Mobilkommunikation | Learn flashcards online

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Mobilkommunikation (70 Cards)

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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

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

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

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)

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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)

Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI) (lokales VLR)

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

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

70
Cardlink

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: