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Alle Oberthemen / Informatik / Mobilkommunikation

Mobilkommunikation (70 Karten)

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von wem stammt die Free Space Equation?
Harald T. Friis (1893 - 1976)
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Mobilität - Klassifikation
No Mobility
Nutzer verwendet ein fest installiertes Telefon, das fest mit dem Netzwerk verbunden ist (z.B. klassisches Festnetz)

Terminal Mobility
drahtlose Verbindung zwischen Endgerät und Access Point

Personal Mobility
ermöglicht dem Nutzer erreichbarkeit, egal welches Endgerät er verwendet, und welches zugrunde liegende Netz verwendet wird
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Was sind die Hardware-Komponenten eines infrastrukturbasierten drahtlosen Netzwerkes?
  • Access Points (Transceiver)
  • Switches
  • Databases
  • Servers
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Topologie eines GSM-Netzes
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Was ist ein SIM?
SIM = Subscriber Identity Module
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GSM: Was ist ein BSS und woraus besteht es?
BSS = Base Station Subsystem

besteht aus einem Base Station Controller (BSC)
  • Kann mehrere Zellen kontrollieren
  • Führt grundlegende Kontrollfunktionen aus wie Frequenzenverteilung, Handover, Paging...

und einer oder mehrerer Base Transceiver Station (BTS)
  • Definiert einzelne Funkzelle
  • jede BTS hat Set von Kanälen
  • nur grundlegende Netzfunktionen
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wie lautet die Free Space Equation?


Pr received power
Pt transmitted power
Gr gain of receiving antenna
Gt gain of transmitting antenna
d distance between antennas
λ wavelength
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GSM: was ist ein MSC?
MSC = Mobile Switching Center
  • Führt Vermittlungsfunktionen aus (Pfadsuche, Signalrouting...)
  • Zusätzlich diverse Drahtlos-Features (Handover zwischen BSS, Location registration...)
  • Kommunikation mit anderen MSCs mit Signalling System #7

Gateway MSCs
  • Schnittstelle zwischen mobilen und traditionellen Netzen
  • Notwendig als erste Anlaufstelle, da Festnetz nicht am HLR anfragen kann
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GSM: welche Register gibt es?
Home Location Register (HLR)
  • Zentrale Datenbank die permanente und temporäre Informationen zu jedem netzwerk-eigenen Subscriber speichert

Visitor Location Register (VLR)
  • verteiltes System einzelner Datenbanken
  • normalerweise mit MSC kombiniert
  • enthält Informationen zu Subscribern, die momentan in der assoziierten Zone eingewählt sind
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GSM: welche Zusatzkomponenten verwendet GPRS?
GPRS = General Packet Radio Services
  • bietet paketvermittelte Datendienste
  • verwendet GSM-Zugangsinfrastruktur
  • verwendet neues Core-Netzwerk

Serving GPRS Support Node (SGSN)
  • Internetrouter mit Mobilitätsunterstützung
  • Gegenstück zum MSC

Gateway GPRS Support Node (GGSN)
  • Gateway zum öffentlichen Internet
  • Gegenstück zum GMSC


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Topologie UMTS-Netz
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Weitere mobile Standards
IEEE 802.11: Sammlung von mehreren mobilen standards
  • Infrastrukturmodus (ein oder mehrere BSS [=radio cells])
  • Ad-Hoc-Modus


Bluetooth
  • Piconet: besteht aus einem Master und bis zu 7 Slaves; Slaves kommunizieren nur mit Master
  • Scatternet: Gruppe von Piconets, die durch Endgeräte zusammengeführt werden, die in mehreren Piconets eingebucht sind


WiMAX (= Worldwide Interoperability for Microwave Access)
  • Fixed WiMAX: 10-66 GHz, Line of Sight required, < 134 Mbps
  • Nomadic WiMAX: 2-11 GHz, Non-Line-of-Sight, < 70 Mbps, kein Mobility Support
  • Mobile WiMAX: Mobilitätsunterstützung
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Signale und Übertragungen
Data
  • Einheit, die eine Information darstellt
  • analog: nimmt kontinuierliche Werte innerhalb eines Intervalls an (z.B. Ton)
  • digital: nimmt diskrete Werte an (z.B. Text, Zahlen)


Signale
  • elektrische oder elektromagnetische Kodierung von Daten
  • analog: kontinuierlich variierende elektromagnetische Wellen
  • digital: Sequenzen von Spannungspulsen


Übertragung
  • Kommunizieren von Daten unter Verwendung von Signalen
  • analog: wird verwendet um analoge Signale ohne Berücksichtigung des Inhalts zu übertragen
  • digital: wird verwendet, um analoge und digitale Signale unter Berücksichtigung der Signal-Inhalte zu übertragen
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Signale und Übertragungen
Basisband und Träger
Basisband-Signal
Bereich zwischen niedrigster und höchster Frequenz des Signals, nach dem Konvertieren von analogen oder digitalen Daten
Träger-Signal
Basisband-Signal wird auf eine höhere Frequenz aufmoduliert

