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Referat – UMTS

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Referat – UMTS Powered By Docstoc
					Gerald Neher, 3AIT                                                       14. 01. 2002
                                   Referat UMTS

Allgemeines

UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) ist der europäische Standard
der dritten Mobilfunkgeneration, der international den Namen "IMT-2000"
(International Mobile Telecommunication) trägt. Mobilfunksysteme der 1. Generation
sind analoge Systeme wie das D-Netz in Österreich. GSM (Global System for Mobile
Communications) ist der erfolgreichste Vertreter der Mobilkommunikationssysteme
der 2. Generation. Mit derzeit über 300 Millionen Teilnehmern fand das in Europa
standardisierte GSM auch weit über dessen Grenzen hinaus Verbreitung.

UMTS wurde entwickelt, um einerseits die zur Verfügung stehenden Frequenzen
besser auszununtzen und andererseits den von Seiten der Konsumenten immer
höheren Anforderungen an Datenraten gerecht zu werden. UMTS soll mit dem Jahr
2002 Wirklichkeit werden. Es soll Funktionalitäten von Mobilfunk-, Schnurlos- und
Paging-Systemen vereinen. War und ist für normale Telefongespräche der GSM-
Standard eine qualitativ hervorragende Technik, so konnte diese bei EDV-
Datenraten nur sehr beschränkte Geschwindigkeiten anbieten. Der Normale GSM-
Standard bietet für EDV-Anwendungen gerade einmal 9.600 Bits Datentransfer pro
Sekunde. Will man zB. 1 Megabyte aus dem Internet herunterladen, so benötigt man
dabei fast eine viertel Stunde! Auch die Kosten sind relativ hoch, da beispielsweise
bei 1,- ATS pro Minute der Kunde 15,- ATS zu zahlen hat.

Erste Abhilfe, um diesen Mankos entgegenzuwirken, war, dass man 1998 zwei neue
Standards geschaffen hat, die auf der bisherigen GSM-Technik aufsetzen und
schnellere Datendienste anbieten:

      HSCSD – High Speed Circuit Switched Data, Geschwindigkeitssteigerung um
       50%, leitungsorientiert, erste HSCD-taugliche Handys im Jahr 2000
      GPRS – General Packet Radio Service, paketorientierte und schnelle
       Datenübertragung im GSM-Netz, Vorstufe von UMTS

Auf lange Sicht gesehen ist allerdings klar, dass oben genannte GSM-Erweiterungen
nur eine kurzfristige Überbrückung sein kann, da diese beiden Techniken auf
bestehende GSM-Infrastrukturen aufbauen müssen. Dazu muss angemerkt sein,
dass die heute verwendete GSM-Architektur ihre Anfänge im Jahr 1982 zu suchen
hat!

UMTS baut auf einem komplett neuen Funknetzteil (UTRAN - UMTS Terristrial
Radio Access Network) auf, dessen Technologie sich vehement von der GSM-
Technik unterscheidet und dadurch unsere zwei zu anfangs erwähnten Ziele erfüllt -
nämlich effizientere Nutzung der Frequenzen und schnellere Datendienste. Aber
auch höhere Qualitätskriterien bezüglich der Dienstleistungen (QoS - Quality of
Service) werden von UMTS berücksichtigt.

Zentraler Ansatz für diese neue Funknetz-Technik ist das W-CDMA
Multiplexverfahren. W-CDMA steht für Wideband Code Division Multiple Access
und ist dafür verantwortlich, dass mehrere Teilnehmer gleichzeitig über nur einen
Frequenzkanal kommunizieren können, ohne dass sie sich gegenseitig stören bzw.
beeinflussen. Um dies zu ermöglichen, wird jedes Teilnehmersignal mit einem
binären Code gekennzeichnet, sodass der Empfänger das gewünschte Signal aus
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dem gemeinsam genutzten Frequenzkanal wieder herausfiltern kann, sofern er den
verwendeten Binärcode kennt! Diese Technik stammt aus den
Bandspreizverfahren, die zum Teil schon in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts
für Militärzwecke verwendet wurden.



