Mobilkommunikation Kapitel 4 Drahtlose Telekommunikationssysteme Mrkte q GSM

Mobilkommunikation Kapitel 4: Drahtlose Telekommunikationssysteme Märkte q GSM q • GPRS • UMTS/IMT-2000 Überblick q Dienste q Subsysteme q Komponenten q 4. 0. 4

Weltweite Verteilung der Mobilfunksysteme 700000 Teilnehmer (x 1000) 600000 Analog total 500000 GSM total 400000 CDMA total 300000 TDMA total PDC/PHS total 200000 total 100000 0 1996 1997 1998 1999 2000 2001 4. 39. 2

GSM: Überblick GSM: q q q q früher: Groupe Spéciale Mobile (1982 gegründet) heute: Global System for Mobile Communication europäischer Standard - Standardisierung durch ETSI (European Telecommunications Standardisation Institute) gleichlaufende Einführung eines Mindeststandards (essential Services) in drei Phasen (1991, 1994, 1996) durch die europäischen Fernmeldeorganisationen (in Deutschland: D 1 und D 2) europaweites Roaming (freizügiges Bewegen) möglich mittlerweile Übernahme durch über 160 Drittländer (z. B. in Asien, Afrika, Amerika) über 500 Millionen Teilnehmer in über 400 Netzen über 15 Milliarden SMS/Monat 70% aller digitalen Mobiltelefone, über 62% insgesamt! 4. 2. 5

Leistungsmerkmale des GSM-Systems Auswahl der wichtigsten technischen Aspekte: q q q Kommunikation: Mobile Kommunikationsmöglichkeit über einen Funkweg; Unterstützung für Sprach- und Datendienste. Totale Mobilität: Internationaler Zugriff; über Chipkarte Nutzung anderer Mobilfunkstationen möglich. Erreichbarkeit: Grenzübergreifend unter der gleichen Rufnummer erreichbar; das Netz übernimmt die Lokalisierungs-Aufgaben. Hohe Kapazität: Bessere Frequenzausnutzung und kleinere Funkzellen können wesentlich mehr Teilnehmer versorgen. Übertragungsqualität: Hohe Qualität und Zuverlässigkeit erlauben drahtlos, kontinuierlich, störungsfrei und in Bewegung Telefonate zu führen. Sicherheitsmaßnahmen: Zugangskontrolle durch Einsatz von Chipkarte und PIN. 4. 3. 3

Nachteile des GSM-Systems Es gibt kein perfektes System! q keine End-to-End Chiffrierung der Nutzkanäle q Netzzugriff nur über „reduzierten“ B-Kanal: keine Verlängerung des transparenten 64 kbit/s Trägerdienstes von ISDN eventuelle Beeinträchtigung der Konzentration beim Autofahren q elektromagnetische Verträglichkeit q Missbrauch persönlicher Daten nicht ganz ausgeschlossen q Möglichkeiten der gezielten Kontrolle und Überwachung q hohe Komplexität des Systems q Kompatibilitätsprobleme innerhalb des GSM-Standards q 4. 4. 3

GSM: Dienste (Mobile Services) GSM-System bietet: q Verschiedene Verbindungstypen l q Sprechverbindungen, Datenverbindungen und Kurznachrichten Multiservice-Optionen (Kombination von Basisdiensten) Einteilung der Dienste in drei Bereiche: Trägerdienste (Bearer Services) q Teleservices (Telematic Services) q Zusatzdienste (Supplementary Services) q Trägerdienste MS Um TE MT R S GSM-PLMN Transit. Netzwerk (PSTN) Ursprungs-/ Zielnetzwerk z. B. GSM TE R S Teledienste 4. 5. 3

Trägerdienste (Bearer Services) Telekommunikationsdienste, die Daten zwischen Benutzer-Netz. Schnittstellen (Access Points) übertragen. q Spezifikation der Dienste bis zur Endgeräte-Schnittstelle (entsprechend OSI Schichten 1 -3). q Für Datendienste werden andere Übertragungsraten als für Sprache verwendet (ursprünglicher Standard) q 4. 6. 4

Teleservices (Telematic Services) I Telekommunikationsdienste, die im Mobilfunk den Benutzern die Möglichkeit bieten, über Telefon-Endgeräte miteinander zu kommunizieren. q Alle Basisdienste müssen Aspekte wie zellulare Operationen, Sicherheitsmaßnahmen usw. berücksichtigen. q Angebotene Dienste: q Mobilfunk-Telefonie Das ganze GSM-Konzept wurde vorrangig auf das mobile Telefonieren ausgelegt. Gespräche werden mit 3, 1 k. Hz Bandbreite übertragen. q Notruf Europaweite Notfallnummer (112); Service für alle Mobilfunknetzbetreiber obligatorisch; kostenlos bereitgestellt; Verbindung mit höchster Priorität (Verdrängung niederpriorer möglich). q 4. 7. 3