Gründe für die Verwendung von Träger-Frequenzen
  • Frequency Division Multiplexing
  • Antennengröße hängt von verwendeter Trägerfrequenz ab
  • Unterschiedliche Ausbreitungscharakteristika auf verschiedenen Trägerfrequenzen
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analoge und digitale Signale aus analogen digitalen Daten
analoge Daten analoges Signal
entweder selbes Basisband belassen oder auf anderen Träger kodieren
analoge Daten digitales Signal
analoge Daten wird unter Verwendung eines codec kodiert (z.B. PCM) um einen digitalen Bitstrom zu erzeugen

digitale Daten analoges Signal
digitale Daten werden mit einem Modem kodiert, um analoges Signal zu erzeugen
digitale Daten digitales Signal
  • Signal besteht aus 2 Spannungsleveln, um die binären Werte darzustellen
  • Daten wird mit Redundanzinformationen angereichert, um Fehlerkorrektur zu erreichen
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analoge vs. digitale Übertragung
analoges Signal analoge Übertragung
  • wird auf Signalweg durch Verstärker verstärkt (mit Rauschen)
  • keine Unterschiedliche Behandlung von analogen und digitalen Daten

analoges Signal   digitale Übertragung
  • geht davon aus, dass das analoge Signal digitale Daten repräsentiert
  • Verstärker extrahieren digitale Daten vom eingehenden Signal und generieren ein neues, sauberes Signal


digitales Signal digitale Übertragung
  • digitales Signal repräsentiert einen Strom von 0ern und 1en
  • Repeater extrahieren Strom von 0en und 1en und generieren ein neues, sauberes Signal
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Antennentypen
isotrope Antenne
  • Ideale Antenne, die nur theoretisch existiert
  • Punktförmiger Strahler, der in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlt

/2-dipol Antenne
Abstrahlcharakteristika eines Torus

Yagi-Uda Antenne
Kombination von mehreren Dipolen, um eine starke Richtungswirkung zu erzeugen

Antennengewinn (Gain):
Feldstärke einer (gerichteten) Antenne im Vergleich zum isotropen Strahler
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Fading
Schwankungen der Empfangsfeldstärke bei Funkübertragungen
  • Large-scale Fading: Mittelwert des empfangenen Signals nimmt über die Entfernung zum Sender ab (Pfadverlust)
  • Small-scale Fading: kurzzeitige Schwanken z.B. durch Mehrwegeausbreitung


wichtige physikalische Effekte
  • Refexion
  • Beugung
  • Streuung
  • Dopplerverschiebung

Reflexion, Beugung, Streuung führen zu Mehrwegeausbreitung
Mehrwegeausbreitung kann zu Intersymbolinterferenz führen
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Multiplexing
Aufgabe von Multiplexing ist es, mehreren Sendern/Empfängern Kommunikationskanäle auf einem gemeinsam genutzten Medium bereitzustellen.

4 Dimensionen:
  • Raum (SDM: Space Division Multiplexing)
  • Zeit (TDM: Time Division Multiplexing)
  • Frequenz (FDM: Frequency Division Multiplexing)
  • Code (CDM: Code Division Multiplexing)
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Modulation: Begriffe
Modulation
Modifikation von Parametern der Trägerfrequenz in Abhängigkeit des zu sendenden Signals
Signal state
eine oder mehrere Konstellationen eines Parameters des Trägers, die von einem bestimmten Modulationsverfahren vorgegeben sind
Symbol
abstrakte Menge, die ein oder mehrere Bits tragen kann und einem bestimmten Signal state zugeordnet ist
Pulse
Darstellung eines bits oder Symbols
Chip
kleiner Pulse, der -1 oder +1 darstellt (Chipdauer << Symboldauer)
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Modulationsverfahren (Amplitude, Frequenz)
Amplitude Shift Keying (ASK)
binäre Werte werden durch 2 verschiedenen Amplituden einer Trägerfrequenz repräsentiert
sehr anfällig für small scale fading

Frequency Shift Keying (FSK)
binäre Werte werden durch 2 verschiedene Frequenzen repräsentiert
  • continuous phase modulation: Frequenzänderungen nur bei Null-Durchgängen
  • non-continuous phase modulation: größere Seitenbänder

Minimal Shift Keying (MSK)
Spezialform von FSK mit halbiertem minimalen Abstand zwischen den beiden verwendeten Frequenzen
Frequenzen werden teilweise invertiert, um in phase zu bleiben
hat niedrige Seitenbänder, und mittlere Breite in der main lobe
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Modulationsverfahren (Phase, Phase + Amplitude)
(Binary) Phase Shift Keying ([B]PSK)
verwende 2 verschiedene Phasen um binäre Werte zu repräsentieren

