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

481 Pages·1998·14.19 MB·German

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

Informationstechnik
B. Walke
Mobilfunknetze
und ihre Protokolle
Band 1
Grundlagen, GSM, UMTS
und andere zellulare
Mobilfunknetze
Informationstechnik
Herausgegeben von
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Norbert Fliege, Mannheirn
Prof. Dr.-Ing. Martin Bossert, Ulrn
In der Informationstechnik wurden in den letzten Jahrzehnten klassische
Bereiche wie analoge Nachrichtenübertragung, lineare Systeme und analoge
Signalverarbeitung durch digitale Konzepte ersetzt bzw. ergänzt. Zu dieser
Entwicklung haben insbesondere die Fortschritte in der Mikroelektronik
und die damit steigende Leistungsfähigkeit integrierter Halbleiterschaltun
gen beigetragen. Digitale Kommunikationssysteme, digitale Signalverarbei
tung und die Digitalisierung von Sprache und Bildern erobern eine Vielzahl
von Anwendungsbereichen. Die heutige Informationstechnik ist durch hoch
komplexe digitale Realisierungen gekennzeichnet, bei denen neben Infor
mationstheorie Algorithmen und Protokolle im Mittelpunkt stehen. Ein
Musterbeispiel hierfür ist der digitale Mobilfunk, bei dem die ganze Breite
der Informationstechnik gefragt ist.
In der Buchreihe "Informationstechnik" soll der internationale Standard der
Methoden und Prinzipien der modemen Informationstechnik festgehalten
und einer breiten Schicht von Ingenieuren, Informatikern, Physikern und
Mathematikern in Hochschule und Industrie zugänglich gemacht werden.
Die Buchreihe soll grundlegende und aktuelle Themen der Informations
technik behandeln und neue Ergebnisse auf diesem Gebiet reflektieren, um
damit als Basis für zukünftige Entwicklungen zu dienen.
Mobilfunknetze
und ihre Protokolle
Bandl
Grundlagen, GSM, UMTS und andere
zellulare Mobilfunknetze
Von Professor Dr.-Ing. Bernhard Walke
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Mit 198 Bildern und 71 Tabellen
ä3
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Walke, Bernhard:
Mobilfunknetze und ihre Protokolle / Bernhard Walke.
Stuttgart : Teubner
(Informationstechnik)
Bd. I. Grundlagen, GSM, UMTS und andere zellulare
Mobilfunknetze : mit 71 Tabellen. - 1998
ISBN 978-3-663-05862-5 ISBN 978-3-663-05861-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-05861-8
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unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Ubersetzungen, Mikro
verfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
© Springer Fachrnedien Wiesbaden
Ursprunglich erschienen bei B. G. Teubner Stuttgart 1998
Für Antonie, Thomas und Christoph
Vorwort
Zellulare Mobilfunknetze für öffentliche und private Benutzer waren in Europa bis
Ende der 80er Jahre firmenspezifische Lösungen und nicht für den Massenmarkt
gedacht. Deshalb beschränkte sich das Interesse der breiteren technisch-wissen
schaftlichen Fachwelt auf die Kenntnisnahme der Systeme und ihrer Konzepte,
ohne sich mit den Details abzugeben.
Seit der Entwicklung europäischer Standards für digital übertragende Systeme ab
Ende der 80er Jahre hat sich mit deren Einführung ab 1990 der Mobilfunk zu ei
nem Massenmarkt entwickelt. Digitaler Mobilfunk ist von einem Zusatzgeschäft zu
einem der wesentlichen Umsatzträger mancher großer Telekommunikationsfirmen
geworden, die dabei zu weltweiter Marktführerschaft aufgestiegen sind. Entspre
chend hat das Interesse der technisch-wissenschaftlichen Fachwelt zugenommen.
Dieser Erfolg beruht auf den großen Fortschritten der Informationstechnik, die
einerseits durch die Mikrominiaturisierung von Schaltkreisen und Komponenten
und die dramatische Steigerung der Integrationsdichte von Halbleiterbauelementen
auf Chips für die Entwicklung handportabler Mobilfunkgeräte (Handy) sichtbar
sind: Das Handy besteht im wesentlichen aus einem sehr leistungsstarken Signal
prozessor, auf dem alle für Empfang und Senden erforderlichen Algorithmen der
Übertragungstechnik und elektrischen Signalverarbeitung als Programme imple
mentiert sind.
Andererseits werden die Fortschritte der Informationstechnik auch sichtbar anhand
der Entwicklung dieser Algorithmen für die Signal-(De)Modulation, die Synchro
nisation der beteiligten Einrichtungen, die Kanalcodierung und Kanalentzerrung,
d. h. die Empfängertechnik, die einen zuverlässigen Empfang von Signalen mit
wenigen Millionstel Volt Amplitude über den Funkkanal, den man als systema
tischen Wackelkontakt beschreiben kann, trotz hoher Bewegungsgeschwindigkeit
des Empfängers ermöglicht.
