Analyse und Bewertung der Möglichkeiten einer IP-basierten Übertragung im UMTS Funknetz für Echtzeit und Nicht-Echtzeit-Dienste
- Art: Diplomarbeit
- Autor: Richard Klein
- Abgabedatum: Oktober 2000
- Umfang: 95 Seiten
- Dateigröße: 1,1 MB
- Note: 1,3
- Institution / Hochschule: Bergische Universität - Gesamthochschule Wuppertal Deutschland
- ISBN (eBook): 978-3-8324-2894-5
-
ISBN (Paperback) :
978-3-8324-2894-5 P - ISBN (CD) :978-3-8324-2894-5 CD
- Sprache: Deutsch
- Prämierung:
- Arbeit zitieren: Klein, Richard Oktober 2000: Analyse und Bewertung der Möglichkeiten einer IP-basierten Übertragung im UMTS Funknetz für Echtzeit und Nicht-Echtzeit-Dienste, Hamburg: Diplomica Verlag
- Schlagworte: Realtime, UMTS, IP, Mobilfunk, Internet
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Diplomarbeit von Richard Klein
Einleitung:
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.
Gang der Untersuchung:
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.
Inhaltsverzeichnis:
| Inhalt | 1 | |
| 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 | |
| Tabellenverzeichnis | 87 | |
| Quellen und Literatur | 88 |
tokoll hardwareabhängig ist. Sollte ein einziger Knoten der Übertragungsstrecke RSVP nicht unterstützen, würde eine Ressourcenreservierung nicht erfolgen, d.h. eine Verbindung würde nicht zustande kommen. Für den Einsatz im UMTS-Funknetz würde es sich aber anbieten, da die komplette Infrastruktur erst am Anfang steht und die einzelnen Netzkomponenten noch installiert werden müssen. Hoher Aufwand bei Verbindungsaufbau: Der Reservierungsprozess muss bei jedem Verbindungsaufbau erfolgen und bedeutet eine erhebliche Belastung jeden Elementes zwischen Quelle und Ziel. Das kann auch bedeuten, dass eine nicht unerhebliche Verzögerung bis zur Übertragung der Echtzeitdaten entsteht, wenn die Netzelemente (Rechner) nicht entsprechend dimensioniert werden. 3.2.1.4 Schlussfolgerung Wegen des anhaltenden Wachstums der Internet-Teilnehmer muss durch den Einsatz von IPv6 einer Adressknappheit vorgesorgt werden. Zudem bietet IPv4 keine Dienstgüte, sodass es für Echtzeitdienste nicht in Frage kommt. Ergänzend sollte noch RSVP eingesetzt werden, um die Möglichkeiten der Priorisierung von IPv6 noch zu unterstützen. [...]
orität behandeln, als solche, die zu einem Dateitransfer gehören. Die Flow ID ist die Schlüsseleigenschaft von IPv6 für die Ressourcenreservierungen und QoS (Quality of Service) auf der IP Ebene im Internet. In den älteren Versionen von IP war es nicht möglich Pakete zu identifizieren, die zu einem besonderen Multimediastrom (die Quellund Zieladresse sind sicherlich nicht ausreichend) gehören und Mittelreservierungen und QoS waren unmöglich zu implementieren. Übertragungs-Priorität: Damit die Übertragung für Echtzeit-Daten unter Berücksichtigung der QoS-Parameter (u.a. Verzögerung und Übertragungsgeschwindigkeit) möglich ist, gibt es das Priority-Feld mit seinen Verkehrsklassen. Standardisierung abgeschlossen: IPv6 ist seit der IETF-Tagung in Minneapolis Anfang 1999 in den Grundzügen fertig standardisiert. Am 31. Juli 1999 wurde die erste IPv6Adresse für das neue Internet vergeben. Realistisch gesehen muss man aber von einem mehrere Jahre dauernden Übergangsprozess ausgehen, in dem IPv4 und IPv6 koexistieren. IPv4 kann auch von IPv6 Routern verarbeitet werden. Nachteile Großer Aufwand: Gegen die Einführung von IPv6 spricht nur der Aufwand, alle Router des Internets auf IPv6 umzustellen. 3.2.1.3 RSVP Vorteile Dienstgüte: Durch RSVP wird QoS durch die Ressourcenreservierung geliefert Minimierung des Daten-Overheads: RSVP würde sämtliche "überschüssigen" Daten des TCP-Headers und die Unsicherheit des UDP- Protokolls eliminieren, falls es allgemein implementiert wäre. In lokalen Netzwerken würde eine RSVP-Implementierung sicherstellen, dass die Videodatenübertragung einen bestimmten Anteil der Netzbelastung durch die Resourcenreservierung nicht übersteigt. Kompatibel: RSVP arbeitet sowohl mit IPv4 als auch mit IPv6 zusammen. Nachteile Komplett hardwareabhängig: Eine Einbindung innerhalb des Internets würde jedoch einen erheblichen Aufwand bzgl. der Hardwareaktualisierung bedeuten, da dieses Pro- [...]
3.2.1 Bewertung der Protokolle der Vermittlungsschicht 3.2.1.1 IPv4 Vorteile Weite Verbreitung: Da IPv4 der Standard im Internet und in der Netzwerktechnik ist, sind alle vorhandenen Netzkomponenten einsetzbar. Kleiner Header: Im Vergleich zu IPv6 hat IPv4 einen kleineren Header. Nachteile Adressknappheit: Nach neuesten Untersuchungen geht man davon aus, dass bereits heute (Stand August 2000) 70-75 % der IP-Adressen vergeben sind. Für die wachsende Internetgemeinde und neue Kommunikationstechniken stehen bald nicht mehr genügend Adressen zur Verfügung. Keine Unterstützung von Echtzeitdiensten bzw. QoS: Da im Header keine Felder zur Definition von Prioritäten genutzt werden, können keine Echtzeit-Übertragungen gewährleistet werden. Daher kann man mit IPv4 nur Best-Effort-Netze (so gut es eben geht) aufbauen. 3.2.1.2 IPv6 Vorteile Grosse Adressbereich: Ein Adressraum mit 128 Bits bei IPv6, anstatt 32 Bits bei IPv4, erlaubt es, viel 2128 Rechner und andere zukünftig ans Internet angeschlossene Geräte zu adressieren und ermöglicht mehrere Hierarchieebenen zu verwalten . Flusskontrolle: Das neue Flow-Label Feld im Header von IPv6 erlaubt die Identifizierung von allen Paketen, die zu dem gleichen Datenstrom gehören (bezeichnet als Fluss (flow) in IP). Ein Fluss ist eine Reihe von Paketen, gesendet von einem Host zu einer einzelnen oder Multicast Adresse. Auf diese Weise können alle Router entlang des Pfades die Pakete eines Flow identifizieren und sie auf einer speziellen Art behandeln. Sie können zum Beispiel Pakete, die zu einem Audio Strom gehören mit einer höheren Pri- [...]
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Link zur Arbeit:
http://www.diplom.de/ean/9783832428945
Arbeit zitieren:
Klein, Richard Oktober 2000: Analyse und Bewertung der Möglichkeiten einer IP-basierten Übertragung im UMTS Funknetz für Echtzeit und Nicht-Echtzeit-Dienste, Hamburg: Diplomica Verlag



