich um eine Mobilnummer handelt)
• _3. Verbindungsaufbaunachricht zum HLR
  • HLR kann aus Rufnummer Identifiziert werden
  • HLR überprüft Rufnummer und Berechtigung des Teilnehmers
• 4.,5. ggf. MSRN von VLR anfordern -> HLR weiß dadurch zuständige MSC
• 1. Aktuelle MSC wird der GMSC mitgeteilt
• 1. Weiterleitung der Verbindung an aktuellen MSC
• 8.,9. MSC beauftragt VLR mit Statusabfrage (Erreichbarkeit)
• 10.,11. MSC ruft nach MS (wird in allen Zellen der aktuellen MSC durchgeführt)
• 12.,13. MS antwortet
• 14.,15. Sicherheitsprüfung
• 16.,17. MSC wird von VLR zum Verbindungsaufbau aufgefordert

Gehender Ruf (Mobile Originated Call)

• 1.,2. MS sendet Signalisierungswunsch an BTS/BSC von dort weiter zu MSC
• 3.,4. Sicherhitsbrüfung bei VLR durch MSC (Berechtigung)
• 5.-8. MSC <-> GMSC <-> öff. Netz: Ressourcenprüfung
• 9.,10. Verbindungsaufbau

Handover

• Wechsel von Frequenz/Zelle ohne Verbindungsabbruch
• Gründe:
  • Interferenz durch anderen MS
  • Optimierung (bessere Verkehrsverteilung)
  • Mobilität
• Mobile Assisted Handover: Basiert auf Messwerten der MS
• Ständige Messung der Kanalqualität, wird über SACCH übertragen

Location Update

• Mobilstation verlässt den aktuellen Aufenthaltsbereich
• HLR und VLR müssen informiert werden
  • Mobilstation teilt dem Netz den neuen Aufenthaltsbereich mit
  • Wechsel innerhalb des Zuständigkeitsbereichs eines VLR
  • VLR wird über neuen Aufenthaltsbereich informiert
  • Wechsel des Zuständigkeitsbereichs des VLR
  • TMSI und Kennung des alten Aufenthaltsbereichs liegen vor
  • -> Bisheriges VLR und IMSI können bestimmt werden
  • Neues VLR teilt HLR Wechsel mit
  • Neues VLR besitzt noch keine Daten über die Mobilstation
  • Daten der Mobilstation müssen aus HLR übertragen werden
  • Daten müssen im bisherigen VLR gelöscht werden
  • Neues VLR bestätigt Mobilstation den erfolgreichen Wechsel

Sicherheit in GSM

• Zugangskontrolle/Auth via
  • Challenge-Response Verfahren: SIM <-> Netz
  • PIN: Teilnehmer <-> SIM
• Vertraulichekeit: Luftschnittstelle ist verschlüsselt -> keine E2E-Verschlüsselung
• Anonymität: TMSI wird periodisch gewechselt

AuC

• Generiert K_c zu IMSI
• Generiert Sätze von RAND/SRES/K_c pro IMSI zur Übergabe an HLR
  • RAND: Zufallszahl
  • SRES: Authentikator (signed response)
• VLR fordert sich von HLR Sätze an
• Bei Handover fodert neue VLR von alter VLR restliche Sätze an

Ablauf Authentisierung

• AuC bestimmt RAND/SRES* sendet diese an VLR
• VLR vergleicht SRES mit SRES*
• MS bekommt RAND geschickt und muss SRES zurückliefern (SRES = A3(RAND, K_i))
• RAND und SRES gehen über die Luftschnittstelle

Ablauf Verschlüsselung

• K_c Übertragungsschlüssel: K_c = A8(RAND, K_i)
• RAND und verschlüsselte Daten gehen über die Luftschnittstelle
• A5(K_c, Daten)

SMS Short Messaging Service

• 160 Zeichen a 7 Bit
• Short Message Transfer Protocol
  • zuverlässig, paketorientiert
• Keine Kanalreservierung auf Luftschnittstelle
• Nutzt freie Kapazität in Signalisierungskanälen
  • Kein aktives Gespräch: SDCCH
  • Aktives Gespräch: SACCH (Multiplex von Signalisierung und SMS)

Datendienste

• GSM hat Leitungsvermitteltende Datendienste
  • Ineffiziente Nutzung: Auch belegt wenn nicht genutzt
  • Hohe Gebürhen: richtet sich nach Dauer der Belegung nicht nach Menge der Daten
  • Geringe Datenrate: 9,6;14,4 kbit/s

