Mobilfunknetze und ihre Protokolle 1: Grundlagen, GSM, UMTS und andere zellulare Mobilfunknetze

570 Pages·2001·18.53 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Bernhard Walke (auth.)

Bernhard Walke
Mobilfunknetze und ihre Protokolle 1
Informationstechnik
Herausgegeben von
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Norbert Fliege, Mannheim
Prof. Dr.-Ing. Martin Bossert, Ulm
In der Informationstechnik wurden in den letzten Jahrzehnten klassische Bereiche wie ana
loge Nachrichtenübertragung, lineare Systeme und analoge Signalverarbeitung durch digi
tale Konzepte ersetzt bzw. ergänzt. Zu dieser Entwicklung haben insbesondere die Fort
schritte in der Mikroelektronik und die damit steigende Leistungsfähigkeit integrierter
Halbleiterschaltungen beigetragen. Digitale Kommunikationssysteme, digitale Signalverar
beitung und die Digitalisierung von Sprache und Bildern erobern eine Vielzahl von Anwen
dungsbereichen. Die heutige Informationstechnik ist durch hoch komplexe digitale Realisie
rungen gekennzeichnet, bei denen neben Informationstheorie Algorithmen und Protokolle
im Mittelpunkt stehen. Ein Musterbeispiel hierfür ist der digitale Mobilfunk, bei dem die
ganze Breite der Informationstechnik gefragt ist.
In der Buchreihe "Informationstechnik" soll der internationale Standard der Methoden und
Prinzipien der modernen Informationstechnik festgehalten und einer breiten Schicht von In
genieuren, Informatikern, Physikern und Mathematikern in Hochschule und Industrie zu
gänglich gemacht werden. Die Buchreihe soll grundlegende und aktuelle Themen der Infor
mationstechnik behandeln und neue Ergebnisse auf diesem Gebiet reflektieren, um damit
als Basis für zukünftige Entwicklungen zu dienen.
Bernhard Walke
Mobilfunknetze und
ihre Protokolle 1
Grundlagen, GSM, UMTS und andere
zellulare Mobilfunknetze
3. Auflage
Mit 226 Abbildungen und 84 Tabellen
Im
Teubner
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei
Der Deutschen Bibliothek erhältlich.
Prof. Dr.-Ing. Bernhard Walke ist Inhaber des Lehrstuhls für Kommunikationsnetze an der Rheinisch
Westfälischen Technischen Hochschule Aachen.
3. Auflage August 2001
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden, 2001
Ursprünglich erschienen bei B. G. Teubner GmbH, StuttgartiLeipzig/Wiesbaden 2001
Softcover reprint of the hardcover 3rd edition 2001
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jedermann benutzt werden dürften.
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Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
ISBN 978-3-663-05909-7 ISBN 978-3-663-05908-0 (eBook)
DOI 10.1 007/978-3-663-05908-0
Für Antonie, Thomas und Christoph
Vorwort
Zellulare Mobilfunknetze für öffentliche und private Benutzer waren in Europa bis
Ende der 80er Jahre firmenspezifische Lösungen und nicht für den Massenmarkt
gedacht. Deshalb beschränkte sich das Interesse der breiteren technisch-wissen
schaftlichen Fachwelt auf die Kenntnisnahme der Systeme und ihrer Konzepte,
ohne sich mit den Details abzugeben.
Seit der Entwicklung europäischer Standards für digital übertragende Systeme ab
Ende der 80er Jahre hat sich mit deren Einführung ab 1990 der Mobilfunk zu ei
nem Massenmarkt entwickelt. Digitaler Mobilfunk ist von einem Zusatzgeschäft zu
einem der wesentlichen Umsatzträger mancher großer Telekommunikationsfirmen
geworden, die dabei zu weltweiter Marktführerschaft aufgestiegen sind. Entspre
chend hat das Interesse der technisch-wissenschaftlichen Fachwelt zugenommen.
Dieser Erfolg beruht auf den großen Fortschritten der Informationstechnik, die
einerseits durch die Mikrominiaturisierung von Schaltkreisen und Komponenten
und die dramatische Steigerung der Integrationsdichte von Halbleiterbauelementen
auf Chips für die Entwicklung handportabler Mobilfunkgeräte (Handy) sichtbar
sind: Das Handy besteht im wesentlichen aus einem sehr leistungsstarken Signal
prozessor, auf dem alle für Empfang und Senden erforderlichen Algorithmen der
Übertragungstechnik und elektrischen Signalverarbeitung als Programme imple
mentiert sind.
Andererseits werden die Fortschritte der Informationstechnik auch sichtbar anhand
der Entwicklung dieser Algorithmen für die Signal-(De)Modulation, die Synchro
nisation der beteiligten Einrichtungen, die Kanalcodierung und Kanalentzerrung,
d. h. die Empfangertechnik, die einen zuverlässigen Empfang von Signalen mit
wenigen Millionstel Volt Amplitude über den Funkkanal, den man als systema
tischen Wackelkontakt beschreiben kann, trotz hoher Bewegungsgeschwindigkeit
des Empfangers ermöglicht.
Ein ebenso wichtiger Beitrag der Informationstechnik ist die Entwicklung der Dien
ste und Protokolle für die Organisation und den Betrieb des zugehörigen Kom
munikationsnetzes, das neben der Entwicklung der Multiplexfunktionen zur quasi
gleichzeitigen Kommunikation vieler Mobilterminals über die Funkschnittstelle des
Mobilfunksystems ein Telekommunikationsnetz umfaßt, das Funktionen des intel-
VIII Vorwort
ligenten Netzes zur Mobilitätsverwaltung und kryptographische Verfahren für Da
tenschutz und Datensicherheit beinhaltet, wie sie vorher weltweit noch in keinem
Netz verfügbar waren.
Man denkt dabei an das weltweit erfolgreiche GSM (Global System for Mobile
Communications, ein ETSI-Standard) und vergißt, daß neben diesem Zellularsy
stem noch viele andere Konzepte für neue digitale Mobilfunksysteme bestehen,
die den Erfolg des GSM zu wiederholen suchen und auf z. T. andere Anwendun
gen als schmalbandige Sprachkommunikation zielen, z. B. mobiler Internet-Zugang
und Multimediakommunikation, die durch das ab 2002 eingeführte Mobilfunknetz
der 3. Generation UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) zusätzlich
zu Sprachkommunikation unterstützt werden. Daneben sind Systeme für Funkruf,
Bündelfunk, Schnurloskommunikation, drahtlose Schmal- und Breitbandkommu
nikation und satellitengestützte persönliche Mobilkommunikation zu nennen, die
in Band 2 dieses Buches ausführlich 'lOrgestellt werden.
Meine Forschungsgruppe hat sich seit 1983 auf die Entwicklung von Diensten und
Protokollen für private und öffentliche Mobilfunksysteme spezialisiert und dafür
einen umfangreichen Satz von Werkzeugen zur Software-Erstellung, Modellierung
und stochastischen Simulation von Mobilfunksystemen entwickelt. Diese Werkzeu
ge haben ermöglicht, die in diesem Buch beschriebenen in Europa in Diskussion
oder in Einführung befindlichen Mobilfunksysteme bitgenau in großen Programm
paketen verfügbar zu haben, um die Systeme in ihrer natürlichen Umgebung mit
der zugehörigen Funkversorgung, Mobilität und dem typischen Verkehrsaufkom
men der Terminals untersuchen zu können und eigene Verbesserungsvorschläge von
Diensten und Protokollen einfügen und erproben zu können. Die entsprechenden
Vorschläge und zugehörigen Ergebnisse unserer Arbeit sind wiederholt erfolgreich
in die Standardisierung eingeflossen.
Hinter diesen Werkzeugen steckt das Arbeitsergebnis einer Gruppe von im Durch
schnitt 30 wissenschaftlichen Mitarbeitern und von ca. 60 Diplomarbeiten pro
Jahr, ohne die das Aufarbeiten der vielen Details so vieler Systeme nicht möglich
gewesen wäre. Die zugehörigen Arbeiten beschränken sich nicht auf die Implemen
tierung von Protokollen der jeweiligen Systeme, sondern reichen von der Entwick
lung von Funkplanungswerkzeugen auf der Basis empirischer und von Strahlver
folgungstechniken für gegebene Szenarien, über die Markovketten-basierte Model
lierung des Funkkanals, exemplarische Untersuchungen über die Modellierung der
Empfänger, Untersuchungen zur Wirksamkeit adaptiver Kanalcodierungsverfah
ren, prototypische Implementierung von Entzerrern, Entwicklung von Modellen
für die Bitfehlercharakteristik der jeweiligen Systeme, Entwicklung von Verfahren
zur dynamischen Kanalvergabe in flächigen Systemen und zur dezentralen Organi
sation von Systemen mit drahtlosen Basisstationen usw. bis zur Entwicklung von
Mehrwertdiensten. Diese flankierenden Arbeiten erwiesen sich als notwendig, um
Vorwort IX
den schwierigen Prozeß der Modellierung realer Systeme ausreichend realistisch zu
gestalten. Ohne die tatsächliche Realisierung der Dienste und Protokolle in reali
stischen Modellen zur Systemsimulation wäre die hier gewählte Darstellungstiefe
der entsprechenden Systeme nicht möglich gewesen.
