Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis 1
Abbildungsverzeichnis: 3
1. Erklärungen und Abkürkungen 4
1.1 Begriffeserklärungen 4
1.2 Abkürzungen 5
2. Mobilfunk der 3. Generation 11
2.1 Motivation für ein neues 3G-System 11
2.1.1 Hauptcharakteristika von 3G-Mobilfunksystemen: 12
2.1.2 Anforderungen: 12
2.1.3 Anwendungsgebiete 12
2.1.3.1 Information 12
2.1.3.2 Education 13
2.1.3.3 Entertainment 13
2.1.3.4 Community services 13
2.1.3.5 Business information 13
2.1.3.6 Communication services 13
2.1.3.7 Business and financial services 13
2.1.2.8 Special services 13
2.2 UMTS Zeitplan 13
2.3 Regulatorischer Rahmen 14
2.3.1 Versorgungsgrad 14
2.3.2 Infrastruktur 14
2.3.3 National roaming 3G-2G 14
2.3.4 National roaming 3G-3G 15
2.3.5 Netzzugang 15
2.4 Frequenzspektrum 15
2.5 Vergabeverfahren in Österreich 16
2.6 Antragsteller in Österreich 17
3. UMTS - Basisarchitektur 18
3.1 Allgemeine Architektur 18
3.1.1 User Equipment 18
3.1.2 Access Network 19
3.1.3 Core Network 19
3.2 Rückblick auf die GSM-Architektur 19
3.3 UTRAN – UMTS Terristrial Radio Access Network 22
3.3.1 Funktionaler Aufbau des UTRAN 22
3.3.2 Funktionen des UTRAN 24
3.4 Das CN Core-Network 25
4. Vielfachzugriff – CDMA 27
4.1 Vergleich zwischen FDMA und CDMA 28
4.2 Generation von orthogonalen Codes 28
4.3 Scrambling Code 29
5. Diversität 30
5.1 Fehlerwahrscheinlichkeiten bei Diversity Empfang 31
5.2 Andere Methoden die Kanäle zu kombinieren 33
6. Spread Spektrum 35
6.1 Direct Sequence Spread Spektrum 36
6.1.1 Der ,,Rake Receiver" 37
6.1.2 Zusammenfassung 39
6.2 Erzeugung von Pseudo noise Folgen 39
6.2.1 Lineare Rückgekoppelte Schieberegister 39
6.3 Scrambling Code 42
6.3.1 Scrambling im Uplink 44
6.3.2 Scrambling im Downlink 45
7. Anhang – UMTS Core Network Phasing 47
7.1 Introduction 47
7.2 Release 1 – Initial Product Release 49
7.2.1 Basic Capabilities 50
7.2.2 Mobility Management 51
7.2.3 Feature capabilities 51
7.2.4 Billing 51
7.2.5 Operations and Maintenance 52
7.3 Release 2 – Migration to a Distributed Packet Architecture 53
7.3.1 GSM/UMTS Call Server 53
7.3.2 Feature Capabilities 54
7.3.3 PSTN Gateway 54
7.3.4 Wireless Gateway 55
7.3.5 Mobility 55
7.3.6 Operations and Maintenance 55
7.3.7 Media Server 55
7.4 Releases 3 & 4 – Planned for October 2002 and April 2003 Respectively 56
7.4.1 3GPP Release 2000 Conformance 56
7.4.2 SS7 Connectivity 56
7.4.3Mobility 57
Abbildungsverzeichnis:
Abbildung 1: UMTS-Spektrum 16
Abbildung 2: Mindestangebot für Frequenzpakete 16
Abbildung 3: Lizenzkosten Österreich 17
Abbildung 4: UMTS – Allgemeine Architektur 18
Abbildung 5 GSM-Architektur 19
Abbildung 6: Verkehrsauslastung Leitungsorientiert 20
Abbildung 7: Prinzip des paketorientierten Transports 20
Abbildung 8: GPRS-Mobilfunknetz 21
Abbildung 9: UMTS – Access Network 22
Abbildung 10: UTRAN – Radio Network Subsystem 23
Abbildung 11: Serving RNS and Drift RNS 24
Abbildung 12: UMTS - Core Network (Phase 1) 25
Abbildung 13: Codebaum für orthogonale Codes 28
Abbildung 14: Breitbandige Übertragung mit Datenbursts 35
Abbildung 15: Der Rake Receiver mit drei Abgriffen 38
Abbildung 19: Lineares zurückgekoppeltes Schieberegister 39
Abbildung 20: Periodische Autokorrelation von M-Sequenzen. 41
Abbildung 21: Schieberegister der Länge Drei. 41
Abbildung 22: Rückgekoppeltes Schieberegister 43
Abbildung 23: Funktional rückgekoppeltes Schieberegister 44
Abbildung 24: Uplink Scrambling-Codegeneration 45
Abbildung 25: UMTS- Unified Network 47
Abbildung 26: UMTS-Core Network Phase 1 49
Abbildung 27: UMTS – Wireless Gateway (Phase 1) 50
Abbildung 28: UMTS – Operation and Maintenance 52
Abbildung 29: UMTS – Core Network (Phase 2) 53
1. Erklärungen und Abkürkungen
1.1 Begriffeserklärungen
Analog Analoge Datenübertragung bedeutet, daß die Daten zeit- und
amplitudenkontinuierlich übertragen werden.
Digital Digitale Datenübertragung bedeutet im groben, daß die Daten abgetastet
und quantisiert übertragen werden.
Uplink Funkverbindungsstrecke vom mobilen Teilnehmer zur Feststation
Downlink Funkverbindung von der Feststation zum mobile Teilnehmer
Duplex ... beinhaltet für jede Übertragungsrichtung je einen seperaten
Übertragungskanal für Sprechen und Hören.
Multiplex ... technisches Verfahren, um mehrere Signale gleichzeitig auf einem
einzelnen Übertragungsmedium zu transportieren.
Fading ... ist die Amplitudenabschwächung eines Signals.
Algorithmus ... ist eine funktionale Vorschrift, wie Daten verarbeitet werden.
Spektrum ... ist der Amplitudenverlauf eines Signals über die Frequenzachse.
Dipolantenne ... ist eine Antenne die parallel zur Bodenebene ausstrahlt (zB.
Auch GSM-Telefone haben eine Dipolantenne).
GSM-900 Ursprüngliches GSM-Netz mit 900MHz.
DCS-1800 Kapazitätserweiterung des ursprünglichen GSM-Netz mit 1800MHz.
PCS-1900 GSM-Netz mit 1900MHz in den USA.
ms Millisekunde = 1/1.000 Sekunde
us Mikrosekunde = 1/1.000 Millisekunde = 1/1.000.000 Sekunde
ns Nanosekunde = 1/1.000 Mikrosekunde = 1/1.000.000 Millisekunde
kHz Kilohertz = 1.000 Hertz
MHz Megahertz = 1.000 kHz = 1.000.000 Hertz
GHz Gigahertz = 1.000 MHz = 1.000.000 kHz
1.2 Abkürzungen
3GPP 3rd Generation Partnership Project
A3 Authentisierungsalgorithmus
A5 Verschlüsselungsalgorithmus
A8 Verschlüsselungsalgorithmus
AAL ATM Adaption Layer
AB Acces Burst
Abis Schnittstelle zwischen BTS und BSC
AC Authentication Code
ACM Address Complete Message
AUC Authentication Center
AIS Alarm Indication Signal
ALCO Alarm Collecting Unit
ALCAP Access Link Control Application Protocol
ANS Answer Message
ARFN Absolute Radio Frequency Number
ATM Asynchronous Transfer Mode
BCC Base Station Colour Code
BCCH Broadcast Common Channel (GSM) / Broadcast Control Channel (UMTS)
BCF Base Common Function
BCH Broadcast CHannel
BLER Block Error Rate
Bm mobiler B-Kanal (Anlehnung an ISDN)
BPSK Binary Phase Shift Keying
BSC Base Station Controller
BSIC Base Station Identity Code
BSS Base Station Subsystem
BSSAP BSS Application Part
BTS Base Transceiving Station
CA Cell Allocation
CAMEL Customized Application for Mobile Network Enhanced Logic
CBCH Cell Broadcast Channel
CC Country Code
CCCH Common Control Channel
CCH Control CHannel
CCS7 Common Channel Signalling #7
CDMA Code Divison Multiple Access
CELP Code Excited Lineare Prediction
CFB Call Forwarding on Mobile Subscriber Busy
CI Cell Identifier
CLIP Calling Number Identification Presentation
CLIR Calling Number Identification Restriction
CM Connection Management
CN Comfort Noise / Core Network
CPCH Common Packet CHannel
CRC Cyclic Redundancy Check
CSN Ciphering Sequence Number
CSWM Control & SWitching Modul (Matrix)
CTCH Common Traffic CHannel
CW Call Waiting
DB Dummy Burst
DCCH Dedicated Control Channel
DCN Data Communication Network
DCS Digital Cellular System
DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunication
Dm Mobiler D-Kanal
DPCCH Dedicated Physical Control CHannel
DPDCH Dedicated Physical Data CHannel
DRNC Drift Radio Network Controller
DRNS Drift Radio Network Subsystem
DRX Discontinous Reception
DSC Digital Signalling Concentrator
DSCH Downlink Shared CHannel
DTAP Direct Transfer Application Part
DTC Digital Trunk Controller
DTMF Dual Tone Multiple Frequency
DTX Discontinous Transmission
E-DCH Enhanced D-Channel Handler
EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution
EFR Enhanced Full Rate
EIR Equipment Identity Register (SIM Karten registriert)
EPLD Electrical Programmable Logic Device
ETSI European Telecommunication Standards Institute
FACCH Fast Associated Control Channel
FACH Forward Access CHannel
FB Frequency Correction Burst
FCCH Frequency Correction Channel
FDD Frequency Division Duplex
FDD-DS Frequency Division Duplex – Direct Sequence
FDD-MC Frequency Division Duplex – Multi Carrier
FDMA Frequency Division Multiple Access ->TDMA
FEC Forward Error Correction
FER Frame Errot Rate
FN TDMA-Frame Number
FP Frame Processor
GGSN Gateway GPRS Support Node
GMSC Gateway Mobile Switching Center
GMSK Gauss Minimum Shift Key: GSM Modulationsverfahren
GPRS General Packed Radio Service
GSC GSM Speech Codec
GSM Global Systems for Mobile Communications
GTW Gateway Board
HLR Home Location Register
HPLMN Mome PLMN
HSCD High Speed Circuit Switched Data
HSN Hopping Sequence Number
IAM Init Adress Message
IMEI International Mobile Equipment Identity: Handy-Seriennummer
IMSI International Mobile Subscriber Identity
IMT International Mobile Telecommunications
IN Intelligent Network
INAP Intelligent Network Application Part
ISC International Switching Center
ISDN Integrated Service Digital Network
IWF Interworking Function
Kc Cipher/Decipher Key
Ki Subscriber Authentication Key
LA Location Area
LAI Location Area Identity
LAPDm Link Access Procedure D mobile
Lm Lower-rate mobile Channel
LMSI Local Mobile Subscriber Identity
LNA Low Noise Amplifier
LPC Linear Predictive Coding
LTP Long Term Prediction
MA Mobile Allocation
MAC Medium Access Control
MAIO Nobile Allocation Index Offset
MAP Mobile Application Part
MC Multi Carrier
MG Media Gateway
MGCP Media Gateeway Control Protocol
MM Mobile Management
MNC Mobile Network Code
MS Mobile Station
MSC Mobile Switching Center
MSIN Mobile Subscriber Identification Number
MSISDN Mobile Subscriber ISDN Number
MSRN Mobile Station Roaming Number
NB Normal Burst
NCC Network Colour Code
NDC National Destination Code
NMSI National Mobile Subscriber Identity
OMAP Operation, Maintenance and Administration Part
OMC Operation and Maintenance Center
OMSS Ôperation and Maintenance Subsystem
PCH Paging Channel
PDN Public Data Network
PIN Personal Identity Number
PLMN Public Land Mobile Network
PSK Phase Shift Keying
PSPDN Public Switched Packet Data Network
PSTN Public Switched Telefon Network
PSTNGC PSTN Gateway Controller
PUK PIN Unblocking Key
QN Quarterbit Number
QoS Quality of Service
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
RA Routing Area
RAI Routing Area Identity
RACH Random Access Channel
RAN Radio Access Network
RANAP RAN-Application Part
RAND Zufallszahl zur Authentisierung
RFCH Radio Frequency Channel
RFN Reduced TDMA-Frame Number
RLC Radio Link Control
RLP Radio Link Protocol
RNC Radio Network Controller
RNS Radio Network Subsystem
RNSAP RNS Application Part
RPE Regular Pulse Excitation
RR Radio Ressource Management
RRC Radio Resource Control
RXLEV Empfangspegel
RXQUAL Empfangsqualität
SACCH Slow Associated Control Channel
SB Synchronization Burst
SCH Synchronization Channel
SDCCH Stad-alone Dedicated Control Channel
SDMA Space Division Multiple Access
SGSN Serving GPRS Support Node
SIM Subscriber Identity Module
SIR Signal to Interference Ratio
SMS Short Message Service
SMSS Switching and Management Subsystem
SN Subscriber Number
SP Signalling Point
SPC Signalling Point Code
SRES Session Key zur Authentisierung
SRNC Serving Radio Network Controller
SRNS Serving Radio Network Subsystem
TCH Traffic Channel
TDD Time Division Duplex
TDMA Time Division Multiple Access
TMSI Temporary Mobile Subscriber Identity
TPC Transport Power Control
TRAU Transcoder and Rate Adaption Unit
TSC Training Sequence Code
TTI Transmission Time Interval
UE User Equipment
Um Luftschnittstelle
UMTS Universal Mobile Telecommunication System
USIM UMTS SIM
UTRAN UMTS Terristrial Radio Access Network
VAD Voice Activity Detection
VHE Virtual Home Environment
VLR V isitor Location Register
WAP Wireless Application Protocol
W-CDMA Wideband Code Division Multiple Access
WG Wireless Gateway
WGC Wireless Gateway Controller
2. Mobilfunk der 3. Generation
Die Mobilfunksysteme der ersten Generation waren bereits in den 50er Jahren
vorhanden, etablierten sich aber erst in den 80er Jahren durch eine ausgereifte
Technik. Dabei handelte es sich um rein analoge Mobilfunkgeräte. Bereits im Jahr
1982 wurde der Ruf laut, daß ein neue Mobilfunkstandard entwickelt werden soll,
der einerseits auf digitaler Technik basiert und andererseits
ISDN-Dienstleistungen bieten soll. Ebenso wollte man einen Standard schaffen,
der es den Teilnehmern ermöglicht, international mit ihren Mobilgeräten
Netzzugriffe zu bekommen und diverse Dienstleistungen zu beanspruchen (Roaming).
Diese Anforderungen wurde in Europa und in weiten Teilen der Welt durch den
GSM-Standard erfüllt, den man zur zweiten Mobilfunkgeneration zählt und sich
Mitte der 90er etabliert hat.
1992 wird als die Geburtsstunde der 3G-Mobilkommunikation gezählt und wurde
unter dem Begriff IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) bedacht.
Dabei wurde von der WARC (World Association Radio Conference) der Frequenzberich
um 2GHz für ein 3G-Mobilfunksystem zugewiesen.
2.1 Motivation für ein neues 3G-System
In den letzten Jahren gab es nicht nur auf dem Mobilfunksektor einen rasanten
Anstieg von Teilnehmerzahlen sondern auch die Zugriffe auf das Internet sind
explosionsartig gestiegen. So hat sich alleine in Österreich die Anzahl der
Mobilteilnehmer (GSM) von 1996 bis 2000 mehr als 20 mal vergrößert. Das Internet
verdankt seine Popularität vor allem seiner Datenvielfalt und das GSM-Netz
seiner Mobilität. Es liegt nun nahe, daß die Vorzüge beider Netze
zusammengeführt werden, um in den Genuß beider Netze zu kommen. Das setzt aber
voraus, daß die Übertragungskapazität des Mobilfunknetzes stark angehoben werden
muß, um heutigen Bedürfnissen gerecht zu werden. So hat das GSM-Netz bis Ende
1999 eine Nettodatenrate von lediglich 9,6kb/s geboten. Um diese Rate anzuheben
wurde als Übergangslösung HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) und GPRS
(General Packed Radio Service). Im Jahr 2004 rechnet man aus heutiger Sicht
damit, daß es mehr Mobilteilnehmer als Festnetzteilnehmer geben wird. Zusätzlich
erwartet man bis zum Jahr 2005 bei Datenübertragung einen Anteil von 70% für
EDV-Daten und 30% für Sprachdaten. Diese Schätzungen machen deutlich, daß ein
enormer Bedarf für eine neue Mobilfunkgeneration besteht, die diesen zukünftigen
Aspekten gerecht wird. Das Mobilfunknetz der dritten Generation muß diese
Gegebenheiten also berücksichtigen!
2.1.1 Hauptcharakteristika von 3G-Mobilfunksystemen:
• Hohe Kapazität
• Hohe spektrale Effizienz
• Hohe Sicherheit
• Unterstützung neuer Dienste mit hoher Dienstgüte a`la Festnetz
2.1.2 Anforderungen:
• Wahlweise kanal- bzw. paketorientierte Übertragung
• Verschiedene Bitraten
• Variable Bitrate mit dynamischer Anpassung der Dienstgüte an die aktuellen
Möglichkeiten des Funkkanals
• Unterschiedlich große Zellen für „Indoor-“ und „Outdoor-“ Anwendungen
• Flexibles Management der Funkbetirebsmittel
• QoS, angepaßt für alle Anwendungstypen
• VHE - Virtual Home Environment
Ein Teilnehmer sollte die Möglichkeit haben, die Dienste seines Heimatnetzes
auch im Ausland nutzen zu können (zB. Sprachansagen in deutscher Sprache auch in
Japan). Diese Aspekte werden durch den Begriff VHE berücksichtigt.
Für Sprache ergeben sich bezüglich QoS folgende Werte:
• Datenrate: 4 – 25kb/s
• Verzögerungszeit (Einweg): <150ms (max. Limit = 400ms)
• Variation der Verzögerung: <1ms
• Informationsverlust: <3% FER (Frame Erasure Rate)
2.1.3 Anwendungsgebiete
2.1.3.1 Information
Public information services such as:
•Browsing the WWW
•Interactive shopping
•On-line equivalents of printed media
•On-line translations
•Location based broadcasting services
•Intelligent search and filtering facilities
2.1.3.2 Education
•Virtual school
•On-line science labs
•On-line library
•On-line language labs
•Training
2.1.3.3 Entertainment
•Audio on demand (as an alternative to CDs, tapes or radio)
•Games on demand
•Video clips
•Virtual sightseeing
2.1.3.4 Community services
•Emergency services
•Government procedures
2.1.3.5 Business information
•Mobile office
•Narrowcast business TV
•Virtual work-groups
2.1.3.6 Communication services
Person-to-person services such as
•Video telephony
•Videoconferencing
•Voice response and recognition
•Personal location
2.1.3.7 Business and financial services
•Virtual banking
•On-line billing
•Universal SlM-card and Creditcard
•Road transport telematics
2.1.2.8 Special services
•Telemedicine
•Security monitoring services
2.2 UMTS Zeitplan
Dez. 1997: Festlegung der regulatorischen und lizenzrechtlichen
Rahmenbedingungen (in Arbeit 1999) Bereitstellung des notwendigen
Frequenzspektrums (bisher noch nicht erfolgt; Ziel 2002)
Jan. 1998: Festlegung der Funktechnologie (ETSI) (erfolgt)
1. Q. 1998: Identifikation der Lizenznehmer; Lizenzentwürfe (noch nicht erfolgt;
Ziel Ende 1999)
Jun. 1998: Übergabe UTRA Vorschlag durch ETSI an ITU (erfolgt) Es wurden 14
Vorschläge (inkl. 5 Satellitenvorschläge) eingereicht
Dez. 1999: Fertigstellung der UMTS Phase 1 - Standards (ETSI)
1. Q. 2002: Beginn kommerzieller Betrieb UMTS Phase 1
1. Q. 2005: Voller Betrieb mit allen Leistungsmerkmalen (Massenmarkt)
2.3 Regulatorischer Rahmen
Die Konzessions- und Frequenzzuteilungsurkunde wird Bestimmungen zum
regulatorischen Rahmen beinhalten. Unter anderem zu folgenden Punkten:
2.3.1 Versorgungsgrad
Der Versorgungsgrad ist definiert als der Anteil der versorgten ansässigen
Bevölkerung an der gesamten ansässigen Bevölkerung. UMTS/IMT-2000-Dienste sind
mit folgendem Versorgungsgrad kommerziell anzubieten:
• spätestens am 31. Dezember 2003 mit 25% Versorgungsgrad
• spätestens am 31.Dezember 2005 mit 50% Versorgungsgrad
• In den versorgten Gebieten ist ein Trägerdienst mit einer Datenrate von
zumindest 144 kbit/s anzubieten.
Der genannte Versorgungsgrad ist mittels selbst betriebenem Netz anzubieten. Zur
Definition eines selbstbetriebenen Netzes sei auf die Ausführungen in den
Ausschreibungsunterlagen verwiesen.
2.3.2 Infrastruktur
Zur gemeinsamen Nutzung von Antennentragemasten existiert ein rechtlicher
Rahmen. Demnach müssen Eigentümer oder sonst Nutzungsberechtigte eines
Antennentragemastes oder eines Starkstromleitungsmastes dessen Mitbenutzung
durch Inhaber einer Konzession zur Erbringung eines öffentlichen
Telekommunikationsdienstes gestatten, sofern dies technisch, insbesondere
frequenztechnisch möglich ist.
Weiters können Antennen und Verkabelung gemeinsam genutzt werden. Eine derartige
Vereinbarung ist jedoch – anders als bei der Mitbenutzung von
Antennentragemasten – rechtlich nicht erzwingbar.
2.3.3 National roaming 3G-2G
Es ist vorgesehen, dass für den Fall, dass Frequenzen für die Erbringung eines
öffentlichen Mobilfunkdienstes der dritten Mobilfunkgeneration einem
Antragsteller zugewiesen werden, der bereits eine Konzession zur Erbringung
eines öffentlichen Mobilfunkdienstes der zweiten Mobilfunkgeneration innehat,
dieser verpflichtet ist, anderen Inhabern von Konzessionen zur Erbringung eines
öffentlichen Mobilfunkdienstes der dritten Mobilfunkgeneration, die jedoch
ihrerseits keine Konzession zur Erbringung eines öffentlichen Mobilfunkdienstes
der zweiten Mobilfunkgeneration innehaben, Netzkapazitäten zur Verfügung zu
stellen (national roaming).