Teleservices (Telematic Services) II Weitere Dienste: q Non-Voice-Teleservices l l l Facsimile: Fernkopieren (Fax-Gruppe 3) Telefax: Fernkopieren alternierend mit Sprachübertragung Videotex: Datenbankzugriff unter Verwendung eines Videotex-Terminals Sprachspeicherdienst (Voice Mailbox): über Festnetz realisiert Elektronische Post (MHS, Message Handling System): über Festnetz realisiert Kurznachrichtendienst (SMS): Alphanumerische Nachrichtenübertragung von oder zur Mobilstation. Für die Übertragung werden nur die Signalisierungskanäle benutzt. Dies erlaubt die simultane Nutzung der Basisdienste und des SMS. 4. 8. 3

Zusatzdienste (Supplementary Services) Bilden weitere Dienstmerkmale und sind Ergänzungen der Basisdienste, die nicht alleine angeboten werden können. q Entsprechen, bis auf die auf dem Funkweg geringeren Übertragungsraten, denjenigen des ISDNs. q Können sich je nach Landesnetz und implementierter Protokollversion voneinander unterscheiden. q Wichtige Dienste: q q q q Identifikation: Rufnummer des anderen Teilnehmers Identifikationsunterdrückung Automatischer Rückruf Anklopfen Konferenzverbindung: Gesprächsrunde mit bis zu 7 Teilnehmern Sperren: Sowohl abgehende wie ankommende Gespräche 4. 9. 2

Aufbau des GSM-Systems q Das GSM-System zählt zu den PLMNs (Public Land Mobile Networks). Es wird von verschiedenen Betreibern eingerichtet und bereitgestellt. q Es besteht aus mehreren Komponenten: MS (Mobilstation) l BS (Basisstation) l MSC (Mobilvermittlungseinrichtung) l LRs (Aufenthaltsregister) l q Man unterscheidet mehrere Subsysteme: RSS (Funk-Subsystem): Funktechnische Aspekte l NSS (Netzwerk-Subsystem): Vermittlungstechnische Vorgänge l OSS (Betriebs- und Wartungs-Subsystem) l 4. 10. 3

GSM: Netzelemente und Schnittstellen Funkzelle MS BSS MS Um Funkzelle MS BTS RSS BTS Abis BSC A MSC NSS MSC VLR GMSC IWF HLR O OSS EIR AUC Signalisierung ISDN, PSTN PDN OMC 4. 40. 3

GSM: Systemarchitektur im Überblick Funk. Subsystem MS Netzwerk. Subsystem Feste Partnernetze MS ISDN PSTN MSC Um BTS Abis EIR SS 7 BTS BSC VLR BTS BSS HLR BSC A MSC IWF ISDN PSTN PSPDN CSPDN 4. 12. 2

Systemarchitektur: Funk-Subsystem Funk. Subsystem MS Netzwerk. Subsystem MS (Mobile Station) q BSS (Base Station Subsystem): Funkfeststation q MS Um BTS Komponenten: l BTS (Base Transceiver Station): Sende-/Empfangsstation l BSC (Base Station Controller): Zentrale Steuereinrichtung Abis BTS BSC MSC Schnittstellen: Um : Funkschnittstelle q Abis : offen standardisierte Schnittstelle mit 16 kbit/s Submultiplex-Nutzkanälen q A: offen standardisierte Schnittstelle mit 64 kbit/s Nutzkanälen (Transkodierung) q A BTS BSC MSC BSS 4. 13. 2

Systemarchitektur: Netzwerk-Subsystem Netzwerk. Subsystem Feste Partnernetze ISDN PSTN MSC o MSC (Mobile Switching Center): Mobilvermittlungseinrichtung o IWF (Interworking Functions) o o EIR ZZK-7 Komponenten: HLR ISDN (Integrated Services Digital Network) PSTN (Public Switched Telephone Network) PSPDN (Packet Switched Public Data Net. ) CSPDN (Circuit Switched Public Data Net. ) Datenbanken: VLR MSC IWF ISDN PSTN PSPDN CSPDN o HLR (Home Location Register): Heimatregister o VLR (Visited Location Register): Aufenthaltsregister o EIR (Equipment Identification Register): Geräteidentifikationsregister 4. 14. 2

Funk-Subsystem Das Radio Subsystem (RSS) ist das flächendeckende zellulare Netz bis zu den Vermittlungsstellen. q Das Funksystem beinhaltet mehrere Komponenten: q q Base Station Subsystem (BSS): Base Transceiver Station (BTS): Funktechnische Einrichtung, einschließlich Sende-/Empfangsantennen, für Kommunikation auf den Funk-Kanälen. Ein BTS kann eine oder, falls Richtantennen installiert werden, auch mehrere Funkzellen versorgen. l Base Station Controller (BSC): Die Basisstationssteuerung führt die Vermittlung und steuert den Ablauf der Übertragungsprozesse der BTSe. Sie ist für die Verwaltung der Netzressourcen zuständig. Hier erfolgt die Abbildung der Funkkanäle der Um-Schnittstelle auf die terrestrischen Kanäle der A-Schnittstelle. l l q BSS = BSC + Summe(BTS) + Übertragungssysteme Die Mobilfunkstationen (MS) werden als bewegliche Netzkomponenten gezählt. 4. 15. 3

