DIPLOMARBEIT

Analyse und Bewertung der Möglichkeiten einer IP-basierten Übertragung im
UMTS Funknetz für Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Dienste.
Erarbeitung der Anforderungen an das UMTS Funknetz bzw. von Lösungsvorschlägen.

Eingereicht von Richard Klein

an der Bergische Universität Gesamthochschule Wuppertal
Studienrichtung: Elektrotechnik Fachrichtung Nachrichtentechnik DI

In Zusammenarbeit mit: Dr. V. Höhn, Mannesmann Mobilfunk, Düsseldorf
Abt.: BSS Implementierung und Validierung

29.09.2000

Inhalt

Einleitung und Problemstellung ... 4

1. UMTS – Aufbau und Funktion ... 6
    1.1 Allgemeines ... 6
        1.1.1 UMTS-Architektur ... 9
        1.1.2 UTRA-FDD-Modus ... 10
        1.1.3 UTRA-TDD-Modus ... 11
    1.2 UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) ... 12
    1.3 UMTS Core Network (CN) ... 14

2. Das ISO-OSI-7-Schichtenmodell ... 15
    2.1 Prinzip des Schichtenmodells ... 15
    2.2 Die Schichten des ISO-OSI-Modells ... 16
        2.2.1 Bitübertragunsschicht (Physical Layer, physikalische Schicht) ... 16
        2.2.2 Sicherungsschicht (Link Layer, Verbindungsschicht) ... 16
        2.2.3 Netzwerkschicht (Network Layer, Vermittlungsschicht) ... 16
        2.2.4 Transportschicht (Transport Layer) ... 17
        2.2.5 Sitzungsschicht (Session Layer, Kommunikationssteuerungsschicht) ... 17
        2.2.6 Präsentationsschicht (Presentation Layer, Darstellungsschicht) ... 17
        2.2.7 Anwendungsschicht (Application Layer) ... 17

3. Die Internet-Protokollfamilie ... 18
    3.1 Systemarchitektur und Protokolle ... 18
        3.1.1 Protokolle der Sicherungsschicht ... 19
            3.1.1.1 Address Resolution Protocol (ARP) & Reverse Address
            Resolution Protocol (RARP) ... 19
            3.1.1.2 Asynchronous Transfer Modus (ATM) & ATM Adaption
            Layer (AAL) ... 19
        3.1.2 Protokolle der Vermittlungsschicht ... 20
            3.1.2.1 Internet Protocol Version 4 (IPv4) ... 21
            3.1.2.2 Internet Protocol Version 6 (IPv6) ... 25
            3.1.2.3 Internet Group Management Protocol (IGMP) ... 29
            3.1.2.4 Internet Control Message Protocol (ICMP) und ICMPv6 ... 29
            3.1.2.5 Resource Reservation Protocol (RSVP) ... 29
        3.1.3 Protokolle der Transportschicht ... 30
            3.1.3.1 Transmission Control Protocol (TCP) ... 30
            3.1.3.2 User Datagramm Protocol (UDP) ... 34
            3.1.3.3 Realtime Transport Protocol (RTP) ... 35
            3.1.3.4 RTP Control Protocol (RTCP) ... 36
    3.2 Bewertung der Protokolle bezüglich ihrer Eignung für QoS ... 38
        3.2.1 Bewertung der Protokolle der Vermittlungsschicht ... 38
            3.2.1.1 IPv4 ... 38
            3.2.1.2 IPv6 ... 38
            3.2.1.3 RSVP... 39
            3.2.1.4 Schlussfolgerung ... 40
        3.2.2 Bewertung der Protokolle der Transportschicht ... 40
            3.2.2.1 TCP ... 40
            3.2.2.2 UDP ... 41
            3.2.2.3 RTP & RTCP ... 42
            3.2.2.4 Schlussfolgerung ... 42