Überblick über das UMTS-Netz

Die wesentlichen Änderungen vollziehen sich also im Funknetzteil. Für die erste
Phase der Implementierung von UMTS will man sich auch hauptsächlich auf diese
Innovationen des Funknetzteils konzentrieren und die Vermittlung der Daten von der
bestehenden Mobilfunkinfrastruktur durchführen. Der Mobilfunknetzbereich, der für
die Vermittlung und Verwaltung von Daten- und Teilnehmerbeständen verantwortlich
ist nennt man Core Network bzw. Kernnetz.




Das UE stellt eine Funkverbindung zur Node B seiner Zelle her. Die Node B
entspricht beim GSM-Netz dem BTS (Base Tranceiver Station) und wird daher auch
bei UMTS gelegentlich als "BTS" bezeichnet. Die Node B besteht also einerseits aus
Sende- und Empfangsantenne sowie aus Signalverarbeitungsgeräten, die für
Codierung, Modulation und diverse andere Aufgaben zuständig sind.

Die Node B´s wiederum sind an den RNC (Radio Network Controller) angekoppelt,
der eine Art Vorfeldkonzentration und Verwaltungseinheit für die ihm zugeordneten
Zellen ist. Der RNC hat letztlich auch die Aufgabe die Signalankoppelung an das CN
zu realisieren.
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Bei UMTS werden in der ersten Phase also die Gesprächsdaten vom UTRAN (UMTS
- Funknetz) über Funk aufgefangen und an die bereits bestehenden GSM-
Vermittlungsstellen (MSC - Mobile Switching Center) weitergeleitet, damit die Daten
an das Ziel weitergereicht werden können, zB. über das GMSC (Gateway Mobile
Switching Center) in das Festnetz. Im Gegensatz dazu werden die paketorientierten
EDV-Daten, die vom UTRAN per Funk übergeben werden, von den "GPRS -
Vermittlungsstellen", den SGSN´s (Serving GPRS Support Node), aufgenommen
und an den GGSN´s (Gateway GPRS Support Node) weitergeleitet, die die
Kommunikation mit externen Datennetzen aufnehmen.

MSC, SGSN, GGSN gehören zum Core Network des Mobilfunknetzes der "zweiten
Generation" und werden für UMTS mit kleinen Umstellungsarbeiten weiter
verwendet, wodurch sich für die Netzbetreiber Kosten einsparen lassen beim Aufbau
eines UMTS-Mobilfunknetzes.

Das MSC (Mobile Switching Center) ist ein Vermittlungsknoten, der Signale von
einem Eingang zu einem bestimmten Ausgang für CS-Dienste durchschalten muss.
Um externe CS-Netze an das interne UMTS-Netz anzukoppeln gibt es eigene
GMSC´s (Gateway MSC). Außerdem muss das MSC noch folgende Aufgaben
durchführen:

      Vermittlung von CS-Diensten
      Andbindung an externe CS-Netze
      Realisierung von Diensten
      Lokalisierungsprozeduren
      Hard-Handover
      Verbindung zu Datenbanken – Mobilitätsverwaltung
      Signalisierungs-Mechanismen

Die TRAU (Transcoder Rate Adapter Unit) stellt eine Gatewayfunktion zwischen dem
MSC und dem RNC (Radio Network Controller aus dem UTRAN). Sie hat die
Aufgabe einerseits die Sprachkompression zur Verfügung zu stellen, da im UTRAN
nur Sprachdatenraten von 4,75kbit/s bis 12,2kbit/s verwendet werden, der MSC aber
nur die Standardrate von 64kbit/s versteht, die einem Zeitschlitz des PCM30-
Standards entspricht. Andererseits muss die TRAU auch vom ATM-
Übertragungsstandard (Pakete von fixer Länge mit 53Byte) des UTRAN´s in das
PCM30-Format (Zeitmultiplexverfahren mit 32 Zeitschlitzen pro Kabel, von denen 30
als Nutzkanäle verwendet werden können) der CS-Domäne des Core Networks
übersetzen. Bei der Sprachkompression kommt der AMR-Sprachcodec zum Einsatz
(Adaptive Multi Rate). Im Gegensatz zur GSM-Architektur gehört die TRAU bei
UMTS zum Core Network (bei GSM zum BSS).