GSM: Prinzip zellularer Netze Aufteilung des Versorgungsgebietes in Zellen: technisch möglicher Funkversorgungsbereich Zelle 1 q q q systemtechnische Einschränkung der Zellengröße Verwendung mehrerer Funkfrequenzen keine gleichen Frequenzen in benachbarten Zellen keine einheitlichen Zellengrößen, Größe hängt von Verkehrsaufkommen und Senderreichweite ab (Stadtzentrum vs. Schwarzwald) hexagonale Zellform ist idealisiert (Zellen überlappen unregelmäßig) Zellwechsel des mobilen Teilnehmers Übergabe der Verbindung in Nachbarzelle: Handover 4. 16. 2

Flächendeckung von Funknetzen (www. gsmworld. com) D 1 (GSM-900) Rund um Berlin D 2 (GSM-900) e-plus (GSM-1800) Viag Interkom (GSM-1800) 4. 17. 3

Base Transceiver Station und Base Station Controller Die Aufgaben des BSS teilen sich BSC und BTS q BTS beinhaltet funktechnische Funktionen q BSC bildet die Funkkanal-Vermittlungseinrichtung q 4. 21. 4

Mobilstation Einrichtung für die Benutzung von Diensten des GSM-Systems. q Eine MS besteht aus mehreren funktionellen Gruppen: q q MT (Mobile Terminal): Bietet Funktionen, die von allen Diensten gemeinsam genutzt werden l Entspricht dem NT des ISDN-Anschlusses l Endpunkt der Funkübertragung der Um-Schnittstelle l q TA (Terminal Adapter): l q Ist für die Endgeräteanpassung zuständig TE (Terminal Equipment): Peripheriegerät der MS, bietet Dienste an l Enthält keine GSM-spezifischen Funktionen l q SIM (Subscriber Identity Module): l Personalisierung des Mobilfunkgerätes. Speichert individuelle Teilnehmerdaten. TE TA R MT S Um 4. 20. 3

Netzwerk-Subsystem Das NSS ist der Hauptbestandteil des öffentlichen mobilen Funknetzes. Es übernimmt die vermittlungstechnischen Aufgaben, einschließlich Mobility Management, sowie die Systemkontrolle und kann andere Netze anbinden. q Komponenten des Mobilvermittlungsnetzes sind: q Mobile Services Switching Center (MSC) Dient der Verbindungssteuerung über ein Koppelnetz vom und zum mobilen Teilnehmer, der sich im Aufenthaltsbereich der MSC befindet. An einem MSC können etliche BSCs angeschlossen sein. q Datenbank-Einrichtungen q Home Location Register (HLR) Zentrale Master-Datenbank der Teilnehmerdaten. Beinhaltet semipermanente und temporäre Daten aller Funkteilnehmer, die auf Dauer einem HL-Bereich zugeordnet sind. l Visitor Location Register (VLR) Lokale Datenbank für eine Teilmenge der Benutzerdaten, einschließlich der Aufenthaltsortes der Teilnehmer. l 4. 18. 3

Mobile Services Switching Center q Die Mobilvermittlungseinrichtung nimmt eine zentrale Stellung im Mobilfunknetz ein: q q q Vermittlungsfunktion Zusatzfunktionen zur Unterstützung der Teilnehmermobilität Verwaltung der Netzressourcen Anbindung an andere Netzwerke (Gateway-MSC; GMSC) Integration verschiedener Datenbanken Die wichtigsten Funktionen des MSC sind: q q q q Ruf spezifische Funktionen in Zusammenhang mit der Mobilität. Abschluss und Bearbeitung der Zeichengabe (SS 7) Management der Mobilfunk spezifischen Signalisierungsabläufe Location Registration und Verarbeitung der Aufenthalts-Information Bereitstellung neuer Dienstarten (Fax, Data Calls) Unterstützung des Kurznachrichtendienstes (SMS) Generierung und Weiterleitung der Vergebührungsdaten 4. 22. 3

Betriebs- und Wartungs-Subsystem Das OSS (Operation Subsystem) ermöglicht ein zentralisiertes Betreiben und die Instandhaltung der verschiedenen Netzelemente des GSM-Systems. q Komponenten des Systems sind: q q Authentication Center (AUC): Erzeugt auf Anforderung vom VLR teilnehmerspezifische Berechtigungsparameter l Die Authentizitätsdaten dienen der Sicherheit und Geheimhaltung der Teilnehmerinformationen im GSM-System l q Equipment Identity Register (EIR): Gerätedatenbank Registriert die GSM-Mobilstationen und die zugehörigen Nutzungsberechtigungen l Geräte, die nicht in Ordnung bzw. gestohlen sind, können gesperrt und eventuell lokalisiert werden l q Operation and Maintenance Center (OMC) l Für Funk und Festnetzbereich existieren unterschiedliche Kontroll- und Bedienstellen 4. 19. 4

GSM Protokollschichten für die Signalisierung Um Abis MS A BTS BSC MSC CM CM MM MM RR RR’ BTSM LAPDm LAPD Funk PCM 16/64 kbit/s BSSAP SS 7 PCM 64 kbit/s / 2, 048 Mbit/s 4. 42. 3

124 Kanäle mit je 200 k. Hz Abwärtsrichtung 935 -960 MHz nz be re ich Funkschicht: Zeit-Vielfachzugriff (TDMA) eq ue Trick: abwärts Und aufwärts Um 3 Zeitschlitze versetzt! 124 Kanäle mit je 200 k. Hz Aufwärtsrichtung Fr 890 -915 MHz Höhere GSM-Rahmenstrukturen Zeitbereich GSM-TDMA-Rahmen 1 2 3 4 5 6 7 8 4, 615 ms =0 GSM-Zeitschlitz 1 Phy TDM Knanal: 33, 8 kbit/s 1 Trägerfrequenz: 8*33, 8 kbit/s= ca. 270 kbit/s =0 Schutz. Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail zeit 3 57 1 26 1 57 3 bit 546, 5 µs 577 µs s=Nutzdaten oder Steuerungsdaten? 4. 26. 5

GSM Logische Kanäle Die Physikalischen TDM Kanäle werden in logische Kanäle gesplittet. Hierfür werden die Zeitschlitze eines TDM Kanals auf mehrere logische Kanäle verteilt. 2 Arten von logischen Kanälen: - Verkehrskanäle (Traffic Channel TCH): - Full-Rate (TCH/F) 22, 8 kbit/s - Half-Rate (TCH/H) 11, 4 kbit/s Je nach verwendeter Redundanz können unterschiedlich viele Daten über einen TCH übertragen werden. - Steuerkanäle (Control Channel CCH): - Broadcast Control Channel (BCCH) BTS an alle MS - Common Control Channel (CCCH) Verbindungsaufbau - Dedicated Control Channel (DCH) Bidirektionale Verbindung, niedrige Bitrate

GSM-Rahmenhierarchie hyperframe 0 1 2 2045 2046 2047 3 h 28 min 53, 76 s . . . superframe 0 1 0 2 . . . 1 48 . . . 49 24 50 6, 12 s 25 multiframe 0 1 . . . 0 1 24 2 120 ms 25 . . . 48 49 50 235, 4 ms frame 0 1 . . . 6 7 4, 615 ms slot burst 577 µs 4. 41. 3

Weitere Aufgaben der Funkschicht Synchronisation: - über die Trainingssequenz in den Bursts - über spezielle logische Kanäle - Berücksichtigung der Signallaufzeit zwischen BTS und MT Vorwärtsfehlerkorrektur: - ein Großteil der möglichen Datenrate wird dafür eingesetzt Bitfehler zu korrigieren - diese kann in unterschiedlichem Unfang für die verschiedenen logischen Kanaltypen eingesetzt werden - bei Sprache: 13 kbit/s Daten und 9, 8 kbit/s Redundanz - durch die Verschachtelung der Daten zur Vorwärtsfehlerkorrektur entstehen zusätzliche Verszögerungen zwischen 60 ms und 100 ms

Sicherungsschicht Über die Luftschnittstelle wird LAPDm eingesetzt: - abgeleitet von LAPD für ISDN - ohne Prüfsumme, ohne Synchronisation, da dies auf Schicht 1 erledigt wird

Vermittlungsschicht Radio Resource Management: - Belegung, Aufrechterhaltung und Freigabe von Trägerfrequenzen Mobility Management: - Registrierung, Authentifizierung, Geräteidentifikation - Aktualisierung des Aufenthaltsortes Call Management: - Call Controll: Ende-zu-Ende Verbindungsmanagement - SMS - Supplementary Services: Anklopfen, Konferenzen, etc.

Lokalisierung und Verbindungsaufbau Mobile Subscriber International ISDN Number (MSISDN): Telefonnummer! International Mobile Subscriber Identity (IMSI): Identifiziert einen Benutzer, der u. U. über mehrere MSISDNs erreichbar ist. Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI): Wird für die Signalisierung über die Luftschnittstellt anstatt der IMSI verwendet um den Benutzer zu anonymisieren. Mobile Station Roaming Number (MSRN): Diese Nummer beschreibt den Aufenthaltsort des Mobilen Endgerätes.