High-Speed Circuit Switched Data (HSCSD)

• Hochbitratige Leitungsvermittelte Datendienste
• Fasst mehrer Verkehrskanäle zusammen -> höhere Datenraten
• Zusammenfügen/Splitten der Verkehrskanäle durch MSC und MS
• Vorteil: schnell verfügbar, kontinuierliche Qualität, einfach
• Nachteil: Resourcenverbrauch, Kanäle sind für Sprache blockiert

General Packet Radio Service (GPRS)

• Paketorientiert
• Variable Bitraten je nach Anforderung: 115kbit/s bei kurzfristiger Belegung von 8 Zeitschlitzen
• Vorteil: Flexibler als HSCSD, Schritt in Richtung UMTS
• Nachteil: Höhere Investitionen durch neue Infrastrukturkomponenten
• Neuer Medienzugriff auf der Luftschnittstelle
• Gatware GPRS Support Node GGSN:
  • Schnittstelle zu externen Netzen
  • Auswertung der Adressen in DEs und Zuordnung zu IMSI
• Serving GPRS Support Node SGSN:
  • Funktionale Unterstützung der MS
  • Lokation, Abrechnung, Sicherheit
  • Jeder SGSN ist einer MSC zugeordnet
• GPRS Register (GR):
  • Speichert alle GPRS-bezogenen Daten
  • Ist als Teil des GSM-HLRs anzusehen
• Signalisierung
  • Erfolgt über MSC
  • Nutzung der etablierten Infrastruktur von GSM
• Datenverkehr
  • Über SGSN, komplett Paketvermittelt

Routing

• Daten von der Mobilstation
  • SGSN wertet Adresse aus und kapselt Daten -> Tunneling!
  • Routen der Daten zum passenden GGSN über GPRS Packet Core
  • GGSN entkapselt Daten und übergibt sie an externes IP-Netz -> dann Standard IP Routing
• Daten zu der Mobilstation
  • Daten mit IP der Mobilstation kommen an GGSN an
  • GGSN erfagt Netz in dem sich MS aktuell aufhält (HLR/GR)
  • GGSN kapselt Daten und tunnelt sie zum entsprechenden SGSN
  • SGSN entkaspelt daten und liefert sie an die MS

Edge

• Erweiterung von GSM zur Bereitstellung höherer Datenraten
• Schneller verfügbar als UMTS
• Investitionsschutz da etablierte Infrastruktur genutzt wird
• Weiterentwichlicht von HSCSD und GPRS
  • Modifikation des Modulationsverfahrens
  • 69,2 kbit/s pro phys. Kanal

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) und HSPA (High Speed Packet Access)

• UMTS ist 3G (eneration) der Mobilfunknetze

Unterschiede zu GSM

• UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access):
  • Neues drahtloses Zugangsnetz
  • einfacher, weniger Komponenten
  • Kapselt Funkspezifische Abläufe
• CDMA auf der Luftschnittstelle (W-CDMA) -> Zellatmung
• Erweiterte Mobilitätsunterstützung
  • Makrodiversität
  • Soft-/Softer Handover

UMTS Architektur

• User Equipnemt ~ GSM Mobile Station
• UTRAN ~ GSM Funkteilsystem
• Kernnetz (Core Network CN)
  • Handover mit anderen Mobilfunknetzen
  • Verbindung verschiedener Netze (GSM, ISDN, Internet)

Version 99

• Weiternutzung von GSM-Infrastuktur im Kernnetz
  • GPRS und Edge
  • Zwei „getrennte“ Infrastukturen für Leitungs- und Paketvermittlung
• W-CDMA Einführung (Kein Zeit/Frequenzmultiplex sondern Individuelle Codes pro Nutzer)

Version 6

• „All IP“
  • Paketvermitteltes Kernnetz
  • IP-basierte Übertragung (E2E)
  • IMS: IP-based Multimedia Subystem (Sprache)
• GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network)
• UTRAN (UMTS Radio Access Network)
• Funkschnittstelle (UTRAN)
  • HSDPA
  • MINO

