Funk- & Mobilenetze Grundlagen - Freie Lehrmittel

Funk- & Mobilenetze
Grundlagen

V O R W O R T
Diese Seminarunterlage wurde vom Telekom Austria Bildungszentrum erarbeitet.
Wesentliche fachliche Inhalte wurden auf Basis einschlägiger Fachbücher und
Fachskripten erstellt.
Dieses Skriptum soll Ihnen als Nachschlagewerk dienen und Ihnen die ein oder anderen
Seminarinhalte in Erinnerung bringen.
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Ausgabe: März 2009

I N H A L T S V E R Z E I C H N I S
1 Funktechnik .............................................................................. 3
2 Funktechnik - Grundbegriffe ..................................................... 5
3 Geschichte des Mobilfunks ........................................................ 6
4 GSM-Entwicklung in Österreich ................................................. 9
5 Die Systemarchitektur von GSM .............................................. 12
6 Architektur von Mobilfunknetzen ............................................ 13
7 Funktionen der Netzelemente ................................................. 14
8 BSC – Base Station Controller ..................................................... 17
9 BTS – Base Tranceiver Station / Node B...................................... 19
10 MSC - Mobile Switching Center .................................................... 20
11 AuC - Authentication Center........................................................ 22
12 VLR - Visitor Location Register .................................................... 23
13 HLR - Home Location Register..................................................... 26
14 GMSC - Gateway MSC ................................................................ 28
15 SGSN - Serving GPRS Support Node ............................................ 29
16 Einführung von R4 im Core...................................................... 30
17 Antennen ................................................................................ 32
18 Mobilität.................................................................................. 40
19 Services .................................................................................. 45
20 Frequenzen ............................................................................. 52
21 Technische Grundlagen WLAN................................................. 54
22 Richtfunk ................................................................................ 59
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Funk- & Mobilenetze Grundlagen Funktechnik
1 FUNKTECHNIK
Es gibt kaum einen Bereich, wo wir auf die Übertragung von Sprache und Daten
über die Luft verzichten können. Egal ob Fernsehen, Radio, Telefon oder sogar
Netzwerk, überall ist die Funktechnik Bestandteil unsers Lebens.
Was uns so alltäglich erscheint ist mit verschiedenen physikalischen Effekten und
hochkomplizierter und empfindlicher Technik verbunden. Die physikalischen
Hintergründe werden im folgenden beleuchten und verständlich erklärt.
W AS IST FUN K T E C H N I K?
Heinrich Hertz ist deshalb bekannt, weil sein Name als Einheit Hertz, kurz Hz, der
Frequenz f gewidmet ist.
Doch viel wichtiger ist, Heinrich Hertz hat als erster demonstriert, wie elektrische
und magnetische Felder zur Übertragung von Nachrichten genutzt werden können.
Damals, 1886, gab es noch keine Elektronenröhren oder Transistoren. Deshalb
wurde mittels einer Funkenstrecke das Sendesignal erzeugt. Hieraus ergibt sich
auch die Bezeichnung Funk. Erst später fand man heraus, dass mit langen Drähten
die Reichweite der Signale gesteigert werden kann. Die Funkenstrecke starb aus,
die Antenne war geboren, der Name Funk blieb.
W I E E N T S T E H E N D I E FUNKWE LLEN?
Funkwellen entstehen nicht von selbst. Zur Erzeugung von Funkwellen ist ein
Schwingungserzeuger notwendig. Das kann ein Oszillator sein, der die so genannte
Grund- oder Trägerwelle erzeugt. In der Elektronik spricht man dann in der Regel
nicht von Wellen. Es handelt sich dabei um einen physikalischen Effekt. Funkwellen
sind Frequenzen. Der Oszillator erzeugt ein Wechselspannungssignal mit einer
bestimmten Frequenz.
Erst ab 16.000 Schwingungen in der Sekunde (Frequenz) neigen Signale dazu in
den freien Raum abzustrahlen. Der Wellenwiderstand Z des freien Raumes (377
Ohm) ist dann geringer als der Wellenwiderstand der Antenne bzw. der Leitung.
Dem elektromagnetischen Feld ist es dabei nicht mehr möglich in den Leiter zurück
zu kehren (Weg des geringsten Widerstandes). Dadurch strahlt das
elektromagnetische Feld von der Antenne ab.
W AS HAT ES MIT DER TRÄGERFREQUENZ AUF SICH?
Die Trägerfrequenz, die vom Oszillator erzeugt wird, ist eine Elektromagnetische
Welle, die nicht hörbar ist. Die Trägerfrequenz f T alleine ist noch keine Information.
Diese muss in Form einer anderen Frequenz auf die Trägerfrequenz im
Huckepackverfahren aufgesetzt werden. Erst dann können unterschiedliche
Zustände in codierter Form übertragen werden. Dieses Verfahren nennt sich
Modulation. Die bekanntesten Modulationsverfahren sind die Amplitudenmodulation
(AM), die Phasenmodulation (PM) und die Frequenzmodulation (FM), die bei der
Übertragung unserer Radiosender (UKW) verwendet wird.
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Funk- & Mobilenetze Grundlagen Funktechnik
W I E W AR DAS N O CH MAL MIT SCHW I N G U N G U N D
F R E Q U E N Z?
Die Anzahl der Schwingungen, also Funkwellen, pro Sekunde werden in Frequenz
(f) mit der Einheit Hertz (Hz) angegeben.
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in Hz in Sek.
Beispiel: 16.000 Schwingungen in der Sekunde sind 16.000 Hz oder 16 kHz.
W I E W E I T R E I C H T E I N G E S E N D E T E S SIGNAL?
Die Reichweite eines Signals ist abhängig von der Wellenlänge einer Frequenz und
von der Signalstärke. Die Signalstärke wird bestimmt durch die Sendeleistung. Die
Wellenlänge l wird in Meter angegeben. Dafür gilt folgende Formel:
Die Lichtgeschwindigkeit ist ein Konstante. Der Wert beträgt 300.000.000 m/s
(Meter pro Sekunde) oder 300.000 km/s (Kilometer pro Sekunde).
Beispiel:
Man spricht dann auch vom 70-cm-Band.
Durch die oben genannte Formel ergeben sich unterschiedliche Wellenlängen aus
den Frequenzen. Geht man davon aus, dass die Sendeleistung konstant ist, so
bestimmt die Wellenlänge die Reichweite. D. h., bei konstanter Sendeleistung
nimmt die Reichweite des Senders proportional zur Wellenlänge ab. Halbiert man
die Wellenlänge nimmt die Reichweite drastisch ab. Je höher eine Frequenz, desto
geringer die Reichweite.
K ANN EIN SIGNAL EINFA CH SO AU F E I N E R FREQUENZ
G E S E N D E T W E R D E N?
Nein, das geht nicht. Damit kein Frequenz-Chaos entsteht, sind Frequenzen bzw.
Frequenzbereiche einer Anwendung zugeteilt. Z. B. für Radio, Fernsehen,
Amateurfunk, CB-Funk, Flugfunk, Schiffsfunk, Taxi, Polizei, Feuerwehr, Mobilfunk,
etc. Die Funktechnik ist sehr weit fortgeschritten. So weit, dass sogar für lokale
Netzwerke der freie Raum als Übertragungsmedium genutzt wird. Und weil das
Übertragungsmedium praktisch kostenfrei zu Verfügung steht, wird es auch gerne
und viel genutzt. Die Dichte der Funksysteme ist so hoch, dass der störungsfreie
Betrieb nur durch gesetzlich vorgeschriebene Abstände zwischen den
Frequenzbereichen möglich ist. Die Bundesnetzagentur (BNETZA) überwacht die
Frequenzen und geht Störungen nach und deckt Störer auf.

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Funktechnik - Grundbegriffe
2 FUNKTECHNIK - GRUNDBEGRIFFE
In der Funktechnik tauchen immer wieder Begriffe auf...
POLARISAT I O N
Die Polarisation ist die Richtung in der sich die Schwingungen des elektrischen
Feldes ausbreiten. Man unterscheidet zwischen vertikaler und horizontaler
Polarisation.
Bei der vertikalen Polarisation schwingt die Welle von oben nach unten. Bei der
horizontalen Polarisation schwingt die Welle von links nach rechts. Die Richtung der
Polarisation ist durch die Richtung der elektrischen Feldlinien vorgegeben.
RICHTCHARAKTERISTIK
Die Richtcharakteristik wird auch als Abstrahlcharakteristik bezeichnet. Dabei wird
die Eigenschaft der Antenne dargestellt, wohin sich die Wellen ausbreiten. Meist
wählt man einen Schnitt durch das horizontale oder vertikale Strahlungsdiagramm.
Bei der vertikalen Polarisation spricht man von der magnetischen Feldkomponente
(H-Ebene). Bei der horizontalen Polarisation spricht man von der elektrischen
Feldkomponente (E-Ebene). Bei komplexen Antennen mit vertikaler und
horizontaler Polarisation wählt man eine räumliche Darstellung
REFLE XIONEN / REFLEKTIONEN
Funksignale, die auf Hindernisse treffen und von dort in eine andere Richtung
abgelenkt werden, nennt man Reflektionen. Sie führen dazu, dass ein Funksignal
auf mehreren Wegen zum Empfänger gelangen. Es gibt durchaus
Funkanwendungen, wo Reflektionen erwünscht sind. Z. B. um die Reichweite eines
Funksignals gezielt zu erhöhen.
Im Regelfall sind Reflektionen unerwünscht und machen vor allem die
Funkübertragung von Daten schwer umsetzbar und kompliziert.
Bei Reflektionen spricht man auch von Funkechos, die als abgeschwächtes Signal
mehrfach beim Empfänger ankommen.
I N T E R FERENZ
Reflektionen sind vor allem dann ein Problem, wenn zwischen dem Hauptsignal und
einem Echo eine halbe Wellenlänge Laufzeitunterschied liegt. Dabei löschen sich die
Funkwellen aus. Das nennt man Interferenz.
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Funk- & Mobilenetze Grundlagen Geschichte des Mobilfunks
3 GESCHICHTE DES MOBILFUNKS
Mobilfunk dient der Übertragen von Signalen oder besser von Nachrichten
bidirektional zwischen einer (oder auch mehreren, z.B. bei UMTS) Sende- und
Empfangsantenne. Eine Antenne davon ist beweglich, die andere ist lokal fest
gebunden. Daher bezeichnet man die bewegte Antenne mit ihrem
Verarbeitungsgerät als "Mobilstation", kurz MS, - im "deutschsprachigen Volksmund
auch als "Handy" bekannt. zwei oder mehreren Stationen, von denen zumindest
eine beweglich ist.
Die Anfänge des Mobilfunks reichen bis in die 20er Jahre des 20. Jahrhunderts
zurück. So wurde damals bereits von der dt. Reichsbahn ein öffentliches Zugtelefon
angeboten. In den USA wurde 1946 das erste tragbare Mobilfunkgerät vorgestellt.
Allerdings ist das Wort "mobil" mit einem leichten Schmunzeln zu verstehen bzw.
musste man eine "starke" Kondition haben und Schnellredner sein. Denn das Gerät
wog fast 18kg und die Akkus hielten gerade einmal 8 Minuten - aber immerhin!
Am 20. Juni 1953 wurde in Deutschland - anlässlich der Münchner
Verkehrsaustellung - das erste Mobiltelefonat von einem VW-Käfer aus
durchgeführt, Das waren die ersten Testdurchläufe des deutschen A-Netzes, das 5
Jahre später für kommerzielle Zwecke offen stand. Das Mobiltelefongerät wog dabei
16kg und hatte einen Preis von DM 8000 - der VW-Käfer war hingegen bereits für
DM 5000 zu bekommen!
1957 wurde in Deutschland das erste Mobilfunknetz in Betrieb genommen - das
sogenannte A-Netz. Dabei wurde man noch von einer netten Empfangsdame
"handvermittelt" und Routingprozesse im heutigen Sinne gab es damals ebenfalls
noch nicht. Wollte man also einen Mobilteilnehmer erreichen, so musste man genau
wissen, in welcher geographischen Rufzone er sich befand, von denen es damals
137 gab. War der Mobilteilnehmer nicht in der vermuteten Rufzone, so hatte man
Pech und konnte nicht verbunden werden - oder ein geduldiger Anrufer hätte
natürlich auch alle 137 Rufzonen durchprobieren können ;). Eine Funkzelle hatte
einen Durchmesser von etwa 30km. Hat der Mobiltelefonierer die Zelle verlassen,
war damit auch automatisch der Ruf beendet. Von Roaming und Handover war
natürlich damals noch keine Rede! Das A-Netz zählte insgesamt 850 Teilnehmer
und wurde 1977 abgeschaltet.
1972, das Jahr der olympischen Spielen in München, wurde dann die nächste
Generation der analogen Mobilfunknetze eingeführt - das B-Netz, eine Technologie,
die auch in Österreich 1974 zum Einsatz kam. Immerhin konnte der
Mobilteilnehmer jetzt selber wählen (kein Fräulein von der Vermittlung mehr) und
direkt angerufen werden - die Zeit ist in den letzten 20 Jahren ja auch nicht stehen
geblieben! Allerdings musste man noch immer Bescheid darüber wissen, in welcher
Rufzone ein Mobilteilnehmer sich befand. Handover zwischen den Rufzonen war
noch immer nicht möglich (außer der Teilnehmer sagte: Achtung ich wechsle die
Zone - rufe mich doch in der nächsten Zone mit der Telefonnummer xxxxxxxx an!).
Die Mobilfunk-Telefongeräte waren sehr groß, schwer, sehr teuer und
Energiefresser, sodass sie vornehmlich nur in PKW´s eingesetzt wurden. Abgesehen
davon war die Teilnehmerkapazität des B-Netz sehr beschränkt! Das deutsche B-
Netz zählte insgesamt bis zu 27.000 Teilnehmer.
In der Zwischenzeit war in den Laboratorien die Bestrebungen und Bemühungen
sehr groß, ein zellulares Mobilfunknetz zu realisieren, um teilnehmerfreundliche
Dienstleistungen anbieten zu können (zB: Handover - unterbrechungsfreie
Gesprächsübergabe in eine andere geographische Zelle). Das 1984 in Österreich
eingeführte C-Netz wurde Ende 1997 eingestellt. Mit dem C-Netz war erstmals für
ein gesamtes Land eine einheitliche Vorwahlnummer.
Die Entwicklung hielt natürlich nicht still. So wurde in Europa das NMT System für
Frequenzen um 900MHz weiterentwickelt. Diese höheren Frequenzen erlaubten
auch, dass die Handgeräte kleiner wurden. In Österreich wurde 1990 das analoge
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Funk- & Mobilenetze Grundlagen Geschichte des Mobilfunks
D-Netz in Betrieb genommen und als Modernisierung des analogen
Mobilfunkstandards bis zur Einführung des digitalen GSM-Neztes diente.
Alle bisher vorgestellten "Mobilfunk-Netze" waren analoge Mobilfunktechnologien,
die man als erste Mobilfunkgeneration zusammenfasst. Bereits zu Beginn der 80er
Jahre (1982) erkannte man, dass die Zukunft der Digitalisierung auch vor der
Mobilfunktechnik nicht halt machen wird, da diese Technik neue und komfortable
Dienstleistungen erst effizient möglich macht. Abgesehen davon war die
Bandbreitenausnutzung der analogen Mobilfunknetze sehr bescheiden und damit
auch die Teilnehmerkapazität. So wurde im Jahr 1982 die Gruppe
"Groupe Spéciale Mobile" ins Leben gerufen, die für die Organisation CEPT
(Conference Europeene des Administration des Postes et des Telecommunications)
einen neuen und den Zeiten angepassten Mobilfunkstandard im 900MHz-Bereich
entwickeln sollte. 1987 wurden die daraus resultierenden Ergebnisse von 18
Staaten in Form des "Memorandum of Understanding" unterzeichnet. 1988 wurden
die Standards vom europäischen Institut ETSI übernommen. Da es zu regen auch
außereuropäischen Interesse für diesen digitalen Mobilfunkstandard kam, wurde die
Abkürzung GSM, die ursrpünglich die "Groupe Spéciale Mobile" bezeichnete, in
"Global System for Mobile Communication" umgedeutet. GSM entspricht dem
Mobilfunkstandard der zweiten Generation.
Im Dezember 1994 war es dann in Österreich soweit, dass das erste GSM-Netz
seinen Betrieb aufnahm - es war das A1-Netz der Mobilkom. Bereits 1996 konnte
die Mobilkom 120.000 Teilnehmer aufweisen, was einen unerwartetem Erfolg für
die Mobilkom gleichkam. Man hatte mit einem Teilnehmeraufkommen in Österreich
von höchstens 200.000 Teilnehmern gerechnet! 4 Jahre Später, im März 2000 hatte
alleine die Mobilkom ihre Teilnehmerzahl um den Faktor 20 vergrößert und konnte
sich an 2.400.000 Teilnehmern erfreuen. Eine unglaubliche Erfolgsgeschichte des
GSM-Netzes lässt sich daran klar erkennen.
1998 wurde in Österreich das erste DCS-1800 Netz von Connect Austria in Betrieb
genommen. DCS-1800 (Digital Cellular System) ist ein GSM-Standard, der bei einer
Frequenz von 1800MHz arbeitet und eine geringere Sendeleistung verwendet. Im
Jahr 1998 wurden auch neue Standards verabschiedet, die es einem GSM-Netz
ermöglicht schnell EDV-Daten zu transferieren. Dazu gehört der HSCSD- und der
GPRS-Standard. HSCSD wurde im Dezember 1999 von Connect Austria erstmals in
Österreich eingeführt (damals mit 2 bündelbaren Kanälen und daher eine Datenrate
von 28,8kbit/s), GPRS wurde im August 2000 erstmals von der Mobilkom in
Österreich eingesetzt.
3.1 UMTS-Zeitalter
Am 25. September 2002 hat die neue Mobilfunkgeneration UMTS in Europa
begonnen. Die Mobilkom Austria startet das erste europäische UMTS-Netz und kann
von Beginn an eine Versorgung von über 25% ermöglichen. Dazu sind in allen
österreichischen Landeshauptstädten, außer Salzburg, UMTS-Dienste möglich. Da
es zu diesem Zeitpunkt aber noch an UMTS-Handys mangelt, gibt es vorerst nur
1000 "friendly User" für einen UMTS-Testlauf (mehr zu diesem UMTS-Start: News -
UMTS-Startschuss.
Am 25. April 2003 eröffnet die Mobilkom Austria (A1) ihr UMTS-Netz für
kommerzielle Zwecke und steht somit allen Kunden offen, sofern diese das Glück
haben eines der wenigen UMTS-Handys in den A1-Shops zu bekommen. In der
Anfangsphase stehen den A1-Kunden nur das UMTS-Handy Siemens U10 zur
Verfügung.
Das UMTS-Netz von A1 deckt zu Beginn des kommerziellen Betriebs nach
Unternehmensangaben über 42 Prozent der Bevölkerung ab. Jenseits der UMTS-
Coverage können UMTS-Nutzer automatisch im GSM-Netz telefonieren. Probleme
gibt es mit dem UMTS-Empfang - nach einem ersten Test der APA - noch in
Gebäuden.
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Funk- & Mobilenetze Grundlagen Geschichte des Mobilfunks
Am 5. Mai 2003 geht in Österreich das zweite UMTS-Netz von Hutchison 3G (drei)
in Betrieb. Zum Start wird eine "Video-Abdeckung" der Ballungsräume Wien (und
Umgebung), St. Pölten, Graz und Linz erreicht. Österreich ist der erste Staat in
Mitteleuropa, wo die Hutchison-Tochter den Vollbetrieb aufnimmt. Als Handy stehen
den Kunden das UMTS-Handy NEC e606 zur Verfügung, mit dem bereits
Videotelefonie im Netz von drei durchgeführt werden kann..
Zu Beginn Juni 2003 - also etwa 1 Monat nach den UMTS-Starts in Österreich -
verbuchen sowohl die Mobilkom Austria als auch Hutchison jeweils 1000 UMTS-
Kunden.
Ende Oktober 2003 hat Hutchison 3G in Österreich fast die 20.000 Kundenmarke
erreicht, die Mobilkom Austria bewegt sich bei etwa 1500 Kunden.
Seit 2005 ist HSDPA (High Speed Downlink Paket Access) am Markt, mit dem
vorab bis zu 3,6Mb/s im Downlink Datenpakete übertragen werden konnten. Sind
erstmal Highend-HSDPA-Geräte auf dem Markt, erlaubt HSDPA sogar
Downlinkdatenraten von bis zu 14,4Mb/s. HSDPA ist eine Technik, die auf
bestehender UMTS-Funknetztechnik aufbaut - durch verbesserte Funktionen und
Ansätze sind einerseits die doch sehr hohen Datenraten andererseits aber auch
bessere Dienstgütemerkmale für Paketdatendienste möglich. Mehr zu HSDPA:
HSDPA-Grundlagen.
Seit 2006 haben bereits die ersten UMTS-Netzbetreiber ihre funknetzwerke mit der
neuen Technik HSUPA ausgerüstet, mit der analog zum vorher erwähnten HSDPA
nun auch im Uplink höhere Datenraten möglich sind - Highend-Handys werden so in
Zukunft sogar mit bis zu 5,76Mb/s Daten an die Basisstation schicken können.
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Funk- & Mobilenetze Grundlagen GSM-Entwicklung in Österreich
4 GSM-ENTWICKLUNG IN ÖSTERREICH
1989 Die PTT (Vorgänger der heutigen Mobilkom Austria)
entscheidet sich für GSM als neuen zukünftigen
Mobilfunkstandard. Die Arbeitsgemeinschaft aus Alcatel, AT
und Siemens entwickelt das erste GSM Pilotprojekt.
1992 Es erfolgte der erste Verbindungsaufbau mit dem neu
entwickelten GSM-Netz.
1993 Das Amt für das Pilotprojekt geht am Schillerplatz (Wien) in
Betrieb. Dabei Handelt es sich um eine lokale Netzabdeckung
lediglich im Großraum Wien.
Dez. 1994 Start des kommerziellen Betriebes von A1 (Mobilkom) -
großräumig flächendeckend.
1996 Mobilkom: 120.000 Teilnehmer.
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max.mobil: Startet als zweiter Netzbetreiber den
Betrieb.
1998 Connect Austria (one) startet als dritter österreichischer GSM-
Netzbetreiber - und zwar das erste mal in Österreich auf der
Frequenz 1800 (DCS-1800). (Connect Austria hat keine GSM-
900 Lizenz).
1999 Die Mobilkom startet im Dezember den Betrieb von WAP-
Diensten, wodurch ein Internetzugriff für GSM-Handys
möglich wurde - wenn auch sehr reduziert!
März 2000
Connect Austria bietet in Österreich zum ersten mal die
schnellere GSM-Datentechnik HSCSD an.
Teilnehmerstand in Österreich:
A1: 2.200.00
max.mobil 1.600.000
GSM ist eine Erfolgsgeschichte.
Ein ursprünglich europäischer Standard wurde weltweit
übernommen.

Funk- & Mobilenetze Grundlagen GSM-Entwicklung in Österreich
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one
700.000
Mai 2000 Telering startet als 4. GSM-Netzbetrieber seinen Betrieb -
ebenso wie Connect Austria nur mit DCS-1800.
August 2000 A1 nimmt weltweit als erster Netzbetreiber den kommerziell
flächendeckenden GPRS-Betrieb auf.
November 2000 In Österreich werden die UMTS-Lizenzen vergeben - ohne
finanzielle Verausgabungen wie z.B. in Großbritannien oder
Deutschland.
Anfang 2001 Telring und Connect Austria starten ebenfalls ihren GPRS-
Betrieb.
April 2001 max.mobil startet GPRS-Betrieb
Mai 2001 Weitere Lizenzvergabe für DCS-1800 -> Bericht
25. Sep. 2002 Die Mobilkom Austria startet das erste UMTS-Netz (Trial) in
Europa: Mehr Info dazu
25. April 2003 Die Mobilkom Austria startet den kommerziellen Betrieb des
UMTS-netzes. Als Handys steht das Siemens U10 zur
Verfügung
5. Mail 2003 Hutchison 3G startet den Vollbetrieb seines UMTS-Netzes. Als
Handys steht das Videohandy NEC e606 zur Verfügung.
5. Juni 2003 Nach ca. einem Monat UMTS-Netzbetrieb haben die Mobilkom
Austria und Hutchison jeweils 1000 UMTS-Kunden.
2006 Mobilkom Austria startet HSDPA, die anderen Netzbetreiber
folgen bald nach
2007 Mobilkom Austria startet HSUPA
2008 Hutchison 3G startet HSUPA Ende Februar 2008
Rückwärtskompatibilität mit GSM ist Garant für den Erfolg auch von
UMTS.

Funk- & Mobilenetze Grundlagen GSM-Entwicklung in Österreich
4.1 Aktueller Stand (weltweit)
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GSM Familie
heutiges GSM GPRS EDGE
3GSM
basierend auf WCDMA
Funkschnittstelle
HSPA
(HSDPA und HSUPA)
Verantwortlich für den
enormen Boom von 2G
Netzen sind vor allem
Schwellen- und
Entwicklungsregionen wie
China, Indien, Afrika und
Lateinamerika.
Das dzt. größte GSM Netz
der Welt betreibt China
Mobile mit über 300 Mio
Kunden, und pro Monat
kommen 4 Mio dazu.
Der zweitgrößte
Netzbetreiber ist die
Vodafon-Gruppe.

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Die Systemarchitektur von GSM
5 DIE SYSTEMARCHITEKTUR VON GSM
Als Benutzer eines Mobilfunknetzes sieht man normalerweise eigentlich nur
das Mobiltelefon (MS), dass aber auch noch eine sehr komplexe
Netzarchitektur existiert, ist nur den wenigsten Benutzern bewusst. Ein
GSM Netz ist hierarchisch aufgebaut, wobei mehrere Komponenten zu
einem Untersystem (Subsystem) zusammengefasst werden. Im
Wesentlichen verfügt ein GSM Netz jedoch über zwei Hauptbestandteile:
die fest installierte Infrastruktur (das Netz im eigentlichen Sinne) und die
Mobilstation. Das fest installierte GSM Netz kann in drei Untersysteme
untergliedert werden, während die MS bereits ein Untersystem darstellt.
Daraus folgt, daß das GSM Netz in vier Subsysteme unterteilt werden
kann:
• Die Mobile Station (MS), das vom Kunden benutzte Endgerät
• Die Basisstation (Base Station Subsystem), welche die
Funkübertragung kontrolliert
• Das Switching Subsystem, dessen Hauptkomponente das Mobile
Switching Center (MSC) ist. Es verbindet den Teilnehmer mit dem
Gesprächspartner in mobilen oder festen Netzen.
• Das Operation and Maintenance Subsystem, welches für Betrieb und
Wartung des Netzes zuständig ist
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Funk- & Mobilenetze Grundlagen Architektur von Mobilfunknetzen
6 ARCHITEKTUR VON MOBILFUNKNETZEN
A R CHITEKTUR EIN E S I N T E G R I E R T E N MOBILFUNKNETZES
MS
MS
UE
UE
Access Netz
auch als RSS (Radio Subsystem) bezeichnet
Um
Um
Uu
Uu
UMTS
Radio Access Network
(UTRAN)
Access Netz:
Das Access Netz ist das flächendeckende zellulare Netz für die
Teilnehmeranschaltung über Funkschnittstellen (air interfaces). Es beinhaltet
Mobilgeräte, Basisstationen (BTS und Node B) und deren Controller (BSC und RNC).
Core Netz:
Das Core Netz übernimmt sämtliche Steuerungsfunktionen und
Datenbankfunktionen, die für Verbindungsaufbau, Verbindungsabbau,
Datenverschlüsselung, Berechtigungsprüfung (Authentication) und Roaming
erforderlich sind.
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GSM EDGE
Radio Access Network
(GERAN)
BTS
Node
B
A-bis
Iub
BSC
A-ter
A-gprs
RNC
T
R A
U
P
C
U
Gb
Iu-CS
A
Iu-PS
Core Netz
auch als NSS (Network Subsystem) bezeichnet
MGW
MSC
B
VLR
SGSN
D
VLR
(note)
Circuit Switched (CS)
Core
AuC
C
Gr
E
HLR
Gn
C
Gc
Packet Switched (PS)
Core
GMSC
EIR
(optional)
GGSN
Note:
Paket-Mobility Funktion ist im SGSN integriert.
N
2G+3G
(mit R99 Core)
Gi FW
Telefonnetz
Internet
FW privates
Netz

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Funktionen der Netzelemente
7 FUNKTIONEN DER NETZELEMENTE
7.1 MS - Mobilestation / UE User Equipment
Die Mobilestation ist in unserem Sprachraum fast ausnahmslos unter dem
Ausdruck „Handy“ bekannt, der interessanterweise im englischsprachigen
Raum nicht zu finden ist, sondern nur im deutschsprachigen. Die MS
besteht aus zwei Komponenten:
Mobile Equipment - ME
Subscriber Identity Module - SIM
7.1.1 RAN - Radio Access Network
Das RAN hat die Aufgabe die Funksignale der Mobilteilnehmer
aufzunehmen bzw. die Teilnehmer mit Funksignalen zu versorgen und
diese Signale Vermittlungsstellen zur Verfügung zu stellen, die für weitere
Signalwegschaltung innerhalb oder auch außerhalb des GSM-Netzes
sorgen. Das RAN wird durch mehrere Basestation Subssytems (BSS)
gebildet, wobei jedes BSS aus einem Basestation Controller (BSC) und den
an ihm angeschlossenen Base Tranceiver Staitions (BTS) besteht:
Base Station Controller - BSC
Base Tranceiver Station - BTS
7.2 ME - Mobile Equipment
Das ME ist das Telefongerät, das man in diversen Elektrofachgeschäften zu
kaufen bekommt und prinzipiell die volle technische Funktionalität zur
Verfügung stellt. Ist man jedoch bei keinem Netzbetreiber als Kunde
angemeldet, hilft einem das beste „Handy“ nichts, da man mit dem
„nackten“ Gerät auf keine Mobilfunkdienste eines GSM-Netzbetreibers
zurückgreifen kann – außer auf die internationale Notrufnummer! Um GSM-
Dienste eines Netzbetreibers in Anspruch nehmen zu können, braucht man
eine SIM-Karte von diesem Netzanbieter. Erst wenn diese Karte in das
Mobile Equipment eingeführt wird, kann mit einem GSM-Handy z.B.
telefoniert werden.
7.3 SIM - Subscriber Identity Module
Auf der SIM-Karte stehen Netzbetreiber-spezifische Daten, wie
Rufnummern, Identifikationsnummern usw., durch die der Zugriff auf
Mobilfunkdienste überhaupt erst möglich wird. Nur der Notrufdienst 112
lässt sich mit einem Handy ohne SIM-Karte durchführen! Durch diese
Trennung zwischen Gerät (ME - Mobile Equipment) und
Netzbetreiberdienste (SIM) ist es möglich, dass man z.B. Auf Urlaub nur
seine SIM-Karte mitnehmen muss und sich in einem fremden Land ein
GSM-Handy ausborgt. Das ist besonders in den USA sinnvoll, da dort ein
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Funk- & Mobilenetze Grundlagen Funktionen der Netzelemente
Frequenzband um 1900MHz verwendet wird, das in Europa nicht zum
Einsatz kommt und daher die meisten ME´s auch nicht verarbeiten können.
Die SIM-Karte ist aber nicht nur ein Datenspeicher sondern auch ein
Microcontroller, mit dem sich Rechenoperationen durchführen lassen. Zu
den Aufgaben der SIM-Karte gehören die Identifikation des Kunden im
GSM-Netz, Datenverschlüsselung, Softwareimplementierung von
Zusatzdiensten, Speicherung von Kundendaten und Verwaltung
netzspezifischer Daten wie z.B. Lokalität.
Das SIM hat die gleichen Strukturen wie ein herkömmliches
Rechnersystem integriert: CPU, Festspeicher (ROM-Read Only Memory),
flüchtiger Speicher (RAM-Random Access Memory und EEPROM-Electrical
Eraseable Programable ROM) sowie ein BUS-System, um Daten
transportieren zu können:
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Abbildung: Interne Struktur des SIMs
Wie beim klassischen Rechnersystem ist das Betriebssystem des SIM im
ROM (heute Typ. 32kByte) abgelegt und das RAM (heute Typ. 2kByte)
dient als Zwischenspeicher für Berechnungen in der CPU. Das EEPROM
(heute Typ. 32kByte) beinhaltet die Applikationen. Das EEPROM kann im
Gegensatz zum herkömmlichen ROM wieder neu beschrieben werden - es
arbeitet ähnlich einer Festplatte nur nicht magnetisch sondern mit
Halbleitertechnik. Der Bus hat eine Breite von 8Bit. Diese Dimensionen
erinnern an die "gute alte" Computertechnik der 80er Jahre, nur dass das
SIM auf kleinstem Raum realisiert ist. Die Abmessungen des eigentlichen
SIMs sind gerade einmal 5mm x 5mm:
Das SIM hat im Allgemeinen 8 Kontakte, von denen nur 5 Kontakte (nc:
not connected) verwendet werden:
• Vcc für die positive Spannungsversorgung
• GND für die Spannungsmasse
• RST für ein Reset in einen vordefinierten Zustand
• CLK für den Systemarbeitstakt
• I/O für den seriellen Datenaustausch in die Karte und aus der
Karte hinaus
Kontaktbelegung
des SIMs

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Funktionen der Netzelemente
7.4 Daten auf der Simkarte
7.4.1.1 Unveränderlicher Datenbestand:
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16
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1. SIM-Kartentyp
2. Seriennummer des SIM
3. Liste der zusätzlich abonnierten Dienste
4. IMSI-Nummer
5. PIN
6. PUK
7. Ki - Identity Key (für jeden Teilnehmer individuell)
8. A3/A8-Algorithmen (definiert von MoU)
9. Verwendete Sprache
7.4.1.2 Dynamische, veränderliche Daten:
I. Aufenthaltsinformationen:
1. TMSI
2. LAI
3. Location Update - Zeitgeber
4. Aktualisierungssatus
II. Sicherheits-Daten
RAND: 128Bit-Zufallszahl (im AuC berechnet)
SRES: 32Bit-Zahl als Funktion von A3 und RAND
Kc: 64Bit-Cipheringkey als Funktion von A8 und RAND
7.4.2 IMEI - International Mobile Equipment
Identity
Die IMEI-Nummer entspricht der Geräteseriennummer des Mobile
Equipments (Handy ohne SIM-Karte) und besteht aus vier Kennfeldern, die
insgesamt 15 Zeichen ergeben.

Funk- & Mobilenetze Grundlagen BSC – Base Station Controller
8 BSC – BASE STATION CONTROLLER
Wie der Name BSC (Base Station Controler) bereits zum Ausdruck bringt,
handelt es sich hier um ein Netzwerkelement des Funknetzwerkes von
GSM, das für die Kontrolle bzw. Steuerung jener Basisstation
verantwortlich ist, die an ihm angeschlossen sind. An einem BSC können
mehrere 100 Basisstationen (BTS Base Tranceiver Station) angekoppelt
sein. Wenn man jetzt noch berücksichtigt, dass in den meisten Zellen jede
Basisstation 3 Zellen (sektorisiert) terminiert, so kann man sich gut
vorstellen, dass der BSC sehr viele einzelne Zellen verwalten und steuern
muss. Andererseits ist der BSC über die TRAU an den MSC des Kernnetzes
verbunden. Der MSC (Vermittlungsstelle) ist für die Verwaltung und
Steuerung leitungsorientierter Dienste verantwortlich, wie z.B. Telefonate.
Der BSC ist für seine Zellen eine „Datenbank“ und leitet die Informationen
von den Zellen an seinen MSC weiter.
Ein geographisches Gebiet, das durch einen BSC und seinen angekoppelten
Zellen definiert ist, nennt man ein Base Station Subsystem - kurz BSS.
Abbildung: Funknetzwerk mit 2 eingezeichneten BSS (BSS 1 und BSS 2)
Die wichtigste Aufgabe des BSCs ist die Funkressourcenverwaltung für alle
Zellen, die an ihn angekoppelt sind, und somit auch die
Funkkanalzuweisung für die Handys, die in diesen Zellen eingebucht sind.
Der BSC muss also die Frequenzkanäle und Zeitschlitze all seiner Zellen
verwalten, um zu wissen, welchen Kanal noch nicht besetzt ist und er bei
neuen Gesprächen vergeben kann. Benötigt ein MSC einen
Kommunikationskanal zu einem Mobilteilnehmer, um z.B. ein Gespräch
vom Festnetz zu einem Mobilteilnehmer durchzustellen, so muss das MSC
zuerst beim BSC anfragen, ob überhaupt ein Funkkanal für diesen Dienst
verfügbar ist. Erst wenn der BSC grünes Licht gibt, kann der MSC mit der
Vermittlung weitermachen - andernfalls wird der Dienst abgebrochen bzw.
auf die Sprachbox des Teilnehmers (nicht erreichbar) geleitet.
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Funk- & Mobilenetze Grundlagen BSC – Base Station Controller
Da der BSC die Funkressourcenverwaltung macht, kann auch nur der BSC
entscheiden, ob für einen Teilnhemer ein Handover durchgeführt wird oder
nicht, da ja nur der BSC wissen kann, ob in der neuen Zelle, in die
gewechselt werden soll, noch ein Funkkanal frei und somit vergebbar ist.
Eine weitere wichtige Aufgabe des BSC ist die Sendeleistungskontrolle 1 der
kommunizierenden Funkstationen – also MS und BTS.
Um - was in der Anfangszeit von GSM nicht notwendig war, aber jetzt
zeitgemäß ist - auch Handover zwischen einem GSM- und UMTS-Netz zu
ermöglichen, muss der BSC funktional aufgerüstet werden, damit er z.B.
auch die UMTS-Frequenzmessergebnisse seiner zu verwaltenden
Mobilteilnehmer verarbeiten kann. Das Handy schickt also nicht nur GSM-
Messergebnisse, sondern auch UMTS-Kanalmessungen. Ohne diese UMTS-
Messwerte wüsste der BSC (genauer gesagt das dem BSC zugeordnete
MSC) nicht zu welchem 3G-MSC (UMTS-MSC) und RNC des UTRANs er
Kontakt aufnehmen muss, um einen Handover von der GSM-Zelle zur
UMTS-Zelle durchführen zu können.
1 Die Sendeleistung einer MS kann adaptiv in Schritten von 2dBm geregelt werden. Dafür
gibt es 16 Stufen, von Stufe 0 mit 43dBm (20W) bis Stufe 15 mit 13dBm (20mW). Beginnend
auf der niedrigsten Leistungsstufe (15), kann die BTS die Sendeleistung der MS sukzessive
um 2dBm anheben bzw. Auch wieder reduzieren.
Genauso kann aber auch die Sendeleistung der BTS in 2dBm-Schritten geregelt werden.
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Funk- & Mobilenetze Grundlagen BTS – Base Tranceiver Station / Node B
9 BTS – BASE TRANCEIVER STATION / NODE B
Die BTS ist für die Kommunikation in einer Zelle zuständig und besteht aus
Funkantennen und einer elektronischen Signalverarbeitung. Zu den
Aufgaben der BTS gehört die Funkverbindung mit der MS zu realisieren, die
Daten auf Hochfrequenz zu modulieren sowie die Setzung der TDMA-
Zeitrahmen.
9.1 Aufgaben im Detail:
• Kanalkodierung
• Ciphering (Datenverschlüsselung für die Funkschnittstelle)
• Optionales Frequenzsprungverfahren
• Aufbau des Zeitschlitzsignals --> Burst-Bildung
• GMSK-Modulationsverfahren
• Datenkonvertierung in das TRAU-Rahmenformat, Richtung BSC
• Aufbau des BCCHs (Broadcast Control CHannel)
• Signalmessaufgaben und Reportage an BSC
• Teil der Sendeleistungsregelung 1
9.2 Sektorisierung
Im Normalfall wird einer BTS nicht nur 1 Zelle zur Verarbeitung zugewiesen
sondern 3, die zueinander in Sektoren angeordnet sind:
Abbildung: Basisstation mit sektorisierten Zellen: die BTS steuert hier 3 Zellen
Dazu werden Antennen verwendet, die eine 120 o
Sende/Empfangscharakteristik haben. Außerdem lässt sich ein
geographisches Gebiet mit der "schmäleren" Richtcharakteristik besser
konfigurieren, um Interferenzen zu minimieren.
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Antennenmasten von
BTS´s zweier
Netzbetreibern

Funk- & Mobilenetze Grundlagen MSC - Mobile Switching Center
10 MSC - MOBILE SWITCHING CENTER
Das MSC entspricht einer Vermittlungsstelle a´la Festnetz, nur dass sie
keine festverdrahteten Teilnehmer angeschlossen hat, die sie vermitteln
muss, sondern geographisch frei bewegliche Mobilteilnehmer. Der MSC ist
also der "technische Diensterbringer" für leitungsorientierte Dienste bei
GSM. Die Mobilteilnehmer können also nicht direkt an das MSC
angeschlossen sein, es muss sozusagen zwischen den Mobilteilnehmer und
Vermittlungsnetz eine "techische Intelligenz" geschaltet werden, die es
dem Teilnehmer erlaubt sich frei durch die Botanik zu bewegen. Diese
Intelligenz wird durch das Funkzugriffsnetzwerk (RSS Radio Sub System)
realisiert. Es liegt also nahe, dass ein MSC (Vermittlungsstelle des
Mobilfunknetzes) im Gegensatz zu einer herkömmlichen Festnetz-
Vermittlungsstelle unbedingt ein Mobilitätsmanagement braucht, um den
freibeweglichen Teilnehmer mit Diensten versorgen zu können. An die
MSC´s werden einerseits die Funkzugriff-Subsysteme (BSS - Base Station
Subsystem) über den Sprachcoder TRAU 2 angeschlossen, andererseits
werden Verbindungen zu anderen MSC´s realisiert – vor allem zum
Gateway MSC, der das Tor zu fremden CS-Netzen (leitungsorientiert)
darstellt. Für die erwähnte Mobilitätsverwaltung benötigt der MSC noch
eine Anbindung an ein Dantenbanksystem: dem VLR für primär
temporäre Daten und dem HLR (HLR ist über das VLR angekoppelt) für die
primär unveränderlichen Daten.
Die Aufgaben des MSCs sind also klassisch gesehen der Aufbau einer
"Standleitung" zwischen 2 Teilnehmern bevor die eigentlichen Nutzdaten
des Dienstes, wie z.B. Telefonat, übertragen werden können, die
Bearbeitung und Realisierung von Dienstmerkmalen, die Registrierung von
Mobilteilnehmern, Sicherstellung der Teilnehmeridentität und die
Durchführung von Handover, bei denen es beim Zellenwechsel auch zu
einem Wechsel des BSS (Base Station Subsystem) kommt.
Das MSC arbeitet sehr eng mit dem VLR zusammen, das eine Datenbank
für die temporären Daten aller Teilnehmer ist, die geographisch von dem
MSC verwaltet werden. Im Normalfall sind heute GSM-Netze so konzipiert,
dass jeder MSC ein eigenes VLR hat und dieses in der gleichen
Hardwareeinheit realisiert ist. Ebenso besitzt das MSC eine so genannte
"Interworking Function" (IWF), die bei Datendiensten eine Anpassung an
die Leitungen (PCM30) vornimmt, die für Vermittlungsstrecken verwendet
werden. Das kann man sich ganz einfach so vorstellen, dass das MSC
verschiedene Modems integriert hat, um so einerseits den Standrad-GSM-
Datendienst CSD mit 9,6kb/s (auch 4,8kb/s und 2,4kb/s sind möglich)
durchführen zu können und andererseits Faxdienste realisieren zu können -
also so wie früher oder auch heute noch das Telefon-Modem zu Hause. Mit
2 TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit)
Sprachkompression bei GSM TRAU stellt ein typisches Gateway dar, da die TRAU: einerseits
Datenraten anpasst zwischen 64kb/s (Richtung MSC) und je nach Datenrate HR-6,5kb/s, FR-
13kb/s oder EFR-12,2kb/s (Richtung BSC). HR steht dabei für Half-Rate, FR für Full-Rate und
EFR für Enhanced Full-Rate --> EFR ist eine technische Weiterentwicklung von FR und ist
heutzutage der Standard bei GSM.
MGW (Media Gateway)
gleiche Funktion wie TRAU bei 2G. Bei der Erstellung der 3G Spezifikationen wurde das MGW
aber dem Core zugeordnet.
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Funk- & Mobilenetze Grundlagen MSC - Mobile Switching Center
Hilfe dieser Modems werden die Daten schließlich auf die Standard-ISDN-
Leitung von 64kb/s des Vermittlungsnetzes angepasst. So kann z.B. jeder
Kanal der verwendeten PCM30-Leitungen 64kbit/s transportieren.
Einer der wichtigsten - zumindest für den Netzwerkbetreiber - Funktionen
des MSCs ist die Gebührenerfassung aller Dienste, die durch den MSC
abgewickelt werden - also alle leitungsorientierten Dienste, wie z.B.
Telefonieren, Faxen. Sollte das GSM-Netz über eine GPRS-Infrastruktur
verfügen, so ist das MSC für die Gebührenerfassung von paketorientierten
Diensten NICHT verantwortlich, das macht dann GGSN bzw. auch SGSN.
MSC-Netzwerk: Individuelle Wegwahl vor Dienstaufbau zwischen den Knotenpunkt mit
Datenbank
10.1.1 Aufgaben des MSC
• Vernetzung mit anderen MSC´s
• Verbindung zu anderen Netzwerken (Festnetz und andere
Mobilfunknetz)
• Aufsetzen von Serviceleistungen
• Registrierung der Teilnehmer im VLR
• Umschaltung zwischen verschiedenen BSC´s bei Intra- und Inter-
Handover
• Interworking Function (IWF): Datenanpassung durch Modems an
externe PSTN-Netze
• Verbindungs- und Signalisierungssteuerung
• Anbindung von Datenleitung für Staatspolizei zwecks Abhören von
Gesprächen
• Systemausgaben, -aufzeichnungen, Vergebührung, LOGs
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Funk- & Mobilenetze Grundlagen AuC - Authentication Center
11 AUC - AUTHENTICATION CENTER
Das AuC stellt für GSM- GPRS aber auch UMTS-Dienste
Sicherheitsfunktionen zur Verfügung. Das AuC arbeitet sehr eng mit dem
HLR zusammen, sodass HLR und AuC in vielen Netzwerken in einer
"Hardwareeinheit" zusammengefasst sind. Grob vereinfacht kann man
sagen, dass das AuC für folgende zwei Sicherheitsaufgaben behilflich zu
sein:
1. Authentifizierung: es müssen die verschiedenen SIM-Karten verifiziert werden, die
ein Netzbetreiber an seine Kunden bei Vertragsabschluss (aber auch bei Wertkarten-
Verträgen) ausgibt;
2. Verschlüsselung: es werden Methoden zwecks Datenverschlüsselung über die
Funkschnittstelle zur Verfügung gestellt.
11.1.1 Authentifizierung:
Mit Hilfe der SIM-Karte kann ein Netzbetreiber die Identität eines
Teilnehmers überprüfen, der einen Dienst per Mobilfunkkanal anfordert.
Damit kann ein Mobilfunknetzbetreiber ausschließen, dass unbefugte
Personen keinen Zugriff auf das Netz bekommen. Nur berechtigte Personen
mit einer gültigen SIM-Karte wird ein Zugriff auf das Netz gewährt - dieser
Zugriff wird schließlich der "berechtigten" Person auch in Rechnung
gestellt.
Da vor jedem "Dienstantritt" die Identität jedes Kunden überprüft wird,
der auf das Funknetz zugreifen will, können ihm letztlich auch nur die
Kosten in Rechnung gestellt, die er selbst konsumiert hat. Der Kunde kann
damit auch nicht abstreiten, dass er die auf der Rechnung aufgelisteten
Dienste nicht selbst konsumiert hat - außer, ein Hacker hat seine SIM-
Karte kopiert und gibt sich fälschlicherweise als jener Kunde aus, was es
bei GSM im neuen Jahrtausend auch schon gegeben hat. Um diese
angesprochene Sicherheitslücke zu schließen, die sich bei GSM in den
letzten Jahren geöffnet hat, wurden beim Sicherheitskonzept von UMTS
von vorneherein robustere Methoden der Identitätsüberprüfung eingeführt.
EIR (EQUIPMENT IDENTITY R E GI S T E R)
• Es enthält eine Liste der IMEIs (International Mobile Equipment
Identities) der Mobilstationen. Jedem Gerät ist genau eine IMEI
zugeordnet, die weltweit eindeutig ist (d.h. es gibt auf der ganzen
Welt nur genau diese eine IMEI).
• Jede IMEI ist einem der drei folgenden Datensätze der Datenbank
zugeordnet:
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– White List: enthält alle uneingeschränkt nutzbaren Geräte
– Grey List: enthält alle Geräte, denen man "genauer auf die
Finger schauen" muss
– Black Liste: enthält alle Geräte, die nicht verwendet werden
dürfen, weil sie als verloren, gestohlen, oder defekt gemeldet
wurden