Ein ebenso wichtiger Beitrag der Informationstechnik ist die Entwicklung der Dien
ste und Protokolle für die Organisation und den Betrieb des zugehörigen Kom
munikationsnetzes, das neben der Entwicklung der Multiplexfunktionen zur quasi
gleichzeitigen Kommunikation vieler Mobilterminals über die Funkschnittstelle des
Mobilfunksystems ein Telekommunikationsnetz umfaßt, das Funktionen des intel-
VIII Vorwort
ligenten Netzes zur Mobilitätsverwaltung und kryptographische Verfahren für Da
tenschutz und Datensicherheit beinhaltet, wie sie vorher weltweit noch in keinem
Netz verfügbar waren.
Man denkt dabei an das weltweit erfolgreiche GSM1 und vergißt, daß neben die
sem Zellularsystem noch viele andere Konzepte für neue digitale Mobilfunksyste
me bestehen, die den Erfolg des GSM zu wiederholen suchen und auf z. T. ande
re Anwendungen als schmalbandige Sprachkommunikation zielen, z. B. Funkruf,
Bündelfunk, Schnurloskommunikation, drahtlose Lokale Netze, drahtlose ATM
Breitbandkommunikation und satellitengestützte persönliche Mobilkommunikati
on. Band 2 dieses Buches stellt diese Systeme vor.
Meine Forschungsgruppe hat sich seit 1983 auf die Entwicklung von Diensten und
Protokollen für private und öffentliche Mobilfunksysteme spezialisiert und dafür
einen umfangreichen Satz von Werkzeugen zur Software-Erstellung, Modellierung
und stochastischen Simulation von Mobilfunksystemen entwickelt. Diese Werkzeu
ge haben ermöglicht, die in diesem Buch beschriebenen in Europa bekannten, in
Diskussion oder in Einführung befindlichen Mobilfunksysteme bitgenau in großen
Programmpaketen am Lehrstuhl Kommunikationsnetze verfügbar zu haben, um
die Systeme in ihrer natürlichen Umgebung mit der zugehörigen Funkversorgung,
Mobilität und dem typischen Verkehrsaufkommen der Terminals beobachten zu
können und gestützt darauf eigene Verbesserungsvorschläge von Diensten und
Protokollen erproben zu können. Die entsprechenden Vorschläge und zugehöri
gen Ergebnisse unserer Arbeit sind bei Erfolg in die Standardisierungsdiskussion
eingeflossen.
Hinter diesen Werkzeugen steckt das Arbeitsergebnis einer Gruppe von im Durch
schnitt 25 wiss. Mitarbeitern und von 60 Diplomarbeiten pro Jahr, ohne die das
Aufarbeiten der vielen Details so vieler Systeme nicht möglich gewesen wäre. Die
zugehörigen Arbeiten beschränken sich nicht auf die Implementierung von Proto
kollen der jeweiligen Systeme, sondern reichen von der Entwicklung von Funkpla
nungswerkzeugen auf der Basis empirischer und von Strahlverfolgungstechniken
für gegebene Szenarien, über die Markovketten-basierte Modellierung des Funk
kanals, exemplarische Untersuchungen über die Modellierung der Empfänger, Un
tersuchungen zur Wirksamkeit einer adaptiven Kanalcodierung, prototypische Im
plementierung von Entzerrern, Entwicklung von Modellen für die Bitfehlercha
rakteristik der jeweiligen Systeme, Entwicklung von Verfahren zur dynamischen
Kanalvergabe in flächigen Systemen und zur dezentralen Organisation von Syste
men mit drahtlosen Basisstationen usw. bis zur Entwicklung von Mehrwertdien
sten. Diese flankierenden Arbeiten erwiesen sich als notwendig, um den schwierigen
Prozeß der Modellierung realer Systeme ausreichend realistisch zu gestalten. Ohne
die tatsächliche Realisierung der Dienste und Protokolle in realistischen Modellen
lGlobal System for Mobile Communications: ETSI-Standard
Vorwort IX
zur Systemsimulation wäre die hier gewählte Darstellungstiefe der entsprechenden
Systeme nicht möglich gewesen.
Ausgehend von einer ersten zusammenfassenden Darstellung des GSM [127] wurde
der Text schrittweise verbreitert. Die Darstellungen und vielen Abbildungen in die
sem Buch beruhen auf den Arbeitsergebnissen sehr vieler beteiligter Studenten, die
hier nicht namentlich genannt werden können - ich kann ihnen hier nur pauschal
für ihre Begeisterung und Gründlichkeit bei der Mitarbeit danken. Ihre Beiträge
sind in die Modellierung und Bewertung der einzelnen Systeme und ihrer Modifi
kationen eingeflossen und haben mir und meinen wissenschaftlichen Mitarbeitern
geholfen, die Eigenschaften der betrachteten Systeme besser zu verstehen.
