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Mobilfunknetze

Technische Grundlagen

Funkkanle

Um ein Frequenzband mglichst effektiv zu nutzen werden hier verschiedene Funkkanle definiert. Die vier wichtigsten Techniken hierfr sind:

FDMA: Das Frequency Division Multiple Access Verfahren bertrgt jeden Datenstrom in einem speparaten Frequenzbereich. In der Mitte dieses Bereiches liegt die Trgerfrequenz. Fr die Modulation wird ein mglichst schmales Band links und rechts des Trgers genutzt.
TDMA: Beim Time Division Multiple Access wird die Zeit, die ein Sender die Trgerfrequenzu nutzen kann auf mehrere Nutzer aufgeteilt (Time Division). Dazu steht jedem Nutzer ein periodisch wiederkehrender Zeitschlitz (time slot) zur Verfgung. Bei Nutzung dieses Verfahrens mssen die Nutzer miteinander synchronisiert werden. Dieses bernimmt zumeist der stationre Sender. TDMA kann zusammen mit der FDMA-Technik verwandt werden, so das jeder Kanal von mehreren Stationen genutzt werden kann. Dieses wird z.B. bei GSM-Netzen angewandt.
CDMA: Code Division Multiple Access basiert auf der Bandspreiz-Technik. Hier wird der Datenstrom mit einem Pseudozufallssignal sehr viel hherer Bitrate multipliziert. Das resultierende breitbandige Signal sieht wie ein Rauschsignal aus, so da hier die Tatsache einer bertragung gegenber einem Lauscher verborgen wird. Da er die Pseudozufallsfolge nicht kennt, kann er auf keinen Fall die Nutzinformationen aus dem Signal herausfiltern. Bei den Bandspreiztechniken wird noch einmal zwischen einem Verfahren unterschieden, da die Nutzdaten mit der Pseudozufallsfolge vernknpft (DS/SS) und dem Verfahren, bie dem die Trgerfrequenz in rascher Folge nach dem Pseudozufallssignal gendert wird.
Die Kanalbildung erfolgt bei den Bandspreiztechniken, indem man unterschiedlichen Kanlen unterschiedliche Pseudozufallsfolgen zuweist.

Zur Gewhrleistung eines Duplexbetriebes werden zwei Kanle bentigt. Der Kanal vom mobilen Gert zur Basistation wird als uplink bezeichnet, whrend der Kanal von der Basis zum Mobilgert downlink genannt wird. Auch hier wird wiederum zwischen zwei Verfahren unterschieden.

Das TDD- Verfahren (Time Division Multiplex) nutzt die gleiche Frequenz ³ mit einem festen Zeitfenster jeweils fr das Senden und Empfangen der jeweiligen Station. Dieses Verfahren wird z.B. beim DECT-System fr Schnurlose Telefone genutzt. Hier wird alle 5ms die Sende- und Empfangsrichtung gendert. Das FDD-Verfahren (Frequency-Division-Multiplex) arbeitet mit zwei verschiedenen Frequenzen fr den uplink und den downlink. Die beiden Frequenzen haben einen festen Abstand (Duplex-Abstand) voneinander. FDD wird u.a. bei GSM-Netzen genutzt.

Modulationsverfahren

Neben der einfachen Amplitudenmodulation kann das digitale Signal dem Trger auch mit einem der Winkelmodulationsverfahren aufmoduliert werden. Winkelmodulation ist der Oberbegriff fr die Frequenzmodulation und fr die Phasenmodulation. Der Oberbegriff resultiert aus der Tatsache, da beide Verfahren ber den Zusammenhang

$\begin{displaymath}\omega_T = \frac{\delta \varphi}{\delta t}\end{displaymath}$

zwischen der Kreisfrequenz $\omega(t)$ und dem Phasenwinkel $\varphi$ miteinander verbunden sind. Jede Frequenzmodulation lt sich deshalb als Phasenmodulation und jede Phasenmodulation als Frequenzmodulation interpretieren.

Eines der wichtigsten Winkelmodulationsverfahren ist das Gaussian Minimum Shif Keying (GSMK). Das Verfahren ist ein phasenkontinuierliches Frequenzmodulationsverfahren. Das Verfahren hat seinen Namen daher, da die Phasenlage des Signals beim Umschalten zwischen den beiden Zustnden erhalten bleibt. Die Modulation ist hier so implementiert, da beim Umschalten des Nutzsignals der Oszillator auf den anderen Frequenzwert umgestimmt wird. Im Gegensatz hierzu stehen Verfahren, die mit zwei Oszillatoren arbeiten, zwischen denen umgeschaltet wird. Dort ergibt sich fast zwangslufig ein Phasensprung, was zur Folge hat, da die Bandbreite vergrert wird, und sich der Leistungsbedarf erhht.

