Mobilkommunikation Zusammenfassung

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, …)

2 Gedanken zu „Mobilkommunikation Zusammenfassung

  1. D.S.

    Abgesehen von vielen Rechtschreibfehlern eine gute Zusammenfassung.
    Es steht leider auch überall ODFM statt OFDM. Manche Sachen sind nicht mehr prüfungsrelevant.

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