Grobgliederung LVA Mobile Computing (1)

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1 Grobgliederung LVA Mobile Computing (1)
1. Einführung in die Mobilkommunikation 1.1. Klassifizierung und Wachstum von Mobil- und Festnetzen 1.2. Standardisierungsgremien 1.3. Vielfach - Zugriffsverfahren, Zellulartechnik und Verkehrs-Dimensionierung, 1.4. Prinzip von Zellen-orientierten Mobilfunksystemen 1.5. Prinzipien drahtloser LANs 2. GSM - als wichtigster Vertreter der Digitalen Mobilnetze der 2. Generation 21-1 2.1. Funktionen und Architekturen Kenndaten eines GSM-Netzes Frequenzspektrum, Adressierung, Dienstkategorien: Träger- und Zusatzdienste, Funk- und vermittlungstechnische Komponenten. Zentrales Signalisierungssystem für Mobil- und ISDN-Festnetz Beispiel für GSM-Netzdimensionierung 2.2. Funk- und Netzschnittstellen Protokollarchitektur Nutzdatenkanäle, Signalisierungsmodell, Logische Kanäle, Burst Struktur, Rahmensynchronisation, SMS-Transfer Kodierung und Fehlersicherung Speech Coding, Channel Coding, Modulation, Optimierung der Funkschnittstelle 0-4

2 Prinzipien von drahtlosen lokalen Netzen (3)
Das oben beschriebene ursprünglich nur für Datenverkehr konzipierte Zugriffsverfahren CSMA/CA entspricht einem asynchronen oder statistischen Zeitmultiplex-Zugriff. Im Vergleich zu dem in 1-9 vorgestellten Verfahren nach dem Prinzip CS- Circuit Switch mit regelmässiger Zuordnung von gleich grossen Zeitschlitzen nutzt CSMA/CA das Medium effizienter (analog einem Prinzip PS Packet Switch, wie z.B. IP-orientierter Datenfluss), kann jedoch keinen sog. Quality of Service bieten ( nur best effort) hinsichtlich definiertem Durchsatz oder Verzögerungen. Daher wurde zur Unterstützung von echtzeitkritischen Anwendungen der optionale Zugriffsmechanismus PCF-Point Coordination Function eingeführt. Ein im Access Point arbeitender Point Coordinator sorgt (durch Polling ) für einen wettbewerbsfreien Zugriff auf das drahtlose Medium, wodurch sich ein bestimmtes Mass an Dienstqualität für Übertragungen zwischen den Endgeräten ergibt. Dazu werden vom Point Coordinator in regelmäsigen zeitlichen Abständen zwei unterschiedliche Zeitrahmen – Contention Period für DCF-Betrieb und Contention Free Period für PCF-Betrieb – vorgesehen. Die Nutzungseffizienz des Mediums ist jedoch infolge des Polling-Verfahrens im Vergleich zu DCF reduziert. Durch die Eigenschaften von CSMA/CA kann in WLANs das Problem Hidden Node auftreten, wenn aufgrund einer mangelhaften Funkausbreitung nicht alle drahtlosen Endgeräte untereinander kommunizieren können, siehe Beispiel in 1-28 (links unten) : Endgerät A ist nicht im Sende/Empfangsbereich von C. Will A an B senden und C ebenfalls an B senden, so kommt es in B zu einer Kollision, da C das Senden von A nicht mitbekommt. Zur Abhilfe wurde ein zusätzlicher Mechanismus eingeführt: A teilt B seine Sendeabsicht durch RTS – Request To Send mit. B bestätigt mit CTS – Clear To Send . Sowohl RTS als auch CTS enthalten Angaben über die Grösse des zu übertragenden Datenpaketes. CTS kann nun aber auch von C empfangen werden und C ist daher über die Sendeabsichten von A informiert, sodass ein weiterer Sendeversuch von C entsprechend verschoben werden kann. Unterschiedliche WLANs werden meist verschiedenen Trägern zugeordnet, oft auch in Kombination mit Frequency Hopping. Aus Sicht der Darstellung in 1-7 liegt somit eine Kombination aus Frequenz- und Zeitmultiplex als Zugriffstechnik vor 1-29