Der Modulationsindex liegt beim GSMK-Verfahren bei $\eta = 0,5$ was besagt, da das Verhltnis von Frequenzhub zur maximalen Nutzsignalfrequenz bei 0,5 liegt. Der Modulationsindex $\eta$ ist definiert als:

$\begin{displaymath} \eta = \frac{\Delta f}{f_{m max}} \end{displaymath}$

(1)

Das bedeutet, da fr die Modulationsfrequenz

die halbe Bandbreite von $f_{m max}$ zur Verfgung steht. Das aufzumodulierende Digitalsignal hat eine Bitfrequenz $f_{Bit}$ , die von der Periodendauer eines Bit

ber
$f_{Bit} = 1 / T_{Bit}$ [Bit/s]
zusammenhngt. Die hchste Frequenz des aufzumodulierenden Signals ist gegeben, wenn die Bitfolge 10101010101... zu bertragen ist. Ein Sinussignal, welches hier hineingelegt wird, hat die halbe Bitfrequenz und die doppelte Periodendauer des Rechtecksignals:
$f_{sin} = 0,5 f_{Bit} = 0,5 / T_{Bit}$
Der Modulationsindex 1, der von der (Sinus-) Frequenz ausgeht, mit der moduliert werden kann, bezieht sich auf diese Frequenz. Aufgrund der oben beschriebenen Tatsache, da die Modulationsfrequenz halb so gro ist wie die Bitfrequenz, wird der Modulationsindex zu:

$\displaystyle \eta = 2 \cdot \frac{\Delta f}{f_{Bit}}\quad \mbox{ mit $\eta = 0,5$ ergibt sich:}\quad \Delta f = \frac{f_{Bit}}{4}$

(2)

Dieses bedeutet, da der Frequenzhub links und rechts vom Trgersignal jeweils ein viertel der nominalen Bitrate betrgt. Bei GSM-Netzen arbeiten mit einer Bitrate von 270,833

, daher betrgt der Frequenzhub $\Delta f$ ca. 67,71

Zur Gewhrleistung eines phasenkontinuierlichen Verlaufs der Trgerfrequenz und einer Vermeidung von Oberwellen wird wie schon erwhnt nicht aprupt zwischen den beiden Frequenzen hin- und hergeschaltet. Der Oszillator wird auf die jeweils andere Frequenz ``hinbergefahren''. Dieses wird dadurch erreicht, da der Phasenwinkel $\delta \varphi$ des Trgersignals whrend der bertragungs eines Bits (also in der Zeitspanne $T_{Bit}$ ) kontinuierlich verschoben wird. Die Verschiebung des Phasenwinkels hngt mit der Verschiebung der Trgerfrequenz wie folgt zusammen:

$\begin{eqnarray*} \Delta \varphi &\sim& T_{Bit}\\ \Delta \varphi &=& \Delta \... ... 0,25 f_{Bit} \cdot T_{Bit}\\ \Delta \varphi &=& \frac{\pi}{2} \end{eqnarray*}$

Aus den oben aufgefhrten Gleichungen ergibt sich, da die Phase des bertragenen Signals

whrend jeder Bitbertragungszeit um den Phasenwinkel $\pm \frac{\pi}{2}$ gedreht wird.

Das Vorzeichen der Drehung hngt von der im Protokoll definierten Vorschrift fr die Bitcodierung ab. Beim GSM-Verfahren wird ein differenzielles Codierverfahren angewandt. Hier wird nicht jedes Bit einzeln codiert, sondern die Vernderung eines Bits in Bezug auf seinen Vorgnger. Die Funktion $\varphi(t)$ fr den Phasenwinkel ist daher abschnittsweise definiert, je nachdem ob das vorherige Bit ( $d_{i-1}$ ) 0 oder 1 war:

$\displaystyle d_i = d_{i-1}:$	$\textstyle \varphi(t) =$	$\displaystyle \varphi(t_{i-1}) + \cdot \frac{\pi}{2}\cdot \frac{t-t_i}{T_{Bit}}$	(3)
$\displaystyle d_{i} \neq d_{i-1}:$	$\textstyle \varphi(t) =$	$\displaystyle \varphi(t_{i-1}) - \cdot \frac{\pi}{2}\cdot \frac{t-t_i}{T_{Bit}}$	(4)

bezeichnet die Folge der einzelnen Datenbits. Die Funktionen lassen sich je nach dem Wert von $d_i - d_{i-1}$ wie folgt vereinfachen:

$\displaystyle d_i = d_{i-1}:$	$\textstyle \varphi(t) =$	$\displaystyle \frac{\pi}{2} \cdot \frac{t}{T_{Bit}}$	(5)
$\displaystyle d_i \neq d_{i-1}:$	$\textstyle \varphi(t) =$	$\displaystyle -\frac{\pi}{2} \cdot \frac{t}{T_{Bit}}$	(6)

Aus den Gleichungen ergibt sich, da die Phasenlage des Signals bei einer bertragung von immer gleichen Bits bei der bertragung jeden Bits um den Betrag $\frac{\pi}{2}$ gedreht wird. Wird ein Bit bertragen, welches den entgegengesetzten Wert seines Vorgngers hat, wird die Phasenlage um $-\frac{\pi}{2}$ gedreht.