Funk- & Mobilenetze Grundlagen VLR - Visitor Location Register
12 VLR - VISITOR LOCATION REGISTER
Das VLR ist eine Datenbank und hat die Aufgaben die temporären Daten
der Mobilteilnehmer zu speichern. Da im Gegensatz zum Festnetz, wo alle
Teilnehmer fest mit der Vermittlungsstelle (MSC) verdrahtet sind, die
Teilnehmer frei in der Geographie beweglich sind, muss diesem Aspekt mit
einer Mobilitätsverwaltung Rechnung getragen werden. Dazu müssen die
sich ständig veränderbaren Daten der Mobilteilnehmer, also wo sie sich
gerade aufhalten, in einer Datenbank abgespeichert werden - im VLR. Die
temporären Daten dienen einerseits zur Mobilitätsverwaltung, andererseits
aber auch für Sicherheitsfunktionen. Bei fast allen Netzbetreibern, wird
jedem MSC (Mobile Switching Center) ein eigenes VLR zugewiesen, da das
MSC und das VLR einen regen Datenaustausch miteinander pflegen 3 . Im
VLR werden daher alle temporären Daten der Mobilteilnehmer abgelegt, die
sich im Verwaltungsbereich des MSC´s befinden.
Andererseits benötigt das VLR auch eine Verbindung zum HLR (Home
Location Register), da es bei Bedarf die darin zentral gespeicherten Daten
benötigt. Wird eine MS (Mobile Station = Handy) einige Tage nicht
eingeschaltet, so werden alle zu dieser MS zugehörigen Daten aus dem VLR
ausgetragen. Bei neuerlicher Aktivierung der MS muss ein neuer Datensatz
im VLR angelegt werden. Diese Daten werden zum Teil aus dem HLR/AUC
(das AUC-Authentication Center ist meistens mit dem HLR zusammen
realisiert) bezogen. Das HLR überträgt dabei Daten die sagen, welche
Services vom MSC durchgeführt werden dürfen und welche nicht.
12.1.1 Wichtige gespeicherte VLR-Daten
• Genormte Identitätsnummer: IMSI-Nummer (International Mobile
Subscriber Identity)
• Rufnummer MSISDN-Nummer (Mobile Subscriber ISDN)
• TMSI - Temporary Mobile Subscriber Identity
• LAI - Location Area Identity
• Sicherheitsdatentripel vom AUC: (RAND/ SRES und Kc)
• Daten über die unterstützen Dienste
• MSRN - Mobile Station Roaming Number
• Zustand der Mobilstation
TMSI - TEMPORARY MOBILE SUBS C R I BER IDENTITY
Die TMSI-Nummer ist eine temporäre Nummer und hat daher nur eine
begrenzte Gültigkeitsdauer sowie eine lokale Bedeutung. Im Normalfall
sollte vom VLR eine neue TMSI-Nummer berechnet und zugewiesen
3 MSC und VLR wird als eine Einheit realisiert.
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23
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Funk- & Mobilenetze Grundlagen VLR - Visitor Location Register
werden, wenn die TMSI-Nummer einmal über einen ungeschützten, also
unverschlüsselten, Funkkanal übertragen wurde.
Weiters werden die TMSI- und die LAI-Nummer benötigt, für eine
Rufdurchstellung bzw. Kontaktaufnahme zum Mobilteilnehmer. Dabei
definiert die LAI in welcher Zellengruppe des BSS (Verwaltungsgebiet des
BSC´s) sich der Mobilteilnehmer aufhält. Diese Zellengruppe nennt man
Location Area (LA). Es wird also nicht abgespeichert in welcher Zelle exakt
sich ein Teilnehmer aufhält, sondern in welcher Location Area. Das hat den
Vorteil, dass kein Location Update im VLR erfolgen muss, solange sich der
Mobilteilnehmer mit passivem Handy in der gleichen Location Area bewegt
und aufhält, wodurch Signalisierungsaufwand im GSM-Netz eingespart
werden kann. Die TMSI-Nummer wird für den Pagingruf und
Kontaktaufnahme verwendet (Location Update, kommendes und gehendes
Gespräch).
• Das Sicherheitstripel wird für die Authentisierung der Teilnehmer
und für die Datenverschlüsselung an der Funkschnittstelle benötigt.
• Die MSISDN-Nummer ist jene Nummer, die auf dem Telefon
eingetippt wird, also zB:
+43 664 20 12345
Dabei steht +43 für Österreich und 664 für den Netzbetreiber
"Mobilkom", 20 referenziert das logische HLR, da das HLR ähnlich einer
PC-Festplatte in mehrere Teile "partitioniert" ist. 12345 weist dabei auf
die exakte Speicherstelle, auf der die HLR-Daten des Teilnehmers zu
finden sind, dessen MSISDN-Nummer gewählt wurde.
• Die IMSI-Nummer ist ähnlich aufgebaut und ist international
genormt, was vor allem für internationales Roaming wichtig ist. Ihr
Aufbau ist:
232 01 20 123456
Dabei steht wieder 232 für Österreich, 01 für die "Mobilkom", 20 für
das HLR, und 123456 für die individuelle Nummer.
• Die MSRN-Nummer dient dazu, dass zB: bei einem vom Festnetz
kommenden Anruf zum richtigen geographischen MSC
weitergeroutet werden kann. Der geographische MSC kann
theoretisch auf der ganzen Welt liegen, dort wo ein GSM-Netz
installiert ist. Diese geographischen Informationen werden in der
MSRN-Nummer abgelegt.
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Funk- & Mobilenetze Grundlagen VLR - Visitor Location Register
A U S Z U G AU S D E R LISTE DER GSM-NETZBETREIBER
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Land, Netzbetreiber
mit Kennziffer (IMSI)
Land
MCC
3stellig
Betreiber
MNC
2stellig
Albania, Albanian Mobile Comms 276 1
Algeria, Algerian Mobile Network 603 1
Andorra, S.T.A. MobilAnd 213 3
Armenia, ArmenTel 283 1
Australia, Telstra Mobile Comms 505 1
Australia, Cable + Wireless Optus 505 2
Australia, Vodafone 505 3
Austria, MobilKom Austria A1 232 1
Austria, max.mobil.Telekoms Service 232 3
Austria, Connect Austria One 232 5
Telering 232 7
Telefonica Austria (nicht mehr aktuell - UMTS-
Frequenzen wurden von A1 gekauft)
232 8
Tele2 (Dienstanbieter über das Netz von one) 232 9
Hutchison 3G - 3 232 10
Azerbaijan, Azercell Telekom B.M. 400 1
Azerbaijan, J.V.Bakcell GSM 2000 400 2
Bahrain, Batelco 426 1
Bangladesh, Grameen Phone 470 1
Bangladesh, Sheba Telecom 470 19
Belgium, Belgacom Mobile Proximus 206 1
Belgium, Mobistar 206 10

Funk- & Mobilenetze Grundlagen HLR - Home Location Register
13 HLR - HOME LOCATION REGISTER
Das HLR ist eine Datenbank, die zentral in der GSM-Architektur aufgestellt
ist, und jeden Mobilteilnehmer Daten für das Management bereitstellt. Das
HLR speichert alle permanenten Teilnehmerdaten sowie einige relevante
temporären Daten - und das für sämtliche Teilnehmer eines Netzbetreibers.
Das HLR arbeitet sehr eng mit dem Authentication Center (AUC)
zusammen. Da das HLR eine Datenbank ist, die sehr viele Daten zu
verwalten hat (die Mobilkom Austria hat zB. schon fast 3 Millionen
Teilnehmer), wird das HLR hardwaremäßig durch mehrere Module
realisiert, die aber meistens geographisch am gleichen Platz aufgestellt
werden. Daher wird jedem aufgestellten HLR-Modul eine eigene HLR-
Nummer zugewiesen, wobei jedes einzelne HLR-Modul logisch wieder in
Unterpartitionen eingeteilt und durchnummeriert ist. Diese HLR-Nummern
sind sowohl in der MSISDN- als auch in der IMSI-Nummer wiederzufinden
(siehe unten).
13.1.1 Die wichtigsten Daten sind:
IMSI – INTERNAT I O N AL MOBI LE S U BSCRIBER IDENTITY:
Die IMSI-Nummer setzt sich aus mehreren Teilnummern zusammen und
dient zur internationalen Identifizierung von GSM-Mobilteilnehmern.
• MCC-MobileCountryCode,
• MNC-MobileNetworkCode,
• HLR-Nummer
• SN-SubscriberNumber
Beispiel:
232 steht für Österreich
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MCC MNC HLR SN
232 01 20 12345678
01 steht für das GSM-Netz der Mobilkom Austria
20 repräsentiert die logische HLR-Adresse
MSISDN – MOBILE SUBS CRIBER 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)
20 bestimmt das HLR
12345 individuelle Nummer

Funk- & Mobilenetze Grundlagen HLR - Home Location Register
MSRN – MOBILE STATION ROAMIN G NUMBER
Die MSRN-Nummer 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
Die MSRN-Nummer setzt sich aus mehreren Teilnummern zusammen und
dient zur internationalen Lokalisierung von GSM-Mobilteilnehmern.
VCC - Visitor Country Code,
VNDC - Visitor National Destination Code,
SN - Subscriber Number
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VMSC - Visitor Mobile Switching Center
VSN - Visitor Subscriber Number
VCC VNDC SN (VMSC + VSN)
Die VCC-Nummer ist die Länderkennzahl des besuchten GSM-Netzes, Die
VNDC-Nummer entspricht der Ortskennzahl, also der Bereich, in dem sich
der Teilnehmer aufhält. VMSC dient zur Kennzeichnung des aktuellen MSC-
Bereiches, VSN ist eine individuelle Teilnehmerkennung.
LAI - LOCATION AREA IDENTITY
Die LAI ist für die Mobilitätsverwaltung sehr wichtig. Kommt zB. vom
Festnetz ein Anruf zu einem Mobilteilnehmer, so muss dieser erst lokalisiert
werden. Dazu nimmt das VLR die LAI- und die TMSI-Nummer und sendet
per Funk in alle Zellen, die zu der entsprechenden LAI-Nummer gehören,
die TMSI-Nummer als Pagingruf aus. Die MS (Handy) erkennt an der TMSI-
Nummer, die sie ebenfalls auf der SIM-Karte gespeichert hat, ob sie
gemeint ist und schickt in diesem Fall eine Antwort zum GSM-Netz, woran
das GSM-Netz ganz genau die aktuelle Aufenthaltszelle erkennt und das
Gespräch durchstellen kann.
Die LAI besteht aus drei Kennfeldern, wobei die ersten zwei identisch mit
der IMSI-Nummer sind:
MCC - Mobile Country Code
MNC - Mobile Network Code
LAC - Location Area Code
MCC MNC LAC

Funk- & Mobilenetze Grundlagen GMSC - Gateway MSC
14 GMSC - GATEWAY MSC
ÜBERGANGSVERMITTLUNGSSTELLE
Das GMSC (Gateway Mobile Switching Center) operiert als MSC,
übernimmt aber noch die Funktionalitäten, die notwendig sind, um mit
einem fremden ISDN- bzw. PSTN-Netz (Public Switched Telefon Network =
Festnetz ) oder auch PLMN (Public Land Mobile Network = Mobilfunknetz)
zu kommunizieren. Das GMSC ist also das Eingangs- und Ausgangstor
zwischen dem eigenen GSM-Netz und allen anderen leitungsorientierten
Telefonnetzen (Festnetz oder anderes Mobilfunknetz). Das GMSC muss so
z.B. bei einem kommenden Anruf die einzelnen Informationen, die in der
Telefonnummer (MSISDN-Nummer) enthalten sind, auswerten und mit
Hilfe von Datenbanken (HLR und VLR) dem angewählten Mobilteilnehmer
des eigenen Netzes zuordnen. Das heißt, das GMSC erfüllt die ersten
Schritte bei der Wegfindung in die richtige, angesprochene Zelle.
Die Zusammensetzung der MSISDN-Nummer kann von Netzbetreiber zu
Netzbetreiber variieren (im Gegensatz zur IMSI-Nummer!) - nur das GMSC
des jeweiligen Netzbetreiber versteht die Zusammensetzung der MSISDN-
Nummer und kann so zum richtigen logischen HLR routen, um dort weitere
Informationen für das Mobilitätsmanagement zu bekommen.
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Funk- & Mobilenetze Grundlagen SGSN - Serving GPRS Support Node
15 SGSN - SERVING GPRS SUPPORT NODE
Der SGSN ist primär eine Vermittlungsstelle für Datenpakete, die
empfangene Datenpakete paketorientiert an einen definierten Ausgang
routen kann. Jeder SGSN ist für ein gewisses geographisches Gebiet
zuständig, um dort Dienstleistungen zu erbringen.
Von der Aufgabenseite her muss der SGSN äquivalente Funktionen für die
paketorientierten Dienste erfüllen wie die Einheit MSC /VLR dies für die
leitungsorientierten Dienste tut. Der SGSN muss also eine
Datensession, so nennt man einen paketorientierten Datendienst,
funktional aufbauen können, das Mobilitätsmanagement für alle Teilnehmer
seines Zuständigkeitsbereichs durchführen, Vergebührungsgrundlagen
beim Verbrauch interner Netzressourcen einer Verrechnungsstelle zur
Verfügung stellen und die Datenpakete entsprechend einem Router
weiterleiten. Zusätzliche Aufgaben sind die Verschlüsselung der
Datenpakete, Kompression der Datenpakete und Authentisierung.
15.1 GGSN - Gateway GPRS Support Node
Der GGSN befindet sich im Core Network (Vermittlungsnetz) und hat als
Gateway in GPRS- und UMTS-Netzen die Aufgabe, den Datenverkehr
zwischen externen PDNs (Packet Data Network - paketvermittelte
Übertragungsnetze) und Vermittlungsnetz (Packet Domain) des
Mobilfunknetzes (GPRS oder UMTS) zu koordinieren. Ein Gateway hat ganz
allgemein die Aufgabe, unterschiedliche Datentechniken aufeinander
anzupassen und auch eventuell unterschiedliche Datenraten aneinander
abzustimmen. Für das externe PDN (z.B. Internet) wirkt das Mobilfunknetz
wie ein gewöhnliches IP-Netzwerk, das durch den GGSN als Router am
externen PDN angeschlossen ist.
Außerdem muss der GGSN auch ein Vergebührungs-Ticket für alle
Mobilfunknetz-externen Ressourcen ausstellen - also alle Gebühren, die
außerhalb des Mobilfunknetzbetreibers anfallen bzw. in Rechnung gestellt
werden sollen (z.B. Leitung zum externen Internet).
Für den Internetzugang kann man sich den GGSN als Internet Service
Provider (ISP) vorstellen, der mit dem WorldWideWeb verbunden ist. Für
diese Funktion braucht der GGSN einen DNS- und einen DHCP-Server. Der
DNS-Server (Domain Name System) ist für die Auflösung der Urls, wie z.B.
www.telekom.at , in eine für den Rechner verständliche IP-Adresse
(xxx.xxx.xxx.xxx) verantwortlich. Da sich Texte leichter merken lassen als
Zahlen, wird das DNS verwendet. Der DHCP-Server (Dynamic Host
Configuration Protocol) erlaubt dem ISP, dass er einem Rechner bzw.
einem Client keine Fixe IP-Adresse für die Adressierung zuweisen muss,
sondern eine dynamische Adresse. Will ein Client einen Datenzugriff, so
wird im für die Dauer dieser Session eine noch freie IP-Adresse
zugewiesen.
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Funk- & Mobilenetze Grundlagen Einführung von R4 im Core
16 EINFÜHRUNG VON R4 IM CORE
MS
MS
UE
UE
Um
Um
Uu
Uu
BTS
Node
B
Vorteile der R4 (Release 4) Netzarchitektur:
1. Lokaler Sprachverkehr (Mobile zu Mobile) wird im Media Gateway ohne
Dekompression und anschließende Kompression durchgeschaltet
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30
Bildungszentrum
A-bis
Iub
BSC
A-ter
A-gprs
RNC
• bessere Sprachqualität, weil mit jeder Kompression-Dekompression
Qualitätseinbußen verbunden sind
• weniger Bandbreite ist erforderlich
2. Sprache ist durchgehend paketvermittelt (ATM im Access, IP im Core)
• erfordert weniger Bandbreite, weil Sprechpausen keinen Verkehr
erzeugen
3. Im Core wird neues Equipment eingesetzt (Media Gateway, ATCA), das
viele Einsparungsmöglichkeiten mit sich bringt, wie zB
• Strom- und Platzersparnis
• mehr Verkehr kann auf kleineren Systemen verarbeitet werden
(eine Einschubkarte des Media Gateways ersetzt ein ganzes 19"
Gestell des bisherigen MSC Systems)
4. Ein einziges IP-basierendes Transportnetz im Core (sowohl für das
Circuit als auch das Packet Core)
• kostengünstiger
T
R A
U
P
C
U
• einfachere Netzplanung
A
Gb
Iu-CS
Iu-PS
MGW
Aufgaben des MGW:
• Durchschalten der Sprachkanäle (inkl. Vergebührung)
• Kompression/Dekompression (falls erforderlich)
MGW
MSC
VLR
B
VLR
D
VLR
SGSN
SGSN
AuC
C
Gr
E
IP HLR
Gn
C
Gc
GMSC
GMGW
Signalling
Server
VLR
HLR
AuCEIR
(optional)
EIR
(optional)
GGSN
GGSN
N
Gi
FW
Telefonnetz
neue HW
Plattform
(basierend
auf ATCA)
Internet
FW privates
Netz

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Einführung von R4 im Core
BEISPIE LE FÜR KOMPONENTENIM UMTS ACCESS
≤ 125mW
Uplink
Downlink
Telekom Telekom Austria Austria
31
Bildungszentrum
Codierung,
Leistungsregelung,
Messungen
Antenne ≤ 45W
Antennenmast
Nortel/Alcatel Indoor Node B
Nortel/Alcatel Outdoor Node B
Duplexer
Tx Tx
Power
amplifier
digital
processing
Antennenkabel
(coax)
Indoor
Node B
Ein oder mehrere PCM-30 Leitungen
RNC
Nortel/Alcatel RNC

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Antennen
17 ANTENNEN
Eine Antenne ist ein Wandler für eine elektromagnetische Welle zwischen einer
Leitung und dem freien Raum. Antennen empfangen elektromagnetische Wellen
und senden bzw. strahlen sie ab. Angeschlossen wird die Antenne wie ein Zweipol.
Der Prinzipaufbau ist aber ein Vierpol, wobei zwei Pole keine feste physikalische
Verbindung haben. Stattdessen befinden sie sich im freien Raum.
Die Seite, die sich im freien Raum befindet steht unter starkem Einfluss ihres
Umfeldes, das auf die Antenneneigenschaften einwirken kann.
Im Prinzip ist jeder Draht eine Antenne oder kann leicht modifiziert dazu verwendet
werden. Das ist deshalb einleuchtend, weil jede Antenne aus Metall besteht.
17.1 Wie funktioniert eine Antenne?
Die Antenne ist der wichtigste Bestandteil einer Funkverbindung. Sie ist die
Schnittstelle zwischen dem Sender bzw. Empfänger und dem Übertragungsmedium,
dem freien Raum, der als Ausbreitungsmedium bezeichnet wird. Die Antenne hat
die Aufgabe das Hochfrequenzsignal als elektromagnetische Welle in die Umgebung
auszukoppeln bzw. einzukoppeln.
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32
Bildungszentrum
Eine Antenne ist ein offener
Schwingkreis.
Wegen dieser gewagten Behauptung
und auf Rücksicht vor unwissenden
Lesern will ich einen Schritt zurück
gehen und mich vom Schwingkreis zur
Antenne vorarbeiten. Weil es hier um
die Antenne und nicht um den
Schwingkreis geht, gibt es nur eine
kurze Einführung in den Schwingkreis.
Jeder Schwingkreis hat einen induktiven
und einen kapazitiven Anteil, der sich
als elektrische Bauelemente
Kondensator C und Spule L bemerkbar
macht. Im Schwingkreis wandert die
Energie vom Kondensator in die Spule
und wieder zurück. Dabei entsteht im
Kondensator ein elektrisches, in der
Spule ein magnetisches Feld. Die Felder
wechseln sich periodisch ab.