3 Aufgabe des Radio Resource Management (RR) (2)
Gemessene Qualitätsmerkmale des Funkkanals: Messung der Signalstärke und Qualität von Uplink durch BS und Downlink durch MS (Meldung alle 0,48 sec an BS über SACCH, wenn TCH zugeteilt) MS meldet die 6 höchsten Signalstärken der umgebenden BS (BCCH-Träger, Zeitschlitz 0) mit zugeh. BSIC (BS Identification Code) alle 0,48 sec über SACCH an eigene BS. BS berechnet aus der Zeitverschiebung empfangener Bursts die ungefähre Entfernung der MS zur Ermittlung der Timing Advance TA (s ff ). BS mißt Interferenzstärken auf eigenen und freien Kanälen anderer Zellen (darunter vor allem die Broadcasting Channels) zwecks evtl. Wechsels Verkehrslasten werden von BS an OMC geschickt. Gemäss u.a. Grafik erfolgt die Messung von umgebenden BS bei belegtem TCH im IDLE-Rahmen des TCH-Multiframes (Slot 26). Infolge des Längenverhältnises von TCH- zu BCCH-Multiframe von 26 zu 51 ist spätestens nach 11 TCH-Multiframes ein FCCH-Burst (Slot 1,11,21,31,41) einer benachbarten BS im TCH-IDLE “sichtbar”. MS erkennt aus dem zeitlich unmittelbar folgenden SCH-Slot die Identität einer benachbarten BS. Bei TCH/H-Betrieb (Halfrate) wird der jeweils nicht benutzte SACCH-Slot als „Search-Slot“ genutzt. Im aktiven Ruhezustand kann MS unmittelbar im Rahmen des Zeitrasters auf einen FCCH der Nachbarzelle zugreifen [ 18, S. 105]. TCH-Multiframe-Folge 1 26 1 26 1 26 1 26 1 26 BCCH-Multiframe-Folge einer Nachbarzelle 51 51 1 11 21 31 41 1 11 21 31 41 51 1 11 21 223-3

4 Intra-MSC Handover (4), HO-Entscheidung
Handover aufgrund günstigerer Pfadverluste RXLEV_ DL RXLEV_ NCELL(B) RXLEV_DL Empfangsfeldstärke im Downlink der aktuellen Zelle (A) RXLEV_NCELL(B) Empfangs-feldstärke des BCCH der benachbarten Zelle (B) MS_TXPWR_MAX max. Leistung, mit der MS in aktueller Zelle senden darf. MS_TXPWR_MAX (B) max. Leistung, mit der MS in benachbarter Zelle (B) senden darf. Zelle A Zelle B Handover RXLEV_ MIN(B) MS_ TXPWR_ MAX - RXLEV_DL MS_ TXPWR_ MAX(B) - RXLEV_NCELL(B) MS_TXPWR_MAX(B) MS_TXPWR_MAX(A) HO_MARGIN Zelle A Zelle B Annahme: PWR_C_D = 0, also BTS auf voller Leistung MS Bewegungsrichtung 230-13

5 Intra-MSC Handover (5), HO-Entscheidung
In sind in der oberen Abbildung der Verlauf der Empfangsfeldstärken in den betrachteten Zellen dargestellt, während die untere Abbildung den Verlauf der Differenz aus dem in der jeweiligen Zelle zulässigen Maximalwert für die Sendeleistung und dem aktuellen Wert für die Empfangsfeldstärke zeigt. Damit entspricht die Grafik in der unteren Abbildung dem Verlauf der jeweils benötigten Sendeleistungen. Die Darstellung entspricht den Verhältnissen am Rand der Zelle A bei ausgeschöpfter Reserve der Sendeleistungskontrolle bei der BTS (PWR_C_D = 0). Alle Zellen n, die aufgrund des RXLEV_NCELL(n) und ihres geringeren Pfadverlustes als der aktuelle Kanal als Handover-Ziele in Frage kommen, werden in HANDOVER REQUIRED nach Pfadverlusten sortiert dem MSC gemeldet. Das MSC entscheidet, zu welcher Zelle der Handover durchgeführt wird. Dabei wird mit abnehmender Priorität nach folgender Reihung vorgegangen: RXQUAL, RXLEV, DISTANCE und Pfadverlust entsprechend PBGT. Diese Priorisierung ist besonders dann von Bedeutung, wenn nicht genügend freie Verkehrskanäle zur Verfügung stehen und die HO-Rufe um diese Kanäle konkurrieren. D.h. es kann in einer solchen Situation auf die Optimierung der Wirtschaftlichkeit (relativ geringste Sendeleistung) bei sonst noch akzeptablen Messwerten verzichtet werden. [18, S. 248]