Dieses Zur-Verfügung-Stellen der Netzkapazität hat nach Maßgabe der technischen
Möglichkeiten für eine bestimmte, vier Jahre nicht übersteigende Zeitdauer zu
erfolgen. Für national roaming ist ein angemessenes Entgelt zu vereinbaren. Im
Streitfall entscheidet darüber die Telekom-Control-Kommission.
2.3.4 National roaming 3G-3G
In jenen Gebieten, die nicht im Rahmen der Versorgungspflicht mittels eines
selbst betriebenen Netz abgedeckt werden, besteht die Möglichkeit,
privatrechtliche Vereinbarungen hinsichtlich national roaming 3G-3G (roaming
zwischen nationalen UMTS/IMT-2000-Netzen) zu schließen. Eine gesetzliche
Verpflichtung dafür besteht allerdings nicht.
2.3.5 Netzzugang
Die Beurteilung etwaiger Anträge auf Netzzugang zu 3G-Netzen wird auf Basis der
jeweiligen gesetzlichen Regelungen erfolgen. Auf die Entwicklungen der
europarechtlichen Vorgaben (zB. Kommunikationsbericht 1999 der Europäischen
Kommission (COM(1999)539)) in diesem Zusammenhang sei verwiesen.
2.4 Frequenzspektrum
Gemäß der Spezifikation der ITU (International Telecommunications Union) für
Region 1 sind für UMTS / IMT-2000 die Bänder 1900 - 2025 MHz und 2110 - 2200 MHz
vorgesehen. Davon sind die Teilbänder 1980 - 2010 MHz (Uplink) und 2170 - 2200
MHz (Downlink) jedoch für Satellitenanwendungen reserviert. Die terristrischen
Frequenzen gliedern sich wie folgt:
Der Duplexabstand beträgt in den gepaarten Frequenzen (FDD, frequency division
duplex) 190 MHz. Das Unterband ist als Sendefrequenz der Mobilstationen, das
Oberband entsprechend den Basisstationen zugeordnet. Die ungepaarten Frequenzen
werden im Zeitduplex (TDD, time devision duplex) betrieben. Für lizenzfreie
Anwendungen (SPA, self provided applications) sind zwei 5 MHz Bänder mit den
Trägern 2013.0 MHz und 2017.4 MHz vorgesehen.
Für Europa sind die Frequenzbänder für den terrestrischen Teil von UMTS/IMT-2000
von der CEPT/ERC in den Entscheidungen ERC/DEC/(97)07 und ERC/DEC/(99)25
definiert (http://www.ero.dk/). Für diesen Teil sind insgesamt 155 MHz
vorgesehen. Davon sind die Bereiche 1920 – 1980 MHz und 2110 – 2170 MHz, also
2x60 MHz, als gepaarte Frequenzbänder einsetzbar und die Bereiche 1900 – 1920
MHz und 2010 – 2025 MHz, also 35 MHz für den ungepaarten Betrieb geeignet. Aus
dem ungepaarten Frequenzbereich ist das Band 2010 – 2020 MHz für unlizensierten
Betrieb (Self Provided Applications – zB. für private LANs, etc.) reserviert.
Somit verbleiben für eine Vergabe an Betreiber 2x60 MHz aus dem gepaarten und 25
MHz aus dem ungepaarten Frequenzbereich, also insgesamt 145 MHz.
Abbildung 1: UMTS-Spektrum
2.5 Vergabeverfahren in Österreich
Das Frequenzzuteilungsverfahren gliederte sich in zwei Stufen. In der ersten
Stufe erfolgte die Prüfung der finanziellen, organisatorischen und technischen
Eignung. Jene Antragsteller, welche diese Voraussetzungen nicht erfüllten, wären
vom Frequenzzuteilungsverfahren ausgeschlossen worden. Weiters erfolgte in der
ersten Stufe eine Prüfung der Antragsteller im Hinblick darauf, ob diese in
irgendeiner Weise konzernmäßig, bzw. wie in der Ausschreibungsunterlage
angeführt, verbunden sind. In diesem Fall wäre für jede Gruppe verbundener
Unternehmen eine Vorauktion um die Teilnahme an der Frequenzauktion durchgeführt
worden. In der zweiten Stufe erfolgte die Ermittlung jener Antragsteller, denen
die Frequenzen zugeteilt wurden, in Form einer Auktion.
Für die Teilnahme am Auktionsverfahren war von den Antragstellern im Antrag ein
Mindestgebot je beantragtem Frequenzpaket abzugeben. Folgende Tabelle enthält
die Höhe der Mindestgebote für Frequenzpakete im gepaarten und ungepaarten
Frequenzbereich.
Frequenzpaket Mindestgebot
2x5 MHz
aus dem gepaarten Bereich ATS 700.000.000,-
(Euro 50.870.983,91)
1x5 MHz
aus dem ungepaarten Bereich ATS 350.000.000,-
(Euro 25.435.491,95)
Abbildung 2: Mindestangebot für Frequenzpakete
2.6 Antragsteller in Österreich
Die Ausschreibungsfrist endete am 13. September 2000 um 14 Uhr. Folgende
Telekom-Unternehmen hatten Antragsunterlagen zur Teilnahme am Vergabeverfahren
für UMTS/IMT-2000 Frequenzpakete abgegeben:
• Connect Austria Gesellschaft für Telekommunikation GmbH
• Hutchison 3G Austria GmbH
• Mannesmann 3G Mobilfunk GmbH
• max.mobil. Telekommunikation Service GmbH
• Mobilkom Austria AG
• 3G Mobile Telecommunications GmbH (Telefonica)
Alle Antragsteller planen den Einsatz der UMTS-Funkschnittstelle UTRA (IMT-2000
CDMA direct spread - IMT-2000 CDMA TDD).
Bieter Gepaarte
Pakete à 2x5 MHz Ungepaarte
Pakete à 1x5 MHz Gesamt
Pakete Mio. ATS Mio. Euro Pakete Mio. ATS Mio. Euro Mio. ATS Mio. Euro
Connect 2 1.652 120 1.652 120
Hutchison 3G 2 1.563 114 1 350 25 1913 139
Mannesmann 3G 2 1.557 113 1557 113
max.mobil. 2 1.643 120 2 702 51 2.345 171
Mobilkom 2 1.660 121 2 700 50 2360 171
3G Mobile GmbH 2 1.616 118 1616 118
Gesamt 9.691 706 1752 126 11.443 832
Abbildung 3: Lizenzkosten Österreich
3. UMTS - Basisarchitektur
3.1 Allgemeine Architektur
Das UMTS-Netzwerk kann in drei Netzwerkbereiche unterteilt werden, das UE (User
Equipment), das Access Network und das Core Network.
Abbildung 4: UMTS – Allgemeine Architektur
3.1.1 User Equipment
Das UE bietet dem UMTS-Teilnehmer den Zugang zum UMTS-Netz des jeweiligen
Netzbetreibers und unterstützt sowohl Sprach- als auch Datendienstleistungen des
UMTS-Netzes. Das UE läßt sich in drei Teile gliedern:
TE – Terminal Equipment: Die TE ist der Teil des UE der direkten Kontakt zum
Teilnehmer hat. Dabei kann es sich um den UE-Bildschirm handeln oder auch um ein
angeschlossenes Notebook.
TAF – Terminal Adaption Funktion: Die TAF ist zuständig für die Adaption
zwischen TE und MT (zB: Ratenanpassung).
MT – Mobile Termination: Die MT stellt den Zugriff zum Access Network her und
sollte daher alle angebotenen Dienste unterstützen.
3.1.2 Access Network
Das Access Network besteht aus den Empfangs- und Sendeeinheiten der
Bodenstationen, um mit den Mobilteilnehmern Kontakt aufbauen zu können. Des
Weiteren muß das Access Network die Informationen der Mobilteilnehmer an das
Core Network weiterleiten, um dort ausgewertet zu werden.
3.1.3 Core Network
Das Core Network stellt einerseits Schnittstellen zu anderen Netzen zur
Verfügung, andererseits hat es auch Aufgaben bezüglich des Routings und
Realisierung von Dienstleistungen. Die Dienstleitsungen können einerseits vom
Core Network selbst oder aber auch durch Weiterleitung an fremde Netze angeboten
werden. Ebenso ist das Core Network auch für die Vergebührung zuständig.
Das Core Network besteht prinzipiell aus zwei Teilbereichen, die jeweils für die
leitungsorientierte bzw. paketorientierte Verbindung zuständig sind. Diesem
Aspekt trägt man mit einer „Circuit Domain“ (zB: Sprachdienste) und einer
„Packet Domain“ (Datendienste) Rechnung.
3.2 Rückblick auf die GSM-Architektur
Im Gegensatz zur UMTS-Architektur hat die GSM-Architektur bis zur Phase 2 keine
paketorientierten Dienste angeboten. Erst mit der Phase 2+ wurden in der
Architektur paketorientierte Dienste berücksichtigt (GPRS – General Packet Radio
Service). Um die Unterschiede zur UMTS-Architektur zu veranschaulichen, lohnt
sich ein Blick auf die GSM-Architektur und wie mit dieser Datendienste
realisiert worden sind.
Abbildung 5 GSM-Architektur
Wie man aus der Abbildung oben erkennen kann fehlt in der
Standard-GSM-Architektur Implementierungen für paketorientierte Datendienste mit
fremden Datennetzen. Das hat den nachhaltigen Nachteil, daß
Übetragungsressourcen nicht optimal genutzt bzw. ausgelastet werden, da jedem
Anwender ein eigener physikalischer Übertragungskanal alleine zur Verfügung
steht. Betrachtet man sich einen typischen Internet-Anwender, so werden zu
gewissen Zeitpunkten Daten mit dem „Internet“ ausgetauscht (Down- und Upload),
zu anderen Zeitpunkten steht der Datenaustausch aber still, da der Anwender in
dieser Zeit sich in aller Ruhe die heruntergeladenen Internetseiten betrachten
und studieren will. Während der Betrachtung der Internetseiten steht die Leitung
„still“, keine Daten werden ausgetauscht. Diesen Sachverhalt kann man sehr gut
in der Abbildung unten erkennen.
Abbildung 6: Verkehrsauslastung Leitungsorientiert
Es liegt daher nahe, daß man ein Konzept entwickelt, das es ermöglicht, daß
andere Anwender in dieser Studierphase (Ruhepause) von Anwender-A dessen
Übertragungsmedium nutzen um ihrerseits Daten mit dem Internet auszutauschen.
Abbildung 7: Prinzip des paketorientierten Transports
Diesem Aspekt trägt die Phase 2+ des GSM-Netzes Rechnung, indem die
Netzarchitektur durch weitere Komponenten ergänzt wird, die einen
paketorientierten Datentransport ermöglichen. Diese Architektur-Erweiterung
entspricht der GPRS-Architektur, die dem GSM-Netz folgende Komponenten zufügen:
• PCU (Packet Control Unit)
• SGSN (Serving GPRS Support Node)
• GGSN (Gateway GPRS Support Node)
Die PCU hat die Aufgabe des Radio-Link-Control-Managements und ist nach einer
Weiche für paketorientierten Datendienst im BSC angeordnet. Die PCU versorgt den
SGSN über einen Frame-Relay-Link mit Daten (Gb-Schnittstelle).
Der SGSN dient zur funktionalen Unterstützung der GPRS-tauglichen Mobilestation.
Ebenso ist der SGSN für die Abfrage der Teilnehmeradressen aus dem GPRS-Register
(im HLR realisiert) zuständig, sowie für die Verwaltung eines bestimmten,
zugewiesenen geographischen Gebiets (Routing Area).
Der GGSN dient als Schnittstelle zu externen Datennetzen wie z.B. IP oder X.25.
Der GGSN wertet die Paketdatenprotokoll-Adressen aus und setzt diese auf die
IMSI der jeweiligen Mobilestation um. Eine weitere Aufgabe ist, die Datenpakete
zu entkapseln und diese an die nächste Instanz der Netzschicht zu versenden,
entsprechend den Optionen des Netzprotokolls.
Abbildung 8: GPRS-Mobilfunknetz
3.3 UTRAN – UMTS Terristrial Radio Access Network
Mit UTRAN werden die Funktionen und Protokolle bezeichnet, die der
Datenübertragung über das terrestrische Funkzugangsnetz dienen und innerhalb der
Access Network Domain angesiedelt sind.
3.3.1 Funktionaler Aufbau des UTRAN
Das UTRAN besteht aus einem Satz von RNS´s (Radio Network Subsytem), die den
Zugriff auf mobile Netzdienste des UMTS-Netzes ermöglichen. Das RNS findet im
GSM-Netz sein Analogon im BSS-Base Station Subsystem. Ein RNS ermöglicht die
Zuweisung spezieller Funkressourcen des UMTS-Netzes, um eine Vermittlung
zwischen Mobilteilnehmer und UTRAN zu etablieren. Das UTRAN wird durch die
Iu-Schnittstelle an das Core-Network angebunden, das für die Vermittlung der
Daten zuständig ist.
Abbildung 9: UMTS – Access Network
Jedes RNS wird durch einen RNC (Radio Network Controller) und mehreren Node B´s
gebildet. Um eine Analogie zum GSM-Netz herzustellen, entspricht der RNC dem BSC
(Base Station Controller) und der Node B der BTS (Base Tranceiver Station).
Der Node B ist ein logischer Knoten, der für die Funkverbindung in einer oder
auch mehr Zellen zwischen Mobilteilnehmer (UE – User Equipment) und UTRAN
verantwortlich ist. Er kann also als Netzwerkkomponente aufgefaßt werden, der
geographische Zellen versorgt. Für den Duplexbetrieb sind sowohl FDD – Frequency
Division Duplex als auch TDD – Time Division Duplex, bzw. als
Dualmode-Verfahren, im Einsatz. Es gibt für jeden Node B genau einen RNC. Zum
Teilnehmer (UE) hin kommuniziert der Node B über die physikalische Schicht des
Uu-Protokollstapels.
Der RNC hat die komplette Kontrolle über die logischen Ressourcen seiner Node
B´s und ist verantwortlich für Handover-Entscheidungen, die eine Signalisierung
zum UE (User Equipment) erfordert. Der Node B, der FDD unterstützt, kann
optional eine Combinig/Splitting-Funktion implemetiert haben, um Makrodiversität
innerhalb eines Node B-Bereiches zu unterstützen. Ein Node B ist mit dem RNC
über die Iub-Schnittstelle verbunden.
Innerhalb des UTRAN können die RNC´s der RNS´s (Radio Network Subystem)
miteinander durch die Iur-Schnittstelle verbunden sein und Daten untereinander
austauschen. Die Übertragungsstrecke wird vorzugsweise als ATM-Link gebildet.
Das ermöglicht es, daß im Gegensatz zum GSM-Netz, die einzelnen RNC´s des UTRAN
ohne Beteiligung des Core-Networks miteinander kommunizieren können.
Abbildung 10: UTRAN – Radio Network Subsystem
Jedes RNS ist verantwortlich für die Ressourcen sowie Funkverbindung in einem
Satz von Zellen.
Für jede Verbindung zwischen UE und UTRAN ist ein RNS das Serving-RNS. Das
Serving-RNS übernimmt die Aufgabe für die Funkverbindung zwischen UE und UTRAN.
Zwischen SRNS und DRNS besteht eine logische Verbindung an der Iur-Schnittstelle,
die physikalisch auf die Iu-Schnittstelle abgebildet wird. Eine
Ende-zu-Ende-Verbindung zwischen dem UE und dem CN besteht nur über die
Iu-Schnittstelle am SRNS. Das Serving-RNS terminiert also die Iu-Schnittstelle
für dieses UE.
Falls erforderlich, unterstützen Drift-RNS´s das Serving-RNS, indem sie
Funkressourcen (wie in Abbildung 12 zu sehen) zur Verfügung stellt, wenn die
Verbindung zwischen UE und UTRAN Zellen benötigt, die von diesen RNS´s
kontrolliert werden, die dann als Drift-RNS bezeichnet werden.
Abbildung 11: Serving RNS and Drift RNS
3.3.2 Funktionen des UTRAN
• Admission Controll: Die Zugriffssteuerung dient zur Vermeidung von
Überlastsituationen im Funknetz und ist im SRNS angesiedelt.
• Congestion Control: Führt das System für den Teilnehmer unbemerkt bei
Überlastungen in einen stabilen Zustand über.
• System Information Broadcasting: liefert dem UE alle zum Betrieb notwendigen
Informationen.
• Verschlüsselung auf dem Funkkanal
• Handover: dient zur Einhaltung einer vom CN geforderten Dienstgüte.
• SRNS-Verlagerung: Nutzt ein UE Funkbetriebsmittel einer SRNS und DRNS, so kann
sich aufgrund der Mobilitöt des UE die Rolle des jeweiligen RNC´s im Verlauf der
Verbindung ändern.
• Konfiguration des Funknetzes
• Funkkanalmessungen
• Makrodiversität: Makrodiversität (siehe Kapitel 4) erlaubt es, Datenströme zu
vervielfältigen und gleichzeitig über mehrere physikalische Kanäle in
verschiedene Zellen gleichzeitig zu einem Endgerät zu übertragen. Umgekehrt
dient die Makrodiversität auch dazu, den von einem UE gesendeten Datenstrom an
mehrere Bassisstationen zu empfangen und wieder zusammenzuführen. Die
Wiedergewinnung des Datenstroms kann sowohl im SRNC als auch im DRNC oder sogar
im Node B erfolgen. Makrodiversität ist nur im FDD-Modus möglich und befindet
sich imj UTRAN.
• Funkbetriebsmittelverwaltung: Die Vergabe und Freigabe von Funkbetriebsmittel
ist eine Funktion des RNC. Sie wird zB. dann benötigt, wenn Betriebsmittel für
Makrodiversität oder zur Verbesserung der Güte des Trägerdienstes bereitgestellt
werden müssen.
• Datenübertragung über die Funkschnittstelle
• Leistungssteuerung
3.4 Das CN Core-Network
Das CN ist logisch in eine Circuit Switched Domain (CSD) für kanalvermittelte
Dienste und eine Packet Switched Domain (PSD) für paketvermittelte Dienste
aufgeteilt. Diesem Aspekt wird durch eine eigene IuCs- und IuPS-Schnittstelle
zum UTRAN Rechnung getragen. Der kanalvermittelte Dienst zeichnet sich dadurch
aus, daß Betriebsmittel bei Verbindungsaufbau belegt und erst wieder beim
Verbindungsabbau wieder freigegeben werden
Abbildung 12: UMTS - Core Network (Phase 1)
(Der weitere Text ist momentan noch nicht ganz fertig gestellt! Weitere
Informationen sind aber zur Zeit aus dem Anhang dieser Unterlagen zu finden.)
4. Vielfachzugriff – CDMA
Code Division Multiple Access Verfahren (CDMA) wandeln ein schmalbandiges
Nutzsignal in ein breitbandiges Übertragungssignal um. Dies geschieht durch eine
spezielle Codiervorschrift, wobei jedem Teilnehmer eine eigene und geeignete
Codiervorschrift zugewiesen wird. Wichtig ist dabei, daß alle verschiedenen
Codes statistisch voneinander unabhängig sind, daß heißt, daß sie orthogonal
zueinander sind. Das ermöglicht es, daß die Nutzsignale aller Teilnehmer über
das selbe Frequenzband und zeitgleich übertragen werden können, da die
unterschiedlichen Signale durch den jeweiligen Code wieder voneinander getrennt
werden können und dem jeweiligen Teilnehmer zugewiesen werden können.
Ein Teilnehmer empfängt bei CDMA-Verfahren also das Signal r:
Im Idealfall sollten die Multiplikationen c1.c2.......c1.cn durch deren
Orthogonalität zu Null werden und somit keinen Beitrag zum Empfangssignal des
Teilnehmer 1 liefern.
Berechnung des Rauschens No' einer Zelle:
4.1 Vergleich zwischen FDMA und CDMA
Analog zu FDMA-Verfahren, bei denen Zellularkonzepte für den Mobilfunk
angewendet werden, damit die zur Verfügung stehenden Frequenzen mehrfach
wiederverwendet werden können, ist auch in CDMA eine zellulare Struktur zur
Wiederverwendung der Spread-Spektrum-Signale möglich.
• Flexible Anpaßung des Funkverkehrs an die Erfordernisse (Teilnehmerzahl nicht
fest vorgegeben)
• Jeder nicht aktive Teilnehmer bringt eine direkte SNR-Verbesserung (Signal to
Noise Ratio) für die aktiven Teilnehmer (kein Analogon für FDMA!)
• Ist ein Kanal in FDMA belegt aber nicht benutzt (Sprechpause) so ergibt sich
kein unmittelbarer Vorteil für die anderen Teilnehmer. Im CDMA-Netz bedeutet
eine Sprechpause eines Teilnehmers aber eine SNR-Verbesserung für alle anderen
aktiven Teilnehmer!
• Frequenzeinbrüche (Fading) führen bei CDMA nicht gleich zum Verlust der
Übertragung..
4.2 Generation von orthogonalen Codes
Die unter diesem Punkt besprochenen orthogonalen Codes werden
Channelization-Codes genannt, da sie unter anderem auch dazu verwendet, die
Bandbreite auf das zur Verfügung stehende 5MHz-Band aufzuspreizen.
Abbildung 13: Codebaum für orthogonale Codes
Die Generierungs-Regel lautet dabei:
• Linker Knotenpunkt spaltet sich nach rechts auf zwei Knotenpunkte auf
• Man nimmt den linken Code und schreibt sie bei beiden rechten Knotenpunkten
separat auf.
• Beim oberen rechten Knoten wiederholt man den Code , man hängt also die
gleiche Zahl nochmals an
• Beim rechten unteren Knoten multipliziert man den Code bitweise mit (-1) und
hängt diesen Code ebenfalls an.
Beispiel:
C4(3) = {1, -1, 1, -1}
Knoten C2(2)={1, -1}
C4(4) = {1, -1, -1, 1}
Welche Codes sind erlaubt, also orthogonal:
Es dürfen alle Codes verwendet werden, die nicht auf dem Weg zur Wurzel eines
bereits verwendeten Codes lliegen und die sich nicht rechts vo diesem
verzweigen. Für C4,2 wären also verboten: C1,1, C2,1 sowie rechts davon: C8,3,
C8,4, C16,5, C16,6, C16,7, C16,8, usw. (siehe Codebaum oben).
4.3 Scrambling Code
Der Scrambling Code ist ein „Pseudo Noise“-Code und wird bei WCDMA-Verfahren
zusätzlich zum Speading-Code (Channelization-Code) verwendet. Unter einem „Pseudo
Noise“-Code kann man sich eine „zufällige“ Ansammlung der Bits „0“ und „1“
vorstellen, die durch rückgekoppelte Schieberegister erzeugt werden.