UTRAN

• Node B ~ BTS
  • Physikalische Kommunikation mit UE
  • FDD/TDD oder beides
  • Kann eine oder mehrere Zellen umfassen
• Zelle
  • FDD oder TDD
• RNC (Radio Network Controller) ~ BSC
  • Funktionsweise unterscheidet sich stark von BSC
  • Relocation, Makrodiversität
  • Verantwortlich für Handover entscheidungen
• Mobilität auf Zellebene

Mobilitätunterstützung

SNRC/DNRC

• Logische Verbindung zw. UE und RNC durch Verbindungsaufbau: RNC wird zu Serving RNC (SRNC)
• Beziehung bleibt bei Mobilität erhalten
  • bis Verbindungsabbau
  • Bei erneutem Aufbau kann andere RNC SRNC werden
• Bei Verlassen des Zuständigkeitsbereich der SRNC (während aktiver Verbindung):
  • Drift RNC (DRNC)
  • Physikalische Verbindung zu DRNC
  • Daten werden über DRNC zu SRNC geleitet (I_ur) Schnittstelle
  • Logische Verbindung zu SRNC bleibt
  • SRNC kann aber auch verlagert werden
  • DRNC unterstützt SRNC mit Funkressource

Handover

• Hard Handover: Verbindung zu altem NodeB wird abgebaut bevor neue Aufgebaut wird, TDD
• Soft Handover: Verbindung zu altem NodeB wird abgebaut nachdem neue Aufgebaut wird, FDD
  • Es werden von beiden RNCs Daten empfangen, letztlich verwendet werden die Funkrahmen mit korrekter Prüfsumme
• Softer Handover: Verbindung über mehrere Sektorantennen eines NodeB (Maximum Ratio Combining mit RAKE Receiver)
• Soft-Softer Handover: Soft und softer Handover gleichzeitig

Unterstütztde Handovers in UMTS

• Intra NodeB / InterCell (softer Handover)
• Inter NodeB (hard & soft handover): hard: intra-frequency, soft: intra-frequency
• Inter RNC (hard, soft, soft-softer)
• Inter MSC (hard)
• Inter SGSN
• Inter System (GSM->UMTS) (hard)

Makrodiversität

• InterCell: Fließender Übergang aus verschiedenen Zellen
• InterRNC: SRNC/DRNC (Radio Frame Selection)

Luftschnittstelle U_u

• MAC-Layer: …
• PHY-Layer:
  • Mehrfachzugriff: CDMA
  • Duplexverfahren:
  • FDD (FDMA + CDMA)
  • TDD (TDMA + CDMA): Nicht weiter verfolgt

CDMA

• Kanalspezifische Codes (Channelization Codes):
  • Variable Datenrate durch unterschiedliche OVSF-Codes (orthogonale Codes)
• Stationsspezifische Codes (Scrambling Codes)
  • Trennung zwischen Stationen oder Zellen
  • quasi-Orthogonal

Mikrodiversität

• Vorteil CDMA: Laufzeitdifferenzen bei Mehrwegeausbreitung lassen sich durch Vergleich mit Chipping-Sequenz erkennen
• RAKE Receiver: Korreliert und bestimmt jede Mehrweg-Komponente einzeln
  • K Zeiger (Finger)
  • Tracker: Unabhängiges finden von dominanten Mehrwegepfade
  • Searcher: Scannen Zeitfenster zur Suche nach dominanten Mehrweg-Komponenten

Makrodiversität und Soft Handover

• Auch durch CDMA
• Mehrere NodeB senden mit selben Code
• Optimale Rekombination durch RAKE Receiver in UE

Mehrbenutzer CDMA

Interferenz-Unterdrückung

• Mehrbenutzer-Interferenz-Unterdrückung durch gemeinsame Erkennung (Joint Detection)
• Erkennungsmechanismus verwendet Interferenzen der Signale anderer Benutzer (sind bekannt)
• Subtraktive Interferenz-Unterdrückung

Nah-Fern-Effekt

• Alle Mobilstationen nutzen im Uplink zum gleichen Zeitpunkt die gleiche Frequenz
  • -> Unterscheidung durch Code (CDMA)
• Nah-Fern-Effekt: Weiter entfernte Mobilstationen müssen mit größerer Sendeleistung senden
  • Nähere UE können weiterentfernte übertönen
  • Alle UEs müssen gleichstark an NodeB ankommen

Leistungsregelung

• Ziel: Gleiche Empfangsleistung -> Weniger Interferenzen
• Umsetzung: Anpassung der Sendeleistung 1500/s (GSM nur 1-2/s)