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Antennen
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33
Bildungszentrum
Aufgrund des geringen Kondensator-
Plattenabstandes ist die Außenwirkung
des elektrischen Feldes gering. Im
Gegenteil, das elektrische Feld befindet
sich innerhalb des Kondensators. Wird
der Plattenabstand vergrößert, wird
auch das elektrische Feld nach außen
wirksam.
Öffnet man den Schwingkreis auf einen
gestreckten Leiter, so hat man einen
offenen Schwingkreis. Wie der
geschlossene Schwingkreis hat auch der
offene Schwingkreis eine
Eigenresonanzfrequenz, mit der das
elektrische und das magnetische Feld
wechselt.
Führt man in der Mitte des Leiters Energie
zu, so erhält man die einfachste Antenne,
den Dipol
Wird der Kondensator C-C' von einer
Signalquelle aufgeladen, entsteht ein
elektrisches Feld. Wenn die Ladung beendet
ist, verteilt sich die Energie des elektrischen
Feldes in seiner Umgebung. Ändert sich die
Stromrichtung der Signalquelle wandert ein
Teil der Energie wieder in die Signalquelle
zurück. Diese Energie wird in der
Induktivität (Spule) gespeichert. Der andere
Teil der Energie wird zur magnetischen
Feldenergie, die durch den Entladestrom
durch den Leiter aufgebaut wird. Dieser Teil
wird abgestrahlt.
Während einer Periode strahlt die Antenne
abwechselnd elektrische und magnetische
Energie ab. Den Vorgang, bei dem die
Richtung der Felder periodisch wechseln
nennt man Wellenvorgang.
Die einfachste Antenne, der Dipol, besteht
aus zwei Drähten. Häufig findet man diese
Art der Antenne bei UKW-Tunern als
Wurfantenne. Durch den ungeschirmten
Draht fließt Strom. Dabei entsteht ein
Magnetfeld. An den Spitzen der Drähte
bauen sich Ladungen auf und erzeugen ein
elektrisches Feld. Magnetisches und
elektrisches Feld strahlen abwechselnd in
den freien Raum.

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Antennen
D E R DIPOL
Der Dipol ist Teil fast jeder Antenne. Genau genommen handelt es sich um den
Λ/2-Dipol. Das elektrische Feld (E) wird durch die Spannung U, das magnetische
Feld H wird durch den Strom I erzeugt. Die Verteilung der Amplituden des
elektrischen und magnetischen Feldes, entsprechend der Spannungs- und
Stromverteilung auf den Dipol.
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34
Bildungszentrum

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Antennen
17.2 Antennentypen
Meist werden zwei verschiedene Typen von Antennen verwendet:
Rundstrahler (omnidirectional antenna):
Wellen werden in einem 360° Kreis
ausgestrahlt. Für Planungszwecke wird eine
Zelle aber als gleichmäßiges Sechseck
modelliert. Das hat den Vorteil, dass man
auf dem Papier Zellen schön nebeneinander
anordnen kann, ohne dass sie sich
überschneiden (siehe nächste Seite). Bei
Kreisen geht das bekanntlich nicht.
Diese Type von Antennen wird
hauptsächlich in großflächigen aber
bevölkerungsarmen Gebieten verwendet.
Beispiel:
Dipol Antenne (bar antenna) mit einem λ/2
Dipol
Beispiel:
Dipol Antenne mit 8 λ/2 Dipolen
Beispiel:
symbolisch:
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35
Bildungszentrum
Zellradius
Indoor Rundstrahler
Sektoren Antenne (sectoral antenna):
Bei einer 3-Sektoren Antenne werden die
Wellen im Winkel von 120° gebündelt
ausgestrahlt. Drei dieser Antennen
zusammengeschaltet ergeben dann wieder
den Ausstrahlwinkel von 360°. Für
Planungszwecke wird eine ein Sektor als
gleichmäßiges Sechseck modelliert. Drei
Sektoren zusammengenommen ergeben
ebenfalls ein Sechseck.
Übrigens: Es gibt auch Antennen mit 60°
Abstrahlwinkel, sog. 6-Sektoren Antennen.
Beispiel:
Antennenfeld (auch Panelantenne genannt)
für einen Sektor
6 λ/2
Dipole
Beispiel:
Sektor 1
symbolisch:
6 Reflector
Dipole
Sektor 2
Zellradius
Sektor 3
Antennenfeld für Indoor Anwendungen

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Antennen
W ARUM MAC H T M A N E I G E N T LI CH ZE L LEN ?
1. Wegen der Reichweite
Jeder kann sich vorstellen, dass ein kleines Handy in
Vorarlberg nicht so viel Leistung abstrahlen kann, dass es
von einer Basisstation empfangen werden kann, wenn diese
im Zentrum von Österreich steht, irgendwo auf einem Berg in
den Zentralalpen.
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36
Bildungszentrum
GSM:
max. 8 Handies
UMTS:
max. 80 Handys
2. Wegen der Kapazität des Netzes (damit möglichst viele Teilnehmer versorgt werden
können)
Wenn in einer Funkzelle nur ein 200kHz breiter GSM Funkkanal verwendet wird (der
natürlich mittels Lizenz erworben wurde!), dann können maximal 8 Handys gleichzeitig
telefonieren.
Bei einem 5MHZ breiten und ebenfalls lizenzierten UMTS Funkkanal wären es zumindest ca.
80 Handys.
Trotzdem: Nur 8 bzw 80 Handys in ganz Österreich ist wohl nicht das große Geschäft für
einen Netzbetreiber, zumal die Funklizenzen doch ziemlich teuer sind.
Wie man sieht wäre auch die Zellplanung nicht ganz leicht. Da Österreich nicht die Form
eines Kreises bzw. Sechsecks aufweist, würden mit einer einzigen Basisstation auch große
Teile des benachbarten Auslandes mitversorgt, oder aber Teile Österreichs nicht versorgt
sein.
Antennenstandort
mit Rundstrahler-Antenne
GSM: max. 8 Handys
UMTS: max. ca. 80 Handys

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Antennen
Die Lösung beider Probleme:
Verkleinern der Zellen, dafür mehr Zellen im gesamten Versorgungsgebiet.
Anm:
Kleinere Zellen haben noch einen anderen Vorteil: Je mehr Zellen man
verwendet, umso mehr Frequenzen werden frei. Man stelle sich eine
Zellstruktur vor, in der keine Zelle mehr als etwa 1km im Umkreis misst.
Zwei Mobiltelefone, die nur 5km voneinander entfernt sind, befinden sich
somit bereits in der übernächsten Zelle. Es liegt also eine Zelle zwischen
ihnen, die keiner von beiden verwendet. Folglich ist es zumeist
unproblematisch, dass diese beiden Mobiltelefone dieselbe
Sende/Empfangsfrequenzen benutzen. Wäre die Zelle hingegen 5km groß,
wären beide im Normalfall in der selben Zelle und eine Übertragung der
gleichen Frequenz würde zu massiven Störungen führen, weshalb es in
GSM generell ausgeschlossen wird.
Antennenstandort
mit 3-Sektoren-Antennen
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37
Bildungszentrum
GSM: max. 8 Handys
UMTS: max. ca. 80 Handys
Hier sieht man nun auch den
Vorteil der 3-Sektoren Technik
sehr gut. Nämlich dass mit der
gleichen Anzahl von Standorten
(Sites) die Kapazität verdreifacht
werden kann.
Die Funkzellen werden im
Vergleich zur 1-Sektoren Technik
nochmal um den Faktor 3
verkleinert.
Mit dem Verkleinern der Funkzellen sinken natürlich auch die
Strahlenwerte, weil für einen fehlerfreie Empfang weniger Leistung
ausgestrahlt werden muss, sowohl vom Handy als auch von der
Basisstation.
Quelle: Forum Mobilkommunikation
Eine Grenzwertsenkung um den Faktor 100 würde eine völlige
Neuplanung und Verdichtung innerstädtischer Netze erfordern. Die
Kosten für die Errichtung von Infrastruktur würden sich dadurch um 30
Prozent erhöhen."

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Antennen
Zellen in der Realität
für Planung:
in Wirklichkeit:
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38
Bildungszentrum
Zellen müssen sich überlappen:
Bündig würde bedeuten, dass man genau im
Schnittbereich von zwei Sendebereichen, weder vom
einen noch vom anderen Bereich einen guten
Empfang hat. Somit legt man die Mobilfunkzellen so,
dass sich die tatsächlich möglichen Sendebereiche
überlappen. In den Randbereichen, sind also auch
die Nachbarzellen bereits empfangbar. Dadurch
können die Mobiltelefone praktisch ohne
Unterbrechung zu einer anderen Zelle "umschalten"
(sog. Handover). Rein konzeptionell geht man bei
Zellen aber von dicht aneinander gepackten Waben
(6-Ecken) aus. Zwar ist der Sendebereich größer,
aber vorrangig zuständig ist immer nur die
Basisstation der jeweiligen wabenförmigen Zelle. Der
Überlappungsbereich dient somit nur als Reserve. Es
ergibt sich somit eine Bienenwabenstruktur, wenn
man so eine Ansammlung an Zellen betrachtet.
Zellen haben unterschiedliche Größe:
Die Zellgröße richtet sich nach dem zu
erwartenden Teilnehmeraufkommen.
Omnidirektionale und Sektorenzellen sind gemischt:

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Antennen
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39
Bildungszentrum
Zellen können sich auch vollständig überlappen:
Viele kleine Zellen bringen natürlicherweise auch viele
Handovers mit sich. Um dieses Problem zu lösen wurde
das Konzept der Umbrellazellen eingeführt. Eine
Umbrellazelle deckt mehrere Kleinzellen ab. Wenn sich
eine Mobilstation z.B. mit sehr hoher Geschwindigkeit
durch ein Gebiet mit vielen kleinen Zellen bewegt,
müssten dauernd Handovers gemacht werden. Da ein
Handover jedoch relativ aufwendig ist, versucht man
diese Situation zu vermeiden, in dem man das Gespräch
einer Mobilstation, die sich schnell bewegt, über die
Umbrellazelle laufen lässt. So bleibt die Mobilstation
länger in derselben Funkzelle, in diesem Fall eben in der
Umbrellazelle.
Runde Zellen sind nicht wirklich rund:
Die Darstellung als Sechseck ist an sich schon
sehr idealisiert, denn eine Zelle mit einem
Rundstrahler hat ja immer noch einen Kreis als
Sendebereich. Tatsächlich ist es aber noch viel
schlimmer! Topologie der Landschaft und die
Bebauung verändern den Sende- bzw.
Empfangsbereich enorm. Hinter einem großen
Haus oder einem Berg gibt es so etwas wie einen
"Funkschatten", also Bereiche, die einen von der
Basisstation abblocken. In einer normalen Stadt
sieht der tatsächliche Sendebereich einer
Basisstation deshalb nicht mehr kreisförmig aus,
sondern beispielsweise wie in der Grafik
dargestellt. Entlang von Straßenzügen reicht der
Sendebereich oft sehr weit, durch Häuserblocks
hindurch erfolgt eine starke Dämpfung. Man muss
also viel stärkere Überlappungen in Kauf nehmen
und braucht deutlich mehr Mobilfunkmasten. Es ist
also sinnvoller, lieber 20 Mobilfunkmasten
gleichmäßig zu verteilen und weniger stark senden
zu lassen, also zu versuchen mit einem Masten
und mit sehr hoher Sendeleistung ein größeres
Gebiet zu erreichen.

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Mobilität
18 MOBILITÄT
J E T Z T W I R D E S ZEIT, DIE DINGE ZUSAMMENZULEGEN
MS
MS
UE
UE
Um
Um
Uu
Uu
BTS
Node
B
A-bis
Iub
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40
Bildungszentrum
BSC
A-ter
T
R A
U
A-gprs P
C
U
RNC
Gb
Iu-CS
A
Iu-PS
MGW
Sepp
Matheis,
wohnhaft
in Wien,
Kulterer
Klaus,
Kapsch
Mitarbeite
MSC
B
VLR
SGSN
D
VLR
AuC
C
Gr
E
HLR
Gn
C
Gc
GMSC
EIR
(optional)
GGSN
RNC
MSC
1
VLR
1
RNC
N
Gi FW
Telefonnetz
Internet
FW privates
Netz
MSC
3
VLR
3
HLR
98
MSC
2
VLR
2
HLR
99

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Mobilität
43 664 99 11111
ausgeschaltet
1
Node
B
43 664 99 22222
ausgeschaltet
2
Node
B
43 664 99 33333
ausgeschaltet
3
4
5
6
7
8
Node
B
43 664 99 44444
ausgeschaltet
Node
B
Node
B
Node
B
Node
B
Node
B
43 664 98 55555
ausgeschaltet
Node
B
43 664 98 66666
ausgeschaltet
Node
B
43 664 98 77777
ausgeschaltet
Node
B
43 664 98 88888
ausgeschaltet
Node
B
Telekom Telekom Austria Austria
41
Bildungszentrum
ATM
ATM
ATM
ATM
ATM
ATM
AUSGANGSZUSTAND
RNC
RNC
RNC
RNC
RNC
RNC
ATM
Media
Gateway
Media
Gateway
Media
Gateway
MSC 1
MSC 3
VLR 3
VLR 1
MSC 2
MSC 3
VLR 3
VLR 2
MSC 3
MSC 3
VLR 3
VLR 3
TDM
GMSC
Telefonnetz
AuC
HLR
(99)
permanente temporäre
Daten Daten
1 43 664 99 11111 detached
2 43 664 99 22222 detached
3 43 664 99 33333 detached
4 43 664 99 44444 detached
AuC
HLR
(98)
permanente temporäre
Daten Daten
5 43 664 98 55555 detached
6 43 664 98 66666 detached
7 43 664 98 77777 detached
8 43 664 98 88888 detached

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Mobilität
Sobald das Handy
eingeschaltet wird, macht
es einen Location Update.
1
Node
B
ausgeschaltet
2
Node
B
ausgeschaltet
3
4
5
6
7
8
Node
B
ausgeschaltet
Node
B
Node
B
Node
B
Node
B
Node
B
ausgeschaltet
Node
B
ausgeschaltet
Node
B
ausgeschaltet
Node
B
ausgeschaltet
Node
B
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42
Bildungszentrum
ATM 1) "Ich will einen ATM
Location Upate machen"
ATM
ATM
ATM
ATM
ATM
7
1
4
7) "Bitte diese
TMSI verwenden
RNC
4) "Bitte
Verschlüsselung
einschalten"
RNC
RNC
RNC
RNC
RNC
"Einbuchen" von Handy 1
(CS Location Update)
Media
Gateway
Media
Gateway
Media
Gateway
MSC 1
MSC 3
VLR 3
VLR 1
temporäre
Daten
1 TMSI, Key
6) "Hier sind seine Daten"
6
MSC 2
MSC 3
VLR 3
VLR 2
MSC 3
MSC 3
VLR 3
VLR 3
TDM
2
3) "Hier, ein
Key für dich"
3
5
5) "Handy 1 ist bei mir;
gib mir seine Daten"
GMSC
Telefonnetz
2) "Gib mir einen Key"
AuC
HLR
(99)
permanente temporäre
Daten Daten
1 43 664 99 11111 in VLR 1
2 43 664 99 22222 detached
3 43 664 99 33333 detached
4 43 664 99 44444 detached
AuC
AuC
HLR
(98)
permanente temporäre
Daten Daten
5 43 664 98 55555 detached
6 43 664 98 66666 detached
7 43 664 98 77777 detached
8 43 664 98 88888 detached
Es gibt Situationen, wo eine Mobilstation nach dem Einschalten neuerlich einen Location Update machen muss:
• periodisch dann, wenn sich eine Mobilstation im Einflussbereich (Location Area) des gleichen VLR
aufhält (z.B. alle 6 Stunden)
• sobald eine Mobilstation den bisherigen Einflussbereich verlässt und in einen anderen kommt
(zu einem anderen VLR).
• Bei jedem neuen Rufaufbau.

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Mobilität
1
2
3
4
5
6
7
8
1)
"Ich möchte einen Call zu
4366488888 aufbauen
43 664 99 11111
Node
B
ausgeschaltet
Node
B
ausgeschaltet
Node
B
ausgeschaltet
Node
B
Node
B
Node
B
Node
B
Node
B
ausgeschaltet
Node
B
ausgeschaltet
Node
B
ausgeschaltet
Node
B
43 664 98 88888
Node
B
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43
Bildungszentrum
7
7
7
7
1
ATM
ATM
ATM
ATM
ATM
ATM
RNC
RNC
RNC
RNC
RNC
7)
Liebes Handy melde dich; in
welcher Zelle bist du?
(Paging = ausrufen)?
8
RNC
7
7
8) Hier bin ich (Paging
Response)
Rufaufbau
von Handy 1 zu Handy 8
ATM
Media
Gateway
Media
Gateway
Media
Gateway
9
9) Rufaufbau
1
8
MSC 1
MSC 3
VLR 3
VLR 1
temporäre
Daten
TMSI, Key
MSC 2
MSC 3
VLR 3
VLR 2
6
6)
Ich möchte einen
Call zu
4366488888
aufbauen
MSC 3
MSC 3
VLR 3
VLR 3
temporäre
Daten
TMSI, Key
TDM
5
GMSC
Telefonnetz
AuC
HLR
(99)
permanente temporäre
Daten Daten
1 43 664 99 11111 in VLR 1
2 43 664 99 22222 detached
3 43 664 99 33333 detached
4 43 664 99 44444 detached
2 2)
Sende mir die Routing Information
zu 4366488888
(in welchem VLR ist das gerufene
Handy engebucht?)
5)
4366488888 ist in
VLR 3 engebucht;
die MSRN ist .....
AuC
HLR
(98)
permanente temporäre
Daten Daten
5 43 664 98 55555 detached
6 43 664 98 66666 detached
7 43 664 98 77777 detached
8 43 664 98 88888 in VLR 3
4
4)
Hier hast
du die
MSRN
3
3)
Schick mir bitte die
Mobile Station
Roaming Number
(MSRN) von
4366488888

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Mobilität
Telekom Telekom Austria Austria
44
Bildungszentrum
Handover
Eine wichtige Eigenschaft von Mobilnetzen besteht darin, dass die Handys
mobil sein können. Im Gegensatz zu WLANs, wo der Laptop zwar mobil
ist, aber immer mit dem gleichen Access Point verbunden sein muss.
Handover heißt, dass ein Mobilnetz eine Verbindung bei Bedarf von Zelle
zu Zelle, und von Basisstation zu Basisstation weiterreicht. Dabei bleibt
die Gesprächsverbindung aufgebaut. Handovers gibt es nicht nur für
Sprachverbindungen, sondern auch für Datensessions.
Als Handover wird auch der Wechsel der Access Technologie bezeichnet,
wie zB von UMTS zu GSM (3G-2G) bzw. von GSM zu UMTS (2G zu 3G).
Es werden Mobilitäts-Geschwindigkeiten unterstützt, die normalerweise
mit Autos erzielbar sind.
Ein Handover wird dann vom RNC/BSC initiiert, wenn der empfangene
Signalpegel und/oder die empfangene Signalqualität von der neuen Zelle
(Nachbarzelle) besser als die der aktuellen Zelle wird. Beide Kriterien
Signalpegel und Signalqualität werden in beiden Übertragungsrichtungen
permanent überwacht, sprich gemessen.
Je nachdem, von wo nach wo die Verbindung weitergereicht wird,
unterscheidet man verschiedene Handover-Fälle.
• GSM Bezeichnung: Intra Cell Handover
• UMTS Bezeichnung: Hard Handover

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Services
19 SERVICES
G E N E R E LLE VERKEH R S K LA S S E N
Generell und im speziellen bei UMTS sind vier Verkehrsklassen (traffic
classes) definiert. Aufbauend auf diesen Klassen wurden und werden die
erforderlichen Spezifikationen für die Mobilnetze erstellt, wie zB für die
Funkschnittstelle, das Core etc. Die vier Verkehrsklassen sind:
Conversational
– Geeignet für Echtzeit Sprache (Telefongespräche) und Echtzeit
Videoübertragung (Videotelefonie).
– QoS Anforderungen an das Netz: Delay und Delay-Jitter müssen
gering sein.
Streaming
– Diese Klasse ist für Audio- und Videostreaming geeignet. Darunter
versteht man die Übertragung von multimedialen Daten über ein Netz,
wobei ein Datenstrom erzeugt wird, dessen Informationen
kontinuierlich in Echtzeit am Endgerät wieder in Bilder bzw. Töne
umgewandelt werden. Streaming ist also das Gegenstück zum weit
verbreiteten Download von Videodaten oder Musikstücken (z.B. MP3s),
bei dem die gesamte Datei zuerst auf dem lokalen Endgerät abgelegt
werden muss, bevor sie abgespielt werden kann. Streaming ermöglicht
dadurch weit kürzere Wartezeiten und damit einen schnelleren Zugang
zu den Medien. Da die Daten nicht gespeichert werden, müssen sie bei
jedem Abspielen neu übertragen werden. Ein durch Download
abgespeichertes Video kann im Gegensatz dazu beliebig oft angesehen
und als Datei auch kopiert werden (was durch DRM = Digital Rights
Management - unterbunden werden kann). Wegen des geringen
Speicherbedarfs und des schnellen Zugangs ist Streaming eine
geeignete Technologie für die Videoübertragung auf Handys, hier
kommen spezielle Formate wie z.B. MPEG-4 oder H.263 in Frage.
Neben der „Video on Demand“ Übertragung, bei der der Benutzer
selbst wählen kann, wann er welches Video ansehen möchte, existiert
auch das sogenannte „Live streaming“, welches durchgehende
Direktübertragungen mit wenigen Sekunden Verzögerung erlaubt.
– QoS Anforderungen an das Netz: Hier ist der absolute Delay nicht so
entscheidend, sehr wohl aber der Delay-Jitter.
Interactive
– Geeignet für Terminal-Host Anwendungen wie zB Telnet bzw. SSH
– QoS Anforderungen an das Netz: Die Verlustrate (loss ratio) muss
gering sein
Background
– Geeignet für unkritische Anwendungen wie Web, Mail, File Transfer
etc.
– QoS Anforderungen an das Netz: Keine
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45
Bildungszentrum
Delay
Sensitive (DS)
Non Delay
Sensitive (NDS)

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Services
BRUTTO VERSUS N E T T O DATENRATEN
GSM Sprachverbindung:
a
n
a l
o
g
d i
g ital
128kb/s,
104kb/s,
64kb/s
d
i
g
Quell
ital codierung netto Kanal-
Bitrate
codierung
128kb/s EFR 12.2kb/s
a
n
(channel
a
l
(source
coding)
o
coding)
g
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46
Bildungszentrum
Quell
codierung
EFR
FR
HR
(source
coding)
UMTS Sprachverbindung:
netto
Bitrate
12.2kb/s,
13.0kb/s,
6.5kb/s
Kanal-
codierung
(channel
coding)
EFR.....Enhanced Full Rate
FR.......Full Rate
HR.......Half Rate
Uplink
Übertragungskanal
Downlink
Übertragungskanal
brutto
Bitrate
Uplink und Downlink
Übertragungskanal
22.8 kb/s
Störungen
(interferences)
brutto
Bitrate
Uplink und Downlink
Übertragungskanal
60 kb/s
Störungen
(interferences)
Kanal-
codierung
(channel
coding)
Kanal-
codierung
(channel
coding)
BSC,
RNC
netto
Bitrate
12.2kb/s
13.0kb/s
6.5kb/s
netto
Bitrate
12.2kb/s
Bevor wir uns mit den diversen Datenraten von GSM, GPRS und UMTS beschäftigen, wollen wir
zunächst einen kurzen Blick auf die besonderen Eigenschaften von Funkübertragungen werfen.
Generell kann man sagen, dass die Übertragung von Information von der Quelle bis zur Senke
über (durch) einen Kanal aus folgenden Funktionen besteht:
Quellcodierung:
Dabei wird die Quellinformation von "unnötigen" bzw. "überflüssigen" Bits befreit, die nicht
übertragen werden müssen, weil sie wenig Informationsgehalt haben. D.h. auch ohne diese
Bits kann der Empfänger aus dem empfangenen Bitstrom einwandfrei die Information (z.B.
Sprache) wiederherstellen. Dadurch, dass weniger Bits durch den Kanal übertragen werden
müssen, kann man Übertragungskanäle mit geringerer Bandbreite verwenden.
Beispiele für Quellcodierung sind Sprachkompressionen (G.726, G.728, G.729) und auch
Videokompressionen (MPEG2, MPEG4).
Kanalcodierung:
Die Kanalcodierung macht paradoxerweise wieder das Gegenteil, sprich erhöht die Bitrate, die
vorher reduziert wurde. Aber es werden nicht irgendwelche x-beliebigen Bits dazugegeben,
auch nicht die gleichen Bits, die vorher durch die Quellcodierung entfernt wurden. Nein, der
Kanalcodierer gibt kanal-spezifische Bits dazu, die dem Empfänger helfen, Bitfehler, die durch
Störungen auf dem Übertragungskanal entstanden sind, in Echtzeit korrigieren zu können.
Dass alle Bitfehler beseitigt werden können, ist aber nicht möglich und auch nicht notwendig.
Hin und wieder ein falsches Bit macht den Sprachkanal deswegen nicht ganz unverständlich.
Bekannte Verfahren der Kanalcodierung sind Paritätsbits, Prüfsummen, Faltungscodes etc.
Besonders Funkkanäle sind sehr störungsanfällig, daher ist dort eine leistungsfähige
Kanalkodierung erforderlich, was wiederum die Brutto-Bitrate im Kanal erhöht.
Drahtgebundene Übertragung, zB über Kupfer- oder Glasfaserleitungen, kommt meist ohne
(brutto = netto) bzw. mit sehr geringer Kanalcodierung aus.
TRAU,
MGW
Quell
codierung
(source
coding)
Quell
codierung
(source
coding)
64kb/s
64kb/s

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Services
IP DATENRATEN BEI GPRS
Keine Quellcodierung
bei IP !!!
netto Bitrate
9.05
kb/s
netto Bitrate
[kb/s]
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47
Bildungszentrum
Kanalcodierung
(Coding Scheme)
CS 1
Codierschema
(Coding Scheme)
9.05 CS 1
13.4 CS 2
15.6 CS 3
21.4 CS 4
GPRS Kanäle sind "shared":
Uplink
Übertragungskanal
Downlink
Übertragungskanal
brutto Bitrate
22.8
kb/s
brutto Bitrate
[kb/s]
22.8
BSC PCU SGSN
Bei GSM/GPRS ist die Bruttobitrate 22.8kb/s pro
Übertragungskanal (Timeslot), die gleiche übrigens wie bei
GSM Sprache. Es stehen nun aber unterschiedliche
Kanalcodierverfahren bzw. Schemata zur Verfügung, die dem
Anwender verschiedene netto Datenraten ermöglichen.
Am wenigsten Durchsatz, nämlich effektiv bzw. netto nur
9.05kb/s bekommt er, wenn er das Schema 1 verwendet.
Dafür sind in seinem brutto Datenstrom sehr viele Prüf- und
Redundanzbits enthalten, die ihm eine nahezu fehlerfreie
Übertragung ermöglichen. Dieses Schema wird daher bei sehr
schlechten Funkverbindungen eingesetzt, bzw. dann, wenn eine
absolut fehlerfreie Übertragung erforderlich ist.
Schon etwas mehr Durchsatz hat der Anwender mit dem
Schema 2, nämlich 13.4kb/s. Da in diesem Fall aber nicht mehr
soviele Prüf- und Redundanzbits übertragen werden können,
sind dann natürlich auch die Möglichkeiten begrenzter, Bitfehler
korrigieren zu können. Anders gesagt: Bei gleichen
Funkbedingungen bietet Schema 1 eine geringere Bitfehlerrate
als Schema 2.
Dann gibt s noch das Schema 3 mit netto 15.6kb/s und das
Schema 4 mit netto 21.4kb/s Durchsatz. Bei letzterem sind
aber nur mehr sehr wenige Fehlerkorrekturmechanismen
eingebaut, daher kann es sein, dass dabei die Bitfehlerrate
auch bei guten Funkbedingungen sehr hoch wird.
Der große Vorteil von GPRS ist, dass der Funkkanal nur dann belegt wird, wenn tatsächlich Daten übertragen werden.
Gerade Anwendungen wie das Surfen im Web haben viele Leerlaufzeiten, in denen keine Daten übertragen werden, weil
der Anwender eine vorher geöffnete Seite betrachtet (Untersuchungen zeigten, dass nur in 1/3 der im Netz verbrachten
Zeit Daten übertragen werden).
In Leerlaufzeiten des einen Anwenders kann bei GPRS der Funkkanal von einer anderen Mobilstationen genutzt werden.
Im oben genannten Beispiel des Web Browsing bedeutet dies, dass in den zwei Dritteln der Zeit, in der ein Kunde den
Funkkanal nicht benötigt, zwei andere Kunden bedient werden können. Daher ist die paketorientierte Datenübertragung
mit GPRS etwa dreimal so effizient, wie die verbindungsorientierte Datenübertragung mittels GSM.
Wenn ein Teilnehmer gerade keine Daten überträgt, bleibt er online und im Netz eingebucht. Der durch den Teilnehmer
gerade nicht benötigte teure Funkkanal wird einem anderen Kunden zur Datenübertragung zur Verfügung gestellt.
GPRS ermöglicht es dem Kunden, stundenlang online zu sein ohne einen Funkkanal zu belegen. Der Verbindungsaufbau
geht wesentlich rascher vor sich, als zum Beispiel im GSM, weil nur zwischen dem GPRS Handy und der
nächstgelegenen Sendestation vereinbart werden muss, welcher Funkkanal gerade frei ist und somit zur
Datenübertragung zur Verfügung gestellt werden kann. Alle weiteren Anmelde- und Verbindungsprozeduren im Netz
fallen weg. Somit ist der Teilnehmer ständig online und erreichbar.
Vergebührt wird bei GPRS nicht nach der Dauer der Verbindung, sondern nach der übertragenen Datenmenge. Also
bringt GPRS beiden was: Dem Netzbetreiber, weil er seine Funkressourcen besser ausnutzen kann, und dem
Subscriber, weil die Datenanwendung billiger für ihn ist als wenn er es über eine Modem-ähnliche GSM Verbindungen
machen würde.
Ein Nachteil von shared GPRS Kanälen im Vergleich zu dedizierten GSM Kanälen sollte aber trotzdem nicht unerwähnt
bleiben: "Shared" heißt natürlich auch "teilen müssen". Während ein GSM Kanal einer Mobilstation exklusiv zugeordnet
und der Datendurchsatz daher garantiert ist, kann es bei GPRS passieren, dass der erzielbare Datendurchsatz
gelegentlich weit unter den in der Werbung versprochenen Werten liegt. Nämlich dann, wenn in einer Zelle viele GPRS
Mobilstationen datenintensive Anwendungen nutzen wollen.

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Services
BÜNDELN VON TI M E S LOTS BEI GPRS
Anzahl von
gebündelten
Timeslots
1
2
3
4
5
6
7
8
maximale
netto Bittrate
[kb/s]
21.4
42.8
64.2
85.6
107.0
128.4
149.8
171.2
Telekom Telekom Austria Austria
48
Bildungszentrum
netto Bitrate
21.4
kb/s
21.4
kb/s
Kanal-
codierung
Uplink
Trägerfrequenz f1
mit 200kHz Bandbreite
Timeslot 1
Timeslot 2
Timeslot 3
Timeslot 4
Timeslot 5
Timeslot 6
Timeslot 7
Timeslot 8
Timeslot 1
Timeslot 2
Timeslot 3
Timeslot 4
Timeslot 5
Timeslot 6
Timeslot 7
Timeslot 8
Downlink
Trägerfrequenz f2
mit 200kHz Bandbreite
brutto Bitrate
22.8
kb/s
22.8
kb/s
BSC PCU SGSN
21.4kb/s maximaler netto Durchsatz bei einer GPRS Verbindung mit Codierschema 4 ist ja nicht
gerade berauschend. Wo bleiben also die in der Werbung immer versprochenen 170kb/s GPRS
Durchsatz?
Ja, es gibt tatsächlich auch bei GPRS höhere Bitraten, nicht nur bei UMTS, und zwar mit einem ganz
einfachen Trick: Auf einem GSM Trägerkanal mit 200kHz Bandbreite stehen mit einem
Zeitmultiplexverfahren 8 Zeitschlitze (Timeslots) für Verbindungen zur Verfügung. Es können also 8
Gespräche gleichzeitig geführt werden. Ein IP Endgerät (Handy oder Notebook) kann ebenfalls einen
dieser 8 Timeslots für eine GPRS Datenverbindung nutzen, und bekommt dann, wie wir gesehen
haben, max. 21.4kb/s Durchsatz.
Wenn die Mobilstation mehr Durchsatz benötigt, kann es nun mehrere dieser Timeslots gleichzeitig
nutzen, natürlich nur, falls welche frei sind. Man spricht in diesem Fall von Bündeln von Timeslots bzw.
Bündeln von Kanälen. Unter einem Kanal versteht man dann aber den Timeslot, und nicht den
gesamten Frequenzkanal mit den 8 Timeslots.
GPRS Mobilgeräte werden hinsichtlich Kanalbündelung in Klassen eingeteilt. Eine bestimmte Klasse
gibt an, wie viele Kanäle das Gerät im Uplink und im Downlink bündeln kann.
Die Vorteile von GPRS zusammengefasst:
• GPRS bringt dem Kunden eine höhere Datenübertragungsgeschwindigkeit
• Paketorientierte Datenübertragung ist effizienter als leitungsvermittelte Datenübertragung. Das
erlaubt es, dass eine Verbindung "always-on" bleiben kann. Funkressourcen werden nur dann
belegt, wenn Daten übertragen werden. Vergebührung erfolgt auf Basis der übertragenen
Datenmenge.