Das HLR (Home Location Register) ist eine Datenbank, die die Teilnehmerdaten
zentral speichert. Hauptsächlich werden hier die nicht-veränderlichen Daten wie
Rufnummer, Geheimschlüssel, zur Verfügung stehende Dienste (je nach
abgeschlossenen Mobilfunkvertrag) gespeichert, aber auch temporäre Daten, in
welchem örtlichen MSC-Bereich sich der Mobilteilnehmer z.B. gerade aufhält. Für
PS-Dienste werden hier auch die PDP-Kontexte gespeichert (Packet Data Protocol),
die dazu dienen, die erlaubten PS-Dienste zu spezifizieren wie z.B.
Zugangsberechtigung zu einem Firmen-Intranet. Die HLR-Adresse ist indirekt auch in
der Rufnummer des Teilnehmers gespeichert.
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Jedem MSC ist normalerweise auch ein eigenes VLR (Visitor Location Register)
zugewiesen, das die temporären Daten aller Teilnehmer speichern muss, die sich im
Verwaltungsgebiet des MSC´s befinden. Dazu gehören Sicherheitsdaten für
Authentisierung und Datenverschlüsselung, Location Area Identiy, TMSI-Rufnummer
(Temporary Mobile Station Identity). Außerdem hat das VLR auch eine Kopie vom
HLR über alle Dienste, auf die der betreffende Teilnehmer ein Anrecht hat, was ja
auch vom jeweiligen Vertrag abhängt.

Der SGSN (Serving GPRS Support Node) ist das PS-Äquivalent zum MSC. Er hat
die Aufgabe ein geographisches Gebiet zu versorgen. Er ist für die Mobilität der PS-
Teilnehmer und die Sicherheit (Authentisierung) verantwortlich und stellt einen
Knoten im PS-Netz dar. Er hat die aktuelle geographische Lage seiner Teilnehmer
gespeichert, um z.B. aus dem Internet kommende Daten dem entsprechenden
Teilnehmer weiterleiten zu können.

Der GGSN (Gateway GPRS Support Node) ist jener PS-Netzknoten, der den
Übergang zu externen Datennetzen realisiert. Die z.B. aus dem Internet kommenden
Datenpakete werden in einen speziellen "Container" gepackt und mit Hilfe des GTP-
Protokolls (GPRS Tunneling Protokoll) an den geographisch entsprechenden SGSN
weiter geroutet.



Frequenzspektrum in Österreich

In Europa haben sich viele Netzbetreiber bei der Versteigerung von UMTS-
Frequenzen stark verausgabt bzw. übernommen. So wurde zB. in Deutschland für
alle UMTS-Frequenzpakete ca. 50 Milliarden Euro ausgegeben, in England zeigte
sich ein ähnlicher Verlauf. Im Gegensatz dazu ging es in Österreich bei den
Lizenzvergaben "gesittet" und ruhig zu. Gerade einmal 11,4 Milliarden Schilling (832
Millionen Euro) wurde für alle Frequenzpakete ausgegeben, wobei für alle
europäischen Länder die Anzahl der Frequenzpakete gleich ist.
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Gepaarte Frequenzpakete bestehen immer aus zwei Frequenzbändern von jeweils
5MHz, wobei eines davon für den Downlink und das andere für den Uplink verwendet
wird. Das ungepaarte Frequenzband, ebenfalls 5MHz, realisiert den Down- und den
Uplink per Zeitmultiplex. Also "Sprechen" und "Hören" erfolgt hintereinander, die
Zeitabstände sind aber so klein, dass der User davon nichts merkt (10ms werden
aufgeteilt). Die ungepaarten Bänder sind vor allem für asymmetrische Dienste (zB:
7ms Downlink und 3ms Uplink) sehr attraktiv, da zB. bei einem Internetzugriff
typischerweise bei weitem mehr Daten aus dem Netz gesaugt werden, als der User
Daten Richtung Netz schickt.


