Voice over IP im Mobilfunk

Diplomarbeit von Mario Schulz

Einleitung:

Einem eher moderaten Wachstum der transportierten Mengen an Nutzdaten durch die Sprachkommunikation der vergangenen Jahre steht ein exponentieller Anstieg der transportierten Datenmengen gegenüber. Wurden Kommunikationssysteme in der Vergangenheit vorwiegend für eine Sprachkommunikation ausgelegt, werden heutige Netze für den Datentransport entwickelt.

Noch treffen diese Aussagen hauptsächlich auf Festnetzanschlüsse zu. Im Mobilfunk werden derzeit noch über 70% der Einnahmen durch leitungsvermittelnde Sprachdienste erzielt. Beachtet man, dass die Entwicklung in Mobilfunknetzen denen im Festnetz etwa 5 bis 6 Jahre nach stehen, erkennt man, dass die Verkehrsmengen durch Datenkommunikation auch in Funknetzen in naher Zukunft überwiegen werden.

Im Gegensatz zu leitungsvermittelnden Festnetzdiensten entstehen im Mobilfunk die höchsten Belastungen nicht durch Vermittlungsknoten, sondern durch das Radio Access Network (RAN). Vor allem die große Anzahl von Basisstationen verursacht hohe Kosten, die auch bei der Umstellung auf eine reine paketvermittelnde Struktur nicht signifikant sinken. Eine Substitution leitungsvermittelnder Dienste wird daher nicht so schnell voran getrieben wie das im Festnetzbereich zu erkennen ist. Um aber auf zukünftige Entwicklungen flexibel reagieren zu können, erfolgt auch im Mobilfunk die langsame Abkehr von leitungsvermittelnden Diensten.

Eine der Schlüsseltechnologien für die Substitution von herkömmlichen Sprachdiensten ist Voice over IP. VoIP beschreibt dabei Verfahren zur Übermittlung von Sprache in IP basierenden Datennetzen. Das heißt, um eine „Konvergenz der Netze“ zu gewährleisten ist es nötig Echtzeitkommunikation in Datennetze zu integrieren. Jedoch entstehen durch diese Integration von Echtzeitdiensten neue Heraus- und Anforderungen.

Die Performance von Voice over IP im Mobilfunk wurde sowohl theoretisch als auch praktisch schon vielfach untersucht. Jedoch basierten die Bedingungen für die Untersuchungen stets auf einer stationären Nutzung. Die Frage nach der mobilen Nutzung von VoIP steht aber noch offen.

Welchen Einfluss haben Zellwechselprozesse auf die Dienstgüte von VoIP? Und wie wirkt sich die Teilnehmermobilität auf die Performance von Voice over IP aus?

Hauptaugenmerk dieser Arbeit richtet sich daher auf die Zellwechselprozesse in Mobilfunknetzen. Dabei werden die Systeme GPRS, EDGE, UMTS, HSDPA und WLAN untersucht. Im Mittelpunkt steht dabei die von einem Nutzer wahrnehmbare Dienstgüte von Voice over IP.

Ausgehend von einer theoretischen Betrachtung werden praktische Untersuchungen zu verschiedenen Mobilitätsszenarien durchgeführt und ausgewertet.

Zudem werden Möglichkeiten zur Optimierung und Verbesserung aufgezeigt.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 4.2.2, Handover zwischen GPRS und UMTS:

GPRS zu UMTS:

Ein GPRS zu UMTS Handover von aktiven Datendiensten ist kein Handover im eigentlichen Sinn, da das Mobilgerät dem Netzwerk die Zugehörigkeit zu einer neuen Zelle ankündigt. Das heißt, wie bei einem intra RAT Zellwechsel im GPRS, signalisiert auch beim Wechsel zwischen GPRS und UMTS das Endgerät einen Zellwechsel. Wird eine UMTS Zelle ausgewählt, muss ein Wechsel der Lokalisierungszonen durchgeführt werden. Der eigentliche Handoverprozess besteht daher vorwiegend aus LAU, RAU und einem PDP- Kontext Austausch zwischen 2G und 3G SGSN. Sobald der PDP- Kontext an den 3G SGSN übermittelt wurde, wird der RNC aufgefordert Ressourcen für den Teilnehmer zu reservieren. Ab diesem Punkt entspricht ein inter RAT Zellwechsel weitgehend einem normalen Verbindungsaufbau im UMTS Rel. 99. Das heißt, ein PDP- Kontext wird eingerichtet, Ressourcen für die Kommunikation werden reserviert, die Verschlüsselung wird aktiviert und der GTP- Tunnel zwischen 3G SGSN und GGSN wird aufgebaut.

UMTS zu GPRS:

Das Prinzip bei einem UMTS zu GPRS Zellwechsel ist im wesentlichen das Gleiche, wie bei einem GPRS zu UMTS Wechsel. Ist eine GPRS Zelle ausgewählt, wird ein LAU und RAU durchgeführt. Sind die Teilnehmerinformationen (Kontext) an den neuen SGSN übermittelt, können die Ressourcen im UTRAN freigegeben werden. Es werden bei einem UMTS zu GPRS Zellwechsel die gleichen Prozesse angestoßen wie bei einem inter SGSN Wechsel im Mobilfunknetz der zweiten Generation. In der Zielzelle muss das Endgerät im Anschluss an die Verbindungsübergabe Ressourcen vom Netz für die Datenübertragung anfordern. Dieser Fakt und die serielle Bearbeitung von LAU und RAU führen im Vergleich zu einem Wechsel von GPRS nach UMTS zu einer erhöhten Unterbrechungszeit.

