Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme: Von UMTS, GSM und GPRS zu Wireless LAN und Bluetooth Piconetzen

362 Pages·2004·10.993 MB·German

by  Martin Sauter (auth.)

"Dieses Buch bietet dem Leser praxis- und detailgerechtes
Wissen zu mobilen Kommunikationssystemen. Vom derzeiti
gen GSM und GPRS uber UMTS bis hin zu WLANs und Bluetooth
werden die technischen Konzepte, Standards und Protokolle
verstandlich dargestellt."
Prof. Dr. liirgen Scherff, FH Furtwangen
"Klar verstandliche und ubersichtliche Darstellung. Absolut
hilfreich in der Praxis."
Dipl. Ing. lorg Becker
"Der Leser profitiert von der langjahrigen Erfahrung des Au
tors. Ein systematischer und didaktisch ausgefeilter Oberblick
uber mobile Kommunikationssysteme mit vielen Beispielen
aus der alltaglichen Praxis. Ein leicht verstandliches, gut zu le
sendes Buch. Ich benutze es auch gerne als Nachschlage
werk."
Dipl.-Gwl.; Dipl.-lng.(FH) Christophe Schmid
Pascal Web-Propammle"..
von Doug Cooper und Michael Clancy von Oral Avcl, Ralph Trittmann und Werner Mellis
Orundkura Procrammleren mit Delphi Grundkura UN1X/Uaux
von Wolf-Gert Matthaus von Wilhelm Schaffrath
Orundkura VI.ual a..le Da. Unux-Tutorlal-Ihr We,
von Sabine Kamper zum LPl-Zertlflkat
VI.ual a..lc fiir technlache von Helmut Pils
Anwendunpn Grundkura Wlrtachaftalnformatlk
von Jurgen Radel von Dietmar Abts und Wilhelm MUlder
Grundkura Software-Entwlcklun, Orundkura Theoretlache Informatlk
mlte++ von Gottfried Vossen und Kurt-Ulrich Witt
von Dietrich May Aufbaukura Wlrtachaftalnformatlk
Grundkura JAVA von Dietmar Abts und Wilhelm MUlder
von Dietmar Abts Anwendunporlentlerte
Autbaukura JAVA Wlrtachaftalnformatlk
von Dietmar Abts von Paul Alpar, Heinz Lothar Grob, Peter
Grundkura Java-Technoloclen Weimann und Robert Winter
von Erwin Merker Grundkura
Grundkura AJcorithmen und Geachiftaprozea-Manapment
Dateutrukturen In JAVA von Andreas Gadatsch
von Andreas Solymosi und Ulrich Grude Grundkura SAP R/3®
Grundle. .n de Alprlthmen von Andre Maassen und Markus Schoenen
von Volker Heun Controilln, mit SAP Rl3-
ObJektorientierte von Gunther Friedl, Christian Hilz
Propammlerun,ln JAVA und Burkhard Pedell
von Otto Rauh Koatentrlprrechnunc mit SAP Rl3-
Grundkul'llinfonnatik von Franz Klenger und Ellen Falk-Kalms
von Hartmut Ernst Koatenatellenrechnunc mit SAP Rl3®
Da. PC WI_n fOr IT-Berute: von Franz Klenger und Ellen Falk-Kalms
Hardware, Betriebssysteme, Netzwerktechnik Grundkura IT-COntromn,
von Rainer Egewardt von Andreas Gadatsch und Elmar Mayer
Rechnerarchltektur Pro_modemerun, mit ARIS ®
von Paul Herrmann von Heinrich Seidlmeier
Orundkura Relatlonale Datenbanken ITIL kompakt und veratindllch
von Rene Steiner von Alfred Olbrich
Grundkura Datenbankentwurf Grundkura Betrlebawlrtachaftalehre
von Helmut Jarosch von Notger Carl, Rudolf Fiedler, William J6rasz
SQL mit Oracle und Manfred Kiesel
von Wolf-Michael Kahler Maaterkura Computergraflk
Datenbank-Enclneerln, und Blldverarbeltun,
von Alfred Moos von Alfred Nischwitz und Peter Haberacker
Netze - Protokolle - Spezlflkatlonen Grundkura Medlenpataltunc
von Alfred Olbrich von David Starmann
Grundkura Vertellte Systeme Grundkura
von Gunther Bengel Mobile Kommunlkatlonuyateme
Grundkura MySQL und PHP von Martin Sauter
von Martin Pollakowski
www.vieweg-it.de
Martin Sauter
Grundkurs
Mobile
Kommunikationssysteme
Von UMTS, GSM und GRPS zu
Wireless LAN und Bluetooth Piconetzen
Mit 173 Abbildungen
aI
vleweg
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uber <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk
berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne
von Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wiiren und daher von
jedermann benutzt werden durfen.