4. Protokollarchitektur der UTRAN-Schnittstellen ... 43
    4.1 Übersicht ... 43
    4.2 Iu-Schnittstelle ... 44

5. Quality of Service (QoS) – Die Dienstgüte ... 46
    5.1 Anforderungen an ein Funksystem ... 46
    5.2 QoS – Aufbau bei UMTS ... 46
    5.3 UMTS QoS-Verkehrs-Klassen ... 48
    5.4 UMTS Trägerdienst Eigenschaften (UMTS Bearer Service) ... 50
    5.5 Referenz Radio Access Bearer ... 53

6. Analyse der Datenübertragung mittels IP im UTRAN ... 54
    6.1 Kapselung der Daten ... 54
    6.2 Mögliche Übertragungssysteme für das UTRAN ... 56
    6.3 Berechnungen am Beispiel GTP-U/UDP/IP/AAL5/ATM ... 58

7. Mobile IP ... 64
    7.1 Grundkonfiguration nach RFC 2002 ... 64
    7.2 Funktionsweise von Mobile IP ... 66
    7.3 Mobile IP im UMTS-Netz ... 67

8. IP über Funk ... 70
    8.1 Funksysteme / Wireless LAN ... 70
        8.1.1 IEEE 802.11 ... 70
        8.1.2 HIPERLAN ... 72
        8.1.3 Bluetooth ... 76
    8.2 Vergleich WLANs ... 78
    8.3 Bewertung WLAN hinsichtlich ihrer Dienstgütegarantien ... 78

9. Bewertende Zusammenfassung und Schlussfolgerungen ... 80

Abkürzungen nach [46] ... 82

Abbildungsverzeichnis ... 85

Quellen und Literatur ... 88

Einleitung und Problemstellung
Durch die ständig wachsende Flut von Informationen im Internet und anderen Kommunikationsmedien wird der Ruf nach immer schnelleren Übertragungsmedien lauter.
Während im Festnetz die drahtgebundenen Datenübertragungsraten immer weiter zunehmen, ist auf dem Gebiet der mobilen Funk-Übertragung noch lange nicht eine vergleichbare Geschwindigkeit möglich.
Die heutigen digitalen Mobilfunkstandards (zweite Generation der mobilen Telekommunikation) basieren auf Schmalbandtechniken, die entwickelt wurden, um die elementaren Anforderungen an Sprach- und Datendiensten abdecken zu können. Diese etablierten Funkstandards basieren auf dem CDMA- (Code Division Multiple Access) oder FDMA-Verfahren (Frequency Division Multiple Access)
Um die Anforderungen der erwartenden Dienste für die nächste Generation zu erfüllen, ging von der International Telecommunication Union (ITU) ein offizieller Aufruf zur Einreichung von Vorschlägen für die Übertragungstechnik zukünftiger Mobilfunksysteme im Rahmen des International Mobile Telecommunications (IMT-) 2000-Programms aus.
Der europäische Vorschlag für IMT-2000, der von European Telecommunications Standards Institute (ETSI) vorbereitet wird, ist das Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). Innerhalb dieses Vorschlages wurden die grundlegenden Anforderungen für UMTS und UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access) festgelegt. Für die Erarbeitung dieser Vorschläge/Spezifikationen haben sich mehrere Firmen und Interessengruppen zusammen geschlossen, dem 3GPP (3rd Generation Partnership Project).