Differential PSK
  • binäre 0: sende gleiche Phasenlage, wie vorheriges bit
  • binäre 1: sende ein Signal mit der anderen Phasenlage als das vorherige

Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)
verwende 4 verschiedene Phasen 4 Signalzustände 2 bit pro Signal (z.B. in UMTS und IEEE 802.11 verwendet)
hat niedrige Breite in main lobe (Bandbreiteneffizient), aber vergleichsweise starke Seitenbänder

Quadrature Amplitude Modulation (QAM)
Kombination von ASK und QPSK
8 Signalzustände 3 bit pro Signal (alternativ in IEEE 802.11)

auch QAM-16, QAM-64, QAM-256 möglich
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Modulation (Nyquist, Signal-to-Noise Ratio, Shannon)
Nyquist-Theorem


Signal-to-Noise Ratio
Verhältnis zwischen Signalstärke und Rauschen in einer gegebenen Bandbreite

Shannon-Theorem
maximale Datenrate in einem verrauschten Kanal der Bandbreite b:
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Modulation (Bandwidth Efficiency, Power Efficiency, Adjacent Channel Interference)
Bandbreiten-Effizienz
Verhältnis zwischen Datenrate und Bandbreitenbelegung (Durchsatz / Hz)

Power Efficiency
gibt an, wie günstig der Kompromiss zwischen geringer Bitfehlerwahrscheinlichkeit und Signalstärke eines bestimmten Modulationsverfahrens ist

Adjacent Channel Interference
Seitenbänder können mit benachbarten Frequenzbändern interferieren
sollten niedrig gehalten werden
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Spreizspektrum (Prinzip und Klassifizierung)
  • Technik, bei der eine Übertragungsbandbreite gewählt wird, die um mehrere Größenordnungen größer ist, als die minimal benötigte Signalbandbreite
  • für einzelnen Nutzer sehr bandbreitenineffizient
  • aber viele Nutzer können gleichzeitig die selbe Bandbreite verwenden, ohne signifikant miteinander zu interferieren
  • dadurch wird Verfahren bandbreiteneffizient

Klassifizierung
  • Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS):
  • ... Signal wird vor der Modulation auf einen Träger gespreizt
  • ... jedes Symbol wird von einer bestimmten Anzahl von Chips repräsentiert, die zu einer höheren Bandbreite mit Redundanzen führt (XOR-Verknüpfung von Daten mit Chipping Sequence)
  • Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS):
  • ... Signal wird während der Modulation gespreizt
  • ... Trägerfrequenz wird nach einer vorgegebenen Hüpfsequenz geändert
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DSSS / FHSS
DSSS
  • durch Spreizung hat Signal einen Redundanzfaktor und ist dadurch sehr robust
  • Interferenzen haben typischerweise eine hohe Signalstärke und sind schmalbandig
  • durch Prozessgewinn wird beim De-spreading die Signalstärke der Interferenzen reduziert
  • Prozessgewinn: Verhältnis RF-bandbreite / Informationsbandbreite

FHSS
  • Hüpfsequenz muss Sender und Empfänger bekannt sein
  • Interferenzen treten nur kurzzeitig auf einzelnen Frequenzen auf (geringe Auswirkungen bei vielen Hops/bit)
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Vorteile von Spreizspektrum
  • Sicherheit: Signal kann nur schwer von Hintergrundrauschen unterschieden werden
  • Robustheit: geringe Anfälligkeit gegenüber schmalbandigen Interferenzen und Mehrwegeausbreitung (aufgrund von Autokorellationseigenschaft)
  • Overlay: Übertragungen können auf gleichen Frequenzen senden, auf denen sich bereits schmalbandige Übertragungen befinden
  • Mehrfachzugriff: unterschiedliche Datenraten durch Verwendung unterschiedlicher Codes möglich; Random access: Nutzer können zu beliebiger Zeit mit Übertragung beginnen
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Spreizspektrum: Korrelation
Auto-Korrelation
ein Code hat eine gute auto-korrelation, wenn das innere Produkt mit sich selbst hoch ist, und das innere Produkt mit dem selben, geshifteten Code niedrig ist

Kreuz-Korrelation
2 Codes haben eine niedrige Kreuz-Korrelation, wenn ihr Produkt für alle geshifteten Kombinationen niedrig ist
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Pseudo Noise (PN) Sequences
  • periodische Sequenz, die sich wiederholt und zufällig erscheint
  • erzeugt mit Linear Feedback Shift Register (LFSR) m-Sequenzen