Näheres dazu ist im Kapitel 6.3 zu finden.
5. Diversität
Die Fehler bei der Übertragung auf einem Fadingkanal treten in erster Linie dort
auf, wo die Rayleigh verteilte Amplitude klein ist. Denn dort ist das SNR am
kleinsten. Wenn man dem Empfänger jedoch mehrere Kopien der übertragenen
Information zu Verfügung stellt und die Kopien der Information auf L
unabhängigen Fading Kanälen schickt, ist die Wahrscheinlichkeit, daß alle Kanäle
gleichzeitig in einem ,,tiefen fade" (Einbruch) sind, recht klein: Wenn p die
Wahrscheinlichkeit ist, daß die Amplitude unter einen gewissen kritischen Wert
sinkt, dann ist die Wahrscheinlichkeit, daß alle L Amplituden unter diesem
kritischen Wert liegen pL, da die Kanäle als statistisch unabhängig
vorausgesetzt wurden.
Durch das gleichzeitige Übertragen über Kanäle mit unabhängigen Fading
verringert man das Risiko, daß kaum Leistung übertragen wird. Hierbei spricht
man von Diversity. Wenn man über L unabhängige Kanäle überträgt spricht man von
Diversity Ordnung L.
Möglichkeiten Diversity zu erhalten sind:
• Time Diversity - Zeit Diversity erhält man dadurch daß das gleiche Bit zu
genügend weit auseinanderliegenden Zeiten gesendet wird. Der Abstand zwischen
den Sendezeitpunkten muß so groß sein, daß die Fadingamplitude als
näherungsweise unabhängig angesehen werden kann.
• Frequenz Diversity - Im letztem Kapitel hat sich gezeigt, daß sich die
Übertragungsfunktion in Frequenzrichtung ähnlich verhält, wie in Zeitrichtung:
Frequenz Diversity erhält man, indem man mehrere schmalbandige Kanäle verwendet,
die weiter als die Kohärenzbandbreite auseinanderliegen. Es wird sich später
noch zeigen, daß hier die Diversity auch durch das Senden eines breitbandiges
Signales erzeugt werden kann.
• Antennen Diversity - Antennen Diversity ist eine vollkommen andere Art,
Diversity zu erhalten. Hier hat man eine Sendeantenne und L Empfangsantennen.
Wenn die Empfangsantennen weit genug auseinander liegen, ist das Fading
näherungsweise unkorreliert. Das ist eine sehr einfache Art Diversity zu
erhalten, verlangt aber zusätzlich zu der Einrichtung von L Antennen, noch die
Verwendung von L unabhängigen Empfängerstrukturen. Diese Art Diversity zu
erhalten wird auch Space Diversity genannt.
• Path Diversity, Verwendet man an der Basisstation mehrere Richtantennen mit
scharfer Richtcharakteristik, kann man Ausbreitungspfade trennen, die aus
unterschiedlichen Richtungen beim Empfänger eintreffen. Diese Richtungen
beschreiben i.a. unkorrelierte Kanäle.
5.1 Fehlerwahrscheinlichkeiten bei Diversity Empfang
Hier wird angenommen, daß L Kopien des Signals über L unabhängige Rayleigh
verteilte Kanäle mit additiven gaußischen Rauschen gesendet wurden. Weiterhin
wird davon ausgegangen, daß diese L Kanäle die gleichen Eigenschaften haben.
Hierbei wird zuerst angenommen, daß sowohl die Amplitude Ai, wie auch die Phase
der L Kanäle perfekt bekannt sind. Um die Entscheidungsvariable zu bilden,
müssen die Ausgänge
der L Kanäle miteinander kombiniert werden. Die optimale Methode, die Ausgänge
zu kombinieren nennt man ,,Maximum Ratio Combining":
Diese Methode wird auch beim "UMTS-Combining" angewandt.
Auffällig ist hier die Ähnlichkeit zum Matched Filter.
Die Optimalität kann aus dem Maximum Likelihood Prinzip hergeleitet werden. Es
gilt dann, daß
mit a der gesendeten Information. Da für BPSK
gilt, muß maximiert werden. Das ist aber äquivalent zum Maximum Ratio Combining
Prinzip.
Die Entscheidungsvariable für BPSK ergibt sich dann zu:
mit ni den (als gaußisch vorausgesetzten) Rauschprozessen auf den L Kanälen und
der Information. Die Summe der L mittelwertfreien und unkorrelierten
Gaußprozessen mit Varianz ergibt wieder einen mittelwertfreien Gaußprozeß mit
der Varianz
Somit erhält man für gegebene Ai wieder einen Gaußkanal mit
Fehlerwahrscheinlichkeit:
mit . Um die Fehlerwahrscheinlichkeit für Maximum Ratio Combining zu berechnen,
muß jetzt wieder eine Mittelwertbildung durchgeführt werden. Diese
Mittelwertbildung ist aber über eine mehrdimensionale Verteilung zu berechnen,
d.h.:
Für BPSK gibt es - erstaunlicherweise - eine geschlossene Lösung für diese
Mittelwertbildung:
mit
Wenn ergibt sich
Somit folgt, daß durch den Diversityempfang die Bitfehlerwahrscheinlichkeit
umgekehrt proportional zur L-ten Potenz des SNR fällt. Diversityempfang ist
somit eine gute Methode den Einfluß von Fading zu verkleinern.
Im Falle von nicht kohärentem Empfang ist die Phase nicht bekannt. Hier wird
dann zuerst der nicht kohärente Empfang auf jedem der L unabhängigen Kanäle
durchgeführt. Die Ausgänge werden dann - für Maximum Ratio Combining - mit der
Amplitude gewichtet addiert.
5.2 Andere Methoden die Kanäle zu kombinieren
Bis jetzt wurde nur die optimale Art die unabhängigen Kanäle zu kombinieren
betrachtet. Es gibt aber noch andere suboptimale Verfahren, die aber i.a. eine
kleinere Komplexität haben. Die ersten beiden Verfahren haben den Vorteil, daß
nicht L unabhängige Empfänger benötigt werden.
• Selective Combining - Hier wird das stärkste Signal von den L unabhängigen
Kanälen als Entscheidungsvariable ausgewählt. Man braucht dafür üblicherweise
nur zwei Empfänger, einen, um das Signal zu empfangen und einen zweiten, um
nacheinander zu prüfen, ob dieses Signal auch wirklich das stärkste ist.
• Switched Combining - Bei Switched Combining verzichtet man auf den zweiten
Empfänger. Man benutzt nur einen Empfänger für ein gegebenes Signal; wenn die
Amplitude dieses Signals unter eine gewisse Schwelle fällt, wird nach einem
anderen besseren Kanal gesucht.
• Equal Gain Combining - Dieses Verfahren benutzt zwar L Empfänger, benutzt aber
nicht die Amplitude der Übertragungskanäle, um die Entscheidungsvariable zu
bilden:
Die Phase muß jedoch - für kohärenten Empfang - immer noch bekannt und die
Verschiebungen ,,weggedreht" sein. Ansonsten hätte man keinen Diversity Empfang
mehr. Im nicht kohärenten Fall kann aber ohne Kenntnis der Phase und der
Amplitude diese Kombinierungsmethode durchgeführt werden. Die Kanalschätzung
entfällt.
Equal Gain combining wird relativ häufig angewendet, da nur um 1 dB in Hinblick
zur optimalen Methode Energieverlust zu erwarten ist. 1 dB Energieverlust
bedeutet, daß man bei Equal Gain combining 1 dB mehr Energie schicken muß, um
die gleiche Fehlerwahrscheinlichkeit zu erhalten.
6. Spread Spektrum
Aus dem letzten Abschnitt folgt, daß mit einem breitbandigeren Spektrum auch
eine höhere Diversity erreicht werden kann. Im allgemeinen hat man aber eine
vorgegebene Datenrate und somit eine gegebene Bandbreite. Wie kann aus einem
schmalbandigen Signal ein breitbandiges erzeugt werden? Hierbei sollte das
Spektrum des gesendeten Signals möglich weiß sein. Eine Möglichkeit ist es,
einfach kürzere Impulse zu schicken (das Spektrum eines Dirac-Impulses ist
weiß). In dem Fall würde aber - bei gleicher Rate - nur zu gewissen Zeiten
gesendet werden. Es kann sich hierbei z.B. um einen Datenburst wie bei GSM
handeln. Bei GSM wird nur zu einem Achtel der verfügbaren Zeit gesendet. Diese
Prinzip ist in Abbildung 14 dargestellt.
Abbildung 14: Breitbandige Übertragung mit Datenbursts
Hierdurch erhält man aber durch die gewollt größere Bandbreite i.a.
Intersymbolinterferenz. Wenn man Intersymbolinterferenz vermeiden will, kann man
auch zeitlich auseinanderliegende kurze Impulse schicken, um ein breitbandiges
Spektrum zu erhalten. Die Generation von so kurzen Impulsen ist aber technisch
schwierig, da der Sender die Sendeleistung dann schnell verändern muß. Weiterhin
hat man zu gewissen Zeiten eine hohe und dafür zu anderen Zeiten gar keine
Leistung zu senden. Solche Leistungsverteilungen sind besonders unangenehm in
Hinblick auf E-Smog.
Eine andere Möglichkeit ist die Spreizung des schmalbandigen Signals mit
Impulsen, die sich wie weißes Rauschen verhalten. Die Spreizung kann als eine
Modulation des schmalbandigen Datenstromes mit einem breitbandigen, möglichst
weißen, Impuls aufgefaßt werden. Die Spreizsequenzen müssen aber, damit auch die
Demodulation möglich ist, deterministisch, d.h. reproduzierbar sein.
Solche ,,deterministischen Rauschprozesse" können durch Pseudo Noise (pn)-Sequenzen
erzeugt werden, die zum Beispiel durch zurückgekoppelte Schieberegister Folgen
(diese Sequenzen werden auch Maximum Length Sequenzen genannt) erzeugt werden.
In Abschnitt 6.4 wird die Generation und die Existenz solcher Folgen besprochen.
Notwendig für Spread Spectrum ist jedoch, daß sich die Impulsantwort über die
betrachtete Länge nur wenig ändert. Was heißt jedoch wenig? Diese Frage kann
unter gewissen Annahmen in Abhängigkeit von der maximalen Dopplerfrequenz
beantwortet werden.
Man spricht von Spread Spektrum Signalen, wenn die Bandbreite W viel größer als
die Informationsrate R ist. Der Faktor Be=W/R, der die Verbreiterung der
Bandbreite beschreibt, ist für Spread Spektrum Systeme viel größer als 1. Der
Wert Be wird auch Spreizgewinn genannt. Da durch Codierung i.a. auch eine
Verbreiterung der Bandbreite erzielt wird; kann auch Codierung ein wichtiges
Element in Spread Spektrum Systemen sein. Man könnte auch umgekehrt wie oben
sagen, daß durch die Spreizung ein trivialer Code verwendet wird.
Durch die Verbreiterung des Spektrums sind die erhaltenen Signale i.a. sehr
störresistent gegen schmalbandige Störer. Diese Resistenz kann unter anderen
dann von Vorteil sein, wenn jemand absichtlich versucht das Signal zu stören. Um
mit kleiner Leistung das Signal effizient zu stören, muß i.a. die Kenntnis der
zur Spreizung verwendeten pn-Folge bekannt sein. Eine weitere (auch eher für
militärische Anwendungen) interessante Eigenschaft ist die, daß die Energie/Hz
kleiner als die des überlagernden gaußischen Rauschen sein kann. Das Signal kann
somit im gaußischen Rauschen ,,versteckt" werden. Außerdem und das ist hier
besonders wichtig, geht mit der Verbreiterung des Spektrums eine Erhöhung der
Diversity bei Mobilfunkkanälen einher. Der Spreizgewinn ist somit auch ein Maß
für die Vergrößerung der Diversity.
Anmerkung 6.1 Auch das Senden von Datenbursts beziehungsweise
auseinanderliegenden Impulsen kann als eine Spreizung mit einer Spreizfolge
angesehen werden. Hierbei enthält die Spreizfolge aber auch Nullelemente.
6.1 Direct Sequence Spread Spektrum
Direct Sequence Spread Spektrum kann im Prinzip auf jedes Modulationsverfahren
angewendet werden. Das Prinzip ist nichts anderes als eine Multiplikation der
niedrigratigen Sendefolge mit einer 1-wertigen Folge hoher Rate - und damit
einem breitbandigen Spektrum. Wenn a(iTc) das Ursprungssignal sei, ergibt sich
als gespreiztes Signal s(iTc)a(iTc). Hierbei ist s(iTc) eine Folge mit Takt Tc
und möglichst weißem Spektrum, es handelt sich hier üblicherweise um eine
pn-Folge. a(iTc) ändert sich im Symboltakt Ts. s(iTc) ist im einfachsten Fall
periodisch im Syboltakt Ts.
Beispiel 6.1 Die pn-Folge sei: (+1,-1,+1,-1,+1,+1,-1,+1)
Wenn die Folge (1,-1,1) gesendet wird, ergibt sich nach der Spreizung:
(+1,-1,+1,-1,+1,+1,-1,+1,-1,+1,-1,+1,-1,-1,+1,-1,+1,-1,+1,-1,+1,+1,-1,+1)
Danach wird dann noch eine Impulsformung der zu übertragenen Symbole, die jetzt
Chips genannt werden, durchgeführt.
Anmerkung 6.2 Die Multiplikation mit ist nur eine Möglichkeit das Signal zu
verbreitern. I.a. kann die Spreizfolge auch aus komplexen Werten bestehen.
Üblicherweise wird jedoch i.a. davon ausgegangen, daß zumindestens die Amplitude
der Spreizfolge konstant ist.
Direct Sequence Spread Spektrum ist eine Modulation mit einem breitbandigen
Träger. Wenn s(iTc) periodisch im Syboltakt TS ist, kann auch eine andere
Betrachtungsweise vorgenommen werden. Die Spreizung kann dann als eine ,,breitbandige
Formung" des Sendeimpulses aufgefaßt werden. Auf der Empfangsseite wird durch
eine Chip-synchrone Korrelation, der durch s(iTc) =si gegebenen Folge und dem
Empfangssignal das Ursprungssignal wieder hergestellt. Man spricht hierbei auch
von Entspreizung, da am Ende wieder ein schmalbandiges Signal folgt. Hierbei
ergibt sich bei gaußischem Rauschen und nicht verzerrenden Kanälen das gleiche
SNR wie bei schmalbandiger Übertragung. Wenn der Kanal jedoch eine nichttriviale
Impulsantwort hat, sollte durch die breitbandige Übertragung auch Diversity
erzeugt worden sein. Ein weiterer Vorteil ergibt sich - und diese Eigenschaft
ist besonders wichtig in Hinblick auf Jamming - daß, wenn schmalbandige Störer
auftreten, diese durch die Spreizung herausgemittelt werden.
Durch den oben beschriebene Korrelationsempfang wird aber noch keine Diversity
erzeugt: Da pn-Folgen aber sehr gute Autokorrelationseigenschaften aufweisen,
sind zeitverzögert empfangene Signalanteile bei korrekter Synchronisation auf
den direkten Pfad stark unterdrückt. Es gibt zwar kaum Selbstinterferenz, aber
auch keinen Diversitygewinn. Im nächsten Abschnitt wird der Rake Receiver
eingeführt, der auch Diversity Empfang möglich macht. Dieser Empfänger fußt
wieder auf dem Prinzip des Matched Filters.
6.1.1 Der ,,Rake Receiver"
Der ,,Rake Receiver" (Rake englisch für Rechen) ist ,,Combining" von den
zeitverschobenen ankommenden Signalanteilen. Das heißt, daß nicht nur ein
Korrelationsempfang auf den direkten, sondern auch auf die später empfangenen
Signalanteile durchgeführt wird.
Dieses Prinzip läßt sich unter der Annahme einer perfekten Autokorrelation der
pn-Folgen , und vernachlässigbare Intersymbolinterferenz (es wird nur ein
Sendesymbol betrachtet) direkt aus dem Prinzip des Matched Filters herleiten:
Der Kanal sei durch das digitale Filter
gegeben. Das digitale Matched Filter wäre dann
Da angenommen wurde, daß keine Intersymbolinterferenz aufgetreten ist, ergibt
sich das folgende Prinzip:
Bilde die Korrelation der empfangenen Folge mit si+j und kombiniere sie - für
Maximum Ratio Combining - mit h*j multipliziert. Dieses Prinzip ist in Abbildung
15 dargestellt.
Abbildung 15: Der Rake Receiver mit drei Abgriffen
Anmerkung 6.3 Die Annahme der perfekten Autokorrelation ist für die Herleitung
nach dem Matched Filter nicht nötig. Sie beinhaltet nur, daß die
unterschiedlichen Kanäle auch wirklich voneinander unabhängig sind.
Dieses Vorgehen ist äquivalent zum Maximum Ratio Combining Prinzip von
unabhängigen Kanälen. Hierbei ist jeder Kanal durch das verzögerte Signal mit
dem Koeffizienten hi gegeben.
Anmerkung 6.4 In der Praxis wird oft ein vereinfacheter Rake Receiver mit
wenigen Abgriffen benutzt, das ist äquivalent zu einer verallgemeinerten Art von
Selective Combining.
6.1.2 Zusammenfassung
Zusammengefaßt ergeben sich die Eigenschaften von Direkt Sequence Modulation wie
folgt:
Durch den Korrelationsempfang besteht die Möglichkeit, das Nutzsignal im
Rauschen zu verstecken.
Das Signal bleibt privat. Nur wer die pn-Folge kennt, kann demodulieren; aber
Vorsicht: Rückgekoppelte Schieberegisterfolgen sind kryptologisch unsicher.
Widerstandsfähig gegen schmalbandige Störungen. Direkt Sequence Spread Spectrum
ist robust gegen Störungsequenzen, deren Kreuzkorrelation mit der Spreizsequenz
klein ist. Schmalbandige Störer gehören dazu.
Zeit und Entfernungsmessung sind i.a. über die Autokorrelation sehr gut möglich.
Zeitverschobene Signale werden unterdrückt.
Hohe Systembandbreite erforderlich.
Synchronisation schwierig! Das liegt daran, daß hier auf Chips und damit sehr
viel genauer als auf Symbole synchronisiert werden muß.
Bei reinem weißen gaußischen Rauschen und nicht dissipativem Kanal nicht besser
als schmalbandige Systeme.
6.2 Erzeugung von Pseudo noise Folgen
Pseudo Noise Folgen sind deterministische Folgen, die in ihren Eigenschaften
sehr nah an unkorreliertes Rauschen herankommen. Hierbei wird besonders darauf
geachtet, daß die Autokorrelationsfunktion der deterministischen Folge einen
Dirac Impuls nahe kommt.
6.2.1 Lineare Rückgekoppelte Schieberegister
Die bekannteste Art pn-Folgen zu erzeugen, ist die mit Hilfe eines
zurückgekoppeltem linearen Schieberegister nach Abbildung 19:
Abbildung 16: Lineares zurückgekoppeltes Schieberegister
Hierbei sind die hi binäre, das heißt . Der Inhalt des Schieberegisters enthält
ebenfalls binäre Daten. Die Operationen - Addition und Multiplikation - sind mod
2. Als Formel geschrieben ergibt sich:
Nach einiger Zeit wird sich die Folge wiederholen, das heißt sie ist periodisch.
Die Maximale Länge ist 2n-1, da dann alle möglichen Inhalte im Schieberegister
aufgetreten sind. Der gleiche Inhalt impliziert natürlich die gleich Fortsetzung
der Folge. Nur 0en im Schieberegister sind nicht zugelassen, da ansonsten immer
wieder 0 folgen würde. Durch eine ,,geschickte" Wahl der hi kann die
Periodenlänge L=2n-1 erzeugt werden. Die Rückkopplungswerte werden üblicherweise
in einer Polynomdarstellung nach
mit h0=1 dargestellt.
Solche durch lineare zurückgekoppelte Schieberegister erzeugte Sequenzen habe
die folgenden Eigenschaften:
0-en und 1-en treten etwa gleich häufig auf: Die 0 tritt (L-1)/2 und die 1 tritt
(L+1)/2 auf.
Betrachtet man L Fenster der Länge (jeweils um ein Bit verschoben), so tritt
jede der 2i-1 möglichen Bitfolgen ungleich der all Null Folge gleich oft auf.
Diese relative Häufigkeit entspricht im wesentlichen der Wahrscheinlichkeit von
zufälligen Sequenzen.
Die Sequenzen sind hier über der Menge {0,1} definiert. Für pn-Sequenzen, wie
sie für Spread Spektrum Systeme gebraucht werden, sollte aber gelten. Durch die
Transformation und wird dieses Ziel erreicht.
Wenn eine Korrelation von dem periodischen si mit der endlichen Folge s1,...,sL
durchgeführt wird, ergibt sich
Diese ,,Autokorrelation" entspricht (bis auf die -1 und der Periode) der
Autokorrelation von weißem Rauschen. Die periodische Autokorrelation ist in Bild
Abbildung 20 dargestellt. Für den Fall, daß die Autokorrelation ein Impuls ist,
spricht man von perfekten Sequenzen.
Abbildung 17: Periodische Autokorrelation von M-Sequenzen.
Beispiel 6.6 Hier soll anhand eines Beispiels gezeigt werden, wie eine pn-Folge
mit einem rückgekopplten Schieberegister erzeugt wird. Die Länge des
Schieberegisters sei 3. Die Abgriffe sind wie in Abbildung 21 dargestellt. Das
zu der Registerdarstellung gehörende Polynom ist x3+x+1.
Abbildung 18: Schieberegister der Länge Drei.
Sei der Inhalt der Register am Anfang b0=b1=b2=1. Durch das Rückgekoppelte
Schieberegister ergeben sich die Registerinhalte nach der folgenden Tabelle:
Zeit Registerinhalt Ausgang
0 1 1 1 1
1 1 1 0 1
2 1 0 1 1
3 0 1 0 0
4 1 0 0 1
5 0 0 1 0
6 0 1 1 0
7 1 1 1 1
Die pn-Folge ist somit 1110100111 etc. Man überzeugt sich leicht, daß die
Auftrittshäufigkeit der 0-en, 1-en, usw. wirklich den oben beschriebenen
entspricht
6.3 Scrambling Code
Scrambling-Codes werden in der Bodenstation und in der MS verwendet. Im Downlink
wird dieser Code verwendet um die Identifikation der Zelle zu gewährleisten. Ein
spezieller Satz von 16 Scrambling Codes (1 primärer, 15 sekundäre) werden dabei
jeder Zelle zugewiesen. Im Uplink wird der Scrambling-Code zur Identifizierung
der Teilnhemer, ohne daß es zu Interfeenzproblemen durch Asynchronität kommt.