H6chste inhaltliche und technische Qualitiit unserer Produkte ist unser Ziel. Bei der Produktion und
Auslieferung unserer Bucher wollen wir die Umwelt schonen: Dieses Buch ist auf siiurefreiem und
chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt. Die EinschweiBfolie besteht aus Polyiithylen und damit aus
organischen Grundstoffen, die weder bei der Herstellung noch bei der Verbrennung Schadstoffe frei
setzen.
1. Auflage September 2004
Aile Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2004
Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media.
www.vieweg-it.de
Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschutzt. Jede
Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist
ohne Zustimmung des Verlags unzuliissig und strafbar. Das gilt insbesondere
fUr Vervielfiiltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeiche
rung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
ISBN 978-3-528-05886-9 ISBN 978-3-322-92908-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-92908-2
Vorwort
Mobile Kommunikationssysteme wie GSM, GPRS, UMTS, Wire
less LAN und Bluetooth bieten heute eine groBe Vielfalt von
Anwendungsmoglichkeiten. Urn einen Einblick in die Technik
dieser Systeme zu gewinnen, gibt es eine groBe Anzahl von Pu
blikationen. In Buchform sind diese jedoch meist sehr umfang
reich und fUr eine EinfUhrung oft zu komplex. Publikationen im
Internet hingegen sind meist nur sehr kurz und obetflachlich
oder beschaftigen sich nur mit einer speziellen Eigenschaft eines
Systems. Aus diesem Grund konnte ich wahrend meiner Vorle
sungen zu diesem Thema keine einzelne Publikation empfehlen,
die eine EinfUhrung in diese Systeme mit der notigen Detailtiefe
geboten hatte. Mit dem vorliegenden Buch mochte ich dies an
dern.
Jedes der fUnf Kapitel gibt eine detaillierte Einflihrung und
Oberblick liber jeweils eines der zu Anfang genannten Systeme.
Besonders wichtig ist mir auch, einen Eindruck zu vermitteln,
welche Gedanken hinter der Entwicklung der unterschiedlichen
Systeme standen. Neben dem "Wie" ist also auch das "Warum"
zentraler Bestandteil jedes Kapitels. AuBerdem wird durch zahl
reiche Vergleiche zwischen den unterschiedlichen Technologien
deutlich, wo die Anwendungsgebiete der einzelnen Systeme
liegen. In manchen Fallen konkurrieren die Systeme miteinander,
in vielen Fallen jedoch ergibt erst eine Kombination mehrerer
Systeme eine interessante Anwendung. Abgerundet wird jedes
Kapitel durch einen Fragen- und Aufgabenkatalog zur Lernziel
kontrolle und Wiederholung.
Urn einen tieferen Einblick in das eine oder andere System zu
gewinnen, sind in den Kapiteln zahlreiche Verweise auf die ent
sprechenden Standards zu finden. Sie bilden eine ideale Ergan
zung fUr einen tieferen Einblick in die einzelnen Systeme und
sollten mit Hilfe der Hintergrundinformationen in diesem Buch
auch etwas einfacher zu interpretieren sein.
Den Entschluss, mein Wissen zu diesen Themen als Buch zu
veroffentlichen, fasste ich nach vie len theoretischen Gedanken
spiel en ganz spontan in einer Pariser Buchhandlung. Dort stieB
ich zufallig auf ein Buch mit einem ganz anderen Themen
schwerpunkt, mit dessen Autor ich jedoch den Umstand gemein
sam habe, dass wir fUr die gleiche Firma arbeiten. Ich nahm
v
Kontaln mit ibm auf, und er schilderte mir wahrend eines ausge
dehnten Mittagessens, wie man von der ersten Idee zu einem
fertigen Buch kommt. An dieser Stelle mochte ich mich deshalb
sehr herzlich bei Pierre Lescuyer bedanken, dessen Tipps mir
beim Start meines eigenen Buchprojekts sehr weitergeholfen
haben.
AuBerdem gebuhrt mein groBer Dank auch Berenike, die mir mit
Ihrer Liebe und Freundschaft wahrend dieses Projekts immer
inspirierend zur Seite stand.