Drahtlose lokale Netze

Fr die funktechnischen Fragen von drahtlosen Netzen (``Wireless LANs'') ist ein Standard unter der Bezeichnung IEEE 802.11⁴definiert. Dieser Standart bezieht sich allerdings nur auf lokale Netze, da eine Mobilittsuntersttzung zur reibungslosen Kommunikation mit mehreren Access Points nicht vorgesehen ist. Fr diesen Anwendungen wurde der Internetstandard Mobile IP definiert.

Netztopologien von WLANS nach IEEE 802.11

Die Protokolle des 802.11 Standards untersttzen zwei unterschiedliche Topologien von Funknetzen. Das eine ist die Ad-hoc-Topologie, das andere die Infrastruktur-Topologie.

Die Ad-hoc-Topologie Ad-hoc-Topologie ist fr Funknetze mit kleiner Ausdehnung gedacht. Hier wird davon ausgegangen, da sich die mobilen Einheiten aus funktechnischer Sicht gegenseitig ``sehen'' knnen, und sich damit die Daten direkt zusenden knnen. In einem Weitverkehrsnetz ist diese Betriebsweise nicht mglich, da sich die Sendeleistungen und Filtermglichkeiten gegenber Strungen nicht beliebig verbessern lassen.

Im Gegensatz hierzu steht die Infrastruktur-TopologieInfrastruktur-Topologie, bei der die mobilen Einheiten nur ber eine Basistation (sog. Access-PointsAccess-Points oder Wireless Hub) miteinander kommunizieren.

Datenbertragung

Fr die Datenbertragung der Wireless LANs nach IEEE 802.11 sind insgesamt drei Verfahren definiert. Zum einen eine Infrarotbertragung, sowie zwei Funkbertragungsverfahren, die in einem der ISM⁵-Freqenzbnder arbeiten. Diese Frequenzen knnen unter gewissen Auflagen genehmigungsfrei genutzt werden. Die WLANs nach IEEE 802.11 arbeiten im Bereich bei 2,4 GHz.

Beide Funkbertragungsverfahren sind CDMA-Verfahren (ein Bandspreizverfahren, s.o.) die nach dem Prinzip des Frequency Hopping(FH/SS), bzw. nach dem Verfahren der Signalverrauschung (DS/SS) arbeiten. Bei Nutzung des DS/SS-Verfahren wird fr jede Funkzelle nur ein CDMA-Kanal genutzt, so da benachbarte Zellen mit unterschiedlichen Kannlen arbeiten mssen. Wird das FH/SS-Verfahren angewandt, kann der gleiche Kanal genutzt werden, da benachbarte Zellen mit unterschiedlichen Hopping Sequences arbeiten, also ihre Trgerfrequenz nach einer anderen Folge ndern.

Die erluterten Verfahren definieren die unterste Schicht der Datenbertragung. Hierauf setzt setzt das Verfahren zum Zugriff auf das Medium auf (MAC Medium Access Control. Dieses kann einen Mediumzugriff fr synchrone sowie fr asynchrone Datenbertragung bereitstellen.

MAC-Verfahren

Die Zugriffskontrolle auf die einzelnen Kanle der Luftschnittstelle ist im IEEE 802.11-MAC-Protokoll definiert. Hier wird eine Schicht mit der Bezeichnung Distributed Coordination Function (DCF) implementiert, die fr die asynchrone Datenbertragung genutzt wird. Fr die synchrone bertragung von Daten kann eine Reservierung von bertragungskapazitt vorgenommen werden. Hierfr ist eine optionale Schicht (Point Coordination Function (PCF) zustndig, die bildlich gesehen oberhalb der DCF liegt. Fr diese bertragungsart ist der konkurrierende Zugriff auf das bertragungsmedium (also den jeweiligen Kanal) praktisch ausgeschaltet.