Scrambling-Codes reduzieren also die Signalüberlagerungen zwischen Nachbarzellen
im Downlink, da jede Zelle die selben Spreading-Codes verwendet. Es ist sehr
wichtig, daß die verschiedenen Scrambling-Codes eine sehr gute Eigenschaften
bezüglich der Kreuzkorrelation zwischen einzelnen Scrambling-Codes aufweisen, um
nicht ein falsches Signal zu dekodieren.
Sind sie einmal einem Mobilteilnehmer zugewiesen, ändern sie sich nicht mehr
während einer aufrechten Kommunikation, außer die Basisstation kann über einen
Code-Wechsel in Kenntnis gesetzt werden.
Ähnlich der Frequenzwiederverwendung bei GSM ist auch die Wiederverwendung von
Scrambling-Codes zu verstehen.
Der Scrambling Code ist ein „Pseudo Noise“-Code und wird bei WCDMA-Verfahren
zusätzlich zum Speading-Code (Channelization-Code) verwendet. Unter einem „Pseudo
Noise“-Code kann man sich eine „zufällige“ Ansammlung der Bits „0“ und „1“
vorstellen, die durch rückgekoppelte Schieberegister erzeugt werden.
Abbildung 19: Rückgekoppeltes Schieberegister
An jedem Register ist ein Taktsignal angelegt, sodaß bei jedem Taktimpuls Die
Registerzelle den Wert der vorherigen übernimmt. Durch die Rückkoppelung von
Ausgang zu Eingang, bekommt die erste Zelle dann die Information der letzten
Zelle. Die Informationsbits rotieren also im Kreis. Bei 5 Registern, wie im
obigen Bild, ergäbe sich eine Periodizität von 5 Bits, danach wiederholt sich
das Schauspiel:
Ausgang: 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0.........
Um eine größere Periodizität zu erhalten werden einige Zellen angezapft und
durch Modulo-2-Addition mit anderen Signalen kombiniert. Dies läßt sich schön in
der Abbildung unten erkennen. Das hat den Vorteil, daß jetzt eine Periodizität
von 25-1 zustande kommt.
Abbildung 20: Funktional rückgekoppeltes Schieberegister
Ausgang: 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1.............
Der Scrambling-Code wird benutzt, um im Uplink die einzelnen Teilnehmer und im
Downlink die einzelnen Zellen voneinander unterscheiden zu können. Im Uplink
wird der Scrambling-Code deswegen verwendet, da er auch im nicht synchronen
Zustand die Orthogonalität zu anderen Teilnehmer-Scrambling-Codes wahrt. Die
unterschiedlichen Scrambling-Codes weisen zueinander nur eine ganz geringe
Kreuzkorrelation auf, wodurch sich die Teilnehmer gegenseitig nicht beeinflussen
können. Andererseits ist die Korrelation mit einer durch Mehrwegausbreitung
zeitlich verzögerten Signalkomponente ebenfalls sehr gering, wodurch die
Überlagerungseffekte durch Mehrwegausbreitung minimiert werden und dank des
Rake-Receivers sogar positiv zum Empfangssignal beitragen können (siehe Rake
Receiver: WCDMA für UMTS).
Pseudo-Noise-Codes haben auch den Vorteil, daß ihr Leistungsdichtespektrum
gleichmäßig über einen weiten Frequenzbereich verteilt ist. Dadurch verteilen
sie auch die Energie des bereits zuvor auf 5MHz gespreizten Signals gleichmäßig
über die gesamten 5MHz. Die Scramblingfunktion erfolgt stets nach der
Spreadingfunktion (Channelization-Code). Scrambling-Codes sind 38400 Chips lang
und haben daher eine Dauer von 10ms (eine Rahmendauer). Es wird also jeder
Rahmen, der aus 15 Zeitschlitzen besteht, mit einer 38400 großen
Scrambling-Sequenz multipliziert.
6.3.1 Scrambling im Uplink
Alle physikalischen Kanäle des Uplinks werden gescrambelt. Im Uplink kann der
Scrambling Code entweder als lang oder als kurz beschrieben werden, je nachdem
auf welche Art und Weise er konstruiert worden ist. Der Scrambling-Code wird
stets auf einen 10ms-Rahmen angewandt (38400Chips).
Um eine geringe Kreuzkorrelation zu erreichen werden in UMTS sogenannte „Gold
codes“ verwendet, die eben diese günstigen Eigenschaften haben. Um das zu
erreichen werden die Moulo-2-Additionen an ganz bestimmten Stellen des
Schieberegisters durchgeführt (siehe Abbildung unten), das aus 25 Speicherzellen
besteht.
Abbildung 21: Uplink Scrambling-Codegeneration
Zuerst werden die einzelnen Zellen des Schieberegister mit bestimmten Bits
gefüllt. Dazu werden die höheren 24 Speicherzellen des oberen Schieberegisters
mit der „Scrambling Sequence Number n“ gefüllt. Die letzte Zelle wird mit „1“
initialisiert.
Mit jedem Takt werden die Bits weiter befördert bzw. kombiniert. Die
Ausgangsfolgen sind 225-1 Bits lang. Anschließend werden beide Ausgangsfolgen
modulo-2-addiert um den Realteil des komplexen Gold-Codes zu generieren.
Anschließend wird diese Folge in ein NRZ-Signal umgewandelt (No Return to Zero),
was bedeutet: Aus 1 wird –1 und aus 0 wird +1. Dieses Signal entspricht im Bild
dem Signal Clong,1,n. Die Folge Clong,2,n ist eine um 16.777.232 Chips (224)
verschobene Version der ersteren Folge.
Anschließend stehen diese beide Folgen einer komplexen Weiterverarbeitung zur
Verfügung, wobei hier komplex im mathematischen Sinne zu verstehen ist, also
Realteil-Signal und Imaginärteil-Signal (4-PSK!). Man erhält den Scrambling-Code,
indem ein 38400Chip langer Teil aus dieser komplexen Folge genommen wird.
Eigentlich gibt es 225-1 mögliche Scrambling-Code-Folgen. Da aber die Scrambling
Sequence Number n nur 24 Registerzellen initialisiert, gibt es nur 224 lange
Scrambling-Codes.
6.3.2 Scrambling im Downlink
Der Scrambling-Code für den Downlink wird ähnlich generiert wie der lange
Uplink-Scrambling-Code, nur daß statt 25 jetzt nur 18 Speicherregister verwendet
werden.
Zuerst werden die beiden Schieberegister wieder initialisert. Das obere
Schieberegister wird dabei mit lauter Nullen gefüllt, bloß die erste
Speicherzelle wird mit„1“ belegt. Die Speicherzellen des unteren Registers
werden mit „1“ initialisiert. Wiederum wird mit jedem Taktsignal die Sequenz
weiterverarbeitet.
Prinzipiell könnten jetzt 218-1 verschiedene Codes (262143) generiert werden,
wovon aber nicht alle genutzt werden, nämlich nur 213 (8192). Die Codes werden
in 512 Sätze eingeteilt, wobei jeder Satz aus 1 primären und 15 sekundären Codes
besteht.
Der primäre Scrambling-Code verwendet die Nummer n: n=16*k, wobei k=[0..511].
Die 15 sekundären Scrambling Codes werden mit einem primären Code assoziiert mit
dem Bildungsgesetz: n=16*k + t, mit t=[1..15].
Es sind jetzt 8192 Scrambling Codes definiert, wobei jeder Code k verknüpft ist
mit einem links alternativen Scrambling-Code (k+8192) und einem rechts
alternativen Code (k+16384), die in komprimierten Modi verwendet werden. In
diesem Fall werden die links alternativen Codes verwendet, falls für den
Spreizfaktor SF gilt: 2.n<SF, und die rechts alternativen Codes , falls 2.n>SF
gilt. Die Variable n bedeutet hier die Laufzahl des Spreadingcodes: CSF,n für
die nicht komprimierten Rahmen.
Insgesamt gibt es also 512 primäre Codes, die wiederum in 64 Gruppen von je 8
primären Codes unterteilt werden. Jeder geographischen Zelle ist genau ein
primärer Code zugewiesen. Die Gruppe der primären Scrambling-Codes kann eine MS
in der Zelle aus dem SCH entnommen werden. Der entsprechende primäre Scrambling
Code kann dann aus dem CPICH entnommen werden. Der primäre CCPCH-Kanal und die
primären CPICH-Kanäle werden stets mit dem primären Scrambling-Code der Zelle
gescrambelt. Andere Kanäle können entweder mit dem primären oder den sekundären
Codes gescrambelt werden.
7. Anhang – UMTS Core Network Phasing
7.1 Introduction
This paper provides the reader with an understanding of the phased approach that
will be followed in rolling out the initial releases of the Nortel Networks UMTS
core network solution. The target architecture for the product-set is in
alignment with the Unified Network concepts, which are at the heart of product
development activities across Nortel Networks.
The figure below illustrates the Unified Network architecture, which is the end
goal of the UMTS Core Network development activities.
However, prior to reaching this final architecture, key decisions have been
taken which enable early delivery of UMTS service by network operators on an
interim architecture.
Abbildung 22: UMTS- Unified Network
The following table provides a summary of the release plan, which is discussed
in further detail in this paper.
UMTS Release Release Description First Customer Deployment Date
1 Initial configuration providing trial and early launch vehicle for UMTS
service (compliant to the UMTS Release 99 standards). This is a UMTS only core
network solution. July 2001
2 Migration of solution to Unified Network architecture based upon a Server/Gateway
concept. UMTS Call Server is an evolved DMS-MSC, with packet capabilities in
alignment with the underlying Succession program.
Core network shared for both GSM and UMTS access technologies. January 2002
3 Continued evolution of services and capabilities, with further components of
the Unified Network portfolio being integrated, enabling delivery of a UMTS 2000
all-IP solution. October 2002
4 April 2003
7.2 Release 1 – Initial Product Release
Limited Trials: April 1st 2001
First Customer Deployment: July 1st 2001
General Availability: October 1st 2001
The primary focus of the first commercial UMTS product offering from Nortel
Networks is to provide network operators a launch vehicle for aggressive
deployment of UMTS service in mid-2001. The solution utilizes significant
portions of the existing Nortel wireless portfolio, reusing both hardware and
software investment enabling this early deployment of service. The figure below
shows an initial view of the architecture that is targeted for this release (aspects
of the configuration are subsequently described).
Abbildung 23: UMTS-Core Network Phase 1
7.2.1 Basic Capabilities
As stated, the primary delivery target for this initial release of the product
is to enable operators to offer UMTS services to the market place within an
aggressive timeframe. This solution delivers UMTS R99 conformance, by providing
a compliant Iu interface from the Wireless Gateway, which is directly evolved
from the Nortel Networks SGSN. This platform will be based upon the Passport
15000 hardware. In conjunction with the Wireless Gateway, a TDM based DMS-MSC
will terminate the CS domain traffic and the GGSN (based upon the Contivity
Extranet Switch) will terminate the PS domain traffic. The following figure
illustrates this in a little more detail:
Abbildung 24: UMTS – Wireless Gateway (Phase 1)
Traffic arriving over the Iu interface destined for the CS domain is routed from
the Wireless Gateway to the MSC. Since the UMTS standards moved the transcoding
responsibility from the access network to the core network, Adaptive Multi-Rate
(AMR) transcoding is performed on the voice traffic in the Wireless Gateway
prior to routing to the MSC (the MSC does not have transcoding capabilities).
Following transcoding, the bearer channels are routed to the MSC utilizing
standard 64k/bit TDM links. The RANAP-CS signaling is routed to the MSC over IP,
where the call is processed in a ‘traditional’ manner (i.e. translations,
routing and service invocation). This may include inter-working to the PSTN via
an appropriate signaling system (for example ISUP) where required. Communication
with the SS7 environment is still performed utilizing the integral SS7
capabilities of the DMS hardware (i.e. LIU7’s within the LPP). TDM connectivity
to both the Wireless Gateway and the PSTN is provided via the DTC hardware
(digital trunk controller).
Traffic for the PS domain is processed in the Wireless Gateway in a manner
similar to the handling of GPRS data traffic. Indeed the existing capabilities
of the SGSN are utilized to setup and route the calls to the GGSN for access
into the Internet or corporate Intranets utilizing GTP tunnels. SS7 queries (for
example to the HLR) are routed utilizing the SIGTRAN protocol to the SS7 gateway,
which provides packet to SS7 interworking capabilities. The SS7 gateway is the
Universal Signaling Point (USP), which is the strategic SS7 platform for the
Unified Network portfolio of products.
This initial configuration provides a launch vehicle for early commercial UMTS
service and also provides a migration point into the final Unified Network UMTS
configuration. The DMS-MSC will be migrated to become the UMTS Call Server and
the Wireless Gateway will be evolved to feature as the ubiquitous platform for
connectivity into both the UMTS and GSM access networks.
The Quality of Service requirements as defined by UMTS R99 will be supported by
this configuration.
7.2.2 Mobility Management
On this initial product release, a sub-set of handover scenarios is available.
This sub-set includes support for:
• Intra-RNC handover;
• Inter-RNC handover without SRNS re-location;
• 3G to 2G inter-MSC handover.
It is Nortel Networks understanding that 3G to 2G is a priority at this early
stage of a network build, to enable islands of UMTS network coverage to be built
and to maintain calls once they are established. Calls established on 2G
networks or handed off to a 2G network will remain there for the duration of the
connection.
7.2.3 Feature capabilities
The DMS-MSC is based upon the GSM13 software release supporting the full range
of GSM supplementary services and call interception that are already available
on this proven platform. In this first release, only voice services are
supported (circuit switched data services will be provided in a subsequent
release).
The Wireless Gateway and GGSN include those capabilities available up to and
including the associated GPP software release.
7.2.4 Billing
Billing records are generated and collected in the same manner as currently
available on the GSM and GPRS network solutions. For packet switched traffic,
billing records are collected from Wireless Gateway and GGSN and subsequently
collected by the Charging Gateway Function (CGF) platform (via FTP). This CGF is
implemented upon the Preside INM Accounting Platform, which mediates the records
for processing, by the customer downstream billing system.
The MSC will continue to produce standard GSM formatted CDR’s for all circuit
switched traffic using the formats described in the MSCBILL billing
specification. These CDR’s are fed to the customer downstream billing system or
to an intermediary mediation device. This mediation device could also be the
Preside INM Accounting Platform, which would enable the operator to consolidate
records for the packet and circuit domains via a single device.
7.2.5 Operations and Maintenance
To minimize development overhead, the existing GSM and GPRS network management
solution is utilized in Release 1.
Abbildung 25: UMTS – Operation and Maintenance
The DMS-MSC is managed by the Nortel OMC-S element manager which is controlled
by any of the conventional back-office network management systems. The Wireless
Gateway and GGSN platforms continue to be managed by the OMC-D (as developed for
the GPRS solution), which is part of the Preside Integrated Network Management (INM)
portfolio.
7.3 Release 2 – Migration to a Distributed Packet Architecture
Limited Trials: October 1st 2001
First Customer Deployment: January 1st 2002
General Availability: April 1st 2002
Although Release 1 delivers the launch vehicle for those operators pursuing
aggressive launch schedules, it is not able to fully realize all of the benefits
that packet infrastructure are able to deliver as it is still based partly on
TDM technology. The primary focus of the second release of the UMTS core network
architecture is to provide a migration path towards an all packet infrastructure.
The solution embraces the concepts of the Nortel Networks Unified Networks
initiative and also builds upon the investment made in the Release 1
architecture. The key differences between Release 1 and Release 2 are detailed:
7.3.1 GSM/UMTS Call Server
Release 1 delivered UMTS R99 functionality enabling operators to launch early
commercial service. To enable this, the Nortel Networks solution re-used as much
of the existing wireless portfolio, to provide a product-set that is both
early-to-market and also feature rich (all existing GSM voice services are
available on the Release 1 solution over the Iu interface).
The Succession initiative within Nortel Networks is tasked with the evolution of
the DMS family of products into packet enabled call servers. As the Nortel
DMS-MSC is based upon the DMS hardware platform, it is able to inherit much of
the work being carried out on the base platforms. This provides the DMS-MSC with
both the physical interfaces for connecting to a packet backbone and also the
signaling protocols for interworking with other nodes in a distributed packet
architecture.
This facilitates the evolution of the TDM MSC included in the Release 1
architecture to function as a call server on a distributed packet architecture.
Abbildung 26: UMTS – Core Network (Phase 2)
The figure above illustrates the evolved core network solution.
The UMTS Call Server in conjunction with the Gateway Controllers directs the
gateways, which are distributed around the core network. The Gateway
Controllers, which are based upon a compact PCI platform, enable the Nortel DMS
hardware to be deployed onto an open packet infrastructure. They terminate the
proprietary messaging generated by the Call Server (previously used to control
peripherals on a circuit switched fabric) and generate the standardized open
protocols for controlling the end gateways; for example Media Gateway Control
Protocol (MGCP). MGCP which is being developed within the Internet Engineering
Task Force (IETF) Megaco working group, is set to become the defacto device
control standard for distributed Packet Telephony networks.
SS7 signaling connectivity continues to be supported as in Release 1. For the
Wireless Gateway and the Packet Gateway (GGSN), this is via the Universal
Signaling Point. For the UMTS Call Server, this is enabled utilizing the LIU/LPP
components of the DMS platform.
7.3.2 Feature Capabilities
The Call Server is based upon the GSM14 software release and will support the
new GSM14 services in addition to the existing service set. Circuit switched
data services will be supported providing sufficient progress has been made
within the standards organizations in defining them for UMTS.
The Wireless Gateway and Packet Gateway include those capabilities available up
to and including the associated GPP software release.
7.3.3 PSTN Gateway
Whereas in Release 1, the MSC provided connectivity to the PSTN, in Release 2 a
dedicated PSTN Gateway is introduced into the product solution in the form of an
evolved Packet Voice Gateway (PVG). This PVG is based upon the Passport 15000
hardware platform (the same platform as the Wireless Gateway), which is a proven
carrier-class multi-service router capable of supporting ATM, IP and TDM. In
this architecture, the PSTN gateway performs several major functions. First of
all, it provides a bridge for the bearer channels between the traditional TDM
and packet environments. As such, it performs conversion of the bearer packet
stream received from the Wireless Gateway into TDM streams. The PSTN Gateway is
also the primary location in the new network architecture for transcoding of the
bearer traffic. AMR transcoding is performed at the PSTN Gateway to enable the
transport of voice across the core network at 16k/bits. This maximizes the
bandwidth savings achievable to the operator whilst the voice traffic is being
transported within their network (at the exit location of their network, the
PSTN Gateway, the traffic is transcoded to 64k/bits).
As stated, if standards have advanced sufficiently, Release 2 plans to provide
support for Circuit Switched Data (CSD) in addition to voice in the CS domain.
In this case, the Inter-Working Function (IWF) would be located at the PSTN
Gateway.
7.3.4 Wireless Gateway
In release 2, the Wireless Gateway provides ubiquitous access for GSM, GPRS and
UMTS. Through the provision of the A and Gb interfaces on the same platform as
the Iu, existing GSM network operators are able to cap further investment in TDM
infrastructure. For example, rather than deploying additional TDM MSC’s to cater
for growth in a GSM network, extra capacity can be provided via the Wireless
Gateway for connectivity into the access network, with the GSM/UMTS Call Server
providing the voice services and routing capabilities.
The Wireless Gateway is evolved to support the MGCP protocol, enabling the GSM/UMTS
Call Server to control the routing and processing of Circuit Service Domain
traffic.
7.3.5 Mobility
The Release 1 mobility capabilities are extended to include SRNS re-location and
also 2G to 3G handover (this is fully dependent on the progress made within the
standards organizations in defining this topic).
7.3.6 Operations and Maintenance
The primary changes made in the OA&M capabilities of the UMTS solution, are to
integrate the support for the GSM/UMTS call server under the Preside INM
umbrella.
7.3.7 Media Server
The Universal Audio Server (UAS) is deployed to support a, highly scalable,
configurable and cost-effective platform that can play and record voice
announcements, collect DTMF tones, conferencing and other media features. The
presence of this node removes the requirement for supporting service circuits on
the UMTS Call Server. Instead, media services will be applied over the packet
backbone, under the control of MGCP (Media Gateway Control Protocol). For
example, under the control of MGCP, packet bearer streams will be connected from
the UAS to the appropriate gateway to enable the insertion of announcements into
a particular connection.
7.4 Releases 3 & 4 – Planned for October 2002 and April 2003 Respectively
The third and subsequent product releases target the expansion of the service
capabilities offered by the core network and heighten the level of focus on the
core packet technology.
Some of the planned highlights of Release 3 & 4 of the core network portfolio
are detailed:
7.4.1 3GPP Release 2000 Conformance
The 3GPP/UMTS R00 standards are striving to define an "all-IP" network for
delivery of UMTS services. Much of this work was initially driven by the 3G.IP
industry working group, of which Nortel Networks was a charter member. There are
several aspects to this. First, the evolution of the core network enabling the
operator to build and maintain only an IP network. Release 2 of the Nortel
solution already provides an architecture, which enables the deployment of ATM
in the core network for the CS domain traffic. Release 3 of the product
portfolio provides operators the option of deploying only IP. Minor upgrades
only are required to the products to facilitate a smooth transition path from
ATM to IP.
Secondly, the standards are addressing end-to-end VoIP capabilities of the
network. This would allow subscribers to run VoIP from a SIP or H.323 (or both,
as defined by 3GPP). enabled handset directly into the core network. A new
element is introduced into the network architecture to function as a server for
SIP/H.323. It is currently planned that the IPConnect Call Engine (ICE) will
provide this capability as part of the overall UMTS product portfolio. The ICE
is based upon a Sun ES4500 and would function like any other call server in this
distributed architecture. SIP/H.323 services are implemented on the call server,
which would also provide basic routing capabilities.
With this solution, operators have the flexibility of providing either DTAP
based voice servers, SIP/H.323 voice services or both. For example, if only SIP
services were required, the deployment of a GSM/UMTS Call Server is no longer
required as the ICE (the SIP Server), would provide the voice service
implementations.
7.4.2 SS7 Connectivity
In Release 1 & 2, SS7 connectivity for the MSC and the UMTS Call Server was
provided utilizing the legacy LIU/LPP components of the DMS switching platform.
Release 3 provides the opportunity for the operator to consolidate this SS7
connectivity onto the same IP to SS7 signaling gateway as the other nodes within
the UMTS core network product portfolio. The Universal Signaling Point provides
support for SIGTRAN, which is a set of protocols developed by the IETF for
seamless interworking between IP and SS7 networks.
In Release 3, the UMTS Call Server fully supports the SIGTRAN protocol stacks,
which would allow SS7 signaling to be transported across the packet backbone to
a remote SS7 gateway (the USP), enabling SS7 signaling and bearer paths to be
consolidated onto the single packet backbone.