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Services
IP DATENRATEN BEI UMTS
R99:
R99:
R99 Kanäle sind dediziert, d.h. jede Mobilstation hat auf der Funkstrecke
seinen eigenen Datenkanal zur Verfügung, den sie nicht mit anderen
Mobilstationen teilen muss (im Gegensatz zu "shared" Kanälen, die
gemeinsam genutzt werden).Die maximale Datenrate sowohl im Downlink
als auch im Uplink beträgt 384kb/s, was auch von den meisten Herstellern
unterstützt wird. Meist schränken die Netzbetreiber den Uplink aber auf
128kb/s ein.
Telekom Telekom Austria Austria
49
Bildungszentrum
netto Bitrate
8
kb/s
netto Bitrate
[kb/s]
diverse
Kanal-
codierungs-
verfahren
Codierschema
Uplink
Übertragungskanal
Downlink
Übertragungskanal
brutto Bitrate
30
kb/s
brutto Bitrate
[kb/s]
8
30
32
64
128
diverse
Verfahren
120
240
480
384 960
RNC SGSN

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Services
HSDPA:
HSDPA:
Downlink
Bitraten bei
QPSK
Modulation:
Downlink
Bitraten bei
16QAM
Modulation:
HSDPA Kanäle existieren nur im Downlink.
Ausserdem sind sie "shared", d.h. dass sich ggf mehrere Mobilstationen einen
bestimmten Kanal im Zeitmultiplexverfahren teilen müssen.
Bei HSDPA Kanälen kann auch zwischen fünf verschiedenen Verfahren hinsichtlich
Kanalcodierung gewählt werden. Beim 1/4 Schema werden zu jedem Nutzbit noch 3
Redundanzbits dazugegeben. Aus einer Nettorate von 120k wird dadurch eine
Bruttorate von 120+120+120+120=480kb/s.
Mit HSDPA ist auch ein neues Modulationsverfahren spezifiziert worden, das eine
bessere Ausnutzung der Funkstrecke ermöglicht. Im Gegensatz zum QPSK
Verfahren, das ausschließlich für R99 Kanäle zur Verfügung steht, unterstützt
HSDPA neben QPSK auch 16QAM. Mit 16QAM kann eine Verdoppelung der
Datenrate erzielt werden, allerdings nur bei guten Funkbedingungen.
Die Wahl des passenden Codierschemas sowie der passenden Modulation wird
automatisch vom Netz durchgeführt, und zwar abhängig vom erforderlichen
Durchsatz sowie der gegebenen Funksituation.
Telekom Telekom Austria Austria
50
Bildungszentrum
netto Bitrate
120 bzw. 240
kb/s
netto Bitrate
[kb/s]
Codierschema
120 1/4
240 1/2
300 5/8
360
3/4
480
1/1
netto Bitrate
[kb/s]
diverse
Kanal-
codierungs-
verfahren
Codierschema
240 1/4
480 1/2
600 5/8
720
3/4
960
1/1
Downlink
Übertragungskanal
brutto Bitrate
480 bzw. 960
kb/s
brutto Bitrate
[kb/s]
480
brutto Bitrate
[kb/s]
960
RNC SGSN

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Services
BÜNDELN VON KANÄLEN BEI UMTS
Downlink
Bitraten bei
QPSK
Modulation:
Downlink
Bitraten bei
16QAM
Modulation:
Kanal 5
Kanal 4
Kanal 3
Kanal 2
Kanal 1
netto Bitrate
n * 384
kb/s
netto Bitrate
[kb/s]
Telekom Telekom Austria Austria
51
Bildungszentrum
diverse
Kanal-
codierungs-
verfahren
Codierschema
Uplink
Übertragungskanal
Downlink
Übertragungskanal
Downlink
Übertragungskanal
brutto Bitrate
n * 960
kb/s
brutto Bitrate
[kb/s]
384 1 * 960
768 diverse
2 * 960
768 Verfahren
3 * 960
1152
4 * 960
A
B
C
netto Bitrate
[kb/s]
Codierschema
5 * 120 = 600 1/4
5 * 240 = 1200 1/2
5 * 300 = 1500 5/8
5 * 360 = 1800 3/4
5 * 480 = 2400 1/1
netto Bitrate
[kb/s]
Codierschema
5 *240 = 1200 1/4
5 *480 = 2400 1/2
5 * 600 = 3000 5/8
5 * 720 = 3600 3/4
5 * 960 = 4800 1/1
Downlink
Übertragungskanal
Downlink
Übertragungskanal
Downlink
Übertragungskanal
Downlink
Übertragungskanal
Downlink
Übertragungskanal
brutto Bitrate
[kb/s]
5 * 480
brutto Bitrate
[kb/s]
5 * 960
A B B B B
A A B B C
A A A C C
A A A C A
A A A A A
2ms
RNC SGSN
Kanalbündelung ist zwar bei R99
theoretisch möglich und wurde
auch spezifiziert, wird aber von
den Herstellern nicht unterstützt.
RNC SGSN
HSDPA Kanäle können gebündelt werden.
Verschiedene Bündelklassen sind definiert.
Theoretisch können bis zu 15 Kanäle gebündelt
werden.
Die derzeit von den Mobilgeräten am häufigsten
unterstützte Variante bündelt 5 Kanäle.
Je nach Modulationsverfahren (QPSK oder
16QAM) ergibt sich daraus die in der Tabelle
angegebene netto Bitrate.
Beispiel für die gemeinsame Nutzung von 5 HSDPA
Kanälen durch Gerät A, B und C:
Wenn nur ein Mobilgerät verbunden ist, kann es alle
Kanäle und damit die gesamte Datenrate alleine
nutzen.
Wenn zwei oder alle drei Mobilgeräte Daten
empfangen wollen, müssen sie sich die Kanäle teilen.
Auf einen bestimmten Kanal in einem bestimmten
2ms Zeitintervall kann immer nur ein Mobilgerät
zugreifen.

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Frequenzen
20 FREQUENZEN
Die Grafik gibt einen groben Überblick über die für GSM, UMTS und TETRA
in Österreich genutzten Frequenzbereiche
GSM FREQUENZEN
271kb/s
200
kHz
900 MHz Band:
124 Uplink Kanäle und
124 Downlink Kanäle
Uplink Dowlink
25
MHz
Telekom Telekom Austria Austria
52
Bildungszentrum
200
kHz
890 915 935 960
Beispiel GSM 900:
ARFCN 1-124
25
MHz
200
kHz
1800 MHz Band (DCS 1800):
374 Uplink Kanäle und
374 Downlink Kanäle
Uplink Dowlink
75
MHz
200
kHz
200
kHz
75
MHz
1710 1785 1805 1880
Quelle: RTR (www.rtr.at)
1900 MHz Band (PCS 1900)
299 Uplink Kanäle und
299 Downlink Kanäle
Uplink Dowlink
60
MHz
200
kHz
60
MHz
1850 1910 1930 1990
Frequenz
[MHz]
Trägerfrequenz Uplink: Fu = 890 MHz + ARFCN*0,2 MHz
Trägerfrequenz Downlink: Fd= Fu(ARFCN) + 45 MHz
Bei GSM 900 sind für Uplink und Downlink je 25 MHz reserviert. Für den Uplink (Unterband) wird der
Frequenzbereich von 890 MHz bis 915 MHz verwendet. Für den Downlink (Oberband) wird der
Frequenzbereich von 935 MHz bis 960 MHz verwendet.
Der zur Verfügung stehende Frequenzbereich wird in 200 kHz breite Frequenzbänder unterteilt. Jedes
dieser Frequenzbänder repräsentiert einen Übertragungskanal mit der Brutto-Datenrate von
22.8kb/s. D.h. insgesamt haben 124 Uplink Kanäle und ebenso viele Downlink Kanäle im 25MHz Band
Platz. Netzbetreiber müssen, wenn sie einen 200kHz Kanal nutzen wollen, diesen "kaufen" sprich eine
Lizenz dafür erwerben. Die Lizenz ist für einen bestimmten Zeitraum limitiert und gilt für ganz
Österreich.
Jeder 200 kHz Kanal wird durch eine fortlaufende Nummer, die Absolute Radio Frequency Channel
Number (ARFCN), eindeutig gekennzeichnet. Jeweils ein Kanal aus dem Frequenzbereich für den
Uplink und ein Kanal aus dem Frequenzbereich für den Downlink mit der gleichen ARFCN bildet ein
Kanalpaar für die Duplex Kommunikation (sprechen und hören) zwischen dem Teilnehmer und der
Basisstation.
Weitere Informationen sind beim österreichischen Regulator RTR (Rundfunk und Telekom
Regulierungs-GmbH) zu bekommen (www.rtr.at).

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Frequenzen
UMTS FREQUENZ E N
Telekom Telekom Austria Austria
53
Bildungszentrum
5
MHz
12 Uplink Kanäle und
12 Downlink Kanäle
Uplink Dowlink
60
MHz
5
MHz
1920 1980 2110 2170
Linzenzinhaber, Stand Sept 2007:
(Quelle RTR)
60
MHz
Zitat aus Konzesssion:
"Konzession und
Frequenzzuteilung gelten für
das gesamte österreichische
Bundesgebiet und sind befristet
bis zum 31. Dezember 2020."
Frequenz
[MHz]
Man beachte den 300kHz
Sicherheitsabstand an den
Rändern des Bandes. Dies
dient zum Schutz
gegenüber
Nachbarbändern
hinsichtlich Störungen
(Interferenzen).
Vergleich der Lizenzkosten
zwischen GSM und UMTS:
GSM:
Bei einer Auktion in 2004 kostet ein
200kHz Kanal in Österreich ca.
17.000,-
1kHz kostet 85,-
UMTS:
Bei der Auktion in 2000 kostet ein
5MHz Kanal in Österreich ca. 85Mio
1kHz kostet 17.000,-

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Technische Grundlagen WLAN
21 TECHNISCHE GRUNDLAGEN WLAN
• WLAN-Frame nach IEEE 802.11
• Übertragungsmedium - die Funkschnittstelle
• Zugriff auf die Funkschnittstelle
• Topologie
WLAN-FR A M E N A C H IEEE 802.11
IEEE 802.11 / Fast-Ethernet. Mit längeren Frames lassen sich die Anzahl
der Header reduzieren und so die Übertragungsrate erhöhen. Während ein
Ethernet-Frame maximal 1518 Byte haben darf, darf das Ethernet-Frame,
das über WLAN übertragen wird 2304 Byte betragen.
Damit die Ethernet-Frames über WLAN übertragen werden können, werden
bis zu 64 Byte an Header und Prüfsummen hinzugefügt und 20 µs
vorangestellt. Die Präambel benötigt 20 µs und dient zum Synchronisieren
des Empfängers. Es folgt der 802.11-Header mit bis zu 32 Byte. Der
Sequenzzähler (IV) wird bei verschlüsselten Paketen benötigt und beträgt 4
oder 8 Byte. Der LLC-SNAP-Header wird benötigt um Ethernet-Pakete über
Nicht-Ethernet-Medien zu transportieren. Er benötigt 8 Byte. Dann folgt der
eigentliche Ethernet-Frame mit maximal 2304 Byte und die Prüfsumme der
physikalischen Schicht mit 4 Byte.
ÜBERTRAGUN G S M E D I U M - DIE FUNKSCHNITTSTELLE
Das Übertragungsmedium für Funk ist mit dem früheren Koax-Ethernet
vergleichbar. Alle Stationen teilen sich das Übertragungsmedium und es
kann nur immer eine Station senden. Um herauszufinden, wer wann
senden darf, wird ein Zugriffsverfahren verwendet. CSMA (Carrier Sense
Multiple Access) ist ein Mehrfachzugriffsverfahren. Es sieht vor, dass jede
Station vor dem Senden prüfen muss, ob das Medium frei ist. Erst dann ist
die Übertragung erlaubt. Das schließt natürlich nicht aus, dass zwei
Stationen das Medium als frei erkennen und gleichzeitig senden. Dann tritt
eine Kollision auf. Die Daten auf dem Medium sind unbrauchbar. Beim
Kabel-Ethernet können die Stationen mit CSMA/CD (Carrier Sense Multiple
Access/Collision Detection) die Kollision schon während der Übertragung
erkennen, den Vorgang abbrechen und nach einer zufälligen Wartezeit
einen erneuten Versuch starten. Beim Funk reicht das nicht aus. Mit 802.11
wurde deshalb ein Bestätigungspaket (ACK) eingeführt. Das ACK-Paket
Telekom Telekom Austria Austria
54
Bildungszentrum

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Technische Grundlagen WLAN
wird genauso behandelt, wie ein normales Datenpaket. Es besteht aus dem
802.11-Header und dauert 24 µs. Das ACK-Paket wird nach einer kurzen
Wartezeit (SIFS) zurückgeschickt.Bevor andere Datenpakete auf die Reise
gehen.
Zwischen den Datenpaketen koordinieren unterschiedlich lange Wartezeiten
den Zugriff auf das Funkmedium. Das DIFS (Distributed Coordination
Function Interframe Space) kennzeichnet die Backoffzeit, in der eine
Station das freie Funkmedium erkennen kann. Das SIFS (Short Interframe
Space) kennzeichnet das ACK-Paket. Das ist das Bestätigungspaket des
Empfängers für den Sender. Nach dem ACK-Paket folgt wieder ein DIFS.
ZUGRIFF AUF DIE FUNKSCHN I T T S T E L LE
Durch das Übertragungsverfahren ergeben sich bei Funknetzen besondere
Schwierigkeiten. Eine drahtlose Sendestation kann bspw. keine
Signalkollision feststellen. Das eigene Signal überdeckt die Signale der
anderen Stationen.
Die Distributed Coordination Function (DCF) verteilt die Zugriffsregeln auf
die Stationen. Im DCF benutzt das MAC-Protokoll CSMA/CA (Carrier Sense
Multible Access/Collision Avoidance). Im Gegensatz zu den
drahtgebundenen Ethernet-Varianten (mit CSMA/CD) wird auf eine
Kollisionserkennung (Collision Detection, CD) verzichtet. Den Kollisionen
von Sendesignalen lassen sich in einem Funknetzwerken von Störungen
nicht unterscheiden. Stattdessen wird eine Kollisionsvermeidung (Collision
Avoidance, CA) eingesetzt.
Bevor eine WLAN-Station sendet stellt sie sicher,
dass der Empfänger zum Empfang bereit und
das Übertragungsmedium frei ist. Dieses
Vorgehen wird als Listening before Talking (LBT)
bezeichnet. Zu Deutsch: Hören vor dem
Sprechen.
Bevor also eine Wireless-Station sendet hört die
in das Medium hinein, in diesem Fall die
Funkschnittstelle, ob gerade eine andere Station
sendet. Ist die Funkschnittstelle belegt wartet
die Station eine zufällige Zeit ab und hört erneut
in das Medium hinein. Ist das Medium frei, kann die Station mit der
Übertragung beginnen, andernfalls wird die Station erneut eine zufällige
Zeit warten. Um das Risiko der mehrmaligen Funkschnittstellen-Belegung
und Sende-Kollisionen zu vermeiden, muss jede Station die
Funkschnittstelle explizit reservieren, bevor sie belegt werden darf. Dazu
wird das RTS/CTS-Verfahren angewendet.
Für die Kollisionsvermeidung gibt es in der MAC-Schicht einen Virtual-
Collision-Detection-(VCD-)Modus, der die Rahmen Request-to-Send (RTS)
und Clear-to-Send (CTS) enthält.
Telekom Telekom Austria Austria
55
Bildungszentrum

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Technische Grundlagen WLAN
Bevor irgendwelche Daten gesendet werden erfolgt folgender Ablauf:
1. Die WLAN-Station verlangt einen freien Kanal.
2. Die WLAN-Station identifiziert einen freien Kanal.
3. Die WLAN-Station sendet ein RTS auf diesen Kanal.
4. Der Access Point (AP) sendet ein CTS.
5. Die WLAN-Station sendet die Daten.
6. Der Access Point (AP) sendet ein Acknoledgement (ACK) zur
Empfangsbestätigung.
Der Sender A schickt nach dem Erkennen eines freien Kanals ein RTS-
Signal an Empänger B. Erkennt der Empfänger B den Kanal als frei, sendet
er ein CTS-Signal. Dieses Signal hören alle Stationen, die mit der Funkzelle
des Empfängers B Kontakt haben. Damit ist dieser Kanal für eine
bestimmte Übertragungszeit von Sender A zu Empfänger B reserviert.
Das Acknowledgement (ACK), die Empfangsbestätigung nach der
Datenübertragung, ist ein weiterer Teil des CSMA/CA. Beim Eintreffen des
Paketes sendet der Empfänger dem Sender eine Empfangsbestätigung.
Bleibt diese beim Sender aus, schickt er das Paket noch einmal. Ohne ACK
ist der Sender bevorrechtigt das Funkmedium nochmals zu nutzen.
Kurzzeitige Störungen (Interferenzen) auf dem Funkmedium werden so
umgangen ohne das der Anwender etwas davon mitbekommt. Länger
andauernde Störungen durch andere Funk-Anwendungen im selben
Funkspektrum lassen erst die Übertragungsrate sinken. Wenn die
Störungen sich auch so nicht umgehen lassen, bricht das Funknetzwerk
zusammen.
In einem WLAN kann es vorkommen, dass sich nicht alle WLAN-Stationen
kennen. Dieses Problem nennt sich Hidden-Node oder Hidden-Terminal.
Besonders problematisch ist der Fall, wenn sich mehrere Stationen
ausserhalb der Reichweite anderer Stationen befinden. Dabei kann es zum
fälschlichen Erkennen eines freien Kanals kommen.
Die PCF (Point Coordination Function) im IEEE 802.11 ist eine weitere
Zugriffsregelung des MAC-Layers. Die PCF unterstützt Quality of Service
(QoS), das bestimmte Charakteristiken bei der Übertragung für bestimmte
Kommunikationsanforderungen garantiert.
Für PCF ist ein Access Point erforderlich, der mittels einer
Kanalreservierung die Senderechte an die mobilen Stationen vergeben
kann. Dieser Vorgang wird als Polling bezeichnet. Dabei fragt der Access
Point die Stationen innerhalb seiner Zelle nacheinander ab, ob sie Daten
versenden wollen. PCF ist deshalb optimal für die Abwicklung von
zeitkritischem Datenverkehr geeignet. DCF und PCF lassen sich auch
parallel zueinander einsetzen. PCF hat allerdings eine höhere Priorität.
Die Sicherheitsfunktionen, die bereits auf dem MAC-Schicht vorhanden
sind, können in den oberen Protokoll-Schichten zu Problemen führen.
Kommt es bereits auf dem MAC-Schicht zu Datenverlusten, verzögern sich
die Datenpakete. Dies führt zu verlängerten Übertragungszeiten, die z. B.
TCP/IP mit bestimmten Mechanismen zur Bestätigung von Datenpaketen
durch den Empfänger erhöht. Dies führt zu erhöhtem Datenaufkommen
durch die vermehrten Bestätigungsmeldungen. Diese Schwierigkeiten sind
häufig dafür verantwortlich, dass die Performance von drahtlosen Netzen
deutlich unter der von drahtgebundenen Netzwerken liegt.
Telekom Telekom Austria Austria
56
Bildungszentrum