Mobile Terminated Call 1: Ruf eines GSM Teilnehmers 2: Weiterleitung zum GMSC 3: Verbindungsaufbaunachricht zum HLR 4, 5: Anfrage der MSRN rufende vom VLR Station 1 6: Weiterleitung des derzeitigen MSC zum GMSC 7: Anrufweiterleitung zum derzeitigen MSC 8, 9: Statusabfrage der MS 10, 11: Ruf der MS 12, 13: MS antwortet 14, 15: Sicherheitsüberprüfung 16, 17: Verbindungsaufbau HLR 4 5 3 6 PSTN 2 GMSC 10 7 VLR 8 9 14 15 MSC 10 13 16 10 BSS BSS 11 11 12 17 MS 4. 43. 2

Mobile Originated Call 1, 2: Verbindungsaufbauwunsch 3, 4: Sicherheitsüberprüfung 5 -8: Resourcenüberprüfung 9 -10: Verbindungsaufbau VLR 3 4 6 PSTN 5 GMSC 7 MSC 8 2 9 MS 1 10 BSS 4. 44. 2

MTC/MOC MS MTC BTS MS MOC BTS paging request channel request immediate assignment paging response service request authentication response ciphering command ciphering complete setup call confirmed assignment command assignment complete alerting connect acknowledge data/speech exchange 4. 45. 2

4 Arten des Handover 1 MS BTS 2 3 4 MS MS MS BTS BTS BSC BSC MSC 4. 46. 2

Handover-Entscheidung BTSalt BTSneu Empfangssignalstärke HO_MARGIN MS Bewegung BTSalt MS BTSneu Umschaltpunkt 4. 47. 4

Handover-Prozedur MS BTSalt Messbericht BSCalt MSC BSCneu BTSneu Messbericht HO-Entscheidung HO required HO request Ressourcenreservierung ch. activation HO command HO request ack ch. activation ack HO access Link establishment clear command clear complete HO complete clear complete 4. 48. 3

Sicherheit in GSM Sicherheitsdienste q Zugangskontrolle / Authentifikation Teilnehmer SIM (Subscriber Identity Module): Geheimnummer PIN l SIM Netzwerk: Challenge-Response-Verfahren l q Vertraulichkeit l q Sprache und Signalisierungsdaten werden nach erfolgreicher Authentifikation verschlüsselt übertragen. Anonymität Temporäre Teilnehmerkennung TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) l Bei jedem Location Update (LUP) neu vergeben l Verschlüsselt übertragen l 3 Algorithmen in GSM spezifiziert: „geheim“: • A 3 und A 8 inzwischen im Internet verfügbar • Betreiber können auch stärkere Verfahren einsetzen A 3 zur Authentisierung („geheim“, Schnittstelle offengelegt) q A 5 zur Verschlüsselung (standardisiert) q A 8 zur Schlüsselberechnung („geheim“, Schnittstelle offengelegt) q 4. 49. 2

Ablauf Authentisierung SIM Mobilfunknetz Ki im AC (Access Control) RAND 128 bit A 3 RAND, SRES* und Kc wird vom VLR beim Au. C angefordert. SRES* 32 bit im MSC SRES* =? SRES RAND 128 bit A 3 auf SIM SRES 32 bit Ki: individual subscriber authentication key Ki 32 bit SRES: signed response 4. 50. 2

Ablauf Schlüsselbestimmung/Verschlüsselung MS mit SIM Mobilfunknetz (BTS) Ki im AC RAND 128 bit A 8 cipher key in BTS Ki 128 bit A 8 Kc 64 bit Datenblock A 5 auf SIM chiffrierte Datenblöcke SRES Datenblock MS A 5 4. 51. 2

Datendienste in GSM Derzeit Übertragung mit lediglich 9, 6 kbit/s möglich fortgeschrittene Kanalcodierung erlaubt 14, 4 kbit/s q zu wenig für Internet- und Multimedia-Anwendungen q HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data) bereits standardisiert q Zusammenfassung mehrerer Zeitkanäle für höhere AIUR (Air Interface User Rate)(z. B. 57, 6 kbit/s bei 4 slots zu 14, 4) q Vorteil: schneller verfügbar, kontinuierliche Qualität, einfacher q Nachteil: Kanalvermittlung nicht gut für Datenverkehr geeignet q 4. 38. 3

GPRS - GPRS verwendet die Infrastruktur von GSM - GPRS ist ein neuer Trägerdienst (Bearer Service) für GSM - GPRS ermöglicht Datenrate im Bereich von ISDN - bei GPRS kann nach Datenvolumen abgerechnet werden - GPRS wurde von der ETSI standardisiert - wird bspw. ab 1. 6. von D 1 angeboten - Abbildungen stammen aus: Bettstetter et. al. „GSM Phase 2+ General Packet Radio Service GPRS: Architekture, Protocols, and Air Interface“, IEEE Communication Surveys, 1999. http: //www. comsoc. org/livepubs/surveys/public/3 q 99 issue/bettstetter. html

GPRS Netzelemente und Schnittstellen

GPRS Netzelemente und Schnittstellen GPRS Support Nodes (GSN) - Service GSN (SGSN): für die Paketvermittlung von und zu Endstationen innerhalb einer „service area“ - Gateway GSN (GGSN): für die Paketvermittlung in andere paketvermittlende Netze (IP, X. 25) Schnittstellen: wie im Paper beschrieben!