7.4.3Mobility
In the initial releases of the product, mobility management is located in two
places in the architecture – the Call Server for the Circuit Service Domain
traffic and the Wireless Gateway for the Packet Service Domain traffic. The
migration of all mobility management functions onto the Wireless Gateway,
enabling a common implementation for both PS and CS domains is currently under
investigation. TurboCharger is also one other option under consideration, which
could be implemented instead of, or in addition to, the consolidation of
mobility management
Either of these options significantly increases the flexibility and scalability
in the network, by eliminating the mobility component of call server work and
breaking the rigid element association which is pervasive in GSM
ATD 0443
U M T S - Systembeschreibung
Universal Mobile Telecommunications System
Ausgabe UMTS-01 Dezemberr 2000
Ausgabenübersicht
Dezember 2000
Ausgabenummer: UMTS10-01
Inhaltsverzeichnis
Bildverzeichnis: 4
1. Erklärungen und Abkürkungen 5
Begriffeserklärungen 5
Abkürzungen 6
2. Einführung und Entwicklungsgeschichte von GSM 27
2.1 Entscheidung für GSM 27
2.2 Anforderung an die Serviceleistung 27
2.3 Weg der GSM-Entwicklung 27
3. Grundlagen des Mobilfunks 29
3.1 Wellenausbreitung 29
3.2 Multiplexverfahren 30
3.2.1 FDMA – Frequency Division Multiple Access 31
3.2.2 TDMA – Time Division Multiple Access 31
3.2.3 Verknüpfung von FDMA- und TDMA-Multiplexverfahren bei GSM 33
3.3 Zellulartechnik 34
3.3.1 Zellularkonzept 34
3.3.2 Frequency Reuse 36
3.3.3 Zellen – Splitting 37
3.3.4 Zellen Sektorierung 38
3.3.5 Handover 39
4 GSM Standards 41
4.1 Architektur eines GSM-Netzwerks 41
4.1.1 MS – Mobile Station 42
4.1.1.1 ME – Mobile Equipment 42
4.1.1.2 SIM – Subscriber Identity Module 42
4.1.2 BSS – Base Station Subsystem 43
4.1.2.1 BTS – Base Transceiver Station 43
4.1.2.2 BSC – Base Station Controller 44
4.1.3 SMSS Switching and Management Subsystem 44
4.1.3.1 MSC – Mobile Switching Center 45
4.1.3.2 Location Register 45
4.1.3.2.1 HLR Home Location Register 45
4.1.3.2.2 VLR Visitor Location Register 46
4.1.4 OMSS Operation and Maintenance Subsystem 46
4.1.4.1 OMC Operation and Maintenance 46
4.1.4.2 Authentisierung und Geräteregistratur 47
4.1.4.2.1 AUC Authentication Center 47
4.1.4.2.2 EIR Equipment Identity Register 48
4.2 Teilnehmerdaten im GSM-Netz 49
4.3 Konfiguration und Schnittstellen im GSM-Netz 50
4.3.1 Leitungen und Signalisierung 50
4.3.2 Konfiguration eines GSM-Netzes 51
4.3.3 Schnittstellen bei GSM 52
5. Kodierung 55
5.1 Datenkompression 55
5.1.1 Discontinous Transmission 55
5.1.2 RPE/LTP-LPC Kodierung 55
5.2 Kanalkodierung 57
5.2.1 Redundanzerhöhung 58
5.2.2 Übertragungsraffinessen 59
5.2.2.1 Bit-Interleaving 59
5.2.2.2 Frequnezy Hopping 59
5.2.2.3 Interpolation 59
5.2.2.4 Schätzung 59
Abbildungsverzeichnis:
Abbildung 1: UMTS-Spektrum 15
Abbildung 2: Mindestangebot für Frequenzpakete 16
Abbildung 3: Lizenzkosten Österreich 17
1. Erklärungen und Abkürkungen
Begriffeserklärungen
Analog Analoge Datenübertragung bedeutet, daß die Daten zeit- und
amplitudenkontinuierlich übertragen werden.
Digital Digitale Datenübertragung bedeutet im groben, daß die Daten abgetastet
und quantisiert übertragen werden.
Uplink Funkverbindungsstrecke vom mobilen Teilnehmer zur Feststation
Downlink Funkverbindung von der Feststation zum mobile Teilnehmer
Duplex ... beinhaltet für jede Übertragungsrichtung je einen seperaten
Übertragungskanal für Sprechen und Hören.
Multiplex ... technisches Verfahren, um mehrere Signale gleichzeitig auf einem
einzelnen Übertragungsmedium zu transportieren.
Fading ... ist die Amplitudenabschwächung eines Signals.
Algorithmus ... ist eine funktionale Vorschrift, wie Daten verarbeitet werden.
Spektrum ... ist der Amplitudenverlauf eines Signals über die Frequenzachse.
Dipolantenne ... ist eine Antenne die parallel zur Bodenebene ausstrahlt (zB.
Auch GSM-Telefone haben eine Dipolantenne).
GSM-900 Ursprüngliches GSM-Netz mit 900MHz.
DCS-1800 Kapazitätserweiterung des ursprünglichen GSM-Netz mit 1800MHz.
PCS-1900 GSM-Netz mit 1900MHz in den USA.
ms Millisekunde = 1/1.000 Sekunde
us Mikrosekunde = 1/1.000 Millisekunde = 1/1.000.000 Sekunde
ns Nanosekunde = 1/1.000 Mikrosekunde = 1/1.000.000 Millisekunde
kHz Kilohertz = 1.000 Hertz
MHz Megahertz = 1.000 kHz = 1.000.000 Hertz
GHz Gigahertz = 1.000 MHz = 1.000.000 kHz
Abkürzungen
A3 Authentisierungsalgorithmus
A5 Verschlüsselungsalgorithmus
A8 Verschlüsselungsalgorithmus
AB Acces Burst
Abis Schnittstelle zwischen BTS und BSC
AC Authentication Code
ACM Address Complete Message
AUC Authentication Center
AIS Alarm Indication Signal
ALCO Alarm Collecting Unit
ANS Answer Message
ARFN Absolute Radio Frequency Number
BCC Base Station Colour Code
BCCH Broadcast Common Channel
BCF Base Common Function
Bm mobiler B-Kanal (Anlehnung an ISDN)
BSC Base Station Controller
BSIC Base Station Identity Code
BSS Base Station Subsystem
BSSAP BSS Application Part
BTS Base Transceiving Station
CA Cell Allocation
CBCH Cell Broadcast Channel
CC Country Code
CCCH Common Control Channel
CCS7 Common Channel Signalling #7
CDMA Code Divison Multiple Access
CELP Code Excited Lineare Prediction
CFB Call Forwarding on Mobile Subscriber Busy
CI Cell Identifier
CLIP Calling Number Identification Presentation
CLIR Calling Number Identification Restriction
CM Connection Management
CN Comfort Noise
CRC Cyclic Redundancy Check
CSWM Control & SWitching Modul (Matrix)
CW Call Waiting
DB Dummy Burst
DCCH Dedicated Control Channel
DCN Data Communication Network
DCS Digital Cellular System
DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunication
Dm Mobiler D-Kanal
DRX Discontinous Reception
DSC Digital Signalling Concentrator
DTAP Direct Transfer Application Part
DTMF Dual Tone Multiple Frequency
DTX Discontinous Transmission
E-DCH Enhanced D-Channel Handler
EFR Enhanced Full Rate
EIR Equipment Identity Register (SIM Karten registriert)
EPLD Electrical Programmable Logic Device
ETSI European Telecommunication Standards Institute
FACCH Fast Associated Control Channel
FB Frequency Correction Burst
FCCH Frequency Correction Channel
FDMA Frequency Division Multiple Access ->TDMA
FEC Forward Error Correction
FER Frame Errot Rate
FN TDMA-Frame Number
FP Frame Processor
GMSC Gateway Mobile Switching Center
GMSK Gauss Minimum Shift Key: GSM Modulationsverfahren
GPRS General Packed Radio Service
GSC GSM Speech Codec
GSM Global Systems for Mobile Communications
GTW Gateway Board
HLR Home Location Register
HSCD High Speed Circuit Switched Data
HSN Hopping Sequence Number
IAM Init Adress Message
IMEI International Mobile Equipment Identity: Handy-Seriennummer
IMSI International Mobile Subscriber Identity
IN Intelligent Network
INAP Intelligent Network Application Part
ISC International Switching Center
ISDN Integrated Service Digital Network
IWF Interworking Function
Kc Cipher/Decipher Key
Ki Subscriber Authentication Key
LA Location Area
LAI Location Area Identity
LAPDm Link Access Procedure D mobile
Lm Lower-rate mobile Channel
LMSI Local Mobile Subscriber Identity
LNA Low Noise Amplifier
LPC Linear Predictive Coding
LTP Long Term Prediction
MA Mobile Allocation
MAIO Nobile Allocation Index Offset
MAP Mobile Application Part
MC Multi Carrier
MM Mobile Management
MNC Mobile Network Code
MS Mobile Station
MSC Mobile Switching Center
MSIN Mobile Subscriber Identification Number
MSISDN Mobile Subscriber ISDN Number
MSRN Mobile Station Roaming Number
NB Normal Burst
NCC Network Colour Code
NDC National Destination Code
NMSI National Mobile Subscriber Identity
OMAP Operation, Maintenance and Administration Part
OMC Operation and Maintenance Center
OMSS Ôperation and Maintenance Subsystem
PCH Paging Channel
PDN Public Data Network
PIN Personal Identity Number
PLMN Public Land Mobile Network
PSPDN Public Switched Packet Data Network
PUK PIN Unblocking Key
QN Quarterbit Number
RACH Random Access Channel
RAND Zufallszahl zur Authentisierung
RFCH Radio Frequency Channel
RFN Reduced TDMA-Frame Number
RLP Radio Link Protocol
RPE Regular Pulse Excitation
RR Radio Ressource Management
RXLEV Empfangspegel
RXQUAL Empfangsqualität
SACCH Slow Associated Control Channel
SB Synchronization Burst
SCH Synchronization Channel
SDCCH Stad-alone Dedicated Control Channel
SDMA Space Division Multiple Access
SIM Subscriber Identity Module
SMS Short Message Service
SMSS Switching and Management Subsystem
SN Subscriber Number
SP Signalling Point
SPC Signalling Point Code
SRES Session Key zur Authentisierung
TCH Traffic Channel
TDMA Time Division Multiple Access
TMSI Temporary Mobile Subscriber Identity
TSC Training Sequence Code
Um Luftschnittstelle
UMTS Universal Mobile Telecommunication System
VAD Voice Activity Detection
VLR Visitor Location Register
2. Mobilfunk der 3. Generation
Die Mobilfunksysteme der ersten Generation waren bereits in den 50er Jahren
vorhanden, etablierten sich aber erst in den 80er Jahren durch eine ausgereifte
Technik. Dabei handelte es sich um rein analoge Mobilfunkgeräte. Bereits im Jahr
1982 wurde der Ruf laut, daß ein neue Mobilfunkstandard entwickelt werden soll,
der einerseits auf digitaler Technik basiert und andererseits
ISDN-Dienstleistungen bieten soll. Ebenso wollte man einen Standard schaffen,
der es den Teilnehmern ermöglicht, international mit ihren Mobilgeräten
Netzzugriffe zu bekommen und diverse Dienstleistungen zu beanspruchen (Roaming).
Diese Anforderungen wurde in Europa und in weiten Teilen der Welt durch den
GSM-Standard erfüllt, den man zur zweiten Mobilfunkgeneration zählt und sich
Mitte der 90er etabliert hat.
1992 wird als die Geburtsstunde der 3G-Mobilkommunikation gezählt und wurde
unter dem Begriff IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) bedacht.
Dabei wurde von der WARC (World Association Radio Conference) der Frequenzberich
um 2GHz für ein 3G-Mobilfunksystem zugewiesen.
2.1 Motivation für ein neues 3G-System
In den letzten Jahren gab es nicht nur auf dem Mobilfunksektor einen rasanten
Anstieg von Teilnehmerzahlen sondern auch die Zugriffe auf das Internet sind
explosionsartig gestiegen. So hat sich alleine in Österreich die Anzahl der
Mobilteilnehmer (GSM) von 1996 bis 2000 mehr als 20 mal vergrößert. Das Internet
verdankt seine Popularität vor allem seiner Datenvielfalt und das GSM-Netz
seiner Mobilität. Es liegt nun nahe, daß die Vorzüge beider Netze
zusammengeführt werden, um in den Genuß beider Netze zu kommen. Das setzt aber
voraus, daß die Übertragungskapazität des Mobilfunknetzes stark angehoben werden
muß, um heutigen Bedürfnissen gerecht zu werden. So hat das GSM-Netz bis Ende
1999 eine Nettodatenrate von lediglich 9,6kb/s geboten. Um diese Rate anzuheben
wurde als Übergangslösung HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) und GPRS
(General Packed Radio Service). Im Jahr 2004 rechnet man aus heutiger Sicht
damit, daß es mehr Mobilteilnehmer als Festnetzteilnehmer geben wird. Zusätzlich
erwartet man bis zum Jahr 2005 bei Datenübertragung einen Anteil von 70% für
EDV-Daten und 30% für Sprachdaten. Diese Schätzungen machen deutlich, daß ein
enormer Bedarf für eine neue Mobilfunkgeneration besteht, die diesen zukünftigen
Aspekten gerecht wird. Das Mobilfunknetz der dritten Generation muß diese
Gegebenheiten also berücksichtigen!
Hauptcharakteristika von 3G-Mobilfunksystemen:
• Hohe Kapazität
• Hohe spektrale Effizienz
• Hohe Sicherheit
• Unterstützung neuer Dienste mit hoher Dienstgüte a`la Festnetz
Anforderungen:
• Wahlweise kanal- bzw. paketorientierte Übertragung
• Verschiedene Bitraten
• Variable Bitrate mit dynamischer Anpassung der Dienstgüte an die aktuellen
Möglichkeiten des Funkkanals
• Unterschiedlich große Zellen für „Indoor-“ und „Outdoor-“ Anwendungen
• Flexibles Management der Funkbetirebsmittel
• QoS, angepaßt für alle Anwendungstypen
• VHE - Virtual Home Environment
Ein Teilnehmer sollte die Möglichkeit haben, die Dienste seines Heimatnetzes
auch im Ausland nutzen zu können (zB. Sprachansagen in deutscher Sprache auch in
Japan). Diese Aspekte werden durch den Begriff VHE berücksichtigt.
Für Sprache ergeben sich bezüglich QoS folgende Werte:
• Datenrate: 4 – 25kb/s
• Verzögerungszeit (Einweg): <150ms (max. Limit = 400ms)
• Variation der Verzögerung: <1ms
• Informationsverlust: <3% FER (Frame Erasure Rate)
Anwendungsgebiete
Information
Public information services such as:
•Browsing the WWW
•Interactive shopping
•On-line equivalents of printed media
•On-line translations
•Location based broadcasting services
•Intelligent search and filtering facilities
Education
•Virtual school
•On-line science labs
•On-line library
•On-line language labs
•Training
Entertainment
•Audio on demand (as an alternative to CDs, tapes or radio)
•Games on demand
•Video clips
•Virtual sightseeing
Community services
•Emergency services
•Government procedures
Business information
•Mobile office
•Narrowcast business TV
•Virtual work-groups
Communication services
Person-to-person services such as
•Video telephony
•Videoconferencing
•Voice response and recognition
•Personal location
Business and financial services
•Virtual banking
•On-line billing
•Universal SlM-card and Creditcard
•Road transport telematics
Special services
•Telemedicine
•Security monitoring services
2.2 UMTS Zeitplan
Dez. 1997: Festlegung der regulatorischen und lizenzrechtlichen
Rahmenbedingungen (in Arbeit 1999) Bereitstellung des notwendigen
Frequenzspektrums (bisher noch nicht erfolgt; Ziel 2002)
Jan. 1998: Festlegung der Funktechnologie (ETSI) (erfolgt)
1. Q. 1998: Identifikation der Lizenznehmer; Lizenzentwürfe (noch nicht erfolgt;
Ziel Ende 1999)
Jun. 1998: Übergabe UTRA Vorschlag durch ETSI an ITU (erfolgt) Es wurden 14
Vorschläge (inkl. 5 Satellitenvorschläge) eingereicht
Dez. 1999: Fertigstellung der UMTS Phase 1 - Standards (ETSI)
1. Q. 2002: Beginn kommerzieller Betrieb UMTS Phase 1
1. Q. 2005: Voller Betrieb mit allen Leistungsmerkmalen (Massenmarkt)
2.3 Regulatorischer Rahmen
Die Konzessions- und Frequenzzuteilungsurkunde wird Bestimmungen zum
regulatorischen Rahmen beinhalten. Unter anderem zu folgenden Punkten:
Versorgungsgrad
Der Versorgungsgrad ist definiert als der Anteil der versorgten ansässigen
Bevölkerung an der gesamten ansässigen Bevölkerung. UMTS/IMT-2000-Dienste sind
mit folgendem Versorgungsgrad kommerziell anzubieten:
• spätestens am 31. Dezember 2003 mit 25% Versorgungsgrad
• spätestens am 31.Dezember 2005 mit 50% Versorgungsgrad
• In den versorgten Gebieten ist ein Trägerdienst mit einer Datenrate von
zumindest 144 kbit/s anzubieten.
Der genannte Versorgungsgrad ist mittels selbst betriebenem Netz anzubieten. Zur
Definition eines selbstbetriebenen Netzes sei auf die Ausführungen in den
Ausschreibungsunterlagen verwiesen.
Infrastruktur
Zur gemeinsamen Nutzung von Antennentragemasten existiert ein rechtlicher
Rahmen. Demnach müssen Eigentümer oder sonst Nutzungsberechtigte eines
Antennentragemastes oder eines Starkstromleitungsmastes dessen Mitbenutzung
durch Inhaber einer Konzession zur Erbringung eines öffentlichen
Telekommunikationsdienstes gestatten, sofern dies technisch, insbesondere
frequenztechnisch möglich ist.
Weiters können Antennen und Verkabelung gemeinsam genutzt werden. Eine derartige
Vereinbarung ist jedoch – anders als bei der Mitbenutzung von
Antennentragemasten – rechtlich nicht erzwingbar.
National roaming 3G-2G
Es ist vorgesehen, dass für den Fall, dass Frequenzen für die Erbringung eines
öffentlichen Mobilfunkdienstes der dritten Mobilfunkgeneration einem
Antragsteller zugewiesen werden, der bereits eine Konzession zur Erbringung
eines öffentlichen Mobilfunkdienstes der zweiten Mobilfunkgeneration innehat,
dieser verpflichtet ist, anderen Inhabern von Konzessionen zur Erbringung eines
öffentlichen Mobilfunkdienstes der dritten Mobilfunkgeneration, die jedoch
ihrerseits keine Konzession zur Erbringung eines öffentlichen Mobilfunkdienstes
der zweiten Mobilfunkgeneration innehaben, Netzkapazitäten zur Verfügung zu
stellen (national roaming).
Dieses Zur-Verfügung-Stellen der Netzkapazität hat nach Maßgabe der technischen
Möglichkeiten für eine bestimmte, vier Jahre nicht übersteigende Zeitdauer zu
erfolgen. Für national roaming ist ein angemessenes Entgelt zu vereinbaren. Im
Streitfall entscheidet darüber die Telekom-Control-Kommission.
National roaming 3G-3G
In jenen Gebieten, die nicht im Rahmen der Versorgungspflicht mittels eines
selbst betriebenen Netz abgedeckt werden, besteht die Möglichkeit,
privatrechtliche Vereinbarungen hinsichtlich national roaming 3G-3G (roaming
zwischen nationalen UMTS/IMT-2000-Netzen) zu schließen. Eine gesetzliche
Verpflichtung dafür besteht allerdings nicht.
Netzzugang
Die Beurteilung etwaiger Anträge auf Netzzugang zu 3G-Netzen wird auf Basis der
jeweiligen gesetzlichen Regelungen erfolgen. Auf die Entwicklungen der
europarechtlichen Vorgaben (zB. Kommunikationsbericht 1999 der Europäischen
Kommission (COM(1999)539)) in diesem Zusammenhang sei verwiesen.
Frequenzspektrum
Für Europa sind die Frequenzbänder für den terrestrischen Teil von UMTS/IMT-2000
von der CEPT/ERC in den Entscheidungen ERC/DEC/(97)07 und ERC/DEC/(99)25
definiert (http://www.ero.dk/). Für diesen Teil sind insgesamt 155 MHz
vorgesehen. Davon sind die Bereiche 1920 – 1980 MHz und 2110 – 2170 MHz, also
2x60 MHz, als gepaarte Frequenzbänder einsetzbar und die Bereiche 1900 – 1920
MHz und 2010 – 2025 MHz, also 35 MHz für den ungepaarten Betrieb geeignet. Aus
dem ungepaarten Frequenzbereich ist das Band 2010 – 2020 MHz für unlizensierten
Betrieb (Self Provided Applications – zB. für private LANs, etc.) reserviert.
Somit verbleiben für eine Vergabe an Betreiber 2x60 MHz aus dem gepaarten und 25
MHz aus dem ungepaarten Frequenzbereich, also insgesamt 145 MHz.
Es wurden einzelne Blöcke mit jeweils 2x5 MHz für den gepaarten und 5 MHz für
den ungepaarten Bereich versteigert. Durch das gewählte Verfahren wird die
Anzahl und Ausstattung der Konzessionen nicht durch Entscheidungen der
Regulierungsbehörde festgelegt sondern ergab sich in der Auktion durch das
Bietverhalten der Antragsteller.
Abbildung 1: UMTS-Spektrum
Frequenzen
Gemäß der Spezifikation der ITU (International Telecommunications Union) für
Region 1 sind für UMTS / IMT-2000 die Bänder 1900 - 2025 MHz und 2110 - 2200 MHz
vorgesehen. Davon sind die Teilbänder 1980 - 2010 MHz (Uplink) und 2170 - 2200
MHz (Downlink) jedoch für Satellitenanwendungen reserviert. Die terristrischen
Frequenzen gliedern sich wie folgt:
Der Duplexabstand beträgt in den gepaarten Frequenzen (FDD, frequency division
duplex) 190 MHz. Das Unterband ist als Sendefrequenz der Mobilstationen, das
Oberband entsprechend den Basisstationen zugeordnet. Die ungepaarten Frequenzen
werden im Zeitduplex (TDD, time devision duplex) betrieben. Für lizenzfreie
Anwendungen (SPA, self provided applications) sind zwei 5 MHz Bänder mit den
Trägern 2013.0 MHz und 2017.4 MHz vorgesehen.