Die einzelnen Kapitel des Buches sind in enger Zusammenarbeit mit für die je
weiligen Systemmodelle verantwortlichen wissenschaftlichen Mitarbeitern entstan
den, die jeweils namentlich genannt werden. Sie repräsentieren Forschungs- und
Entwicklungsergebnisse und z. T. auch Textbeiträge, wie sie in die endgültige oder
frühere Versionen des als Vorlesungsmanuskript über sieben Vorlesungszyklen wei
terentwickelten Buchmanuskriptes eingeflossen sind. Ich möchte diesen Beteiligten
hier für ihre gründliche Aufarbeitung der betreffenden Themen, die Mitwirkung
bei der Betreuung der vielen zugehörigen Diplomarbeiten und die hervorragende
Arbeitsatmosphäre ganz herzlich danken. Besonders erwähnen möchte ich hier die
Herren Pete r Decker und Christian Wietfeld, die in frühen Jahren Grundlagen
für das Vorlesungsskript beigetragen bzw. später durch Integrieren vorhandener
Textbausteine den Kristallisationskeim für das Buch gelegt haben. Beiträge zu
einzelnen Abschnitten von Band 1 haben folgende Mitarbeiter geleistet:
• Götz Brasche (3.11), • Dieter Plassmann (5),
• Peter Decker (3), • Markus Scheibenbogen (3.6),
• Martin Junius (3.6), • Peter Seidenberg (5),
• Arndt Kadelka (5), • Martin Steppler (2.9),
• Matthias Lott (5), • Christian Wietfeld (3).
• Dietmar Pet ras (2.9),
Mein besonderer Dank gilt Herrn Dirk Kuypers, der sich als studentische Hilfskraft
diesem Skript verschrieben hat. Neben der korrekten Umsetzung der jahrelang an
fallenden Korrekturwünsche und Ergänzungen hat er für eine weitgehend homo
gene Erscheinungsform gesorgt, die u. a. sehr viele Überarbeitungen von Tabellen
und Bildvorlagen erforderlich gemacht hat.
Herrn Dr. Schlembach vom B. G. Teubner Verlag danke ich herzlich für die Moti
vation, dieses Buch zu schreiben und die gute Zusammenarbeit bei der Erstellung
des Skriptes.
Aachen, im Januar 1998 Bernhard Walke
x
Vorwort
Adressen:
Homepage des Lehrstuhls: http://www.comnets.rwth-aachen.de
E-Mail-Adresse für Korrekturen: [email protected]
Anschrift des Lehrstuhls: Lehrstuhl für Kommunikationsnetze
RWTH Aachen
52056 Aachen
In ha Itsverzeich n is
Vorwort VII
Kurzinhalt Band 2 XVII
1 Einleitung 1
1.1 Bestehende bzw. in Einführung befindliche Netze und Dienste 7
1.1.1 GSM/DCS1800-System . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2 DECT........................... 10
1.1.3 Funknetze als Bypass des verdrahteten Ortsnetzes . . 12
1.1.4 Drahtlose lokale Netze (IEEE 802.11 WLAN, Wireless LAN,
ETSI/HIPERLAN 1) .................. 13
1.1.5 Drahtlose Netze für die Prozeßautomatisierung . . . . 13
1.1.6 Universal Mobile Telecommunications System UMTS . 14
1.1. 7 Drahtlose Breitbandsysteme . . . 14
1.1.8 Mobiler Satellitenfunk . . . . . . 15
1.1.9 Universelle persönliche Mobilität 18
1.2 Systeme mit intelligenten Antennen. . . 18
1.3 Mobilfunksysteme mit dynamischer Kanalvergabe . 20
1.4 Weitere Aspekte ................... 22
1.4.1 Selbstorganisierende Systeme . . . . . . . . 22
1.4.2 Elektromagnetische Umweltverträglichkeitsuntersuchungen 22
1.5 Historische Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23
2 Systemaspekte 29
2.1 Charakteristika der Funkübertragung . 29
2.1.1 Dämpfung ........... . 32
2.1.2 Ausbreitung über einer Ebene. 34
2.1.3 Schwund bei Ausbreitung mit vielen Reflektoren (Mehrwe-
geausbreitung) .. , ................ . 36
2.1.4 Statistische Beschreibung des Übertragungskanals 38
2.1.5 Reflexion ..... . 42
2.1.6 Beugung ...... . 45
2.1.7 RMS Delay-Spread . 46
2.1.8 Abschattung .... 46