Wesentliche Anforderungen sind eine minimale Datenrate von 144kBit/s für ländliche Regionen bei einer maximalen Geschwindigkeit von ca. 500 km/h. Im Vorstadt-Bereich sollten bei einer Geschwindigkeit von bis zu 120 km/h immer noch 384 kBit/s angeboten werden. Die höchste Geschwindigkeit von 2 Mbit/s ist in Gebäuden oder in Innenstädten angestrebt, wobei hier die Geschwindigkeit nur noch bei Schrittgeschwindigkeit (unter 10 km/h) liegt.
UMTS soll verschiedene Trägerdienste, echtzeitfähige und nicht echtzeitfähige Dienste, leitungsvermittelte und paketorientierte Übertragungen und viele unterschiedliche Datenraten anbieten. Dabei soll die Übergabe nicht nur zwischen UMTS-Zellen möglich sein, sondern auch zwischen UMTS und GSM. Außerdem sollte das System in gewissen Maße rückwärtskompatibel zu GSM-, ATM-, IP- und ISDN-basierten Netzen sein.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden die Möglichkeiten einer IP-basierten Übertragung im UMTS Funknetz für Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Dienste analysiert und bewert. Dazu werden vorhandene Transportnetze (ATM, WLAN etc.) betrachtet und daraus Schlüsse für den Transport der Daten durch das UMTS-Netzwerk hinsichtlich der erforderlichen Parameter für die Dienstgüte gezogen.

Im ersten Kapitel wird der Aufbau und die Funktion des UMTS-Netzwerkes beschrieben. Dazu werden zuerst die Zugriffsverfahren für den Funkzugang erläutert und anschließend die Architektur von UMTS beschrieben.
Damit ein besseres Verständnis für den Aufbau von Netzwerken vermittelt werden kann, wird auch ein kleiner Exkurs über das OSI-Schichtenmodell gemacht. Anschließend erfolgt eine Beschreibung und Bewertung der zur Auswahl stehenden Protokolle, besonders der Protokolle IPv4 und IPv6. Da der Einsatz von IP einen Overhead mit sich bringt, wird die Datenübertragung am Beispiel von einigen Diensten wie Sprache analysiert.

Da in UMTS das Internetprotokoll eingesetzt wird, muss auch eine Betrachtung der Mobilität des Teilnehmers erfolgen. Dazu wird das zuständige Protokoll „Mobile IP“ beschrieben und nachfolgend beispielhaft auf ein UMTS-Netz übertragen.

Auf dem Gebiet der „Wireless LAN“ werden zur Zeit durch diverse Gremien und Firmen neue Standards spezifiziert, sodass einige dieser Standards der drahtlosen Netze kurz angesprochen und hinsichtlich der Möglichkeit zur Übertragung IP-basierter Protokolle mit Dienstgüte bewertet werden.

Als Abschluss dieser Diplomarbeit erfolgt eine Zusammenfassung der einzelnen Kapitel und einige Vorschläge zum Einsatz IP-basierter Protokolle im UMTS-Funknetz. .

1. UMTS – Aufbau und Funktion
1.1 Allgemeines
Die Spezifikation der physikalischen Schicht, die den terrestrischen UMTS Funkzugang (UTRA–UMTS Terrestrial Radio Access) definiert, sieht für UMTS das DS-CDMA (Direct-Sequence Code Division Multiple Access) Verfahren vor, im Gegensatz zu GSM, bei dem eine Kombination aus FDMA (Frequency Division Multiple Access) und TDMA (Time Division Multiple Access) zum Einsatz kommt.

Bei dem Codemultiplexverfahren werden die Funkkanäle weder durch Frequenzbereiche noch durch Zeitschlitze getrennt. Jeder Teilnehmer sendet auf der gleichen Frequenz bzw. im gleichen Frequenzband mit einer ungefähren Bandbreite von 5 MHz. Durch eine Spreizbandcodierung werden die schmalbandigen Nutzdaten (Bits) auf ein breitbandiges Spektrum abgebildet, weshalb dieses Verfahren auch „Wideband CDMA“ (WCDMA) genannt wird. Dazu erhält jeder Benutzter eine Codesequenz, die zu denen der anderen Benutzter orthogonal ist. Je nach Spreizfaktor wird so aus jedem einzelnem Nutzbit eine Codesequenz die aus mehreren „Chips“ (codierte Bits) mit erheblich kleinerer Periodendauer besteht. Das Spektrum der Datensequenz ist also gespreizt worden.

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