Eigenschaften
  • Balance property: in einer langen Sequenz sollte gut die Hälfte der bits 1 sein
  • Run property: run ist eine Sequenz von 1ern oder 0ern; Hälfte der runs sollten die Länge 1 haben, ein Viertel die Länge 2, ein Achtel die Länge 3, ...
  • Independence: kein Wert der Sequenz kann von den anderen abgeleitet werden
  • Auto-Korrelation: gute Auto-Korrelation um Sender und Empfänger zu synchronisieren
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Gold Sequenzen
  • in CDM wird für jeden Nutzer eine eigener Spreizcode benötigt
  • Spreizcodes sollten eindeutig definierte Kreuz-Korrelationseigenschaften haben, die von m-Sequenzen nicht gegeben sind

Gold-Sequenzen werden mittels XOR-Verknüpfung von 2 m-Sequenzen gebildet
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Orthogonale Codes / Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF)
  • Orthogonale Codes sind ein Satz von Sequenzen, bei denen alle paarweisen Kreuz-Korrelationen gleich 0 sind.
  • Orthogonale Codes bieten gute Bandbreiteneffizienz, weil Redundanz minimal gehalten werden kann


Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF):
  • rekursive Generierung von variablen orthogonalen codes, unter Verwendung einer Baumstruktur
  • ein Knoten übernimmt den Code seines Vorgängers und hängt entweder eine Kopie oder das Inverse dieses Codes an
  • Alle Codes auf unterschiedlichen Ebenen sind orthogonal, solange kein Code ein Vorgänger eines anderen ist
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Spreizspektrum in GSM, UMTS, IEEE 802.11
GSM:
Frequenzhüpfen optional mit 217 Hops/Sek (TDMA frame Dauer)

UMTS:
Spreizung in 2 Phasen
  • OVSF codes werden verwendet um gegenseitige Orthogonalität zwischen Teilnehmern einer Zelle oder verschiedenen Kanälen eines Nutzers zu bieten
  • channelization codes
  • Goldsequenzen serden verwendet, um Zufälligkeit zwischen Nutzern verschiedener Zellen zu erreichen scrambling codes


IEEE 802.11:
  • DSSS: 11-bit Barker Sequenz wird von allen Nutzern zum Spreizen des Signals eingesetzt nur verwendet um Interferenzen zu kompensieren und nicht, um Nutzer voneinander zu unterscheiden
  • FHSS: jeder Access Point kann aus einer von 3 Hüpfsequenzen aussuchen, die aus je 26 Hops bestehen
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Mehrträger-Modulation
Problem: Intersymbol Interferenz (ISI)
  • Verzögerte Kopien eines Symbol-Impulses (verursacht durch Mehrwegeausbreitung) können nachfolgende Symbole zerstören
  • Menge der ISI hängt von der Symbolrate (Symboldauer), der Intensität der Mehrwegeausbreitung und der Distanz zwischen Sender und Empfänger ab


Lösung: Mehrträger-Modulation
teile den breitbandigen Träger into viele schmalbandige Unterträger mit entsprechend niedrigerer Bandbreite auf
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM):
Orthogonalität zwischen Unterträgern: bei einer Spitze eines Unterträgers, haben alle anderen Unterträger einen Nulldurchgang
(wird in DVB verwendet)
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Medienzugriffsverfahren: Klassifizierung
Fixed-assigned access:
verbindungsorientiert
  • stammt aus Telekommunikationsbereich
  • Ressourcen werden für die gesamte Länge der Übertragung zugeteilt


Random access:
verbindungslos
  • stammt aus dem Bereich der Datenübertragung
  • Bietet einen flexiblen und effizienten Weg, einen Kanal zu verwalten, um kurze Nachrichten zu übertragen
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Fixed-Assignment Access (FDMA, TDMA)
FDMA (basierend auf FDM)
  • Alle Nutzer übertragen gleichzeitig und werden über verschiedene, zugewiesene Frequenzen voneinander getrennt
  • Basisstation und mobiles Endgerät übertragen gleichzeitig und kontinuierlich (Uplink/Download-Kanäle)

TDMA (basierend auf TDM)
  • Spektrum wird in time slots unterteilt: in jedem slot kann 1 Nutzer übertragen
  • Übertragung ist nicht-kontinuierlich

Beispiele:
GSM: Kombination von TDMA und FDMA
Uplink und Downlink auf verschiedenen Frequenzen + Time Slots
DECT: TDMA 12 uplink + 12 downlink timeslots auf jeder Trägerfrequenz
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Fixed-Assignment Access
GSM: Auswirkungen der Ausbreitungsverzögerung
Auswirkungen von Ausbreitungsverzögerung:
  • Distanz zwischen Mobil- und Basisstation verändert sich normalerweise
  • Ausbreitungsverzögerung verändert sich dadurch auch
  • Interferenzen mit Nachbarkanälen (benachbarten time slots)