GPRS Beispiel

GPRS Services Bearer Services: - Point to Point (PTP): Verbindungslos (PTP-CLNS) für IP - Point to Point (PTP): Verbindungsorientiert (PTP-CONS) für X. 25 - Point to Multipoint (PTM): erst in späteren Versionen von GPRS! Quality of Service: wird beim Verbindungsaufbau verhandelt!

Qo. S - Beispiele

GPRS Attach Vor der eigentlichen Kommunikation: - überprüfen ob der Benutzer autorisiert ist - Benutzerprofil vom HLR ins VLR des SGSN kopieren - dem Endgerät eine temporäre ID zuweisen (TMSI)

GPRS Context Activation GGSN

GPRS Routing

GPRS Location Management Problem: - kein location management, Endgerät ist nicht erreichbar - häufige location updates an SGSN: Verschwendung von Resourcen Daher: keine Location Updates Zelle Routing Area Zelle location updates bei Zellwechsel Location Area Zelle Routing Area Zelle location updates by routing area Wechsel

GPSR Location Management Es wird unterschieden in: - Intra-SGSN routing area update: das SGSN für die MS bleibt die gleiche. - Inter-SGSN routing area update: das zuständige SGSN wechselt, HLR, GGSN, etc. werden informiert.

GPSR Luftschnittstelle: Physikalische Kanäle - eine Station kann in mehreren physikalischen Zeitschlitzen senden - up und downlink werden unabhängig voneinander allokiert - die in einer Zelle zur Verfügung stehenden physikalischen Kanäle werden dynamisch auf GPRS und GPS aufgeteilt

GPSR Luftschnittstelle: Logische Kanäle Allgemeine Infos über die zur Verfügung stehenden GPRS Kanäle slotted aloha, Anfrage nach PDTCH Zuteilung von PDTCHs Lokalisierung des MT Notifikation bei Paketankunft

GPRS Protokollarchitektur Tunneling header compression, etc. LAPDm segmentation + arq slotted aloha für die Anfrage von Kanälen Fehlererkennung, FEC, physical link congestion

Notwendige Modifikationen für GPRS (CISCO GPRS Whitepaper) Subscriber Terminal (TE): A totally new subscriber terminal is required to access GPRS services. These new terminals will be backward compatible with GSM for voice calls. BTS A software upgrade is required in the existing base transceiver site (BTS). BSC The base station controller (BSC) will also require a software upgrade, as well as the installation of a new piece of hardware called a packet control unit (PCU). The PCU directs the data traffic to the GPRS network and can be a separate hardware element associated with the BSC. Core Network The deployment of GPRS requires the installation of new core network elements called the Serving GPRS Support Node (SGSN) and Gateway GPRS Support Node (GGSN). Databases (VLR, HLR, and so on) All the databases involved in the network will require software upgrades to handle the new call models and functions introduced by GPRS.

IMT-2000 ITU IMT-2000 (International Mobile Telecommunication) q Ziel: Spezifikation der 3. Generation mobiler Telekommunikationssysteme q Regionale Standadisierungskommitees: l ETSI (Europa), ARIB (Japan), TTA (Korea), ANSI (USA) q 3 rd Generation Partnership Project (3 GPP) q Geplantes Resultat: einheitliches System q Realität: verschiedene Systeme die mehr oder weniger interoperabel sind q UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) von ETSI q Buchempfehlung: Walke, Althoff, Seidenberg: UMTS – Ein Kurs, J. Schlembach Fachverlag, 2001. 4. 59. 2

IMT-2000 Familie UMTS Schnittstelle zum Übergang zwischen Netzwerken IMT-2000 Core Network ITU-T GSM ANSI-41 IP-Netze freie Zuordnung von Core Network zu Radio Access IMT-2000 Radio Access ITU-R IMT-DS IMT-TC IMT-MC IMT-SC IMT-FT (Direct Spread) (Time Code) (Multi Carrier) (Single Carrier) (Freq. Time) UTRA FDD (WCDMA) 3 GPP UTRA TDD (TD-CDMA) 3 GPP cdma 2000 UWC-136 (EDGE) UWCC/3 GPP DECT 3 GPP 2 ETSI 4. 64. 1

Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) UMTS q Minimale Anforderungen min. 144 kbit/s auf dem Land (Ziel: 384 kbit/s) l min. 384 kbit/s in den Vorstädten (Ziel: 512 kbit/s) l bis zu 2 Mbit/s innerstädtisch l q Weicher Übergang von GSM zu UMTS q Für uns besonders interessant: UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access) UTRA TDD l UTRA FDD l q Zwei Gründe für UMTS: neue Frequenzen werden für alte Anwendungen benötigt l neue Anwendungen l