Innerhalb der DCF sind fr die Regulierung des Zugriffs zwei verschiedene Verfahren vorgesehen, die sogenannte Basic Access Method und die RTS/CTS Access Method. Letzteres Verfahren ist ein CSMA/CA- Protokoll (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance)CSMA/CA. CSMA bedeutet, da eine sendewillige mobile Einheit hnlich wie beim Ethernet vor dem Sende den Uplink abhrt und dabei feststellt ob der Uplink-Kanal frei ist. Falls dieser frei ist wird jedesmal eine zufllige ermittelte Zeitspanne festgelegt, nach der der Sendevorgang beginnt. Whrend diese Wartezeit hrt die Station weiter den Uplink ab, um festzustellen, ob nicht eine andere Station eine krzere Zeitspanne ermittelt hat. Fr diesen Fall wird der Sendetimer whrend des Sendevorganges der anderen Station unterbrochen. Falls der Uplink wieder frei geworden ist, wird die restliche Zeitspanne abgewartet und der Sendevorgang dann begonnen. Ein erfolgreicher Sendevorgang wird vom Empfnger durch ein ACK-Signal beantwortet.

Nach Beginn des Sendens wird whrend des Versands der ersten 576 Bits noch auf Kollisionen geachtet. Dieser Wert errechtnet sich aus der Gre des kleinsten Frames von 64 Byte (512 Bit) plus einer Sperrzeit fr die Kollisionserkennung. Innerhalb dieser Zeit ist das Signal ber den gesamten Bus gelaufen, so da andere Teilnehmer erkannt haben, da der Bus belegt ist. Falls der Bus zu lang ist bzw. zu viele Netzwerksegmente durch Repeater oder Hubs verbunden wurden kann es nach Ablauf der Kollisionserkennung des Senders dennoch zu Kollisionen kommen. Diese Late Collisions knnen von der Sendestation aber nicht mehr erkannt werden, sondern mssen auf hheren Protokollschichten abgefangen werden. Bei verbindungsorientierten hheren Protokollen wie TCP wird dann ein Neuversand angeregt, der widerum einen neuen Versand auf Ethernetebene nach sich zieht.

Adressierung im WLAN

Die mobilen Gerte des wireless LAN besitzen eine 48-Bit MAC-Adresse genau wie jedes andere Gert im Ethernet auch. Falls nun ein Frame an eine mobile Einheit versandt werden soll, wird sie an diese MAC-Adresse gesandt. Der access point kennt die MAC-Adressen der mobilen Einheiten in seinem Basic Service Set (BBS) befinden und bernimmt alle Pakete, die an einen dieser Netzwerkadressen gerichtet ist. Er versendet diesen Frame dann ber die Luftstrecke an den mobilen Netzteilnehmer.

Das Protokoll fr den Datenverkehr auf der Luftschnittstelle sieht 3 Adressfelder vor, die beiden Adressfelder fr Sender und Empfnger und eines fr den access point. Dieser fgt den Paketen an die mobilen Teilnehmer seine MAC-Adresse (basic service set identifier, BSS-ID) hinzu, so das diese den Sender identifizieren knnen und die Datenpakete zur Feststation an den access point adressieren. Hier wird die zustzliche Adresse entfernt und das Paket an den Teilnehmer im stationren Netz weitergeleitet. Aus Sicht der stationren Teilnehmer funktioniert dieses Verfahren transparent, so das hier keine weiteren Manahmen erforderlich sind.

Management-Protokolle

Neben den oben erluterten Funktionen sind in IEEE 802.11 noch mehrere Protokollprimitiven fr das Management vorgesehen:

Synchronisierung:: Alle mobilen Einheiten und der access point arbeiten mit synchronen Uhren. Hierzu wird in regelmigen Abstnden vom acess point ein Synchronsignal ausgesandt.
Power Management:: Die mobilen Einheiten werden so oft und lange wie mglich in einen Power-Safe-Modus betrieben, um die Akkus zu schonen. Sie wachen zu festgelegten Zeitpunkten auf, um Daten auszutauschen. Der acess point kennt die Zeitmarken und speichert zwischezeitlich eingehende Pakete aus dem LAN zwischen.
Feldstrkemessung:: Zur Ermittlung des access points mit der besten Funkanbindung tauschen die mobilen Einheiten mit den access points sogenannte probe frames aus.
Einbuchung:: Die mobilen Einheiten buchen sich bei den einzelnen access points ein, so da diese ihre Tabellen fr die MAC-Adressen aktuell halten knnen und wissen, wer sich in ihrem Einzugsbereich aufhlt. Dieses ist die Basis fr eine Mobilittsuntersttzung.

Fußnoten

... Frequenz ³: Kanal $\neq$ Frequenz
... 802.11 ⁴: Institute of Electrical and Electronics Engineers
... ISM ⁵: Industry, Science, Medicine

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