2.4 Vergabeverfahren in Österreich
Das Frequenzzuteilungsverfahren gliederte sich in zwei Stufen. In der ersten
Stufe erfolgte die Prüfung der finanziellen, organisatorischen und technischen
Eignung. Jene Antragsteller, welche diese Voraussetzungen nicht erfüllten, wären
vom Frequenzzuteilungsverfahren ausgeschlossen worden. Weiters erfolgte in der
ersten Stufe eine Prüfung der Antragsteller im Hinblick darauf, ob diese in
irgendeiner Weise konzernmäßig, bzw. wie in der Ausschreibungsunterlage
angeführt, verbunden sind. In diesem Fall wäre für jede Gruppe verbundener
Unternehmen eine Vorauktion um die Teilnahme an der Frequenzauktion durchgeführt
worden. In der zweiten Stufe erfolgte die Ermittlung jener Antragsteller, denen
die Frequenzen zugeteilt wurden, in Form einer Auktion.
Für die Teilnahme am Auktionsverfahren war von den Antragstellern im Antrag ein
Mindestgebot je beantragtem Frequenzpaket abzugeben. Folgende Tabelle enthält
die Höhe der Mindestgebote für Frequenzpakete im gepaarten und ungepaarten
Frequenzbereich.
Frequenzpaket Mindestgebot
2x5 MHz
aus dem gepaarten Bereich ATS 700.000.000,-
(Euro 50.870.983,91)
1x5 MHz
aus dem ungepaarten Bereich ATS 350.000.000,-
(Euro 25.435.491,95)
Abbildung 2: Mindestangebot für Frequenzpakete
2.5 Antragsteller in Österreich
Die Ausschreibungsfrist endete am 13. September 2000 um 14 Uhr. Folgende
Telekom-Unternehmen hatten Antragsunterlagen zur Teilnahme am Vergabeverfahren
für UMTS/IMT-2000 Frequenzpakete abgegeben:
• Connect Austria Gesellschaft für Telekommunikation GmbH
• Hutchison 3G Austria GmbH
• Mannesmann 3G Mobilfunk GmbH
• max.mobil. Telekommunikation Service GmbH
• Mobilkom Austria AG
• 3G Mobile Telecommunications GmbH (Telefonica)
Alle Antragsteller planen den Einsatz der UMTS-Funkschnittstelle UTRA (IMT-2000
CDMA direct spread - IMT-2000 CDMA TDD).
Bieter Gepaarte
Pakete à 2x5 MHz Ungepaarte
Pakete à 1x5 MHz Gesamt
Pakete Mio. ATS Mio. Euro Pakete Mio. ATS Mio. Euro Mio. ATS Mio. Euro
Connect 2 1.652 120 1.652 120
Hutchison 3G 2 1.563 114 1 350 25 1913 139
Mannesmann 3G 2 1.557 113 1557 113
max.mobil. 2 1.643 120 2 702 51 2.345 171
Mobilkom 2 1.660 121 2 700 50 2360 171
3G Mobile GmbH 2 1.616 118 1616 118
Gesamt 9.691 706 1752 126 11.443 832
Abbildung 3: Lizenzkosten Österreich
3. UMTS - Basisarchitektur
3.1 Allgemeine Architektur
Das UMTS-Netzwerk kann in drei Netzwerkbereiche unterteilt werden, das UE (User
Equipment), das Access Network und das Core Network.
Abbildung 4: UMTS – Allgemeine Architektur
3.1.1 User Equipment
Das UE bietet dem UMTS-Teilnehmer den Zugang zum UMTS-Netz des jeweiligen
Netzbetreibers und unterstützt sowohl Sprach- als auch Datendienstleistungen des
UMTS-Netzes. Das UE läßt sich in drei Teile gliedern:
TE – Terminal Equipment: Die TE ist der Teil des UE der direkten Kontakt zum
Teilnehmer hat. Dabei kann es sich um den UE-Bildschirm handeln oder auch um ein
angeschlossenes Notebook.
TAF – Terminal Adaption Funktion: Die TAF ist zuständig für die Adaption
zwischen TE und MT (zB: Ratenanpassung).
MT – Mobile Termination: Die MT stellt den Zugriff zum Access Network her und
sollte daher alle angebotenen Dienste unterstützen.
3.1.2 Access Network
Das Access Network besteht aus den Empfangs- und Sendeeinheiten der
Bodenstationen, um mit den Mobilteilnehmern Kontakt aufbauen zu können. Des
Weiteren muß das Access Network die Informationen der Mobilteilnehmer an das
Core Network weiterleiten, um dort ausgewertet zu werden.
3.1.3 Core Network
Das Core Network stellt einerseits Schnittstellen zu anderen Netzen zur
Verfügung, andererseits hat es auch Aufgaben bezüglich des Routings und
Realisierung von Dienstleistungen. Die Dienstleitsungen können einerseits vom
Core Network selbst oder aber auch durch Weiterleitung an fremde Netze angeboten
werden. Ebenso ist das Core Network auch für die Vergebührung zuständig.
Das Core Network besteht prinzipiell aus zwei Teilbereichen, die jeweils für die
leitungsorientierte bzw. paketorientierte Verbindung zuständig sind. Diesem
Aspekt trägt man mit einer „Circuit Domain“ (zB: Sprachdienste) und einer
„Packet Domain“ (Datendienste) Rechnung.
3.2 Rückblick auf die GSM-Architektur
Im Gegensatz zur UMTS-Architektur hat die GSM-Architektur bis zur Phase 2 keine
paketorientierten Dienste angeboten. Erst mit der Phase 2+ wurden in der
Architektur paketorientierte Dienste berücksichtigt (GPRS – General Packet Radio
Service). Um die Unterschiede zur UMTS-Architektur zu veranschaulichen, lohnt
sich ein Blick auf die GSM-Architektur und wie mit dieser Datendienste
realisiert worden sind.
Abbildung 5 GSM-Architektur
Wie man aus der Abbildung oben erkennen kann fehlt in der
Standard-GSM-Architektur Implementierungen für paketorientierte Datendienste mit
fremden Datennetzen. Das hat den nachhaltigen Nachteil, daß
Übetragungsressourcen nicht optimal genutzt bzw. ausgelastet werden, da jedem
Anwender ein eigener physikalischer Übertragungskanal alleine zur Verfügung
steht. Betrachtet man sich einen typischen Internet-Anwender, so werden zu
gewissen Zeitpunkten Daten mit dem „Internet“ ausgetauscht (Down- und Upload),
zu anderen Zeitpunkten steht der Datenaustausch aber still, da der Anwender in
dieser Zeit sich in aller Ruhe die heruntergeladenen Internetseiten betrachten
und studieren will. Während der Betrachtung der Internetseiten steht die Leitung
„still“, keine Daten werden ausgetauscht. Diesen Sachverhalt kann man sehr gut
in der Abbildung unten erkennen.
Abbildung 6: Verkehrsauslastung Leitungsorientiert
Es liegt daher nahe, daß man ein Konzept entwickelt, das es ermöglicht, daß
andere Anwender in dieser Studierphase (Ruhepause) von Anwender-A dessen
Übertragungsmedium nutzen um ihrerseits Daten mit dem Internet auszutauschen.
Um diesem Aspekt Rechnung zu tragen, wurde in der GSM-Phase 2+ das GSM-Netz um
das GPRS-Verfahren (General Packet Radio Service) erweitert. Durch modulare
Einbindung in ein bestehendes GSM-Netz wird ein paketorientierter Datendienst
ermöglicht.
Abbildung 7: UMTS – Access Network
Abbildung 8: UMTS – Core Network
2. Einführung und Entwicklungsgeschichte von GSM
2.1 Entscheidung für GSM
GSM (Global System for Mobile Communication) wurde entwickelt um erstens die
Limitierungen, die bis dahin durch den analogen Mobilfunk gegeben waren, zu
überwinden und zweitens durch Digitalisierung bessere Dienstleistungen a´la ISDN
bieten zu können. GSM bietet viele Vorteile, die bei analogen Systemen nicht
verfügbar waren und sind. So bietet GSM sowohl eine völlig andere (vor allem
aber bessere) Tonqualität als auch eine Abhörsicherheit auf militärischem
Verschlüsselungsniveau. Weil GSM ein internationaler Standard ist, können
GSM-Geräte im Ausland genauso wie im Heimatnetz verwendet werden, sofern
zwischen den internationalen Netzbetreibern Roamingverträge existieren, die erst
ein grenzüberscheitendes Telefonieren ermöglichen. Mit Hilfe der digitalen
Signalverarbeitung, die Fehlerkorrektur und Signalanpassung erlaubt, ist die
Sprachübertragung auch unter ungünstigen Bedingungen sicherer geworden. Ein
wesentliches Qualitätsmerkmal von GSM gegenüber dem analogen Mobilfunk ist, daß
die zur Verfügung stehenden Frequenzbänder viel effizienter genutzt werden
können und somit größere Teilnehmerkapazitäten ermöglicht werden. Aber auch neue
Sicherheitsaspekte geben dem Mobilfunkteilnehmer mehr Sicherheit gegen Abhören
und wirtschaftlichen Mißbrauch.
2.2 Anforderung an die Serviceleistung
Von Anfang an wurde von den Planern ISDN-Kompatibilität, bezogen auf Service und
Signalisierung, gefordert. Dabei war aber klar, daß die ISDN-Übertragungsrate
von 64kbit/s durch Bandbreiten- und Kostenlimitation bei Funkübertragung nicht
erreichbar ist. Das macht für GSM eine aufwendige Datenreduktion und
Kanalkodierung erforderlich.
Mit GSM soll nicht nur Sprachübertragung möglich sein sondern auch
Datenübertragung (anfänglich mit 9,6kbit/s) zu POTS- und ISDN-Teilnehmern, zu
PSPDN (Packet Switched Public Data Networks) und zu CSPDN (Circuit Switched
Public Data Network) mit unterschiedlichen Protokollen (zB: X.25). In diesen
Bereich fällt auch die Faxdatenübertragung.
Ein GSM-typisches Service ist das verschicken von SMS-Nachrichten (SMS-Short
Message Service), die bis zu 160 Zeichen enthalten können.
In einer späteren Phase sind Dienstleistungen wie Caller Identification, Call
Waiting, Konferenzschaltungen dazu gekommen.
2.3 Weg der GSM-Entwicklung
1982 wurde die Groupe Special Mobile der CEPT (Conference Europeenne des
Administrations des Postes et des Telecommunications) gegründet und begann die
Entwicklung eines paneuropäischen Standards für digitalen Mobilfunk, der es im
Vergleich zum analogen Mobilfunk ermöglichen soll, grenzüberschreitend zu
telefonieren.
1989 wurde die GSM-Gruppe zu einem technisches Komitee des europäischen
Normungsinstituts ETSI (European Telecommunication Standards Institute). In
Österreich trifft die PTT die Entscheidung für GSM und eine Arbeitsgemeinschaft,
bestehend aus Siemens, Alcatel und AT entwickelt das GSM Pilot Projekt
1990 Die Phase 1 der GSM-900-Spezifikationen wird abgeschlossen und die
Anpassung an DCS-1800 beginnt.
1991 Die ersten GSM-900-Netze gehen in Betrieb und die Spezifikationen für
DCS-1800 (Digital Cellular System) werden abgeschlossen. (Durch den weltweiten
Erfolg der GSM-Netze wurde GSM in Global System for Mobile Communication
umgedeutet.)
1992 findet in Österreich der erste Verbindungsaufbau statt und Ende 1992 sind
bereits 13 GSM-900-Netze in 7 Ländern in Betrieb.
1993 werden die ersten Roaming-Abkommen geschlossen. In Österreich geht das
Pilot-Amt-Schillerplatz in Betrieb. Ende 1993 sind bereits 32 Netze in 18
Ländern in Betrieb.
1994 Datendienste werden angeboten.
1995 Die GSM-Standardisierung der Phase 2 wird abgeschlossen inklusive des neuen
PCS-1900 (Personal Communication System) Standards für Amerika.
1996 sind 133 Netze in 71 Ländern in Betrieb. In Österreich startet Maxmobil als
zweiter Netzbetreiber seinen Betrieb. Die Mobilkom hat bereits 120.000
Teilnehmer.
1998 startet in Österreich der dritte Netzbetreiber (Connect-Austria).
2000 Stand März in Österreich: Mobilkom 2.200.000 Teilnehmer, Maxmobil 1.600.000
Teilnehmer, Connect-Austria 700.000 Teilnehmer. Geplante Erweiterung des
GSM-Netzes mit GPRS (General Packet Radio Service), die einen paketorientierten
Datentransfer mit Übertragungsraten von bis zu 170kbit/s ermöglicht sowie eine
Übergangsform zum neuen Mobilfunk-Standard UMTS darstellt.
3. Grundlagen des Mobilfunks
3.1 Wellenausbreitung
Der Mobilfunkkanal ist allgemein betrachtet ein sehr schlechtes
Übertragungsmedium mit stark schwankender Eigenschaft und Qualität. Die Leistung
einer ausgesandten Welle nimmt indirekt proportional mit dem Quadrat der
Entfernung zwischen Sende- und Empfangsstation ab. Oder einfacher ausgedrückt:
Verdoppelt (*2) ein Empfänger (zB. GSM-Teilnehmer) seine Entfernung vom Sender,
so empfängt er nur mehr ein Viertel der vorherigen Leistung (1/22=1/4).
Zusätzlich wird die Leistung der ausgestrahlten Welle auch noch durch natürliche
Hindernisse gedämpft.
Ein besonders unangenehmer Effekt kann durch Mehrwegausbreitung statt finden.
Betrachtet man das Bild 1, so erkennt man, daß der Empfänger die ausgestrahlte
Welle auf vier Wegen empfängt, einmal direkt und dreimal über Reflexion. Im
Realfall muß man natürlich mit mehreren Reflexionen rechnen. Normalerweise sind
Mehrwegausbreitungen erwünscht, da der Empfänger auch dann ein Signal bekommt,
wenn kein direkter Sichtkontakt zur Sendeantenne besteht, was im Stadtgebiet
sehr oft der Fall ist (siehe Bild 2).
Bild 1 Mehrwegausbreitung
Bild 2 Signalschatten
Im Bild 1 erkennt man gut, daß die vier eingezeichneten Wege unterschiedlich
lang sind. Diese verschiedenen Signalwellen überlagern sich beim Empfänger, wie
Bild 3 schematisch zeigt. Entspricht der Unterschied dieser beiden Wege im
ungünstigsten Fall genau einer halben Wellenlänge („ein Wellenhügel“), so heben
sich diese beiden Wellen gegenseitig auf und der Empfänger kann kein Signal mehr
empfangen – man spricht in diesen Fällen von Schwund (fading).
Bild 3 Überlagerung durch Mehrwegausbreitung
Diese Signaleinbrüche sind um so stärker, je geringer die Übertragungsbandbreite
des Senders ist. Bei GSM ist die Übertragungsbandbreite 200kHz und der Effekt
daher sehr deutlich zu beobachten. Da bei GSM der Teilnehmer mobil ist,
verändern sich die Bedingungen der Mehrwegausbreitung permanent mit der Bewegung
des Teilnehmers. Ein weiterer Effekt durch die Mehrwegausbreitung ist, daß es
durch die unterschiedliche Laufzeit der einzelnen Signale auch zu einer
zeitlichen Signalverzerrung kommt (wird auch aus Bild 3 ersichtlich, wenn man
die 3 Signale addiert). Im städtischen Bereich kommt es zu
Mehrweg-Kanalverzögerungen von bis zu 20us.
Obwohl die hier betrachteten Störungen nur ein kleiner Auszug von den insgesamt
auftretenden Störungsmöglichkeiten sind, erkennt man, daß für eine korrekte
Datenübertragung viele Schutz- und Korrekturmaßnahmen nötig sind. Um die Effekte
der Mehrwegausbreitung in Griff zu bekommen, werden einerseits spezielle
Entzerrer (Equalizer) eingesetzt, andererseits Kanalkodierungsmaßnahmen
durchgeführt. Ebenso wird auch mit gezielter Sendeleistungsteuerung sowie mit
speziellen Algorithmen, um Signalunterbrechungen in Schwundlöchern
auszugleichen, für eine bessere und störungsfreiere Übertragung gesorgt.
3.2 Multiplexverfahren
Ein Multiplexverfahren ermöglicht es, daß mehrere Signale gleichzeitig auf einem
Übertragungsmedium übertragen werden können. Im allgemeinen ist man gewohnt, daß
man zB. auf einem zweipoligen Kupferkabel nur ein Signal (zB. Lautsprecherkabel)
übertragen kann, um es auch eindeutig wieder empfangen zu können. Durch gezielte
Multiplexverfahren ist es nun möglich, daß mehrere Signale gleichzeitig über
eben dieses Kabel übertragen werden können. Auch bei GSM werden
Multiplexverfahren eingesetzt: FDMA und TDMA (CDMA, SDMA).
3.2.1 FDMA – Frequency Division Multiple Access
Mit dem FDMA-Verfahren wird es ermöglicht, unterschiedliche Signale gleichzeitig
zu übertragen, indem jedem einzelnen Signal ein eigenes Frequenzband zugewiesen
wird und so diese Signale auf mehrere Frequenzbänder aufgeteilt werden. Diese
Verfahren werden bereits seit Jahrzehnten in der Radio- und Fernsehtechnik
eingesetzt, wo zB. unterschiedliche Radiosender gleichzeitig übertragen werden
und durch Auswahl einer bestimmten Frequenzbands der gewünschte Sender
ausgewählt wird. Genau dieses Schema wird auch bei GSM-Übertragungen angewendet.
Ein einzelner Frequenzkanal hat bei GSM eine Bandbreite von 200kHz.
Bild 4 FDMA-Schema
Bei GSM-900 werden diese 200kHz-Kanäle zwischen 890MHz und 915 MHz für die
Übertragung von der Mobilstation zur Basisstation (Uplink) und zwischen 935MHz
und 960MHz für die Übertragung in Gegenrichtung (Downlink) aneinander gereiht.
Dadurch entstehen insgesamt 125 Duplexkanäle, von denen aber nur 124 genutzt
werden, da ein 200kHz Band als Schutzband eingesetzt wird. Bild 3.2.1 zeigt
diese Frequenzaufteilung über das Frequenzspektrum. Unter Duplexkanäle versteht
man, daß für eine Gesprächsverbindung zwei Kanäle erforderlich sind, um
gleichzeitig sprechen und hören zu können. Diese Frequenzkanäle (Sprech- und
Hörkanal) sind bei GSM-900 stets 45MHz voneinander getrennt.
3.2.2 TDMA – Time Division Multiple Access
Mit dem TDMA-Multiplex-Verfahren werden ebenfalls verschiedene Signale zu einem
einzigen Multiplex-Signal gebündelt, wodurch man auch hier in der Lage ist, mit
nur einer Leitung mehrere Nachrichtensignale übertragen zu können. Es werden
also mehrere Einzelsignale zu einem TDMA-Signal zusammengefaßt. Dazu werden die
einzelnen Signale entsprechend dem Nyquist-Kriterium abgetastet und die so
gewonnenen Abtastwerte zeitlich versetzt übertragen bzw. zusammengefügt. Das
Nyquist-Kriterium besagt, daß ein Signal mit mindestens der doppelten Frequenz
abgetastet werden muß als die höchste im Signal vorkommende Frequenz, damit das
Signal sich wieder eindeutig zusammenfügen läßt. So liegen zB. im Audiobereich
die höchsten Frequenzen um 20kHz, die vom Menschen noch gehört werden können,
was bedeutet, daß die Abtastfrequenz mindestens 40kHz betragen muß. Bei
Audio-CD´s verwendet man zB. eine Abtastrate von 44,1kHz und erfüllt somit das
Nyquist-Kriterium. Um Sprache klar und verständlich übertragen zu können, reicht
es, den Frequenzbereich der Sprache zwischen 300Hz und 3400Hz zu übertragen. Bei
GSM wird eine Abtastfrequenz von 8000Hz verwendet, wodurch das Nyquistkriterium
eindeutig erfüllt ist (2 x 3400Hz < 8000Hz).
Betrachtet man in Bild 5 oben nur das Signal y1, so erkennt man, daß zwischen
den einzelnen Abtastwerten noch genügend Platz frei ist, um andere Signale
dazwischen einzubetten. Wenn man sich das TDMA-Signal (von Bild 3.2.2 unten)
betrachtet, so erkennt man in Bild 5, daß der 1., 4., 7., 10.... Abtastwert zum
Signal y1 gehören, 2., 5., 8., 11... gehören zum Signal y2 und 3., 6., 9.,
12.... zum Signal y3. Das heißt, der Empfänger kann die ursprünglichen Signale
aus dem TDMA-Signal wieder zurück gewinnen, indem er hier jedes dritte Signal
herausnimmt und durch Tiefpaßfilterung wieder das ursprüngliche,
nicht-abgetastete Signal erhält.
Jedem einzelnen Signal steht ein sogenannter „Zeitschlitz“ als Kanal zur
Verfügung. Eine Zeitspanne, in der alle verschiedenen Signale genau einmal
vorkommen, bezeichnet man als TDMA-Rahmen, d.h. ein TDMA-Rahmen besteht im Bild
5 aus 3 Zeitschlitzen.
Bild 5 TDMA-Schema
Bei der GSM-Technik werden 8 Signale durch TDMA gebündelt. Somit stehen auf
einem physikalischen Übertragungskanal (bei GSM ein Frequenzträger) 8
Zeitschlitze zur Verfügung, auf denen unterschiedliche Nachrichten übertragen
werden können. Mit jedem Zeitschlitz eines TDMA-Rahmens werden bei GSM
Datenbursts mit einer Länge von 156,25 Bit gesendet, was einer Dauer von 576,6us
pro Burst entspricht (15/26ms). Ein TDMA-Rahmen hat eine Dauer von 4,615ms. Es
gibt 5 Arten von möglichen Bursts und damit Arten von Übertragungsdaten, auf die
weiter unten noch genauer eingegangen wird.
Dieses Verfahren wird unter anderem auch in der Telefon-Festnetztechnik
eingesetzt: Mit dem PCM30 Verfahren werden 30 einzelne Signale auf eine Leitung
zusammen gefaßt (zuzüglich von zwei weiteren Kanälen für Synchronisation und
Signalisierung).