6 Evolution zu All-IP Transportnetz (5), Rel. 99 (R 3)
Ausgangspunkt: die felderprobte UMTS Version 3GPP R99 ATM PSTN Public Switched Telecom. Network SCP Service Control Point, Intell. Network Data Base HSS Home Subscriber Server TC Transcoding IP SERVICE & HOME ENVIRONMENT TDM HSS SCP Signalling CCS#7 Circuit Domain BSC A BSS MSC GMSC TDM Gb PSTN ISDN TC TDM TDM IuCS RNC ATM SGSN ATM IuPS INTERNET UTRAN IP IP GGSN Packet Domain Radio access Core Network 323-12

7 Evolution zu All-IP Transportnetz (6), Rel. 4
3GPP R4: - Der erste Schritt in Richtung Data & Voice Integration ATM PSTN Public Switched Telecom. Network AGW Access Gateway TGW Transit Gateway SCP Service Control Point, Intell. Network Data Base HSS Home Subscriber Server TC Transcoding IP SERVICE & HOME ENVIRONMENT TDM HSS SCP Signalling CCS#7 Circuit Domain BSC MSC Call Server GMSC Call Server A BSS MGCP TDM PSTN ISDN Gb AGW TGW TC TC ATM TDM IuCS RNC ATM SGSN ATM IuPS INTERNET UTRAN IP IP GGSN Packet Domain Radio access Core Network 323-13

8 Mögliche Prüfungsfragen (1)
Digitale Mobilkommunikation, 2. Generation Einführung, GSM : Funktionen und Architekturen Prinzip von Multiplex-Strukturen im Funkkanal (Zugriffsverfahren, UL/DL Trennung,..) Warum und unter welchen Voraussetzungen ist das Spreizcodeverfahren CDMA störungssicherer als andere Zugriffsverfahren? Vergleich der Kapazitätsgrenzen einer Mobilfunkzelle FDMA/TDMA versus CDMA Prinzip eines zellularen Mobilfunksystems Wie unterscheiden sich zellulare Mobilnetze vom Typ GSM und WLAN hinsichtlich Zugriffstechnik und Nutzung des Funkmediums ? Die adressierbaren Bereiche eines GSM-Netzes Die Träger- und Telematikdienste im GSM-Netz Mobilfunk-spezifische Aspekte bei den Supplimentary Services im Vergleich zu ISDN Architektur eines GSM-Netzes und grundsätzliche Signalisierungsbeziehungen, sowie die Aufgabe der unterschiedlichen Datenbasen im GSM-Netz Dimensionierung der Verkehrsleistung von Mobilfunkzellen und Bestimmung der erforderlichen Cluster-Größe, Frequenz-Wiederholabstand, etc. bei gegebenem Störabstand und vice versa Grobdimensionierung einer MSC abhängig von der Verkehrsleistung des betreuten Funkbereichs Grundsätzliche Aufgabe des zentralen Signalisierungssystems: Einsatzbereich, Prinzip der Nachrichtenlenkung, Aufgabe von MTP / Userparts, Adressierung Prinzipielle Aufgabe von #7-MAP und #7-ISUP-Nachrichten im Rahmen des Verbindungs- aufbaues und Mobility Managements Anh.4 - 4

9 Mögliche Prüfungsfragen (2)
GSM : Funk- und Netzschnittstellen, Call Flow Scenarios Die Schnittstellen Um und A im GSM-System hinsichtlich Übertragungstechnik, Nutzdaten (Sprache, Daten) und Signalisierungsebenen Welche logischen Kanäle werden in welcher Phase des Verbindungsaufbaus genutzt? Wie wird Synchronisation und Laufzeitausgleich zwischen MS und BTS durchgeführt ? Wo liegen die Grenzen einer GSM-Zelle hinsichtlich Durchmesser? Die unterschiedliche Behandlung von Sprach-, Datenverkehrs- sowie Signalisierungskanälen im GSM-Netz hinsichtlich Sprachcodierung, Kanalcodierung und sonstiger Massnahmen zur Sicherung der Datenübertragung Ursache für Verzögerungen bei Sprach- bzw. Datenübertragung Die Übertragung von Nutzsignalen in der Signalisierungsebene, Vergleich mit MMS Wie ermittelt die MS welche Messwerte zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Verbindungsqualität? Verwaltung der Bewegungsdaten: involvierte Datenbasen, Aktualisierungsanlässe, mögliche Aktualisierungsszenarien und betroffene mobilitätsrelevante Parameter Wie wird die gerufene Mobilstation gefunden bzw. die Verbindung zu ihr aufgebaut und welche mobilitätsrelevanten Parameter werden dabei aus welchen Datenbasen abgefragt ? Was versteht man unter Handover, welche Szenarien sind vorgesehen, welche Voraussetzungen für HO gibt es und wie verteilen sich HO-Funktionen auf Instanzen? Wie wird die Verbindung zur Mobilstation bei Handover zwischen Zellen unterschiedlicher MSC- Bereiche aufrech erhalten? Welche Handover-Massnahme ist bei schlechter Signalqualität (hohe Bitfehlerhäufigkeit) aber brauchbarem Pegel sinnvoll ? Anh.4 - 5

