Informationstechnik B. Walke Mobilfunknetze Und Ihre Protokolle
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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, Mannheim Prof. Dr.-Ing. Martin Bossert, Ulm In der Informationstechnik wurden in den letzten Jahrhunderten 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 "Informationtechnik" soll der internationale Standard der Methoden und Prinzipien der modemen Informationtechnik 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 Band 1 Grundlagen, GMS, UMTS und andere zellulare Mobilfunknetze Von Professor Dr.-Ing. Bernhard Walke Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen 2., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 216 Bildern und 74 Tabellen mB. G. Teubner Stuttgart· Leipzig· Wiesbaden 2000 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei Der Deutschen Bibliothek erhältlich. Prof. Dr.-Ing. Bernhard Walke Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Kopernikusstraße 16,52074 Aachen Band 1 Grundlagen, GMS, UMTS und andere zellulare Mobilfunknetze 2., überarbeitete und erweiterte Auflage 216 Bilder, 74 Tabellen Alle Rechte vorbehalten © B.G. Teubner GmbH, Stuttgart . Leipzig' Wiesbaden 2000 Softcover reprint ofthe hardcover 2nd edition 2000 Der Verlag Teubner ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsge setzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfil mungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. http://www.teubner.de Konzeption und Layout des Umschlags: Peter Pfitz, Stuttgart ISBN 978-3-322-92669-2 ISBN 978-3-322-92668-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-92668-5 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 Sendim 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 rrian 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 GSM (Global System for Mobile Communications, ein ETSI-Standard) und vergißt, daß neben diesem Zellularsy stem noch viele andere Konzepte für neue digitale Mobilfunksysteme bestehen, die den Erfolg des GSM zu wiederholen suchen und auf z. T. andere Anwendun gen als schmalbandige Sprachkommunikation zielen, z. B. mobiler Internet-Zugang und Multimediakommunikation, die durch das ab 2002 eingeführte Mobilfunknetz der 3. Generation UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) zusätzlich zu Sprachkommunikation unterstützt werden. Daneben sind Systeme für Funkruf, Bündelfunk, Schnurloskommunikation, drahtlose Schmal- und Breitbandkommu nikation und satellitengestützte persönliche Mobilkommunikation zu nennen, die in Band 2 dieses Buches ausführlich vorgestellt werden. Meine Forschungsgruppe hat sich seit 1983 auf die Entwicklung von Diensten und Protokollen für private und öffentliche Mobilfunksysteme spezialisiert und dafür einen umfangreichen Satz von Werkzeugen zur Software-Erstellung, Modellierung und stochastischen Simulation von Mobilfunksystemen entwickelt. Diese Werkzeu ge haben ermöglicht, die in diesem Buch beschriebenen in Europa in Diskussion oder in Einführung befindlichen Mobilfunksysteme bitgenau in großen Programm paketen verfügbar zu haben, um die Systeme in ihrer natürlichen Umgebung mit der zugehörigen Funkversorgung, Mobilität und dem typischen Verkehrsaufkom men der Terminals untersuchen zu können und eigene Verbesserungsvorschläge von Diensten und Protokollen einfügen und erproben zu können. Die entsprechenden Vorschläge und zugehörigen Ergebnisse unserer Arbeit sind wiederholt erfolgreich in die Standardisierung eingeflossen. Hinter diesen Werkzeugen steckt das Arbeitsergebnis einer Gruppe von im Durch schnitt 30 wissenschaftlichen Mitarbeitern und von ca. 60 Diplomarbeiten pro Jahr, ohne die das Aufarbeiten der vielen Details so vieler Systeme nicht möglich gewesen wäre. Die zugehörigen Arbeiten beschränken sich nicht auf die Implemen tierung von Protokollen der jeweiligen Systeme, sondern reichen von der Entwick lung von Funkplanungswerkzeugen auf der Basis empirischer und von Strahlver folgungstechniken für gegebene Szenarien, über die Markovketten-basierte Model lierung des Funkkanals, exemplarische Untersuchungen über die Modellierung der Empfänger, Untersuchungen zur Wirksamkeit adaptiver Kanalcodierungsverfah ren, prototypische Implementierung von Entzerrern, Entwicklung von Modellen für die Bitfehlercharakteristik der jeweiligen Systeme, Entwicklung von Verfahren zur dynamischen Kanalvergabe in flächigen Systemen und zur dezentralen Organi sation von Systemen mit drahtlosen Basisstationen usw. bis zur Entwicklung von Mehrwertdiensten. Diese flankierenden Arbeiten erwiesen sich als notwendig, um Vorwort IX den schwierigen Prozeß der Modellierung realer Systeme ausreichend realistisch zu gestalten. Ohne die tatsächliche Realisierung der Dienste und Protokolle in reali stischen Modellen zur Systemsimulation wäre die hier gewählte Darstellungstiefe der entsprechenden Systeme nicht möglich gewesen. Die Darstellungen und Abbildungen beruhen auf den Arbeitsergebnissen sehr vie ler beteiligter Studenten, die hier nicht namentlich genannt werden können - ich kann ihnen hier nur pauschal für ihre Begeisterung und Gründlichkeit bei der Mit arbeit danken. Ihre Beiträge sind in die Modellierung und Bewertung der einzelnen Systeme und ihrer Modifikationen eingeflossen und haben mir und meinen Mitar beitern geholfen, die Eigenschaften der betrachteten Systeme besser zu verstehen. Die einzelnen Kapitel sind in enger Zusammenarbeit mit für die jeweiligen System modelle verantwortlichen wissenschaftlichen Mitarbeitern entstanden, die jeweils namentlich genannt werden. Sie repräsentieren Forschungs- und Entwicklungser gebnisse und z. T. auch Textbeiträge, wie sie in die endgültige oder frühere Versio nen des als Vorlesungsmanuskript über acht Vorlesungszyklen weiterentwickelten Manuskriptes