3.2.3 Verknüpfung von FDMA- und TDMA-Multiplexverfahren bei GSM
Wie bereits oben erwähnt, kommen bei GSM sowohl TDMA- als auch FDMA-Verfahren
zum Einsatz. Ein Zeitschlitz stellt einen Übertragungskanal dar. Dazu muß man
bedenken, daß bei GSM-900 insgesamt 124 Frequenzträger zu je 8 Zeitschlitzen
existieren. Die Frequenzträger werden durch Lizenzen auf verschiedene
Netzbetreiber aufgeteilt. Damit es nicht zu Kollisionen zwischen den einzelnen
Kanälen kommt, bedarf es einer ausgeklügelten Netzarchitektur, auf die im
nächsten Kapitel (Zellulartechnik) näher eingegangen wird. Das Bild 6 zeigt das
Schema der Kombination aus FDMA und TDMA anhand von zwei Frequenzkanälen und
acht Zeitschlitzen.
Bild 6 Kombination FDMA/TDMA
3.3 Zellulartechnik
3.3.1 Zellularkonzept
Durch die Kombination von FDMA und TDMA können theoretisch 992 Kanäle (124*8)
realisiert werden. Wobei selbst von diesen 992 Kanälen nicht alle für den
Sprachverkehr verwendet werden können, da zB. auch die Signalisierung
Übertragungskanäle benötigt. Verwendet man also nur einen einzigen
Hochleistungs-Senders, wie in Bild 7, so ist die Kapazität der verfügbaren
Frequenzkanäle auf rund 992 Kanäle und somit auch 992 gleichzeitigen Teilnehmern
reduziert.
Bild 7 Singelzelle
Dabei muß die Sendeleistung so groß gewählt werden, daß trotz der Wellendämpfung
im Raum (indirekt proportional zur quadratischen Entfernung!) auch noch der
entfernteste Teilnehmer in der Netzzelle genügend Signalleistung für
einwandfreien Empfang bekommt.
Diesen Sachverhalt soll folgendes Beispiel veranschaulichen:
Geht man davon aus, daß die Sendeantenne ein Rundstrahler ist (sie strahlt in
alle Richtungen gleich viel Energie aus, was bei Mobilfunk sicher nicht ideal
ist, da zB. Senkrecht nach oben keine Leistung ausgestrahlt werden sollte!) und
eine Sendeleistung von 100W hat, dann empfängt im vereinfachten Idealfall ein
Teilnehmer in 10m Entfernung eine Leistung von 159mW, in 1km Entfernung 15,9uW,
in 10km Entfernung eine Leistung von 159nW und in 100km Entfernung 1,59nW. Damit
ein Teilnehmer in 100km Entfernung auch noch 15,9uW empfangen kann, müßte die
Sendeleistung auf 1MW erhöht werden. Man erkennt, daß die Sendeleistung für die
Versorgung von weiten Strecken stark anwächst, wobei man die Bedingungen
verbessern kann, indem man Antennen mit einer praxisgerechten
Richtcharakteristik verwendet, die zB. nur parallel zur Bodenebene
(Dipolantennen) Leistung abstrahlen.
Will man also mehrere Millionen Teilnehmer bedienen, dann müssen die vorhandenen
Frequenzen räumlich mehrfach genutzt werden, indem man, wie in Bild 8, mehrere
Sender mit schwächerer Sendeleistung, aufstellt. Diese leistungsreduzierten
Sender mit ihrem Versorgungsgebiet bezeichnet man als Zelle. Die Sendeleistung
muß allerdings so reduziert werden, daß sich die einzelnen Zellen nicht
gegenseitig beeinflussen. Das heißt, ein Teilnehmer darf nicht von zwei
verschiedenen Zellen den selben Frequenzkanal empfangen, da er sonst eine
Mischung aus beiden Signalen empfangen würde, wie es zB. bei Funkgeräten der
Fall ist. Diese räumliche Frequenzwiederverwertung (spatial frequency reuse)
führt zur Entwicklung des Zellularkonzepts.
Bild 8 Multizellen-Konzept
Bild 9 zeigt einen typischen Aufbau eines zellularen Systems, wobei jede Zelle
durch ihre Sendestation in Größe und Richtungscharakteristik definiert wird. Es
muß streng darauf geachtet werden, daß ein gewisser Frequenzwiederholabstand
eingehalten wird, das heißt, daß eine Frequenz erst in einem gewissen Abstand D
wieder verwendet wird. Verläßt man den Bereich einer Zelle (in Bild 9 z.B. ein
Auto), so erfolgt bei laufendem Gespräch ein automatischer
Kanal-/Frequenz-wechsel, den man als Handover bezeichnet.
Bild 9 Geographischer Zellenwechsel
3.3.2 Frequency Reuse
Die Frequenzwiederverwertung durch Aufbau einer Zellenhierarchie ist sehr
wichtig, um die Kapazität bzw. Teilnehmeranzahl eines Mobilfunknetzes zu
erhöhen. Dabei macht man sich zu Nutzen, daß die Signalleistung mit wachsendem
Abstand vom Sender immer schwächer wird und dadurch ab einem gewissen Abstand so
gering ist, daß sie andere Signale gleicher Frequenz nicht mehr durch
Überlagerung beeinflussen kann.
Reduziert man also die Sendeleistung und damit auch die Zellengröße, indem man
viele kleine Zellen schafft, kann man das gleiche Frequenzband mehrfach in
verschiedenen Zellen wiederverwenden. Um die Überlagerungsgefahr gleicher
Frequenzbänder an der Grenze benachbarter Zellen zu vermeiden, teilt man die zu
Verfügung stehenden Frequenzen in sogenannte Channel-Sets, und ordnet jeder
Zelle einen eigenen Channel-Set zu. Dabei wird jede einzelne Frequenz einem
bestimmten Channel-Set zugeordnet.
In Bild 10 gibt es zB. drei Channel-Sets (N=3), wobei Set1 die Frequenzbänder 1,
4, 7, 10,....., Set2 die Bänder 2, 5, 8, 11,... und Set3 die Bänder 3, 6, 9,
12,... beinhaltet. Diese Channel-Sets werden nun räumlich so aufgeteilt, daß der
gleiche Channel-Set sich niemals selbst benachbart. Im Bild 10 sieht man, daß
der Set3 in der Mitte nur vom Set1 und Set2 benachbart wird, aber nicht vom
Set3. Dadurch rücken die Zellen mit gleichen Frequenzbändern weiter auseinander
und die Gefahr von Überlagerungen werden dadurch weiter minimiert.
Bild 10 Channelset-3
Die Zellenaufteilung von Bild 10 verhindert also, daß gleiche Frequenzen in
benachbarten Zellen verwendet werden.
Ein anderes Problem bei Funkübertragungen ist, daß Frequenzbänder, die direkt
nebeneinander liegen sich oft gegenseitig beeinflussen. So kommt es zB. auch bei
Radioübertragungen oft vor, daß ein Programmsender seinem Nachbarsender oft
„hörbar“ sein eigenes Programm miteinspielt und der Zuhörer das Gefühl hat zwei
Programme gleichzeitig zu hören.
Man erkennt leicht in Bild 10, daß zB. Set1 und Set2 benachbart sind, aber Set1
und Set2 auf der Frequenzskala benachbarte Frequenzen haben. So liegt zB.
Frequenzband 1 vom Set1 im Frequenzplan direkt neben Frequenzband 2 vom Set2 und
die Möglichkeit besteht, daß sich diese beiden Frequenzbänder gegenseitig
stören.
Diesem Problem kann man entgegen treten, indem man die Zahl der Channel-Sets
erhöht. Im Bild 11 existieren bereits sieben solche Sets (in der Praxis haben
sich sieben Channel-Sets bewährt, führ einen Störabstand von 18dB). Man sieht im
Bild 11, daß jede Zelle nur noch zwei Nachbarzellen hat, die benachbarte
Frequenzbänder haben. Betrachtet man sich in Bild 11 die Zelle 1 in der Mitte,
so haben nur noch die Nachbarzellen 2 und 7 benachbarte Frequenzbänder. Ebenso
sieht man, daß durch Erhöhung der Channel-Sets die Zellen mit gleichem
Channel-Set noch weiter auseinander gerückt sind.
Bild 11 Channelset-7
3.3.3 Zellen – Splitting
Wenn in einer bestimmten Zelle das Nachrichten-Verkehrsaufkommen die
Kapazitätsgrenzen erreicht oder gar übertroffen hat, kann diese überlastete
Zelle in mehrere kleinere Zellen mit geringerer Sendeleistung aufgeteilt werden.
Das Schema der Frequenz-Wiederverwertung wird, zwar jetzt in kleinerem Rahmen,
auch hier wieder auf die ursprünglich größere, aber überlastete Zelle angewandt.
Die Systemkapazität ist je nach Aufteilung der neue Zellen gestiegen.
Zellen-Splitting ermöglicht es also einem Netzbetreiber die Kapazität seines
Netzes jederzeit bei Bedarf zu erweitern bzw. den wechselnden Anforderungen
anzupassen. Andererseits erlaubt das Zellen-Splitting auch eine Anpassung an
örtliche Gegebenheiten.
Bild 12 zeigt eine mögliche Aufteilung der Zellen und man kann erkennen, daß die
Zellengröße im städtischen Bereich stark abnimmt und die Zellenanzahl dagegen
zunimmt. Im Gegensatz dazu sind die Zellen im ländlichen Bereich relativ groß,
da dort auch die Teilnehmerzahl geringer ist und dadurch an die Netzkapazität
nicht so große Ansprüche gestellt werden.
Bild 12 Zellensplitting
3.3.4 Zellen Sektorierung
Die Zellen in Sektoren einzuteilen, ist eine weitere Möglichkeit die
Frequenzbänder in einem Zellensystem besser einzusetzen und zu kontrollieren. Im
Bild 13 wird zB. eine Zelle mit insgesamt 45 Frequenzbändern in drei Sektoren
mit jeweils 15 Kanälen eingeteilt. Durch die Sektorierung der Zellen kann der
Reuse-Faktor N aber auch die Interferenzen (Überlagerungen) bei komplexen
Bündelungen durch Zellen-splitting (wo große Zellen an kleine Zellen
anschließen: siehe Bild 12) reduziert werden.
Bild 13 Zellensektorisierung
Die Zellensektorierung bestimmt somit die Zellencharakteristik, also ob es sich
um eine Omnizelle oder eine geteilte Zelle handelt.
3.3.5 Handover
Einer der wichtigsten Konzepte im Mobilfunk ist das Handover, das den Wechsel
eines Teilnehmers von einer Zelle (bzw. einem Sender) in eine andere Zelle
(anderer Sender) erlaubt und regelt. Ein Handover ist also mit einem Wechsel des
aktiven Nachrichtenkanals verbunden. Ein Teilnehmer soll einerseits ohne
Unterbrechung sein Gespräch weiterführen können, auch dann, wenn er die Sende-
und Empfangsbereiche (Zellen) wechselt. Andererseits werden Handovers auch
innerhalb einer Zelle eingesetzt (Kanalwechsel), um Interferenzen
(Überlagerungen) zu vermeiden beziehungsweise klein zu halten.
4 GSM Standards
4.1 Architektur eines GSM-Netzwerks
Das GSM-System hat zwei wesentliche Bestandteile: das Netz im eigentlichen
Sinne, das alle fest installierten Komponenten beinhaltet, und die mobilen
Teilnehmer, die die Funkschnittstelle für diverse Dienste benutzen.
Das festinstallierte Netz setzt sich nach GSM-Empfehlungen aus drei Subsystemen
zusammen: 1. BSS – Base Station Subsystem, 2. SMSS – Switching Management
Subsystem und 3. OMSS – Operation and Maintenance Subsystem.
Der mobile Teilnehmer wird durch die MS-Mobile Station beschrieben.
Bild 14 GSM-Architektur
Bild 14 zeigt die wichtigsten Komponenten eines GSM-Netzes, die hier beschrieben
werden sollen.
4.1.1 MS – Mobile Station
Unter der Mobile Station versteht man alle Komponenten, die der Mobilteilnehmer
mit sich trägt, um Zugang zu den Diensten eines Mobilnetzes zu bekommen, und die
den Teilnehmer auch gegenüber dem Netzbetreiber ausweisen. Im wesentlichen
besteht die MS aus zwei Komponenten, dem Mobile Equipment und dem Subscriber
Identity Module.
4.1.1.1 ME – Mobile Equipment
Das ME ist das Telefongerät selbst, das für sich alleine gesehen aber noch nicht
die Möglichkeit besitzt, die Dienste eines Netzbetreibers in Anspruch zu nehmen.
Erst wenn der Teilnehmer eine SIM-Karte (weiter unten beschrieben) von einem
Netzbetreiber dem ME beifügt, ist das ME wirklich funktionsfähig.
Jedes Mobile Equipment hat eine einzigartige Registrierungsnummer, die
IMEI-Nummer (International Mobile Equipment Identity). Diese Nummer ist auch
beim Netzbetreiber eingetragen, wodurch bei Verlust des ME das Gerät gesperrt
und damit unbrauchbar gemacht werden kann (dazu mehr weiter unten bei EIR).
Bild 15 MS
4.1.1.2 SIM – Subscriber Identity Module
Die SIM-Karte ist meistens ein austauschbarer oder fest eingebauter Chip einer
Mobile Station, die in das Mobile Equipment integriert werden muß, um eine
vollwertige Mobilstation mit Zugang zu den Netzdiensten zu haben. Auf diesem
Chip sind viele Nummern eingetragen, die den Teilnehmer personalisieren. Zu
diesen Nummern gehören zB. die Rufnummer (MSISDN) und
Teilnehmer-Erkennungsnummer (IMSI). Im SIM sind auch alle geheimen,
kryptographischen Algorithmen enthalten, die für die Verschlüsselung und
Authentisierung notwendig sind, und Nummern für internationales Roaming. Des
weiteren werden im SIM auch SMS-Nachrichten, Gebühreninformationen oder
Telefonbuchdaten gespeichert. Aber auch netzspezifische Daten, wie zB. Listen
von Broadcast-Control-Channel-Trägerfrequenzen, auf denen das Netz periodisch
Systeminformationen ausstrahlt, oder die aktuelle LAI-Location Area Identity.
Auf diese Begriffe wird aber später noch Bezug genommen. Die SIM-Karte wird
durch eine vierstellige PIN (Personal Identity Number) und zehnstellige
PUK-Nummer (PIN Unblocking Key) gegen Mißbrauch geschützt.
Durch die konsequente Trennung von ME und SIM wurde bei GSM erstmals eine
Separation von Benutzermobilität und Gerätemobilität erreicht. Für
internationales Roaming reicht es somit, daß man nur das SIM auf die Reise
mitnimmt und sich in einem fremden Land, mit dem ein Roamingvertrag existiert,
ein ME leiht und das eigene SIM verwendet.
Bild 16 SIM-Karte
.
4.1.2 BSS – Base Station Subsystem
Das BSS bildet im wesentlichen die Komponenten des Funknetzes und besteht aus
einzelnen Sendeantennen der jeweiligen Zellen, die man als BTS-Base Transceiver
Station bezeichnet, und als Kontrolleinheiten ( BSC-Base Station Controller),
die die Funkressourcen mehrerer BTS´s verwalten.
4.1.2.1 BTS – Base Transceiver Station
Wie bereit oben beschrieben, wird ein GSM-Netz durch eine Zellenstruktur
definiert. Jede Zelle besitzt eine Sende- und Empfangsantenne, die mit Ihrer
Richtcharakteristik die Form der Zelle bestimmt. Diese Sende- bzw.
Empfangseinheiten nennt man BTS. Die BTS stellt also in ihrer Zelle die
Funkkanäle für Datenverkehr (Nutz- und Signalisierungsdaten) zur Verfügung.
In Bild 17 ist ein Antennenmast mit zwei Dipolantennen zu sehen. Eine Antenne
davon ist für den „Uplink“, das ist die Übertragungsrichtung von der MS zur BTS,
zuständig, die andere für den „Downlink“, das ist die Gegenrichtung von der BTS
zur MS. Jede dieser Antennen hat eine Rundstrahl-Charakteristik, sie senden also
in alle Richtungen parallel zur Erdoberfläche gleich viel Energie ab. Dieses
Abstrahlverhalten ist zB. in Bild 1 gegeben oder besser in Bild 13 oben, wo in
der kompletten Zelle 45 Funkkanäle gleichmäßig verteilt sind ohne Sektorierung.
In Bild 18 ist eine sehr häufige Variante abgebildet. Hier kommen drei Antennen
(zwecks Duplexbetrieb wieder doppelt ausgeführt: also sechs Antennen) zum
Einsatz, die die Zelle in drei Sektoren (gemäß Bild 13 unten) unterteilen und
damit die einzelnen Frequenzbänder noch strikter voneinander trennen.
Bild 17 Antenne-Omnizelle
Bild 18 Antenne-Sektorzelle
Die BTS ist verantwortlich für die digitale Signalverarbeitung, die
Fehlerschutz- und Kanalcodierung, sowie die Setzung von TDMA-Rahmen, Überrahmen
und Zeitschlitzen. Jede BTS hat eine Verbindung zu einem Base Station Controller
(BSC), über die sie die Gespräche des gesamten Funkverkehrs an den BSC
weiterleitet. Diese Verbindung zum BSC kann leitungskabelgebunden oder durch
Richtfunk realisiert sein. An einigen Antennenmasten erkennt man kleine runde
Antennen, die Parabolantennen ähneln und für die Richtfunkübertragung zuständig
sind (zB. in Bild 18 erkennt man links oben eine Richtantenne).
4.1.2.2 BSC – Base Station Controller
Der BSC verwaltet die Funkressourcen für mehrere BTS´s und ist die
Steuerungseinheit für die Basisstationen und ist auf der einen Seite mit der
Mobilvermittlungsstelle MSC (Mobile Switching Center) verbunden und auf der
anderen Seite sind mehrere BTS´s angeschlossen und steuert daher die
Kommunikation zwischen den BTS´s und dem MSC. Der BSC steuert unter anderem die
Sendeleistungsregelung und das Handover, also die Weiterleitung der Gespräche
von einer Gebietszelle zur nächsten, das Funkkanal-Setup sowie das „Frequency
Hopping“ und ist verantwortlich für die Funkkanalzuordnung der Sprachverbindung.
Durch den BSC findet eine Vorfeldkonzentration mit Datenbankfunktion für die
angeschlossenen BTS´s statt.
4.1.3 SMSS Switching and Management Subsystem
Das SMSS ist ein Mobilvermittlungsnetz und besteht aus den
Mobilvermittlungszentren ( MSC – Mobile Switching Center) sowie Datenbanken, die
für die Vermittlung und für diverse Dienstleistungen die dafür notwendigen Daten
speichern.
4.1.3.1 MSC – Mobile Switching Center
Die zentrale Komponente des Network Subsystems ist das MSC-Mobile Switching
center, das wie eine normale Vermittlungsstelle a´la Festnetz agiert, wie zB.
Wegsuche, Signalwegschaltung und Dienstmerkmalsbearbeitung, nur daß das MSC die
Verwaltung der Funkressourcen und die Mobilität der Teilnehmer berücksichtigen
muß und daher für den mobilen Einsatz zusätzliche Funktionen implemetiert sind,
wie: Registrierung, Authentisierung, Location Updating, Handover, Callrouting zu
einem roaming Teilnehmer. Jedem MSC untersteht eindeutig ein Satz von BTS´s und
BSC´s.
Zur Ein- bzw. Auskopplung des Nachrichtenverkehrs in und aus dem Festnetz gibt
es spezielle MSC´s, die GMSC-Gateway Mobile Switching Center heißen. Die
Verbindung zu anderen Mobilnetzen bzw. internationalen Verbindungen werden über
das ISC-International Switching Center des jeweiligen Landes geführt. Durch die
Funktionseinheit, die IWF-InterWorking Function, wird die Zusammenarbeit
zwischen einem Mobilnetz und den Festnetzen ermöglicht.
4.1.3.2 Location Register
Zur Teilnehmerregistrierung gibt es zwei Datenbanken, das HLR-Home Location
Register und das VLR-Visitor Location Register. Das HLR ist meistens zentral
vorhanden und es können darauf mehrere MSC´s zugreifen. Dagegen ist meistens pro
MSC auch ein VLR vorhanden.
4.1.3.2.1 HLR Home Location Register
Das HLR ist eine Datenbank für das Management eines jeden Mobilteilnehmers. Der
Zugriff erfolgt von jedem MSC aus über das MAP-Protokoll. Es registriert alle
permanenten Teilnehmerdaten sowie die relevanten temporären Daten aller
permanent im HLR registrierten Teilnehmer. Zu diesen Daten gehören:
IMSI – International Mobile Subscriber Identity:
...setzt sich zusammen aus:
MCC-MobileCountryCode,
MNC-MobileNetworkCode,
HLR-Nummer und
SN-SubscriberNumber
Beispiel: MCC MNC HLR SN
232 01 20 12345678
232 steht für Österreich
01 steht für das GSM-Netz
MSISDN – Mobile Subscriber ISDN Number:
...ist die Nummer des GSM-Teilnehmers: zB: (43) 664 20 12345
(43) = Landeskennzahl und steht hier für Österreich
664 = National Destination Code (NDC)
= bestimmt das HLR
12345 = individuelle Nummer
MSRN – Mobile Station Roaming Number:
...ist eine vom VLR der Mobile Station MS zugewiesene Nummer. Sie bleibt während
eines Gesprächs für jene Zeit aufrecht, die die MS im Wirkungsbereich dieses
VLR´s verbringt. Vom HLR wird sie zur Rückverfolgung von Gesprächen der MS
genutzt.
4.1.3.2.2 VLR Visitor Location Register
Das VLR speichert die Daten aller Mobilstationen, die sich im Bereich der zum
VLR zugehörigen MSC befinden. Da die Teilnehmer mit ihrer MS sich räumlich frei
bewegen können, wird ihr Aufenthaltsort in dem VLR vermerkt, das dem Bereich des
Aufenthaltsortes entspricht. Betritt eine MS eine neue LA-Location Area (Zelle),
so startet sie eine Registrierung im für sie zuständigen VLR (befindet sich im
zuständigen MSC). War die MS noch nicht in diesem VLR registriert, dann wird das
HLR darüber informiert, in welchem VLR die MS bzw. der Teilnehmer eingetragen
ist. Damit weiß das HLR indirekt über die Adresse des VLR in welcher Zelle sich
der Teilnehmer gerade befindet. Das ermöglicht dem GSM-Netz jederzeit bei einem
Gesprächsaufbau, seine Teilnehmer richtig zu adressieren bzw. anzufunken.
In Fremden Netzen bzw. Ländern wird der Teilnehmer nur dann im VLR registriert,
falls der Fremdnetzanbieter mit dem Heimatnetz ein Roaming-Abkommen
abgeschlossen hat.
4.1.4 OMSS Operation and Maintenance Subsystem
Das OMSS dient zur Steuerung und Wartung des GSM-Netzbetriebs und besteht aus
zwei Komponenten, dem OMC-Operation Maintenance Center und benutzerspezifischen
Datenbanken für Authentisierung (AUC) und Geräteregistratur (EIR).