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Technische Grundlagen WLAN
T O P O L O G I E
Schon mit zwei drahtlosen
Stationen lässt sich ein
einfaches Wireless LAN
aufbauen. Bei der Einrichtung
sind keine weiteren aktiven
Elemente erforderlich. Die
Stationen kommunizieren direkt
über den WLAN-Adapter. In
Laptops ist das eine PCMCIA-
Karte. In Desktop-Systemen
gibt es dazu eine PCI-
Steckkarte.
Die Topologie eines solchen Adhoc-Netzes
nennt sich
Independent Basic Service Set
(IBSS).
Jede Station bildet mit seiner Netzwerkarte eine Funkzelle. Solange sich die
Stationen in einer Zelle befinden oder sich die Zellen überschneiden, ist
eine Kommunikation zwischen den Stationen möglich. Diese Art der
Vernetzung ist für ein WLAN mit IEEE 802.11 eher unüblich. Eine Adhoc-
Vernetzung ist mit Irda (Infrarot) oder Bluetooth schneller realisiert.
Ist die
Reichweite
einer Zelle zu
gering, lässt
sie sich mit
einem Access
Point, kurz
AP, erweitern.
Doch nicht
nur das. Der
Access Point
bildet auch
den Übergang
zum drahtgebundenen Netzwerk. Der Access Point stellt innerhalb einer
Funkzelle den Zugriff auf das drahtgebundene Netzwerk und umgekehrt
her. Der Access Point übernimmt dabei die Aufgabe einer Bridge. Er erlaubt
es sogar Protokolle, die das WLAN unnötig überlasten würden,
herauszufiltern.
Die Topologie eines solchen Netzwerkes mit Access Point nennt sich Basic
Service Set (BSS).
Mittels zweier Access Points lässt sich auch die Reichweite eines
Kabelgebundenen Netzwerkes erhöhen. Bei einer Infrastruktur auf Basis
von 10/100BaseT dürfen die einzelnen Kabelsegmente eine Maximallänge
von 100 Metern haben. Mit Wireless LAN besteht die Möglichkeit Bereiche
zu verbinden, die mit der herkömmlichen Verkabelung nicht erreicht
werden können.
Telekom Telekom Austria Austria
57
Bildungszentrum

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Technische Grundlagen WLAN
Die Reichweite im
Freien liegt bei
guten Bedingungen
zwischen 100 und
300 Metern. Reicht
das nicht aus, so
lässt sich mit zwei
gerichteten
Antennen einige
Kilometer
überbrücken. Und
das gebühren- und
genehmigungsfrei.
Auch über
Grundstücksgrenzen
hinweg.
Die Topologie eines
solchen Netzwerkes
mit zwei Access
Points nennt sich
Extendet Service
Set (ESS). Es
besteht aus zwei
oder mehreren
Basic Service Sets
(BSS-A und BSS-B). Innerhalb des ESS können sich die Stationen frei
bewegen. Ein Roaming-Verfahren hält die Netzwerkverbindung zu den
Access Points aufrecht.
Telekom Telekom Austria Austria
58
Bildungszentrum

Funk- & Mobilenetze Grundlagen Richtfunk
22 RICHTFUNK
22.1 Einführung in die Richtfunktechnik
Während beim Rundfunk ein Sender im Regelfall möglichst große Gebiete
versorgen soll, damit möglichst viele Empfänger erreichbar sind, liegt bei
Richtfunk (RIFU) stets eine Punkt zu Punkt Verbindung vor, also die
übertragungstechnische Verbindung zwischen zwei festen Funkstellen.
Richtfunk bietet Alternativen zu kabel- bzw. leitungsgebundenen Systemen
und hilft aufwendige und langwierige Grabungsarbeiten einzusparen.
Weiters kann das Equipment, sollte es nicht mehr benötigt werden, wieder
abmontiert und an einer anderen Stelle wieder eingesetzt werden.
Als Anwendungen kommen in Betracht:
♦ Zubringer für Mobilfunk Basisstationen
♦ Rundfunk und Fernsehen
♦ Betriebs- und Bündelfunk
♦ Telemetrie
♦ Wetterstationen
♦ Verbindung privater Kommunikationsnetze im Weitverkehr
♦ Zweitwegsicherung bzw. Backup
Die Sendeleistung beträgt weniger als 1 Watt und wird auf die für die
Verbindung erforderliche Qualität automatisch abgeregelt. Damit liegt auch
die Strahlungsintensität weit unter den Grenzwerten, wie sie z.B. für den
Mobilfunk festgelegt sind.
22.2 Mikrowellen
22.2.1 Was sind Mikrowellen?
Als Mikrowellen bezeichnet man elektromagnetische Schwingungen mit
Wellenlängen im cm Bereich, d.h. mit Frequenzen von 3 bis 30 GHz. Sie
bilden innerhalb des Spektrums der elektromagnetischen Wellen die Brücke
zwischen den eigentlichen Radiowellen und der Infrarotstrahlung.
Die Hauptanwendungsgebiete der Mikrowellentechnik
sind:
♦ Nachrichtenübertragung
♦ Funkmesstechnik (Radar, Entfernungsmesser, Höhenmesser)
♦ Elektrische Erwärmung (Kochen, Industrie, medizinische Zwecke)
♦ Kernphysik, Spektroskopie, Radioastronomie
Die Mikrowellen haben ein ähnliches Verhalten wie die Lichtwellen, d.h. sie
breiten sich annähernd geradlinig aus, lassen sich bündeln, werden
gestreut und reflektiert.
Allgemeines zu Mikrowellen und ihrer Ausbreitung
Auch bei ungehinderter freier Ausbreitung in der Luft werden Funkwellen
gedämpft. Es handelt sich hierbei um einen Leistungsverlust des
Empfangssignals, indem nur ein Teil der abgestrahlten Sendeenergie von
der Empfangsantenne wieder aufgenommen werden kann.
Telekom Telekom Austria Austria
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Hindernisse und Wettereinflüsse, wie z.B. in Regengebieten, ergeben
Zusatzdämpfungen. In Frequenzbereichen oberhalb 12 GHz gewinnt der
Niederschlag an Bedeutung und bestimmt die Länge des Funkfeldes, also
der Richtfunkstrecke.
Prinzip einer Richtfunkverbindung
22.2.2 Die Fresnel Zone
Für eine ungestörte Übertragung muss jedoch eine bestimmte Zone
zwischen Sender und Empfänger frei von Hindernissen aller Art sein, da
sich sonst Interferenzen der direkten Wellen mit den von der Erdoberfläche
reflektierten Wellen ergeben. Diese Zone wird Fresnel Zone genannt. Sie ist
ein Rotationsellipsoid, wobei die Breite b des Ellipsoides von der Entfernung
d zwischen Sender und Empfänger sowie von der Wellenlänge des
Funksignals abhängt.
Fresnel Zone
22.3 Richtfunktechnik
Eine Richtfunkstrecke besteht aus zwei Endstellen, die durch ein stark
gebündeltes Funkfeld verbunden sind. Genau wie beim Rundfunk sind auch
für den Richtfunk nur bestimmte Frequenzen zugelassen, welche vom
regionalen Frequenzbüro verwaltet und genehmigt werden. In Mitteleuropa
übliche Trägerfrequenzen sind 2,1; 3,3; 6; 7; 13; 15; 18; 23; 26; 38 und
50 GHz. Bei den zu übertragenden Daten kann es sich um Audio-, Video-
und Datensignale handeln, die zu einem Basisband zusammengefasst
werden. Das in analoger oder digitaler Form vorliegende Nachrichtensignal
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wird einer Trägerfrequenz aufmoduliert, wobei wegen der besseren
Übertragungseigenschaften Frequenzmodulation (FM) zum Einsatz kommt.
Beim direkten System wird dabei das Basisband unmittelbar in die
hochfrequente Lage umgesetzt. Dem heutigen Standard entsprechend
erfolgt beim indirekten System der Umweg über eine Zwischenfrequenz,
die üblicherweise 70 MHz oder 140 MHz beträgt.
Nach der Umsetzung in die Sendefrequenz gelangt das Signal über einen
Bandpass und ggf. einen Leistungsverstärker als Radiofrequenz (RF) Signal
zur Antenne. Im Empfänger wird das RF Signal aufgenommen und der
Sendevorgang schrittweise rückgängig gemacht, bis das Basisband Signal
wieder verfügbar ist. Die Aufbereitung des Basisbands Signals kann auf
unterschiedliche Weise geschehen. Bei Verwendung von Zeit- und Frequenz
Multiplexverfahren liegt ein analoges Signal vor. In der heutigen Zeit
verwendet man aber fast ausschließlich digitale Verfahren, wobei das
Basisband durch Phasenumtastung (PSK) entsteht.
Prinzip einer Richtfunkstrecke
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22.4 Richtfunk bei der Telekom Austria
Richtfunk wird bei der Telekom Austria AG sowohl für die Kundenheranführung
– Access Bereich eingesetzt als auch im Core Bereich.
Unterteilung von Richtfunk
22.4.1 Access-Richtfunk
Die Indoor Unit (IDU) ist als 19“ Baugruppe ausgeführt und kann dadurch
leicht in die best. Infrastruktur integriert werden. Als Stromversorgung der
IDU dient entweder ein Netzgerät oder der direkte Anschluss an 48 bis 60
V=. Die ODU benötigt keine separate Stromversorgung. Ein koaxiales
Antennenkabel dient als Verbindung zwischen Antenne Outdoor Unit (ODU)
und Modemeinheit (IDU), welches an den örtlichen Blitzschutz
anzuschließen ist. Dabei beträgt die maximale Antennenkabellänge ca. 200
m.
Aufbau einer Access- Richtfunkstrecke
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Outdoor- Unit (Mini Link E)
Indoor Unit (Oben Mini Link C und unten Mini Link E)
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Die momentan bei der TA im Einsatz stehenden Richtfunk Anlagen im
Access Bereich stammen von den Herstellern ALCATEL und ERICSSON.
Dabei werden die lizenzpflichtigen Frequenzen 15 GHz, 23 GHz und 38 GHz
verwendet. Wichtig in diesem Zusammenhang ist es, dass bei niedrigen
Frequenzen größere Distanzen überbrückt werden können.
Weiters haben die Antennengröße, die Bandbreite und die Sendeleistung
weitere Auswirkungen auf die zu erzielende Reichweite.
Im urbanen und dicht verbauten Gebiet kommen eher die
Richtfunksysteme im 23 GHz und 38 GHz-Bereich zum Einsatz. Dabei
können Distanzen von wenigen 100 Metern bis 10 km erreicht werden.
Im ländlichen Raum, wo auch größere Reichweiten benötigt werden,
kommen Anlagen in den 15 GHz Bereichen zur Anwendung. Hier können
die Gegenstellen bis zu 28 km auseinander liegen, wenn auf beiden Seiten
1,2 m große Antennen verwendet werden.
Derzeit werden Richtfunkanlagen im Access Bereich mit folgenden Bandbreiten
errichtet:
♦ 4 x 2 Mbit/s (4 x E1)
♦ 16 x 2 Mbit/s (16 x E1)
♦ 34 + 2 Mbit/s (1 x E3 + 1x E1)
♦ 155 Mbit/s (STM-1)
Als Schnittstelle haben die Endeinrichtungen generell G.703 symmetrisch.
Bei der Ausführung mit 34 Mbit/s steht das Signal unsymmetrisch (koaxial)
zur Verfügung. Sollte als Schnittstelle X.21 gefordert werden, kann mit
Hilfe eines Nachgeschalteten X.21 Konverters (Ulaf+ GTU) auch diese
Übergabeschnittstelle bereitgestellt werden. Seit Mitte 2002 können auch
EtherLink über Richtfunk angeboten werden. Dabei kann sich der Kunde
zwischen folgenden Schnittstellen bzw. Bandbreiten entscheiden:
♦ EtherLink 10 Wirespeed 10BaseT/RJ45
♦ EtherLink 10 Klasse 2 10BaseT/RJ45
♦ EtherLink 100 Klasse 3 100BaseT/RJ45
Dabei wird die Ethernet-Schnittstelle direkt an der IDU per RJ45
abgegriffen und z.B. zu einem Router per CAT5 weitergeführt.
Über einen Richtfunk können sehr viele Dienstleistungen aus dem
umfangreichen Produktportfolio der TA geführt werden. Dabei stellt der
Richtfunk als Medium im ISO/OSI Model lediglich die erste Schichte, also
die Übertragungsschicht, dar. Zur Anwendung kommen folgende Dienste:
♦ 2 Mbit/s (2.048 kbit/s)
♦ LIC+
♦ ISDN Multi
♦ ATM
♦ Ethernet (siehe oben)
22.5 Richtfunk Equipment
22.5.1 Kanal- und Polarisationsweiche
In einem Richtfunksystem können im Allgemeinen mehrere Richtfunk
Signale mit Hilfe einer Kanalweiche zusammengefasst und über eine
gemeinsame Antenne abgestrahlt werden. Eine einzige Kanalweiche ist also
in der Lage, mehrere Richtfunkkanäle und damit mehrere
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Übertragungswege gleichzeitig zwischen zwei Endpunkten zur Verfügung zu
stellen.
Mit Hilfe von Polarisationsweichen lassen sich die von einer Antenne
aufgenommenen, horizontal und vertikal polarisierten Wellen wieder
aufspalten und getrennten Verbrauchern zuführen oder von mehreren
Sendern abgegebene Signale so zusammenfassen, dass sie unterschiedlich
polarisiert über das Funkfeld übertragen werden. Polarisationsweichen
werden bei Analogrichtfunksystemen auch dann benötigt, wenn Antennen
gleichzeitig als Sende- und Empfangsantennen eingesetzt und die Signale
zur besseren Entkopplung unterschiedlich polarisiert übertragen werden.
Kanal- und Polarisationsweiche
22.5.2 Richtfunkantenne
Die Richtfunktechnik bedient sich des freien Raumes als
Übertragungsmittel. Dabei ist es die Aufgabe der Sendeantenne, die von
den Richtfunksendern abgegebene elektromagnetische Energie - die
Leitungswelle - in eine Raumwelle umzuwandeln, das heißt in den freien
Raum abzustrahlen und dabei zu bündeln. Die Empfangsantenne nimmt
einen Bruchteil der ausgesandten Strahlungsleistung der
elektromagnetischen Raumwelle auf und wandelt sie zurück in eine
Leitungswelle, die über eine
Antennenleitung (meist Holleiter oder
Kaoxialkabel) an den
Richtfunkempfänger abgegeben wird.
Die ausgestrahlte Energie muss so
scharf gebündelt sein, dass die im
Richtfunk kostengünstigen kleinen
Sendeleistungen ausreichen.
Außerdem sollen die außerhalb des
scheinwerferartigen gebündelten
Hauptstrahles ausgesandten und
empfangenen Energienanteile
möglichst klein sein, damit die dem
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Richtfunk zugewiesenen Frequenzen in einem eng vermaschten
Nachrichtennetz in verhältnismäßig geringen räumlichen Abständen
wiederholt ausgenutzt werden können.
Mit zunehmender Frequenz des zu abstrahlenden Signals können kleinere
Richtfunkantennen eingesetzt werden. Dabei steigen auch die
Anforderungen an die Genauigkeit in der Produktion und bei der Montage
der Antennen. Weiters nimmt mit zunehmender Frequenz aber auch der
dämpfende und störende Einfluss durch Niederschlag zu. In unmittelbarer
Nähe des Strahlers wirken sich Regen und Schnee besonders stark aus.
Deshalb wird die Richtfunkantenne, abhängig natürlich vom Einsatzstandort
und den Einsatzbedingungen, häufig mit Material abgedeckt. Solche
Abdeckungen werden oft Radom genannt. Kleine Antennen bis 60 cm
Durchmesser können auch zusammen mit einem Wetterschutzgehäuse eine
kompakte Einheit für den Außeneinsatz bilden. Die Verluste durch die
Abdeckungen sind vernachlässigbar klein.
22.5.3 Hohlleiter
Zur Führung der Mikrowellen, zum Beispiel vom Sender bis zur Antenne
oder von der Antenne bis zum Empfänger, werden entweder Hohlleiter
bzw. Koaxialkabel verwendet.
22.5.4 Umlenkung
Bei allen Richtfunksystemen benötigt man eine direkte Sichtverbindung
zwischen den Endstellen. Jedoch ist beim Aufbau von
Richtfunkverbindungen dies nicht immer möglich. Wo dies nicht gegeben
ist, kann die Übertragung statt über eine dritte (aktive)
Funkübertragungsstelle eventuell auch mit Hilfe eines passiven Relais, z.B.
einer ebenen Metallplatte ausreichender Größe, durchgeführt werden. Dies
ist der Fall, wenn eine Richtfunkverbindung über hügeliges Gelände führt
und eine Funkübertragungsstelle abgeschattet in einem Talkessel
aufgebaut werden muss.
Richtfunkumlenkungen
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Die Wirkfläche eines Umlenkspiegels wird von seiner geometrischen Größe
bestimmt, das heißt je größer der Spiegel, umso kleiner die
Umlenkdämpfung, also der Signalverlust. Die Form eines Umlenkspiegels
hat bei gleichbleibender Fläche lediglich Einfluss auf seine
Richtcharakteristik.
Umlenkspiegel haben normalerweise eine Fläche von 1.4 m² bis 32 m². Ab
16 m² sind die Spiegel in Teile gegliedert, die durch Dehnfugen
voneinander getrennt sind. Damit können die meisten Klimabedingungen
gut eingehalten werden. Eine weitere passive Lösung für die Umlenkung
einer Richtfunkstrecke stellt die Rücken an Rücken Anordnung zweier
Antennen dar. Die eingestrahlte Energie wird dabei über einen Hohlleiter
zwischen den Antennen weitergeleitet. Eine Verstärkereinheit oder aktive
Sende- und Empfangseinheiten, die eine Energiezufuhr voraussetzen, sind
hierbei nicht notwendig.
RIFU Umlenkung Valluga (32 m²)
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