Weiterhin gebuhrt mein Dank auch Thomas Kempf, Christophe
Schmid, Markus Rosch, Thomas Ehrle und ganz besonders Jorg
Becker. Mit ihrem Wissen und groBen Einsatz ihrer privaten Zeit
haben sie mich vor einigen Fehlern bewahrt und in zahlreichen
Gesprachen wichtige Anregungen und Verbesserungsvorschlage
gegeben.
Nicht zuletzt gilt mein Dank auch Dr. Reinald Klockenbusch, der
dieses Buchprojekt von Anfang an begleitet hat und an der Aus
rich tung des Buches maBgeblich beteiligt war.
Paris, im Juni 2004 Martin Sauter
VI
Inhaltsverzelchnls
1 CJr~]v.[ ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1
1.1 Leitungsvenruttelnde Datenubertragung .................................................... 1
1.2 Standards .................................................................................................... 3
1.3 Dbertragungsgeschwindigkeiten ................................................................ 4
1.4 Das Signalisierungssystem Nr. 7 ................................................................. 6
1.4.1 Allgemeiner SS-7 Protokoll Stack ....................................................... 7
1.4.2 Spezielle SS-7 Protokolle fUr GSM .................................................... 10
1.5 Die GSM Subsysteme ............................................................................... 12
1.6 Das Network Subsystem ........................................................................... 12
1.6.1 Die Mobile Venruttlungsstelle (MSC) ............................................... 12
1.6.2 Das Visitor Location Register (VLR) .................................................. 16
1.6.3 Das Home Location Register (HLR) .................................................. 17
1.6.4 Das Authentication Center (Ae) ....................................................... 23
1.6.5 Das Short Message Service Center (SMSC) ....................................... 26
1.7 Das Base Station Subsystem (BSS) ........................................................... 28
1.7.1 Frequenzbereiche .............................................................................. 28
1.7.2 Base Transceiver Station (BTS) ......................................................... 31
1.7.3 Die GSM Luftschnittstelle .................................................................. 33
1.7.4 Der Base Station Controller (BSC) ................................................... .43
1.7.5 Die TRAU fUr Sprachdatenubertragung ........................................... .49
1.8 Mobility Management und Call Control... ................................................ 62
1.8.1 Location Area und Location Area Update ........................................ 62
1.8.2 Mobile Tenrunated Call .................................................................... 64
1.8.3 Handoverszenarien ........................................................................... 68
1.9 Die Mobile Station .................................................................................... 71
VII
1.10 Die SIM Karte ........................................................................................... 75
1.11 Das Intelligent Network Subsystem und CAMEL ................................... 82
1.12 Fragen und Aufgaben ........................................................................... 86
2 GPRS ......................................................................... 87
2.1 Leitungsvermittelte Datenubertragung ..................................................... 87
2.1.2 Paketorientierte Datenubertragung .................................................. 88
2.1.3 GPRS und das IP Protokoll ............................................................... 92
2.1.4 GPRS im Vergleich zur Datenubertragung im Festnetz ................... 92
2.2 GPRS auf der Luftschnittstelle .................................................................. 93
2.2.1 GPRS Timslot Nutzung im Vergleich zu GSM .................................. 93
2.2.2 Gleichzeitige Nutzung einer Basisstation von GSM und GPRS ....... 96
2.2.3 Coding Schemes ................................................................................ 97
2.2.4 Mobile Station Classes ....................................................................... 99
2.2.5 Network Operation Mode (NOM) .................................................. 101
2.2.6 GPRS Kanalstruktur auf der Luftschnittstelle .................................. 103
2.3 GPRS Zustandsmodell ............................................................................ 106
2.4 GPRS Netzwerkelemente ........................................................................ 110
2.4.1 Die Packet Control Unit (PCU) ....................................................... 111
2.4.2 Der Serving GPRS Support Node (SGSN) ...................................... 113
2.4.3 Der Gateway GPRS Support Node (GGSN) ................................... 116
2.5 GPRS Radio Resource Management ....................................................... 116
2.6 GPRS Schnittstellen und Protokolle ....................................................... 120
2.7 GPRS Mobilityund Session Management (GMM/SM) ........................... 126
2.7.1 Mobility Management Aufgaben ..................................................... 127
2.7.2 GPRS Session Management ............................................................ 130
2.8 Session Management aus Anwendersicht .............................................. 134
2.8.1 Leitungsvermittelter Verbindungsaufbau ........................................ 134
2.8.2 GPRS Verbindungsaufbau ............................................................... 136