Die Darstellungen und Abbildungen beruhen auf den Arbeitsergebnissen sehr vie
ler beteiligter Studenten, die hier nicht namentlich genannt werden können - ich
kann ihnen hier nur pauschal für ihre Begeisterung und Gründlichkeit bei der Mit
arbeit danken. Ihre Beiträge sind in die Modellierung und Bewertung der einzelnen
Systeme und ihrer Modifikationen eingeflossen und haben mir und meinen Mitar
beitern geholfen, die Eigenschaften der betrachteten Systeme besser zu verstehen.
Die einzelnen Kapitel sind in enger Zusammenarbeit mit für die jeweiligen System
modelle verantwortlichen wissenschaftlichen Mitarbeitern entstanden, die jeweils
namentlich genannt werden. Sie repräsentieren Forschungs- und Entwicklungser
gebnisse und z. T. auch Textbeiträge, wie sie in die endgültige oder frühere Versio
nen des als Vorlesungsmanuskript über acht Vorlesungszyklen weiterentwickelten
Manuskriptes eingeflossen sind. Ich möchte diesen Beteiligten hier für ihre gründ
liche Aufarbeitung der betreffenden Themen, die Mitwirkung bei der Betreuung
der vielen zugehörigen Diplomarbeiten und die hervorragende Arbeitsatmosphäre
ganz herzlich danken. Besonders erwähnen möchte ich Pete r Decker und Christian
Wietfeld, die in frühen Jahren Grundlagen für das Vorlesungsskript beigetragen
bzw. später durch Integrieren vorhandener Textbausteine den Kristallisationskeim
für den Band 1 des Buches gelegt haben. Beiträge zu einzelnen Abschnitten von
Band 1 haben folgende Mitarbeiter geleistet:
• Marc Pete r Althoff (5) • Dieter Plassmann (5),
• Götz Brasche (3.11), • Markus Scheibenbogen (3.6),
• Pete r Decker (3), • Pete r Seidenberg (5),
• Martin Junius (3.6), • Martin Steppler (2.9),
• Arndt Kadelka (5), • Peter Stuckmann (3.11, 3.17)
• Matthias Lott (5), • Christian Wietfeld (3).
• Dietmar Pet ras (2.9),
Mein besonderer Dank gilt Dirk Kuypers, dem ich das einheitliche Layout von
Text, Tabellen und Bildern sowie das Stichwortverzeichnis verdanke.
Herrn Dr. Schlembach vom B. G. Teubner Verlag danke ich herzlich für die Moti
vation, dieses Buch zu schreiben und die gute Zusammenarbeit bei der Erstellung
des Skriptes.
Aachen, im Januar 1998 Bernhard Walke
x
Vorwort zur zweiten Auflage
Vorwort zur zweiten Auflage
Die erfreuliche Nachfrage hat im Sommer 1999 zu Überlegungen zur Gestaltung der
nächsten Auflage Anlaß gegeben. Dabei wurde die Chance gesehen, die Beschrei
bung weiterer inzwischen an Bedeutung zugenommener Systeme aufzunehmen und
eine Aktualisierung der Beschreibung der schon in der ersten Auflage vertrete
nen Systeme vorzunehmen. Aufgrund der großen Akzeptanz des GSM wurde es
planungsgemäß weiterentwickelt und steht mach der Einführung des Dienstes für
hochratige kanalvermittelte Datenübertragung HSCSD (High Speed Circuit Swit
ched Data) in 1999 nun vor der Einführung des Paketdatendienstes GPRS (Gene
ral Packet Radio Service), dessen Bedeutung für den mobilen Internet-Zugang so
hoch eingeschätzt wird, daß manche Netzbetreiber bzw. Dienstanbieter von einem
neuen (dem GPRS-) Mobilfunknetz sprechen. Darüberhinaus ist die Fähigkeit des
GSM zur Datenübertragung für Multimediaanwendungen durch die Standardisie
rung der EDGE-Funkschnittstelle (Enhanced Data Service For GSM Evolution)
soweit gesteigert worden, daß ein erfolgreicher Wettbewerb in Europa mit Mobil
funksystemen der 3. Generation erwartet werden kann. Dementsprechend sind die
Kapitel über GPRS und EDGE erheblich aktualisiert und erweitert worden.