Einführung von Schutzzeiten zwischen time frames
Problem: Lange Schutzzeiten bei großen Zellen nötig. Dadurch wird Übertragungskapazität stark verringert
Lösung: Adaptive frame synchronization basierend auf timing advance (Messung der Ausbreitungsverzögerung und anschließender Vorverlagerung der Übertragung)
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Fixed-Assignment Access
GSM: Physikalische und logische Kanäle
Nutzerdaten: z.B. Sprache, SMS, Fax, WAP requests and responses
Kontroll- oder Signalisierungsinformationen: z.B. Location Update, Paging, Messungen für handover

werden übertragen in Kanälen
  • physikalische Kanäle: entsprechen einem time slot in einem TDMA-Rahmen auf einer Frequenz
  • logische Kanäle: werden auf physikalischen Kanälen in einer vorgegebenen Reihenfolge übertragen
  • ... traffic channels: transportieren Sprache und Daten (full rate / half rate [abwechselnd 2 Nutzer pro time slot]
  • ... control channels: transportieren Kontroll- und Signalisierungsinformationen
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Fixed-Assignment Access
GSM: Data Bursts
verschiedene Strukturen von time slots, die für unterschiedliche Zwecke verwendet werden
  • Normal burst: 2x 57 Daten-bits, Trainingssequenz in der Mitte
  • Frequency Correction Burst: 142 bit 0en pures Sinussignal mit GMSK
  • Synchronization burst: 2x 39 Daten-bits; längere Trainingssequenz zur Zeitsynchronisation (enthält TDMA Nummer und Base Station Identification Code [BSIC])
  • Dummy Burst: wird gesendet, wenn sonst nichts zur Übertragung ansteht (wie normal burst mit leeren Daten)
  • Access Burst: Trainingssequenz am Anfang, 36 Daten-Bits, lange Schutzzeit (da noch kein Timing Advance bestimmt wurde)
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Fixed-Assignment Access
GSM: Logische Kanäle
Broadcast Channels (BCH):
vom BSS verwendet um die selben Informationen an alle Endgeräte in einer Zelle zu senden
  • Broadcast Control Channel (BCCH)
  • Frequency Correction Channel (FCCH)
  • Synchronization Channel (SCH)

Common Control Cannel (CCCH):
verwendet um Kontrollinformationen auszutauschen; entweder im Down- oder Uplink
  • Random Access Channel (RACH)
  • Access Grant Channel (AGCH)
  • Paging Channel (PCH)
  • Notification Channel (NCH)

Dedicated Control Channel (DCCH):
bidirektionale Kanäle für Signalisierungs- und Kontrollinformationen für einen bestimmten Nutzer
  • Stand-alone Dedicated Control Channel (SDCCH)
  • Slow Associated Control Channel (SACCH)
  • Fast Associated Control Channel (FACCH)
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Fixed-Assignment Access
GSM: Multiframe-Strukturen
Traffic Multiframe:
besteht aus 26 TDMA Frames (mit je 8 time slots)
  • jeder 13. Frame ist SACCH
  • dazwschen jeder Frame TCH (Traffic Channel)
  • FACCH verwendet die Hälfte von 8 aufeinanderfolgenden Bursts vom TCH

Control Multiframe:
wird im ersten time slot der niedrigsten Trägerfrequenz der Funkzelle ausgestrahlt
  • besteht aus 52 TDMA frames
  • Uplink wird nur für RACH verwendet (nach Slotted-Aloha Verfahren)
  • Downlink: FCCH, SCH, BCCH, PCH, AGCH in vorgegebener Folge
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Code Division Multiple Access (CDMA)
Direct Sequence CDMA (DS-CDMA):
  • Nutzer werden durch verschiedene Spreizcodes nach DSSS voneinander getrennt
  • Beispiel: UMTS (UTRAN FDD/ UTRAN TDD)

Frequency Hopping CDMA (FH-CDMA):
  • Trägerfrequenz wird nach FHSS rapide gewechselt
  • Beispiel: Bluetooth
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UMTS: UTRAN FDD/ UTRAN TDD
UTRAN FDD Modus:
  • physikalischer Kanal gegeben durch Trägerfrequenz und channelization code (OSVF)
  • Spreizfaktoren: 1, 2, 4, ..., 256
  • Multicode und Multirate- Nutzer