2.9 Der Multimedia Messaging Service (MMS) uber GPRS .......................... 139
2.10 Fragen und Aufgaben ............................................................................. 146
VIII
3 UMTS ...................................................................... 147
3.1 Uberblick, Historie und Zukunft... ......................................................... 147
3.1.1 Release 99: Neues Radionetzwerk .................................................. 149
3.1.2 Release 4, 5 und 6: Weiterentwicklung .......................................... 152
3.2 Wichtige neue Konzepte in UMTS ......................................................... 156
3.2.1 Der Radio Access Bearer (RAB) ..................................................... 156
3.2.2 Aufteilung in Access Stratum und Non-Access Stratum ................. 157
3.2.3 Gemeinsames Ubertragungsprotokoll fUr CS und PS .................... 158
3.3 Code Division Multiple Access (CDMA) ................................................ 159
3.3.1 Spreizfaktor, Chiprate und Prozessgewinn .................................... 165
3.3.2 Der OVSF Codebaum ..................................................................... 166
3.3.3 Scrambling in Uplink- und Downlink Richtung ............................ 168
3.3.4 Frequenz- und Zellplanung in UMTS ............................................. 170
3.3.5 Near-Far Effekt und Zellatmung ..................................................... 171
3.3.6 Vorteile des UMTS Radionetzwerkes gegenuber GSM .................. 174
3.4 UMTS Kanalstruktur auf der Luftschnittstelle ........................................ 176
3.4.1 User Plane und Control Plane ........................................................ 176
3.4.2 Common und Dedicated Kanale .................................................... 177
3.4.3 Logische, Transport- und Physikalische Kanale ............................. 178
3.4.4 Beispiel: Netzwerksuche ................................................................. 184
3.4.5 Beispiel: Der erste Netzwerkzugriff ................................................ 187
3.4.6 Der Uu Protokoll Stack ................................................................... 189
3.5 Das UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) ........................ 196
3.5.1 Node-B, Iub Interface, NBAP und FP ............................................ 196
3.5.2 Der RNC, Iu, 1ub und 1ur Schnittstelle, RANAP und RNSAP ......... 198
3.5.3 Adaptive Multi Rate (AMR) fUr SprachUbertragung ....................... 206
3.5.4 Radio Resource Control (RRC) Zustande ....................................... 207
3.6 Mobility Management aus Sicht des Kernnetzes ................................... 214
3.7 Mobility Management aus Sicht des Radionetzwerkes .......................... 216
3.7.1 Mobility Management im Cell-DCH Zustand ................................. 217
IX
3.7.2 Mobility Management im Idle Zustand .......................................... 228
3.7.3 Mobility Management in anderen Zustanden ................................ 229
3.8 UMTS CS und PS Vetbindungsaufbau ................................................... 232
3.9 Fragen und Aufgaben ............................................................................. 236
4 Wireless LAN IEEE 802.11 .................................... 237
4.1 Wireless LAN Ubetblick ......................................................................... 237
4.2 Geschwindigkeiten und Standards ........................................................ 238
4.3 WLAN Konfigurationen: Von Ad-hoc bis Wireless Bridging ................. 240
4.3.1 Ad-hoc, BSS, ESS und Wireless Bridging ....................................... 240
4.3.2 ssm und Frequenzwahl ................................................................. 245
4.4 Management Operationen ...................................................................... 247
4.5 Die MAC Schicht. .................................................................................... 255
4.5.1 Zugriffssteuerung auf das Ubertragungsmedium ........................... 255
4.5.2 Der MAC Header ............................................................................. 259
4.6 Physical Layer ......................................................................................... 261
4.6.1 IEEE 802.11b mit bis zu 11 MBit/s ................................................. 261
4.6.2 IEEE 802.11g mit bis zu 54 MBit/s ................................................. 265
4.6.3 IEEE 802.11a mit bis zu 54 MBitls .................................................. 267
4.7 Wireless LAN Sicherheit ......................................................................... 268
4.7.1 Wired Equivalent Privacy (WEP) .................................................... 268
4.7.2 Wireless Protected Access (WPA) und 802.1x ............................... 270
4.8 Vergleich zwischen Wireless LAN und UMTS ....................................... 272
4.9 Fragen und Aufgaben ............................................................................. 277
5 Bluetooth ............................................................... 279
5.1 Uberblick und Anwendungen ................................................................ 279
5.2 Physikalische Eigenschaften ................................................................... 282
5.3 Piconetze und das Master Slave Konzept.. ............................................ 286
5.4 Dec Bluetooth Protokoll Stack ............................................................... 288
x