UMTS - Anwendungen

UMTS Frequenzen

UMTS Minimale Sinnvolle Ausstattung pro Provider

Ergebnis Frequenzvergabe für UMTS am 18. 8. 2000 UTRA-FDD: q Uplink 1920 -1980 MHz q Downlink 2110 -2170 MHz q 12 Kanäle zu je 5 MHz q UTRA-TDD: q 1900 -1920 MHz, q 2010 -2025 MHz; q 4+3 5 MHz Kanäle q Abdeckung: 25% in der Bevölkerung bis 12/2003, 50% bis 12/2005 q Summe: 99, 3682 Mrd. DM 4. 65. 1

UMTS Architektur UTRAN (UTRA Network) Mobilität auf Zellenebene q Radio Network Subsystem (RNS) q Kapselung der funkspezifischen Abläufe q UE (User Equipment) CN (Core Network) Handover zwischen Systemen q Location Management falls keine dedizierte Verbindung zwischen UE und UTRAN besteht q Uu UE Iu UTRAN CN 4. 60. 2

UMTS Bereiche und Schnittstellen I Home Network Domain Cu USIM Domain Mobile Equipment Domain Uu Access Network Domain Iu Zu Serving Network Domain Yu Transit Network Domain Core Network Domain User Equipment Domain Infrastructure Domain User Equipment Domain q Einem Benutzer zugeordnet, um auf UMTS Dienste zuzugreifen Infrastructure Domain Geteilt für alle Benutzer q Bietet den zugelassenen Benutzern UMTS Dienste an q 4. 66. 1

UMTS Bereiche und Schnittstellen II User Services Identity Module (USIM) Funktionen zur Verschlüsselung und eindeutigen Authentisierung des Benutzers q Auf der SIM untergebracht q Mobile Equipment Domain Funktionen zur Funkübertragung q Teilnehmerschnittstelle zur Realisierung von Ende-zu-Ende. Verbindungen q Access Network Domain q Zugangsnetzabhängige Funktionen Core Network Domain Funktionen, die unabhängig vom Zugangsnetz sind q Serving Network Domain q l q Netz, das den gegenwärtig den Zugang realisiert Home Network Domain l Funktionen, die unabhängig vom aktuellen Aufenthaltsort des Benutzers dort zur Verfügung stehen 4. 67. 1

UMTS Netzwerk Gesamtaufbau Um BTS Abis UE BSS BSC Node BTSB VLR Iu B MSC GMSC Iu. CS D PSTN C F Access Network Node B UE Uu Node B EIR Gf Iub RNC RNS SGSN HLR Gr Gc Gn GGSN Gp Iu. PS CN 4. 71. 1

UMTS – Uu Schnittstelle UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access) Zwischen Mobilstation und UTRAN q Zwei alternative Systeme q UTRA-FDD = Frequency Division Duplex q In den gepaarten Frequenzen q UTRA-TDD = Time Division Duplex q In den ungepaarten Frequenzen q

UTRA FDD Aus Walke et al: UMTS – Ein Kurs

UTRA FDD Rahmenstruktur Superrahmen 720 ms 0 1 2 . . . Rahmen 10 ms 0 1 2 . . . Zeitschlitz 666, 7 µs Pilot TFCI FBI TPC 2560 chips 666, 7 µs Daten W-CDMA • 1920 -1980 MHz uplink 69 70 71 • 2110 -2170 MHz downlink • chipping rate: 3, 840 Mchip/s • soft handover 12 13 14 • Lokalisierung der MS (ca. 20 m Genauigkeit) • komplexe Leistungsuplink DPCCH (quadrature) steuerung (1600 power control cycles/s) uplink DPDCH (in phase) 2560 chips 666, 7 µs Daten 1 TPC TFCI Daten 2 Pilot DPDCH DPCCH 2560 chips downlink DPCH FBI: Feedback Information TPC: Transmit Power Control TFCI: Transport Format Combination Indicator DPCCH: Dedicated Physical Control Channel DPDCH: Dedicated Physical Data Channel DPCH: Dedicated Physical Channel 4. 61. 4

UTRA TDD Aus Walke et al: UMTS – Ein Kurs

UTRA TDD Rahmenstruktur Rahmen 10 ms 666, 7 µs 0 1 2 Zeitschlitz Daten Midample 1104 chips 2560 chips . . . Daten GP 1104 chips 12 13 14 traffic burst GP: Schutzzeit 96 chips TD-CDMA • 2560 chips per slot • symmetrische oder asymmetrische slot-Zuweisung auf up/downlink • genaue Synchronisation benötigt • einfache Leistungskontrolle (100 -800 power control cycles/s) 4. 62. 4