4.1.4.1 OMC Operation and Maintenance
Das OMC dient dazu, die GSM-Basiskomponenten zu steuern und zu warten. Es muß
den kommerziellen Betrieb gewährleisten, d.h. es muß sich um die Abrechnungen
und die statistische Auswertungen kümmern, die notwendig sind, um eine hohe
Netzperformance zu erhalten. Die Betriebs- und Wartungsfunktionen sind durch ein
Konzept des TMN-Telecommunication Management Network standardisiert.
4.1.4.2 Authentisierung und Geräteregistratur
Im GSM-Netz sind noch zwei weitere Datenbanken definiert, deren Aufgabe
Sicherheitsaspekte, wie Benutzer- und Geräteidentität sind.
4.1.4.2.1 AUC Authentication Center
Das AUC entspricht einem Berechtigungszentrum, das die Zugangsdaten der
einzelnen Nutzer enthält, vor allem Kopien der persönlichen, geheimen
SIM-Schlüsseln, die für die codierte Übertragung der Nutzdaten und Zugang zum
Mobilfunknetz notwendig sind. Im AUC werden alle Informationen erzeugt und
gespeichert, die dem Schutz gegen Fremdzugriff dienen, da Mobilfunk prinzipiell
abhörbar ist. Als Gegenmaßnahmen kommen bei GSM zwei Verfahren zum Einsatz,
erstens die Authentisierung, die die Identität eines Teilnehmers sicherstellt,
und zweitens die Verschlüsselung der Daten.
Authentisierung
Authentisierung bedeutet, daß zwei Teilnehmer A und B sich überzeugen wollen,
daß sie auch wirklich A und B sind, da der Übertragungskanal (Luft) ein
unsicherer Informationskanal ist und beliebig abgehört oder verfälscht werden
könnte (das wäre problematisch zB. bei Bankgeschäften). Jetzt reicht es aber
nicht, daß Teilnehmer A einfach seine Teilnehmernummer an B übermittelt und B
sie mit seiner Kopie vergleicht, da ansonsten irgend jemand nur einmal die
Teilnehmernummer von A mitprotokollieren müßte und sich ab dann unbemerkt als
Teilnehmer A ausgeben könnte und somit auf dessen Kosten im weiteren Verlauf
telefonieren könnte. Daher wird bei GSM ein algorithmisches Verfahren
eingesetzt, bei dem niemals der „Schlüssel“ über die unsichere Schnittstelle
geschickt wird, sondern Informationen, mit denen man testen kann, ob die
Gegenstelle den Schlüssel besitzt.
Bei der Authentisierung generiert das AUC eine Zufallszahl, die es zur MS
sendet. Sowohl auf der SIM-Karte als auch im AUC ist ein teilnehmerspezifischer
Algorithmus gespeichert, den man sich als Funktion vorstellen kann, deren
Eigenschaft durch einen bestimmten Zahlenwert eingestellt werden kann - also als
eine parametrisierte Funktion. Genau dieser Zahlenwert wird als Zufallszahl vom
AUC gesendet, mit dem die Funktion in der SIM-Karte, aber auch im AUC,
parametrisiert wird. Die Funktion ist nun in der Lage einen Ergebniswert zu
berechnen. Da diese teilnehmerspezifische Funktion sowohl auf der SIM-Karte als
auch im AUC vorhanden und identisch ist, muß auch der Ergebniswert identisch
sein. Die MS sendet ihr berechnetes Ergebnis zurück zum AUC, das nun die beiden
Ergebnisse vergleichen kann. Sind beide Ergebnisse identisch, so ist der
Teilnehmer der MS authentisiert. Bei GSM heißt die oben angesprochene Funktion
A3 und die Zufallszahl RAND, die 128Bit groß ist. Der Authentisierungsprozeß
dauert weniger als 0,5 Sekunden.
Um das ganze Schema noch sicherer zu machen, arbeiten die MS und das MSC als
konkrete Kommunikationspartner nicht auf der Basis der IMSI-Nummer, sondern mit
der TMSI-Nummer (Temporary Mobile Subscriber Identity), die vom VLR generiert
wird und eine kurze Lebensdauer hat und zum Teil während eines Gesprächs
ausgewechselt werden kann.
Verschlüsselung
Hier kommt noch eine andere Funktion hinzu, die A8 genannt wird, und nach dem
selben Schema wie oben arbeitet. Wieder wird eine Zufallszahl der Funktion A8
zugewiesen, die sich als Ergebnis eine 64Bit-Zahl errechnet. Dieses Ergebnis
wird jedoch nicht über das Netz übertragen, sondern dient als sogenannter
„Ciphering Key“ Kc, also als Chiffrierungsschlüssel, für die anschließende
Verschlüsselung aller Gesprächsdaten mit dem A5-Algorithmus. Netzseitig werden
die Werte des Schlüssels Kc gleichzeitig mit den SRES-Daten im AUC berechnet.
Die Funktion A5 ist im Gegensatz zu den anderen Funktionen A3 und A8 für alle
GSM-Netze standardisiert ist.
Oft wird das AUC im HLR technisch realisiert. Sowohl SRES als auch RAND werden
vom AUC je Teilnehmer bereits vorausberechnet, im HLR gespeichert und auf
Anforderung an das aktuelle VLR gesendet.
4.1.4.2.2 EIR Equipment Identity Register
Das EIR ist ein Register, in dem alle herstellerabhängigen Seriennummern der
Endgeräte, die IMEI-Nummern (International Mobile Equipment Identity),
gespeichert sind. Dadurch kann jede MS auf veraltete und eventuell inkompatible
Software überprüft, fehlerhafte Geräte erkannt und gestohlene Geräte gesperrt
werden. Die IMEI sind im EIR in drei Klassen eingeteilt:
1. Die weiße Liste, in der alle Geräte registriert sind;
2. Die graue Liste, in der fehlerhafte oder zu überwachende Geräte registriert
sind;
3. Die schwarze Liste, in der alle gesperrten Geräte registriert sind und in
regelmäßigen Abständen von den Betreibern untereinander ausgetauscht werden.
4.2 Teilnehmerdaten im GSM-Netz
Im GSM-Netz gibt es neben den Adressen, die jeden Teilnehmer identifizieren,
authentisieren und lokalisieren, auch noch dienstspezifische Daten, die dazu
dienen, Zusatzdienste festzulegen und zu personalisieren. In Teilnehmerverträgen
können unterschiedliche Leistungsumfänge definiert sein, die meistens in
verschiedene Preisklassen angeboten werden, wie zB. „Classictarif“,
„Freizeittarif“, „Businesstarif“ usw. In Bild 19 sind die wichtigsten Nummern
und deren Speicherorte zusammengestellt.
Bild 19 Nummernverteilung
Im SIM, HLR und VLR sind die teilnehmerspezifischen Daten abgelegt, zu denen die
IMSI, MSISDN, TMSI und MSRN (bereits in Kapitel 4.1.3.2.1 HLR vorgestellt)
gehören und zur Adressierung , Lokalisierung und Identifizierung der Teilnehmer
dienen. TMSI und MSRN gehören zu den temporären Nummern, die sich je nach
Aufenthaltsort des Teilnehmers ändern. Im Gegensatz dazu bleiben die IMSI und
MSISDN dem Teilnehmer permanent zugewiesen. Die Nummern IMEI, BSIC und CI werden
zur Identifizierung der Netzelemente verwendet. Die Funktion der einzelnen
Nummern wird bei den zugehörigen Speicherorten näher beschrieben.
4.3 Konfiguration und Schnittstellen im GSM-Netz
4.3.1 Leitungen und Signalisierung
Da es sich bei GSM um ein mobiles Netz, ein PLMN (Public Land Mobile Network),
handelt, kommen hier auch unterschiedliche Leitungen und Signalisierungssysteme
zum Einsatz. Im SMSS (Switching Mobile Sub System) werden Festverbindungen, wie
Richtfunkstrecken oder Standleitungen, verwendet, die eine Übertragungsrate von
2Mbit/s gewährleisten. Für die Signalisierung wird innerhalb des SMSS sowie
zwischen PLMN das Signalisierungssystem CSS7 verwendet (wie auch in der
Festnetztechnik). Im BSS (Base Station Subsystem) wird mit einer
Übertragungsrate von 64kbit/s gearbeitet. Innerhalb des BSS und der
Luftschnittstelle kommt keine CSS7-Signalisierung mehr zum Einsatz sondern eine
mobilnetzspezifische.
Um den mobilen Anforderungen gerecht zu werden, wurden das MSC, HLR und VLR mit
dem MAP (Mobile Application Part) für eine mobilspezifische Signalisierung
erweitert. Die Signalisierung zwischen MSC und BSS wird durch den BSSAP (Base
Station System Application Part) realisiert.
Bild 20 stellt in einem GSM-Mobilnetz schematisch den Signalisierungs- und
Nutzdatentransport dar.
Bild 20 Leitung und Signalisierung
4.3.2 Konfiguration eines GSM-Netzes
Ein GSM-Netzbetreiber hat bei der Konfiguration seines PLMN-Netzes einige
Freiheiten, um den Betrieb individuell an seine Bedürfnisse anzupassen. In der
einfachsten Konfiguration besitzt das Mobilnetz ein zentrales HLR und ein
zentrales VLR. Alle Datenbankfunktionen und Handovervorgänge zwischen den
einzelnen MSC werden über das CSS7-Netz mit Hilfe des MAP gehandelt. Um das zu
bewerkstelligen, ist jedes MSC sowie jedes Register ( HLR und VLR ) über eine
SP-Adresse (SP-Signalling Point) mit dem CSS7-Netz verknüpft. Bild 21 zeigt eine
solche Basiskonfiguration.
Signalling Point
Bild 21 GSM-Netzkonfiguration zentral
Diese Basiskonfiguration ist jedoch nur bei sehr kleinen Netzen sinnvoll. Bei
jedem Zellenwechsel muß der Aufenthaltsort im VLR aktualisiert werden. Im Falle
mehrerer MSC´s, und somit großem Mobilnetz, kommt es zu einem starken
Nachrichtenverkehr zwischen dem zentralen VLR und den einzelnen MSC´s.
Bei großen Netzen mit mehreren MSC´s ist es daher vernünftig, jedem einzelnen
MSC ein eigenes VLR anzugliedern, d.h. MSC und VLR physikalisch zusammen zu
realisieren. Oft wird das VLR im Speicher des MSC realisiert. Wie Bild 22 zeigt,
muß der Nachrichtenverkehr zwischen MSC und VLR jetzt nicht mehr über das
CSS7-Netz geführt werden.
Signalling Point
Bild 22 GSM-Netzkonfiguration dezentral
Die Anzahl der HLR richtet sich nach der Größe der Teilnehmerzahl des GSM-Netzes
und kann individuell den Bedürfnissen angepaßt werden. Existieren in einem PLMN
mehrere HLR, so muß der Netzbetreiber eine Zuordnung zwischen MSISDN und HLR
festlegen., damit beim Routing eines Verbindungsaufbaus das richtige HLR
aufgesucht wird, aus dem dann die MSRN und somit auch der Aufenthaltsort der
gewünschten MS entnommen wird. Daher wird oft bereits in dem SN-Teil der
MSISDN-Nummer das zuständige HLR referenziert.
Im Extremfall können die HLR mit den VLR in einer physikalischen Einheit
zusammen mit dem MSC realisiert werden. Damit würde das MSC alle
Rufbearbeitungsfunktionen für die MS übernehmen und eine MSRN müßte nicht mehr
vergeben werden (siehe Routing).
4.3.3 Schnittstellen bei GSM
Bild 23 zeigt schematisch, welche Schnittstellen zwischen den einzelnen
GSM-Komponenten für die Übertragung von Daten definiert sind und zum Einsatz
kommen. Es existieren: Um-Schnittstelle, Abis-Schnittstelle, A-Schnittstelle,
B-Schnittstelle, C-Schnittstelle, D-Schnittstelle, E-Schnittstelle,
F-Schnittstelle und G-Schnittstelle.
Bild 23 GSM-Schnittstellen
5. Kodierung
Es wurde bereits erwähnt, daß die Luftschnittstelle alles andere als ein gutes
Übertragungsmedium ist. Einerseits ist die Bandbreite bei GSM eingeschränkt,
andererseits kommt es bei der Datenübertragung per Funk zu zahlreichen negativen
Einflüssen auf das Datensignal. Daher ist es einerseits notwendig, die Nutzdaten
von Redundanz (also die irrelevanten Sprachanteile werden ausgefiltert) zu
befreien, und andererseits, dem so reduzierten Signal Zusatzinformationen zu
geben, damit der Empfänger die Nachricht möglichst störungsfrei empfangen bzw.
von Fehlern befreien kann. Im ersteren Fall spricht man von Datenkompression
(bzw. beim Empfänger von Datendekompression) und im zweiten Fall von
Kanalkodierung.
5.1 Datenkompression
5.1.1 Discontinous Transmission
Da man im Normalfall den anderen und sprechenden Teilnehmer ausreden läßt, wird
ca. 50% der Duplex-Bandbreite einer Verbindung nicht für die Kommunikation
ausgenutzt. Eine sehr komplizierte Sprechpausenerkennung VAD (Voice Acitivity
Detection) versucht, Sprechpausen zu erkennen und die Datenübertragung für
diesen Zeitraum abzuschalten. Diesen Vorgang nennt man DTX-Discontinous
Transmission. Wird die Datenübertragung nun abgeschalten, so empfindet der
Mobilteilnehmer diese „Nullsignal“-Ruhepause als eher unangenehm. Deswegen wird
auf der Empfangsseite ein Hintergrundrauschen simuliert, das man als CN-Comfort
Noise bezeichnet.
Durch das Erkennen weiterer allgemeiner Sprechpausen kann man prinzipiell 60%
der Netzkapazität einsparen. Die VAD muß aber im Zweifelfall für eine
Datenübertragung entscheiden, wodurch sich ein reales Einsparungspotential von
35%-45% ergibt.
5.1.2 RPE/LTP-LPC Kodierung
Von der GSM-Gruppe wurde 1987 die Kombination von drei Kompressionsverfahren
gewählt. Dabei handelt es sich um die LPC-Technik (Linear Predictive Coding),
die LTP-Technik (Long Term Prediction) und die RPE-Technik (Regular Pulse
Excitation).
Bild 24 gibt einen Überblick wie die Datenübertragung eines GSM-Netzes
schematisch über die Luftschnittstelle durchgeführt wird.
Bild 24 Übertragungs-Schema
Die Auflösung der Abtastwerte beträgt in der Regel 8 Bit, manchmal aber auch 13
Bit. Bei 8 Bit ergibt sich ein Datenstrom von 64kbit/s.
Mit dem RPE/LTP-LPC-Verfahren wird dieser Datenstrom von 64kbit/s auf 13kbit/s
reduziert. Um diese Reduktion durchführen zu können, mußte zuerst einmal ein
Modell der Erzeugung menschlicher Sprache geschaffen werden. Bei der Zerlegung
der menschlichen Sprache entzieht eine Stufe dem zu codierenden Sprachsignal
einen quasi-periodischen Signalanteil, das für die Formung stimmhafter Anteile
(Vokale, Nasale) wichtig ist. Anschließend wird das Restsignal geeignet
übertragen.
Zuerst wird die Sprache in 20ms-Pakete zerlegt. Für jedes dieser Sprachpakete
werden nun aus einem umfangreichen Codebuch möglichst passende Anregungssignale,
Verstärkungs- und Filterparameter ausgewählt, die als Eingabe auf der
Empfängerseite das Originalsignal am besten synthetisieren können. Bild 25 zeigt
das Flußdiagramm eines solchen Kodierers.
Bild 25 Lineare Prädiktion
Die erste Stufe, die LPC-Stufe, bestimmt den optimalen Filterparametersatz,
wobei auch benachbarte Sprachblöcke (zwar nur begrenzt) miteinwirken. Die
Hauptaufgabe dieser Stufe leigt darin, daß die Grobstruktur des Signals
übertragen und damit das Amplitudenspektrum schon kräftig bereinigt wird.
Das nun an die LTP-Stufe übergebene Signal wird ähnlich gefiltert, wobei jetzt
aber vorallem die längerdauernde statistische Abhängigkeiten der menschlichen
Sprache berücksichtigt werden, wie Silben und Laute. Dadurch werden die in der
menschlichen Stimme auftretenden periodischen Signalanteile effektiv erfaßt. Die
so gewonnenen Parameter werden übertragen, vom vorherigen Signal abgezogen und
der RPE-Stufe übergeben.
Nachdem das Sprachsignal nun schon ziemlich mit den wesentlichen Anteilen
ausgefiltert ist, darf die RPE-Stufe nun eine verlustbehaftete Codierung des
Restsignals durchführen, indem sie subjektiv irrelevanter Sprachinformation
wegläßt. Die RPE-Stufe führt zunächst eine Tiefpaßfilterung durch und tastet das
Signal anschließend mit 1,3kHz neu ab. Genaugenommen zerlegt der Algorithmus das
Signal in 3 Teilsignalfolgen (etwa: 1,4,7,10 – 2,5,8,11 – 3,6,9,12) und
verwendet diejenige Folge als Restsignal, die am besten paßt.
Im nächsten Schritt wird das übriggebliebene Restsignal in einem sogenannten
Kurzzeit-Prädiktions-Filter auf statistische Abhängigkeiten benachbarter
Abtastwerte untersucht und wiederum optimierte Parametersätze berechnet.
Am Ausgang dieser drei Stufen, die in Bild 25 abgebildet sind, liegt ein
Datenfluß von 13kbit/s an.
Auch die Halbratenkanal-Technik verwendet ähnliche CELP-Komprimierungstechniken
(Code Excited Linear Prediction) aber bis zu viermal mehr Rechnerleistung, um
letztlich die benötigte Übertragungsbandbreite auf 6,5kbit/s zu halbieren. Da
hier nur noch halb so viele Bits übertragen werden, ist auch die
Fehleranfälligkeit größer. Der Ausfall einzelner Bits wiegt hier viel schwerer.
Die Informationen des Sprachblocks wird nur mehr auf vier statt acht Datenpakete
verteilt. Um diese Fehlerrate hier klein zu halten, ist auf der
Luftschnittstelle der Anteil der eingefügten Redundanzbits erheblich größer.
5.2 Kanalkodierung
Die Datenübertragung ist per Funk um einige Zehnerpotenzen fehleranfälliger als
die kabelgebundene, was einen erheblichen Aufwand zur Datensicherung gegen
Übertragungsfehler bei GSM-Systemen zur Folge hat. Dazu wird die durch
Kompression mühsam verringerte Übertragungsrate von 13kbit/s durch Hinzufügen
von Redundanz und Prüfsummenbits wieder auf 22,8kbit/s erhöht und ausgeklügelte
Übertragungstechniken eingesetzt (Bei Halbratenkanälen: von 5,6kbit/s auf
11,4kbit/s).
5.2.1 Redundanzerhöhung
Bei GSM werden die Daten in 20ms-Paketen übertragen. Bei einer Nutzdatenrate von
13kbit/s entspricht dies also 260Bit großen Datenpaketen (13000/1000*20). Diese
260 Bits werden nun sukzessive auf 456 Bits aufgestockt (22800/1000*20). (Bei
Halbratenübertragung werden (95+17) 112 Bit auf 20ms abgebildet: 5,6kbit/s
Übertragungsrate).
Zuerst werden die Daten entsprechend ihrer Wichtigkeit in drei Klassen
aufgeteilt. Dazu werden die 260 Bits in 50 sehr wichtige Klasse-1 Bits, in 132
wichtige Klasse-1 Bits und in 78 weniger wichtige Klasse-2 Bits eingeteilt.
Im nächsten Schritt wird für die 50 sehr wichtigen Bits eine 3 Bit große
CRC-Prüfsumme (Cyclic Redundancy Check) berechnet und diesen 50 Bits angehängt
(Generatorpolynom: G(x) = x3 + x + 1).
Anschließend wird den Klasse-1 und Klasse-1a Bits vier Tailbits „0000“
angehängt, um die wichtigeren Bits zu schützen.
Der vordere Bitblock mit den nun insgesamt 189 wichtigen Bits werden jetzt einem
Faltungskodierer (Bild 26) zugeführt, der den Datenumfang durch
Abtastverdoppelung am Ausgang des Kodierers verdoppelt, wie in Bild 26 deutlich
zu erkennen ist.
Bild 26 Faltungskodierer
Damit enthält das ursprünglich 260 Bits große Datenpaket nun bereits 456
Datenbits, was einer effektiven Übertragungsrate von 22,8kbit/s entspricht.
5.2.2 Übertragungsraffinessen
Übertragungsfehler treten meistens in Blöcken auf, und zwar sowohl zeitlich als
auch frequenzmäßig. Daher wird bei GSM eine Übertragungstechnik verwendet, bei
der die Daten über die Zeit und Frequenz verstreut werden, um die Auswirkung
dieser Blockfehler abzuschwächen bzw. durch die Redundanz wieder korrigieren zu
können.
5.2.2.1 Bit-Interleaving
Das Bit-Interleaving verteilt die 456 Bits eines Sprachpakets über acht
Datenpakete (8*57=456), um Fehler über die Zeit zu streuen. Dabei werden auch
ursprünglich benachbarte Bits möglichst weit über die acht Datenpakete verteilt,
um die Zerstörung benachbarter Bits zu reduzieren. Bei GSM-Datendiensten werden
die Bits sogar auf bis zu 19 Pakete verteilt, was bei den Sprachdiensten aus
Gründen der Echtzeitübertragung nicht möglich ist.
5.2.2.2 Frequnezy Hopping
Zusätzlich werden die Informationen auch noch im Frequenzspektrum gestreut, um
Datenverluste zu verhindern. Auf dieses Verfahren wird in Kapitel 6.2.4,
Optionales Frequenzsprungverfahren, noch näher eingegangen.
5.2.2.3 Interpolation
Sollte ein Abtastwert nach dem Empfang nicht mehr rekonstruierbar sein, so wird
er durch einen Nullwert ersetzt und durch anschließende Tiefpaßfilterung, die
prinzipiell einer Mittelwertbildung entspricht, wieder gewonnen. Diese
Rekonstruktion ist subjektiv kaum bemerkbar. Erst nach 320ms kontinuierlich
falscher Sprachrahmen wird der Ausgang komplett stumm geschalten.
5.2.2.4 Schätzung
Die moderne digitale Signalverarbeitung erlaubt in eingeschränktem Maß aus
vorherigen Datenpaketen eine Schätzung auf das aktuelle Paket durchzuführen.
Dabei kommen Algorithmen aus der angewandten Wahrscheinlichkeitsrechnung für
stochastische Prozesse.
(Urhebergesetz, Gesetz gegen unlauteren Wettbewerb, BGB.)