UTRAN TDD Modus:
verwendet für indoor/pico-cells
  • physikalischer Kanal gegeben durch Trägerfrequenz, access code, time slot
  • multislot: ein Nutzer erhält mehrere time slots
  • multicode with fixed spreading (Spreizfaktor = 8)
  • oder single code with variable spreading
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UMTS: Power Control
Nötig aufgrund von Near-Far-Effekt (Empfänger näher an der Basisstation kann Empfänger, der weiter wegliegt "übertönen")

im Downlink:
Minimierung von inter-cell-interference

im Uplink:
zum Beheben des near-far-Effekts (intra-cell-interference)
  • wenn Mobilstation weit von Node-B entfernt ist und der Prozessgewinn für die Übertragung nicht mehr ausreicht:
  • ... erhöhe Sendestärke, falls sie noch unter maximal erlaubtem Wert liegt
  • ... verwende einen größeren Spreizfaktor (einhergehend mit niedrigerer Übertragungsrate)
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UMTS: WCDMA Frame Structure
WCDMA-Frame: 10ms
unterteilt in 15 slots
2560 chips/slot
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UMTS: Channelization & Scrambling Codes
Probleme von Channelization Codes:
  • WCDMA Zellen arbeiten normalerweise auf der gleichen Frequenz
  • Zugriff auf den OVSF Code-Baum muss zwischen benachbarten Zellen koordiniert werden, oder jede Zelle benötigt eigenen Code-Baum
  • Ausbreitungsverzögerungen von Nutzern mit unterschiedlichen Entfernungen zur Node B können Orthogonalität zerstören
  • Lösung: Verwendung von Scrambling Codes (Gold Codes) zur Nutzerseparierung (Uplink) und Zellseparierung (Downlink)
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FH-CDMA: Bluetooth
FH-CDMA:
  • Bandbreite wird in 79 physikalische Kanäle unterteilt
  • überlappende Piconetze werden durch Frequenzhüpfen voneinander getrennt
  • Hüpfsequenz wird über die Bluetooth-Adresse des Masters generiert
  • 1600 Hops/s


TDMA:
  • innerhalb eines Piconet verwendet
  • abwechselnd Up- und Downlink-Kanäle
  • Master sendet in ungeraden Slotnummern
  • Slaves senden in geraden Slotnummern
  • Polling


Multi-slot operation:
kein Frequenzhüpfen während eines Pakets Hüpfen wird ausgelassen
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Zufallszugriff
ALOHA-Varianten
Pure ALOHA:
  • Sender sendet sofort, wenn Nachricht zur Übertragung bereit ist
  • erfolgreiche Übertragung wird mit ACK bestätigt
  • im Kollisionsfall, wartet Station eine zufällige Zeitspanne und sendet Nachricht erneut

Slottet ALOHA:
  • Wenn Kollisionen auftreten, passieren diese nur in gesamten Timeslots
  • Durchsatz steigt von 18% auf 36%

Reservation ALOHA or Demand Assigned Multiple Access (DAMA):
  • time slots werden in Reservierungs- und Übertragungsphasen aufgeteilt
  • in Reservierungsphase können künftige slots in der Übertragungsphase reserviert werden
  • Kollisionen treten nur in Reservierungsphase auf
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Zufallszugriff (PRMA)
Packet Reservation Multiple Access (PRMA):
  • bestimmte Anzahl an Slots wird zu Frames zusammengefasst
  • Stationen bewerben sich für freie slots nach dem Slotted ALOHA Verfahren
  • Wenn ein time slot erfolgreich reserviert wurde, bleibt er der Station solange zugewiesen, wie Daten zu senden sind
  • Bewerbungsphase um slot beginnt wieder, sobald dieser im letzten Frame frei war

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Zufallszugriff: CSMA
  • Medium wird abgehört und sendet nur, wenn Kanal frei ist
  • Wenn Kanal belegt ist, wird Backoff-Algorithmus verwendet, um Übertragung zu verschieben
  • Binary Exponential Backoff als Backoff-Algorithmus (Zufalls-Warteintervall vergrößert sich exponentiell nach jeden erfolglosen Zugriffsversuchen)

Varianten:
  • Unslotted non-persistent CSMA
  • Slotted non-persistent CSMA
  • Unslotted p-persistent CSMA
  • Slotted p-persistent CSMA

Probleme:
  • Hidden-Terminal
  • Exposed-Terminal
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Zufallszugriff: MACA, IEEE 802.11
Multiple Access with Collision Avoidance (MACA):
  • nutzt Signalisierungspakete (RTS/CTS)
  • kann teilweise hidden / exposed terminal Problematik beheben

IEEE 802.11:
  • Distributed Coordination Function (DCF): Ad-Hoc mode
  • Point Coordination Function (PCF): Infrastructure mode
  • Interframe Spacing (IFS) als Prioritätsmechanismus (SIFS, PIFS, DIFS)
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Zellulare Systeme
  • aufteilen des verfügbaren Frequenzspektrums in verschiedene Frequenzgruppen
  • benachbarte Basisstationen verwenden unterschiedliche Frequenzgruppen
  • Frequenzgruppen können aufgrund von Pfadverlust in mehreren Zellen verwendet werden, wenn die Distanz groß genug ist

Vorteile:
  • höhere Kapazität
  • niedrigere Sendeleistung nötig

Nachteile:
  • Infrastruktur um Basisstationen zu vernetzen benötigt
  • Handover benötigt
  • Frequenzplanung
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Zellplanung
für Zellplanung ist die Annahme von hexagonalen Zellen am Besten geeignet.