UE – User Equipment

Das UMTS-Handy (UE - User Equipment) besteht genauso wie bei GSM aus zwei
Komponenten:

      Mobile Equipment
      USIM-Karte

Das Mobile Equipment ist das Hardware-Gerät, dass man im Fachgeschäft zu kaufen
bekommt, mit dem man alleine aber noch keine UMTS-Dienste in Anspruch nehmen
kann. Um auf die zahlreichen Dienste eines Netzbetreibers zugreifen zu können
benötigt man eine USIM-Karte (UMTS Subscriber Identity Module), die man vom
jeweiligen Netzbetreiber bekommt und auf der alle Daten abgespeichert sind, die für
den Netzbetrieb notwendig sind. Die USIM-Karten eines UE´s haben dabei eine
Speicherkapazität von mehreren Megabytes (GSM-SIM-Karten haben dagegen nur
8kB bis 32kB).
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Da die UE´s neue Dienste wie Bildtelephonie oder schnelle Internetdienste
ermöglichen, werden die meisten Geräte ein relativ großes Farbdisplay sowie eine
Miniaturkamera "Webcam" implementiert haben. Ebenso ist eine schnelle drahtlose
Schnittstelle für den Anschluss an Laptops zu erwarten - dazu gehören FIR (Fast
Infrared) und Bluetooth.




                          UMTS-Designstudie von Ericcson


Authentisierung

Bei der Authentisierung wird die Identität des Teilnehmers gegenüber dem
Netzbetreiber sichergestellt, damit nicht eine unbefugte Person auf Kosten eines
Mobilteilnehmers irgendwelche Dienste in Anspruch nehmen kann. Diese Prozedur
hat es bereits bei GSM in ähnlicher Form gegeben. Das Verfahren bei GSM hatte
allerdings den Nachteil, dass nur die Teilnehmeridentität überprüft wurde, nicht aber
die Identität des Netzbetreibers. So ist es bei GSM beispielsweise möglich, dass ein
Hacker mit einem sogenannten "IMSI-Catcher" sich fälschlicherweise als
Netzbetreiber ausgibt und damit das Handy des Mobilteilnehmers täuscht, sodass
der Hacker diverse Möglichkeiten hat, heikle Daten aus der SIM-Karte des Handys
abzuziehen. Mit diesen Daten ist es z.B. möglich eine neue SIM-Karte zu
produzieren, mit der man dann auf Kosten anderer Teilnehmer telefonieren kann.

Aus diesem Grund wurde bei UMTS noch ein sogenanntes "Authentication Token",
kurz AUTN, eingeführt, mit dem das Handy eines Teilnehmers feststellen kann, ob es
sich wirklich um den gewünschten Netzbetreiber handelt oder ob ein Hacker nur
vorgibt jener Netzbetreiber zu sein. Bevor noch die Teilnehmer-Identität überprüft
wird, wird das AUTN verifiziert. Nur wenn das AUTN gültig ist, werden die weiteren
Authentisierungs- und Verschlüsselungsprozeduren weitergeführt. Stimmt das AUTN
nicht, so wird sofort abgebrochen. Der Hacker ist somit chancenlos, den geheimen
Teilnehmer-Identitätsschlüssel zu rekonstruieren, der nur auf der SIM-Karte und im
AuC (Authentication Center) abgelegt ist und niemals transportiert wird.



Verkehrsklassen von UMTS

In UMTS sind 4 Verkehrsklassen zur Übertragung von Diensten definiert. Jede
Dienstklasse ist durch ihre Übertragungscharakteristik geprägt bzw. definiert. Es gibt
z.B. Dienste wie Sprachtelefonie, die einerseits eine konstante Übertragungsrate mit
kurzen zeitlichen Verzögerungen benötigen, die andererseits wieder sehr
unempfindlich gegenüber Fehler sind. So kann das menschliche Ohr kurze Tonfehler
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  (im Millisekundenbereich) nicht registrieren - also sind kurzzeitige Datenfehler auch
  nicht relevant für Sprachübertragung. Andere Dienste wie z.B. Emailübertragung
  sollten ohne einzigen Fehler übertragen werden. Bei Emails sind andererseits
  zeitliche Verzögerungen von einigen Sekunden unerheblich. Ebenso ist bei Emails
  eine konstante Bitrate nicht erforderlich, da das Email erst dann gelesen wird, wenn
  es komplett heruntergeladen worden ist. Man muss also die unterschiedlichen
  Übertragungscharakteristiken berücksichtigen - genau das ist bei UMTS durch
  Einteilung in 4 Verkehrsklassen geschehen, die hier gezeigt werden sollen:

                     konservative           Streaming             interaktive       Hintergrund
Verkehrsklassen
                        Klasse                Klasse                 Klasse         Übertragung