10 Mögliche Prüfungsfragen (3)
Wer initiiert Location Update bzw. Handover ? Zugangs- und Datenschutzmaßnahmen im GSM-Netz : Schlüssel-Algorithmen, Authentifizierung, Ciphering In welchen Datenbasen werden welche Sicherheitsparameter permanent oder temporär gespeichert bzw. generiert ? Welche Sicherheitsparameter werden über die Luftschnittstelle und welche zwischen MSC und BSS übertragen? Evolution zu Mobilfunksystemen der 3. Generation Maßnahmen zur Erhöhung der Bitrate auf Basis bestehender GSM-Kanalstruktur Vergleich bestehender GSM-Datendienste mit neuem Datendienst GPRS hinsichtlich Datentransferraten, Nutzung der Funkresourcen, Vergebührung,Verbindungsmodus und Quality of Service GPRS: Zusätzliche Infrastrukturelemente und Datenbasen im Vergleich zu GSM GPRS: Welche Einstellungen sind Voraussetzung zur Übertragung unterschiedlicher User-Protokolle zwischen MS und ISP (Internet Service Provider) ? GPRS: Welche Massnahmen sind seitens der Basisstation erforderlich, um ein Datenpacket an die MS im STANDBY bzw. READY-State zu übertragen ? Welchen Einfluss hat der Status STANDBY bzw. READY auf die Location Update Strategie ? GPRS: Aktualisierung der Bewegungsdaten: Anlässe, betroffene Daten und Datenbasen; Lösung der Handover-Situation GPRS: Prinzip der Lenkung der Datenpakete durch das GPRS-Netz GPRS: Wie werden „Non GPRS“ Funktionen durchgeführt? Anh.4 - 6

11 Mögliche Prüfungsfragen (4)
UMTS / Schnittstelle Uu: unterschiedliche Duplexverfahren, Zugriffsverfahren und Bitraten; durch welche 3 Massnahmen können variable Bitraten erzielt werden ? UMTS: Zusammenhang von Spreizfaktor, Kanalanzahl und Bitrate/Kanal Vergleich der Spektrumsnutzung von GSM und UMTS Zellularstruktur : Wiederverwendung von Funkresourcen bei UMTS/FDD im Vergleich zu GSM ? Unter welchen Voraussetzungen bietet UTRAN eine WLAN ähnliche Betriebsart ? UMTS-UTRAN: Massnahmen zur Übertragung von Multimedia-Bitströmen mit rasch wechselnden Bitraten und Verkehrsarten; welche Bedeutung haben dabei die unterschiedlichen Typen von logischen bzw. Transport-Kanälen und der Parameter TFCI ? UMTS: Unterschiede bzgl. Handover-Abwicklung GSM - UMTS; was versteht man unter Soft-Handover ? UMTS: Die unterschiedliche Behandlung von Realzeitverkehr (Sprache, Video) in R.99 und R.4/5/6 Satellitengestützte Mobilnetze: Anzahl von Handover- bzw. LocationUpdate- Ereignissen bei zellularen LEO-Satellitensystemen im Vergleich zu terrestrischen Mobilfunknetzen Das sollte jetzt für Sie kein Problem mehr sein !! Neuinstallieren von Handies nimmt in Deutschland 160 Millionen Mann-Stunden in Anspruch. Allein mit dieser Tätigkeit könnten also neue Stellen geschaffen werden. Anh.4 - 7