Clusterbildung:
  • ein Cluster von Zellen enthält alle verfügbaren Frequenzen
  • innerhalb eines Clusters dürfen Frequenzen jeweils nur einmal verwendet werden
  • FDMA-basierte Netze: Clustergrößen normalerweise 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, ...
  • CDMA-basierte Netzte haben Clustergröße von 1 (alle Stationen senden auf selber Frequenz)
  • adaptive power control; atmende Funkzelle
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Zellplanung: Kapazitätserhöhung
Cell Splitting:
  • Zelle aufteilen in kleinere Zellen
  • Anpassung der Signalstärke nötig, wegen sich ändernder Distanz zu Zellen mit gleicher Frequenzgruppe
  • Ggfs. Unterteilung der jeweiligen Frequenzgruppe nötig

Cell Sectoring:
  • Verwendung von Sektorantennen, die bestimmten Winkel abdecken
  • Verringert Anzahl der Zellen, zwischen denen Interferenzen auftreten

Methoden zur Frequenzverteilung:
  • Fixed Channel Allocation (FCA)
  • Borrowing Channel Allocation (BCA)
  • Dynamic Chnnel Allocation (DCA)
  • Hybrid Channel Allocation (HCA)
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Mobility Management
  • Handover Management (Verbindung verwalten, wenn Nutzer sich über Zellgrenzen hinweg bewegt
  • Location Management (Nutzerlokalisierung)
  • ... Location Update: vom mobilen Entgerät initiiert, um das Netzwerk über den Standort des Nutzers zu informieren
  • ... Paging: Broadcast-Nachricht vom Netzwerk um Zelle zu bestimmen, in der sich Nutzer gerade aufhält
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Handover Management
Handover Prozess:
  • 1. Messungen (Signalstärke von bedienender Basisstation und umliegenden Stationen)
  • 2. Entscheidung
  • 3. Ausführung

Entscheidungsvariablen:
  • Schwellenwerte
  • Hysterese
  • Komination aus beidem (verhindert Ping-Pong-Effekt)
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Handover Klassifizierung
Hard vs. Soft Handover:
  • Hard handover: break before make (Terminal immer nur mit einer Station in Verbindung) (FDMA/TDMA)
  • Soft handover: make before break (CDMA)

weitere Klassifizierungen:
  • Intra-frequency handover (CDMA)
  • Inter-frequency handover (GSM)
  • Inter-sytem handover (GSM <> UMTS)
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Kontrolle über Handover
Network-controlled Handover (NCHO):
  • Netz misst Übertragungsqualität über die Basisstation und entscheidet selbst über Handover
  • Mobile terminal nimmt keine Messungen vor
  • Handover prozess dauert 100-200ms
  • analoge Systeme

Mobile-assisted Handover (MAHO):
  • Mobile terminal misst kontinuierlich Signalstärke von bediendender und umliegenden Basisstationen und schickt die Messdaten an die bedienende Basisstation
  • Netzwerk entscheidet auf Basis dieser Daten über Handover
  • Situation vom Terminal wird im Gegensatz zu NCHO berücksichtigt
  • Handover dauert von Entscheidung bis Durchführung ~1sek.
  • GSM, UMTS

Mobile-controlled Handover (MCHO):
  • Mobile terminal übernimmt Vollständige Kontrolle über handover prozess
  • DECT, IEEE 802.11
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Handover-Typen in GSM
Intra-cell handover:
Wenn Übertragung auf genutzter Frequenz unmöglich geworden ist

Inter-cell, intra BSC:
Terminal bewegt sich von einer Zelle zur nächsten, BSC bleibt gleich

Inter-cell, intra-MSC:
Handover zwischen Zellen, die von verschiedenen BSCs verwaltet werden, aber innerhalb der Kontrolle eines MSC

Inter-cell inter-MSC:
Handover zwischen Zellen, die zu verschiedenen MSCs gehören
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Handover-Signalisierungen GSM
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UMTS Handover
  • Soft (softer, soft-softer handover): Zellseparierung über verschiedene Spreizcodes
  • Hard handover: wenn verschiedene Frequenzbänder in den Zellen verwendet werden, RNCs nicht verbunden sind, UMTS>GSM handover

Inter-RNC Soft-Handover:
  • Uplink: Signal, das mit Scrambling Code gespreizt wurde, wird von beiden Node-Bs empfangen
  • Downlink: Node-Bs, die an Handover teilnehmen, senden die selben Daten an Endgerät mit unterschiedlichen Scrambling Codes
  • Serving Radio Network Controler (SRNC): RNC, der Soft handover kontrolliert; entscheidet, welches Signal ins Kernnetz weitergeleitet wird
  • Drift Radio Network Controller (DRNC): RNC, der zur neuen Zelle gehört; leitet Daten von Nutzer an SRNC weiter
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Location Management
Mobilitätsmanagement basierend auf reinem Paging:
terminal muss in allen Zellen des Netzwerks ausgerufen werden
hoher Signalisierungsoverhead