                        geringe                                Empfindlich gegen
                   Zeitverzögerungen        Konstante
                                                                    Fehler       Unempfindlich gegen
                                           Übertragungs-
                    keine zeitlichen      geschwindigkeit       Keine konstante   Zeitverzögerungen
Eigenschaften       Schwankungen                                 Übertragungs-    Empfindlich gegen
                                        Unempfindlich gegen
                  Unempfindlich gegen                           geschwindigkeit         Fehler
                                        konstante Zeitdelays
                     kleine Fehler                                   nötig

                        Sprache           Audioübertragung       Internetsurfen     Email-Download
 Anwendungen         Videotelefonie       Videoübertragung                          Faxübertragung




  Versorgungsgrad

  Der Versorgungsgrad ist definiert als der Anteil der versorgten ansässigen
  Bevölkerung an der gesamten ansässigen Bevölkerung. UMTS/IMT-2000-Dienste
  sind mit folgendem Versorgungsgrad kommerziell anzubieten:

        spätestens am 31. Dezember 2003 mit 25% Versorgungsgrad
        spätestens am 31.Dezember 2005 mit 50% Versorgungsgrad
        In den versorgten Gebieten ist ein Trägerdienst mit einer Datenrate von
         zumindest 144 kbit/s anzubieten.

  Der genannte Versorgungsgrad ist mittels selbst betriebenem Netz anzubieten.


  Anwendungsmöglichkeiten von UMTS

     1. Informationen:
            a. Internet
            b. Interaktives Einkaufen
            c. Printmedien online
            d. Ortsbezogene Broadcast-Dienste (Wetterbericht, Verkehrsnachrichten,
               ...)
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                                   Referat UMTS
   2. Bildung
          a. Virtuelle Schule
          b. Online-Bibiliothek
          c. Online-Wörterbuch
          d. Training



   3. Unterhaltung
         a. Musikübertragung (Alternative zu MP3-Player)
         b. Spiele (Gameboy-Ersatz)
         c. Videoclips
         d. Elektronischer Verkauf von Film, Musik, Spielen



   4. Dienste für Gemeinschaften
         a. Notfall-Dienste
         b. Regierungs-Dienste



   5. Telepublishing
         a. Übertragung von Druckunterlagen
         b. Individuelle elektronische Zeitung



   6. Kommunikationsdienste
        a. Sprachtelefonie
        b. Videotelefonie
        c. Email-Dienste
        d. SMS-Dienste



   7. Dienste für den Geschäftsbereich
         a. Virtuelle Bankdienste
         b. Bezahlungsdienste online
         c. Funktionelle Verknüpfung der USIM- und Kreditkarte
         d. Elektronischer Marktplatz



   8. Spezialdienste
        a. Telemedizin: Notversorgung z.B. auf Schiffen durch
            Satellitenverbindung auf das UMTS-Handy, das für Videodienste
            konfiguriert ist (integrierte Webcam)
        b. Technische Online-Betreuung durch Spezialfachkräfte
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Abkürzungen

ATM          Asynchronous Transfer Mode
AUC          Authentication Center
BTW          Base Tranceiving Station
CLIP         Calling Number Identification Presentation
CLIR         Calling Number Identification Restriction
CN           Core Network
DECT         Digital Enhanced Cordless Telecommunication
EDGE         Enhanced Data Rates for GSM Evolution
GGSN         Gateway GPRS Support Node
GSM          Global Systems for Mobile Communications
HLR          Home Location Register
HSCD         High Speed Circuit Switched Data
IMSI         International Mobile Subscriber Identity
MAC          Medium Access Control
PSTN         Public Switched Telefon Network
RNC          Radio Network Controller
SGSN         Serving GPRS Support Node
SIM          Subscriber Identity Module
SMS          Short Message Service
TRAU         Transcoder and Rate Adaption Unit
UE           User Equipment
Um           Luftschnittstelle
UMTS         Universal Mobile Telecommunication System
USIM         UMTS SIM
UTRAN        UMTS Terristrial Radio Access Network
VLR          Visitor Location Register
W-CDMA       Wideband Code Division Multiple Access



Weitere Quellen

http://cellphones.about.com/cs/wirelessdata/index.htm

http://www.umtslink.at/