Closed-Loop Power Control

• Wird auf bidirketionalen Kanälen verwendet (dedizierte Datenkanäle)
• SIR <-> SIR_target <-> Block Error Ration Target
  

Open-Loop Power Control

• Verwendet auf unidirektionalen Kanälen (RACH)
• Path Loss Estimate: Bestimmung der Sendeleistung basierend auf Verlustabschätzung
  • NodeB sendet Pilot-Signal an UE mit bekannter Sendeleistung
  • UE antwortet mit Sendeleistung die ankommt
  • Sendeleistung wird inkrementell erhöht (Power Ramping)

Zellatmung

• Zellengröße korreliert mit Kapazität der Zelle
• Kapazität ist bestimmt durch den SNR
• Rauschen entsteht durch vorhandene Interferenz anderer Zellen/Teilnehmer
• Mobilstationen an der Zellengrenze können das Signal (max. 2 Watt) nicht weiter verstärken
  • -> keine Kommunikation möglich
  • -> Beschränkung der Teilnehmeranzahl notwendig
  • -> Maximale geografische Versorgungsfläche der Zelle ändert sich (Zellatmung)
• Netz kontrolliert Sendeleistung und kann neuen Teilnehmer abweisen und durch Codewahl beeinflussen

Beispiel

• Am Rand einer Zelle sendet UE_1 mit max. Leistung
• Neue UE kommt nahe NodeB dazu und sendet
  • -> neue Interferenzen
  • UE_1 müsste Sendeleistung erhöhen -> Geht nicht, verliert Verbindung

HSPA High Speed Packet Access

• HSDPA: High Speed Downlink Packet Access
• HSUPA: High Speed Uplink Packet Access
• Höhere Datenraten, kleinere Latenz, höhere erreichbare Kapazität pro Zelle

Architekturänderung

• Hauptsächlich Softwareupdates
• kleinere Hardwareänderungen in NodeB, RNC und UEs
• Koexistenz mit Release99 (für ländlichen Raum)

Technische Neuerungen

Flexible Kanalzuteilung

• Fading wird bei Mehrbenutzerumgebung ausgenutzt um Durchsatz zu Maximieren
  • Fading ist für verschiedene Nutzer unkorreliert -> Mehrbenutzerdiversität
  • Zuweisung der Ressourcen zu jedem Zeitpunkt an Benutzer mit bester Kanalqualität
  • Durchsatz wird maximiert -> Höher mit wachsender Teilnehmeranzahl
• HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel) anstatt DCH (Dedicated Channel)
  • TDMA, CDMA kombiniert
  • Zeitschlitze von 2 ms
  • 15 Unterkanäle (über OVSF-Codes)
  • 4 Endgeräte pro Zeitschlitz
  • Je besser die Kanalqualität, desto mehr Kanäle werden einem Teilnehmer zugeteilt
  • Weniger Fehlerkorrekturen!
  • Mindestdatenrate wird aber garantiert
  • Kanalqualität als Channel Quality Information über speziellen Kontrollkanal mitgeteilt
• Scheduling Ansätze
  • Round Robin: Faire Zeitzuteilung, Geringer Zellen/Benutzerdurchsatz
  • Best Effort: Nutzer mit bester Kanalqualität hat Vorrang, Starvation von Nutzern mit schlechter Kanalqualität
  • Proportional Fairness: Abgleich von Kanalqualität / Durchsatz, Mehr Durchsatz als RR

Adaptive Modulation und Kodierung

• Flexibler Wechsel zwischen:
• QPSK: bei minderer Kanalqualität (Datenrate wie UMTS)
  • 2 Bit pro Symbol
  • Robuster bei schwankender Kanalkapazität
• 16QAM: bei sehr guter Kanalqualität (doppelte UMTS-Datenrate)
  • 4 bit pro Symbol
  • Empfindlicher, Amplitudenschwankung führt zu Bitfehlern
• FEC: Adaptive Kodierung (Forward Error Correction) mit Hybriden Quittungen (Hybrid ARQ)
  • Vermeidung von Paketwiederholungen durch redundante Kodierung
  • Redundante Bits erlauben Wiederherstellung von Nutzdatenbitsbei Übertragungsfehlern
  • Redundanzanteil kann gesteuert werden, je nach Verbindung

MAC-hs (Highspeed)