Zellatmung GSM Endgerät erhält volle Leistung der Basisstation q Anzahl eingebuchter Endgeräte hat keinen Einfluss auf die Zellgröße q UMTS Zellgröße ist eng korreliert mit der Kapazität der Zelle q Kapazität ist bestimmt durch den Signal-Rausch-Abstand q Rauschen entsteht durch vorhandene Interferenz q anderer Zellen l anderer Teilnehmer l Interferenz erhöht das Rauschen q Endgeräte an der Zellgrenze können das Signal (aufgrund der Sendeleistungsbeschränkung) nicht weiter verstärken keine Kommunikation möglich q Beschränkung der Teilnehmeranzahl notwendig q q Zellatmung erschwert die Netzwerkplanung erheblich 4. 75. 1

Zellatmung: Beispiel 4. 76. 1

UTRAN Architektur RNS UE 1 Node B Iub RNC: Radio Network Controller RNS: Radio Network Subsystem Iu RNC CN UE 2 Node B UE 3 Iur Node B Iub RNC UTRAN besteht aus mehreren RNS Node B kann FDD, TDD oder beides unterstützen RNC ist verantwortlich für Handover-Entscheidungen, die der Signalisierung zum UE bedürfen Zelle bietet FDD oder TDD Node B RNS 4. 68. 1

UTRAN Funktionen q q q q Zugangskontrolle (Admission Control) Congestion Control System Information Broadcasting Verschlüsselung auf dem Funkkanal Handover Konfiguration des Funknetzes Funkkanalmessungen Makrodiversität (Macro Diversity) Funkträgersteuerung Datenübertragung auf der Funkschnittstelle Leistungssteuerung (FDD- und TDD-Modus) Kanalkodierung Zugriffssteuerung 4. 69. 1

Mobilitätsunterstützung: Macro diversity Senden des gleichen Datenstroms über verschiedene physikalische Kanäle q ermöglicht soft-handover q nur im FDD-Modus q uplink q UE gleichzeitiges Empfangen der Daten des UE an verschiedenen BTS/Node B q Wiedergewinnung des Datenstroms im Node B oder RNC q Node B q RNC CN downlink gleichzeitiges Senden der Daten in unterschiedlichen Zellen q unterschiedliche Spreizcodes in verschiedenen Zellen q 4. 74. 1

Mobilitätsunterstützung: Handover Von/zu anderen Systemen (z. B. UMTS nach GSM) q RNS zu dem Verbindung besteht wird als SRNS (Serving RNS) bezeichnet. q RNS das zusätzliche Ressourcen bereitstellt (z. B. für Soft. Handover) wird als DRNS (Drift RNS) bezeichnet q Ende-zu-Ende Verbindungen zwischen UE und CN nur über Iu am SRNS q Wechsel des SRNS führt zum Wechsel der Iu q Initiiert durch SRNS q gesteuert durch RNC und CN q SRNS Iur UE DRNS CN Iu 4. 73. 1

Core Network Das Kernnetz (Core Network, CN) und damit auch die Iu. Schnittstelle sind logisch in zwei Bereiche geteilt: q Circuit Switched Domain (CSD) Leitungsvermittelter Dienst inkl. Signalisierung q Ressourcenreservierung beim Verbindungsaufbau q GSM-Komponenten (MSC, GMSC, VLR) q Iu. CS q q Packet Switched Domain (PSD) GPRS-Komponenten (SGSN, GGSN) q Iu. PS q 4. 70. 1

UMTS Netzwerk Gesamtaufbau Um BTS Abis UE BSS BSC Node BTSB VLR Iu B MSC GMSC Iu. CS D PSTN C F Access Network Node B UE Uu Node B EIR Gf Iub RNC RNS SGSN HLR Gr Gc Gn GGSN Gp Iu. PS CN 4. 71. 1

Erweiterungen von UMTS gegenüber GSM q Circuit Switched: ATM wird als Schicht 2 Protokoll verwendet q Hand-Over wird zwischen RNS Instanzen über die Iur Schnittstelle geregelt und verlangt nur minimale Unterstützung durch das CN q Sinalisierung für Multimediaströme: über H. 324 q q Packet Switched: verstärkter Einsatz von IP Technologie wie Mobile IP q neue Qo. S Klassen: q conversational (Telefonie, Spiele) l streaming (Empfang von einem Video on Demand Server) l interactive (WWW) l background (e-mail, SMS) l 4. 70. 1

Weitere Entwicklung im CN q All-IP Architecture es wird ausschließlich IP als Netzwerkprotokoll verwendet, die ISDN Komponenten werden ersetzt q großes Problem: Qo. S, da jetzt keine festen Kanäle mehr vermittelt werden q Lösung: q overprovisioning (mehr Bandbreite als notwendig anbieten) l Int. Serv (Bandbreite in den Routern reservieren) l Diff. Serv (verschiedene Dienstgüteklassen anbieten) l