Vor einem Zellwechsel muss im UMTS der compressed Mode aktiviert, um Signalstärke-messungen von 2G Nachbarzellen vornehmen zu können. Beim Übergang von 2G- zu 3G- Netzen ist dies aufgrund von Time Division Multiple Access (TDMA) auf der Luftschnittstelle im Mobilfunknetz der zweiten Generation nicht nötig.

Wechsel zwischen HSDPA und GPRS:

GPRS zu HSDPA:

Ein Wechsel von GPRS auf den HSDPA- Kanal besteht aus einer Kombination der in Abschnitt 4.2.2.1 und 3.4.4.2 beschrieben Prozessen des GPRS zu UMTS Zellwechsels und einem Upgrade in den HS- DSCH.

Anstelle der Zuweisung eines dedizierten Rel. 99 Kanals wird dem Endgerät bei der Ressourcenzuteilung direkt der Zugriff auf den HSDPA- Kanal erlaubt. Zudem müssen vor einer Datenübertragung Ressourcen vom Netz angefordert werden. Dieser Prozess wirkt sich ebenfalls nicht auf die Unterbrechungszeit aus, da die Zuteilung sehr schnell erfolgt. Im Vergleich zu einem GPRS zu UMTS Wechsel bleibt die Unterbrechungszeit daher nahezu unverändert.

HSDPA zu GPRS:

Derzeit ist es nicht möglich direkt aus dem HS- DSCH einen inter RAT- Zellwechsel einzuleiten. Da UMTS und GPRS unterschiedliche Frequenzbänder verwenden, muss für einen inter RAT- Zellwechsel der compressed Mode aktiviert werden. Technologie bedingt kann der compressed Mode lediglich bei Verwendung eines dedizierten Kanals aktiviert werden. Das heißt, dieser Zellwechsel erfolgt über einen CTS- Prozess aus dem HSDPA auf einen dedizierten Rel. 99 Kanal, mit anschließenden Wechsel nach 2G. Auch dieser Zellwechsel setzt sich aus den in Abschnitt 3.4.4.3 und 4.2.2.2 beschriebenen Vorgängen zusammen. Es entstehen dadurch zwei Unterbrechungen. Die erste Unterbrechung aufgrund des Reconfiguration in einen dedizierten Rel. 99 Kanal und eine zweite Unterbrechung aufgrund des Wechsels in das 2G- Netz.

Cross Bearer Mobility:

Begriffsklärung:

Cross Bearer Mobility (CBM) bezeichnet die Möglichkeit für Zellwechsel zwischen WLAN und den traditionellen Mobilfunknetzen, wie GPRS,EDGE, UMTS oder HSDPA. Anders als bei einem inter RAT Zellwechsel sind WLAN und die Radio Access Technologien nicht verwandte Systeme. Daher spricht man bei einem Zellwechsel zwischen WLAN und den 3GPP- Systemen vom inter System Change. Die Standardisierung für diese Systeme erfolgte in verschiedenen Gremien, weshalb Zellwechsel schwieriger zu handhaben sind. Wie bei einem Subnetzwechsel im WLAN müssen bei CBM ebenfalls verschiedene IP- Adressen verwaltet werden. Eine Problembeschreibung wurde schon unter 3.5.5.1 gegeben. Das bei der T- Mobile eingesetzte Verfahren für CBM basiert derzeit ausschließlich auf Mobile IP. Allerdings sind grundsätzlich alle unter 3.5.5 aufgeführten Methoden für CBM ebenfalls anwendbar.

Genereller Systemaufbau für CBM:

Allein für Mobile IP sind eine Vielzahl von Architekturen möglich. Jedoch wird Im Folgenden lediglich die Lösung von T- Mobile betrachtet. Das in der Testphase befindliche System für Cross Bearer Mobility wird in Abbildung 43 dargestellt. Die existente Netzfunktionalität wird durch die Integration von CBM nicht beeinträchtigt. Das heißt, eine standardmäßige Kommunikation ohne Verwendung neuer Netzelemente ist weiterhin möglich.

Orange eingefärbte Netzelemente werden für die Integration von Mobile IP benötigt. Das Metro Wireless Service Gateway (MWSG) bildet das Verbindungsglied zwischen hybriden WLAN Netzwerken und dem Kernnetz der Mobilfunknetze der zweiten und dritten Generation. In Verbindung mit dem Radio Access Controller bietet dieses Gateway eine auf SIM- Informationen basierende Authentifizierung im WLAN an. Somit wird eine SIM- Authentifizierung über alle Bearer (WLAN, 3GPP- Netze) realisiert. Das MWSG übernimmt die Funktionen eines SGSN für Wireless Local Area Networks. Diese Mobile IP Lösung entspricht daher einer Einbindung von WLAN als Radio Access Network in die Kernnetzstruktur bestehender Mobilfunknetze der zweiten und dritten Generation.

Die Datenkommunikation erfolgt in beide Richtungen über den HA. Zentraler Punkt der Übermittlung ist daher der HA. Dieser bildet den Ankerpunkt für eingehende Verbindungen und übernimmt somit ein Teil der Aufgaben des GGSN für CBM- Verbindungen.

Spezielle Foreign Agents sind bei dieser Architektur nicht nötig. Nach der Zuteilung einer neuen IP- Adresse informiert der MIP- Client den HA selbstständig über diese.

Das heißt, das Endgerät muss für CBM über spezielle Fähigkeiten verfügen, welche über einen softwarebasierten Mobile IP Client integriert werden.