• Aufwertung NodeB (Neue HW/SW nötig)
  • Paketwiederholungen nicht mehr zwischen RNC und UE sondern zwischen NodeB und UE
  • MAC in NodeB statt in RNC
  • -> Entlastet RNC
  • -> Kürzere Reaktionszeit bei Sendewiederholung
  • Kurzer Regelkreis für Modulation und Kodierung (Kanalqualitätsmessung)

Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ)

• Stop-and-Wait-ARQ
• Sendewiederholungen finden im MAC-hs statt
  • Inkrementelle Redundanz (Incremental Redundancy)
    • Gewinn durch Reduktion der Code Rate
  • Chase Combining
    • Gewinn durch maximale Kombination von CDMA-Codes
• HDSPA verwendet Mix aus beiden

LTE (Long Term Evolution)

Unterschiede zu UMTS

• Neues Funknetz: Eveloved-UTRAN (E-UTRAN)
  • Mediennutzung per ODFM
  • Flexible Bandbreite der Trägerfequenzen
  • Kein Anschluss an die Leitungsvermittelde Domäne wie bei UTRAN
• Neues Kernnetz: Evolved Paket Core (EPC)
  • IP-basiertes Kernnetz
  • Alle Dienste packetbasiert
  • Sprachdienste ebenfalls (per IP Multimedia Subsystem)

LTE Eigenschaften

• OFDM auf der Luftschnittstelle
  • Geringere Empfängerkomplexität -> Geringere Kosten
  • Robust gegen „Frequency selective fading“ und Inter-symbol Interference (ISI)“
  • Zugriff auf Zeit- und Frequenzdomäne erlaubt zusätzliche Flexibilität beim Scheduling
  • Skalierbares OFDM erlaubt Erweiterung auf verschiedene Übertragungsbandbreiten
• Integration von Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) Techniken
  • Unterstützung von 1,2 oder 4 Antennen im DL und MU-MIMO im UL
• Vereinfachte Netzarchitektur (System Architecture Evolution, SAE)
  • Reduktion der logischen Knoten
  • -> Flache Architektur
  • -> Klare Trennung von Benutzer- und Kontrolldomäne

LTE Architektur

LTE Funksystem

• Downlink: ODFM
  • Robust gegen Mehrwegeausbreitung
  • Ermöglicht einfach, günstige Empfänger
• Uplink: Single-carrier FDMA ähnlich zu OFDM
  • Energieeffiziente Übertragung
• Einsatz von MIMO

Physical Layer

• Verfahren abhängig von Verbindungsqualität und Entfernung zu eNodeB
  • QPSK
  • 16-QAM
  • 64-QAM

ODFM

• Inter-Symbol-Interferenz (zw. OFDM Symbolen) wird fast vollständig durch Schutzzeiten (T_G) eliminiert
• Innerhalb OFDM Symbols sind Datensymbole nur orthogonal, wenn ganzzahlige Anzahl Sinuszyklen Empfangsfenster
  • Auffüllen mit Cyclic Prefix -> Sichert Orthogonalität auch bei Mehrwegeausbreitung
  • -> Elemenierung von Intra-Zell-Inteferenzen

ODFM vs CDMA

• OFDM: Zu modulierendes Symbol wird über relativ lange Symbolzeit und schmale Bandbreite übertragen
  • Mehr Unterträger -> Erhöhte Bandbreite
  • Lange Symbolzeiten in OFDM (in Kombination mit Cyclic Prefix) unterdrücken ISI bei Mehrwegeausbreitung
• CDMA: Zu modulierendes Symbol wird über relativ kurze Symbolzeit und große Bandbreite übertragen
  • Mehr CDMA Codes -> Mehr Bandbreite
  • Kurze Symbolzeit führt zu ISI bei Mehrwegeausbreitung

Bandbreitenskalierung

• Es wird skalierbares ODFM eingesetzt
• Unterträgerbreite bleibt fix (15kHz)
• Symbolzeit bleibt fix bei 66,6µs
• Anzahl der Unterträger variabel -> variable Bandbreite

LTE Scheduling

• Resource Block (RB): Grundeinheit für Medienzugriff
  • 12 Unterträger
  • 1 Zeitslot
  • Mehrere RBs können einem Benutzer zugewiesen werden
  • Gesamtzahl von verfügbaren RBs hägt von der Bandbreite ab
• LTE verwendet geregelten, geteilten Kanal (für DL/UL)
• Normalerweise keine autonome Übertragung, alle Übertragungen sind explizit zugewiesen
• LTE erlaubt „halb-persistente“ (periodische) Belegung von Ressourcen, z.B. für VoIP