Von den Mobilfunksystemen der 3. Generation wird in Europa vor allem das UMTS
Bedeutung erlangen, insbesondere weil dafür durch die Regulierungsbehörden er
hebliche neue Bänder im Spektrum vorgesehen worden sind. Da die Standardi
sierung von UMTS Phase 1 in Harmonisierung mit den weltweiten Projekten zur
Standardisierung von Mobilfunksystemen der 3. Generation (3GPP) im Spätherbst
1999 abgeschlossen worden ist, kommt der Zeitpunkt dieser 2. Auflage gerade recht,
um die beiden Funkschnittstellen von UMTS endgültig zu beschreiben. Dadurch
hat sich der Umfang von Band 1 erheblich erhöht.
Der absehbare Erfolg des Internet und der Wunsch nach Entwicklung und Ein
führung von Systemen für den breitbandigen funkgestützten Zugang zum Internet
im Nahbereich (ca. 100m) hat zwei wichtige neue Systeme geboren, die als IE
EE 802.lla ein drahtloses Ethernet mit hoher Übertragungsrate und als HIPER
LAN/1 bzw. /2 als drahtlose LANs (Local Area Network) standardisiert wurden
und in Einführung sind. Da die Standardisierung als abgeschlossen gilt, können die
Beschreibungen der Systeme als weitgehend endgültig angesehen werden. Insbe
sondere HIPERLAN /2 wird ein großes Potential für die Verbreitung zugesprochen,
weil hier Funktionen vorhanden sind, welche erlauben, die Dienstgüte bestimmter
Multimediaanwendungen weitgehend zu unterstützen.
In Ländern der 3. Welt wird mit Nachdruck daran gearbeitet, digitales Fernspre
chen und schmalbandige Datenübertragung in der Fläche verfügbar zu machen,
wobei mangels verdrahteter Infrastuktur auf Schnurlossysteme wie DECT zurück-
XI
gegriffen wird. Neben DECT besteht für denselben Zweck der PHS-Standard in
Japan, dessen Beschreibung in diese Auflage aufgenommen worden ist.
Die Aktualisierung dieser Auflage verdanke ich der Mitarbeit der nachfolgend ge
nannten wissenschaftlichen Mitarbeiter
• Marc Peter Althoff (5)
• Peter Seidenberg (5)
• Peter Stuckmann (3.11, 3.17)
Für das einheitliche Erscheinungsbild der Bände hat Dirk Kuypers erneut viel Zeit
und Energie aufgewendet und ich danke ihm hier herzlich dafür.
Aachen, im Januar 2000 Bernhard Walke
Vorwort zur dritten Auflage
Die positive Resonanz auf die verbesserte Version des Buches in seiner zweiten
Auflage macht eine dritte Auflage erforderlich. Dazu haben insbesondere die Be
schreibungen der Systeme UMTS (in Band 1) und von IEEE 802.11 sowie HIPER
LAN/2 (Band 2) beigetragen. Diese Systeme sind aufg rund ihrer Aktualität - die
Einführung im Markt steht unmittelbar bevor - weiterhin von besonderem Inter
esse. Es hat sich inzwischen gezeigt, dass Systeme der dritten Generation (3G)
nicht ausreichend Kapazität haben, um Multimedia-Anwendungen von gleichzei
tig vielen Teilnehmern mit der erforderlichen Übertragungsrate unterstützen zu
können. Als Folge davon wird bereits an der Integration von Mobilfunksystemen
mit Paketübertragung wie GPRS und UMTS und von drahtlosen lokalen Funknet
zen (Wireless Local Area Network, WLAN) gearbeitet, um die Erwartungen des
Marktes erfüllen zu können.
Dabei wird es sich im wesentlichen um eine lose, zum Teil auch enge Kopplung von
GPRS/UMTS-Systemen und von WLANs wie IEEE 802.11 und HIPERLAN/2
handeln. Die entsprechenden Kapitel des Buches liefern die dafür nötigen Grund
und Detailkenntnisse und erlauben eine grobe Einschätzung der möglichen Lei
stungsmerkmale. Das in den beiden Bänden enthaltene Material hat inzwischen
quasi kanonischen Charakter angenommen, d. h. es unterliegt nur noch begrenzter
Veränderung durch Weiterentwicklung der betrachteten Systeme, weil die entspre
chenden Standards aus ökonomischen Gründen nach Möglichkeit nicht verändert
sondern nur durch weitere Funktionen ergänzt werden.
Wesentliche Weiterentwicklungen einzelner betrachteter Systeme werden im Zeit
raum von etwa ein bis zwei Jahren erwartet, wobei einerseits UMTS noch er-