Mobilitätsmanagement basierend auf reinem Location Update:
Jedes mal, wenn Zellgrenze überschritten wird, wird Location Update ausgeführt
kein Paging nötig hoher Signalisierungsoverhead und Stromverbrauch bei mobilen Terminals


Location Areas:
  • mehrere Zellen werden zu einer Location Area zusammengefügt
  • Location Update beim Verlassen einer Location Area und/oder periodisch
  • Paging innerhalb aller Zellen, die zu einer Location Area gehören
  • Multilayer Location Areas: jedes Terminal wird einer Location Area-Gruppe zugeordnet Verhindert, dass Location Update-Traffic auf bestimmte Zellen konzentriert ist
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Location Management: Telefonnummern-Prinzipien in GSM
Permanente Nummern:
  • International Mobile Subscriber Identity (IMSI) (SIM, HLR AuC)
  • Mobile Subscriber ISDN Number (MSISDN) (HLR, SIM) - echte Telefonnummer
  • International Mobile Station Equipment Identity (IMEI) (EIR)

Temporäre Nummern:
  • Mobile Station Roaming Number (MSRN) (lokales VLR, HLR)
  • benötigt um zuständiges MSC zu identifizieren
  • Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI) (lokales VLR)
  • Verhindert Identifizierung einzelner Teilnehmern; in Verbindung mit LAI eindeutig
  • Location Area Identifier (LAI)
  • Cell Id (CI)
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GSM Location Management
Überblick über Adressen
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GSM Location Management
Mobile Terminated Call
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GSM Location Management
Ablauf Loacation Update
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GSM Location Management
Mobile Originated Call
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GPRS Location Management
  • Gateway Tunneling Protocol: verwendet, um gleichbleibende IP-Adresse des mobilen Endgeräts bei Handover zu unterstützen
  • Tunneling zwischen SGSN und GGSN; nicht bis zum mobile terminal um Overhead zu sparen

Routing Areas:
  • Paging in Location Area bei jedem downlink-paket (oder data burst) würde hohen Overhead verursachen
  • Einführung von Routing Areas
  • sind signifikant kleiner, als Location Areas
  • Location Updates entweder anhand von Routing Areas oder beim Überschreiten jeder Zellgrenze ( GPRS state model)
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GPRS State Model

IDLE:
Terminal ist nicht in GPRS-Modus Location Updates nach leitungsbasiertem GSM
READY:
Terminal führt Location Update bei jedem Eintritt in eine neue Zelle aus
STANDBY:
Terminal führt Location Update beim Eintritt in eine neue Routing Area aus
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GSM Security: Funktionen und Algorithmen
Funktionen:
  • Nutzerauthentifizierung gegenüber dem Netz
  • Verschlüsselung von Nutzerdaten
  • Verbergung der Identität des Nutzers

Algorithmen und Schlüssel:
  • Secret Key : in SIM und HLR gespeichert
  • Sitzungsschlüssel : verwendet um Datenverkehr zwischen BTS und MS zu verschlüsseln
  • Zufallszahl RAND
  • Signed Response SRES
  • A3: Authentifizierungsalgorithmus; berechnet SRES aus   und RAND (Challenge-response-Verfahren)
  • A8: Generiert aus und RAND
  • A5: Generiert Schlüssel zum verschlüsseln des Datenstroms basierend auf und frame number (international spezifiziert um Roaming zu unterstützen; symm. Verschlüsselung)
  • COMP128: einseitige Funktion, die A3 und A8 ersetzt
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GSM Security: Generierung von Sicherheitsdaten
Sicherheitsdaten in AUC:
  • wird exklusiv in AUC gehalten
  • AUC generiert Sicherheitsdaten für eine IMSI auf Anfrage des HLR
  • (RAND[n], SRES[n], [m]) wird in HLR gespeichert und an VLR weitergeleitet
  • Vorteil: vertrauliche Daten müssen nicht durchs Signalisierungsnetz geleitet werden
  • Bei Roaming in Fremdnetzen verwendet

Sicherheitsdaten in VLR:
  • A3 und A8 werden in lokalem VLR ausgeführt
  • wird jedes Mal von HLR/AUC in das aktuelle VLR übertragen
  • Weniger Signalisierungsverkehr, aber schwache Sicherheit
  • Nur innerhalb des Heim-Netzwerks eingesetzt
Kartensatzinfo:
Autor: init7
Oberthema: Informatik
Thema: Mobilkommunikation
Schule / Uni: LMU
Ort: München
Veröffentlicht: 14.12.2010
Tags: Küpper WS0809
 
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