Interferenz-Koordination

• Scheduler kann beschränken, in welchen Sektoren welche RBs verwendet werden können
  • -> Reduzierte Inter-Zell-Interferenz führt zu verbesserter S/N-Rate, besonders am Zellrand
  • -> Reduktion von verfügbarer Übertragungsbandbreite führt aber zu schlechter Spektraleffizienz
• Scheduler teilt Benutzer in Zellkern volles Frequenzsband zu
• Flexible Frequenz-Wiederverwendung erreicht durch intelligentes Scheduling und Leistungsanpassung

Mobile Ad Hoc Netze (MANETs)

• Spontaner Zusammenschluss drahtloser Endgeräte
  • Keine Infrastruktur (Basisstation/Access Points), kein Backbone
  • Verwendete Endgeräte können mobil sein
• Paketbasierte Vermittlung von Daten
  • Routen zwischen zwei Geräten können mehrere Hops lang sein
• Jedes Gerät ist Endgerät und gleichzeitig Router!
• Ad Hoc Netze sind selbstorganisierend
  • Keine zentralen Komponenten

Eigenschaften von MANETs

• Einfach, kostengünstig und schnell aufgebaut
• Dynamische Netztopologie
• Asymmetrische/Unidirektionale Verbindungen
• Semi-Broadcast-Medium
• Begrenzte Batterieleistung
• Begrenzte Bandbreite
• Zeitliche Synchronisation der Geräte schwierig
• Sicherheitsmechanismen schwierig anzuwenden

Routingprotokolle

• Festnetzrouting nicht ohne weiteres anwendbar
  • Langsame Konvergenz
  • Zu hoher Overhead
• Verschiedene Ansätze möglich -> es gibt nicht das Routingprotokoll, kommt auf Anwendungsfall an

Übersicht

• Fluten: Jede Station leitet Nachricht einmal weiter, sehr hoher Overhead
• Proaktives Routing (Table-driven): Routen werden in den Stationen gepflegt
  • OLSR
• Reaktives Routing (On demand): Routen werden bei Bedarf gesucht und gespeichert
  • AODV
  • DYMO
  • LOADng
• Hybrides Routing: Mischformen

Proaktive

• Station bestimmt fortlaufend Routen zu allen anderen Stationen im Netz
• Distance Vector Routing
  • Bellman-Ford Algorithmus
  • Teile deinen Nachbarn mit, wie du die Welt siehst
• Link State Routing
  • Jede Station sendet periodisch Status von Links
  • Jede Station kennt komplettes Netz
  • Kürzeste Route: Dijkstra

Reaktive

• Station kennt nur die Routen, die er auch benötigt
• Keine periodischen Aktualisierungen
• Route Discouvery: Auffinden von Routen
• Route Maintainance: Aufrechterhaltung einer Route
• Ressourcensparsamer als Proaktiv aber Zeitverzögerung zu Kommunikationsbeginn

Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing Protokoll (AODV)

Optimized Link State Routing (OLSR)

Vergleich AODV/OLSR

• Kontrolloverhead von AODV steigt mit zunehmender Geschwindigkeit
• Kontrolloverhead von AODV steigt mit der Anzahl der Verbindungen
• Kontrolloverhead von OLSR ist unabhängig von der Anzahl der Verbindungen
• Kontrolloverhead von OL
• SR ist nahezu unabhängig von der Geschwindigkeit

Mobiles Internet Protokoll

• Ziel: Ubiquitärer Internetzugang -> Erfordert Mobilitätsunterstützung
  • horizontale Handover: Wechsel Subnetz in gleicher Technologie
  • vertikale Handover: Wechsel Subnetz in unterschiedlicher Technologie
• Problem: Doppelfunktion IP (Lokator für Wegewahl, Identifikator für Identifikation in Transportprotokollen)
  • Wechsel Subnetz -> Wechsel Ip -> terminiert Kommunikationsverbindungen
  • Transparente Mobilität nicht möglich

Mobiles TCP

• TCP wurde nicht für drahtlose Verbindungen entwickelt
  • Annahme Festnetz: Paketverlust = Stau
  • Auf drahtlosen Links gibt es jedoch viele andere Gründe für Paketverluste (Interferenzen, Handover, …)