Lehrstuhl fiir Kommunikationsnetze
`Rheinisch—Westfétlische Technische Hochschule Aachen
`
`Prof. D1‘.—Ing. B. Walke
`
`Diplomarbeit
`
`Entwieklung und Leistungsbewertung
`
`eines Selective Repeat-Automatic Repeat
`Request (SR—ARQ)—Pr0tok0118 fiir
`transparenten, mobilen ATM—Zugriff
`
`V011
`
`Andreas Hettich
`
`Matt—NI. 181475
`
`Aachen7 den 17.1.1996
`
`Betreuung durch:
`0. Prof. D1‘.—Ing. B. Walke
`Dipl.—Ing. D. Petras
`
`Die Arbeit ist nur zum internen Gebrauch bestimmt. Alle U1‘hebe1‘1‘ec11te liegen beim be—
`treuenden Lehrstuhl. Ffir den Inhalt Wird keine Gewéihr fibernommen. Vervielféiltigungen
`und Veréffentlichungen jeglicher Art sind nur Init Genehmigung des Lehrstuhls gestattet.
`
`BROADCOM 1 O O 3
`
`

`

`Ich versichere7 dais die V01‘liegende Arbeit — bis auf die offizielle Betreuung durch den
`Lehrstuhl — ohne fremde Hilfe V011 mir durchgeffihrt wurde. Die verwendete Literatur ist
`im LiteratuI‘verzeichnis vollstéindig angegeben.
`
`Aachen7 den 17.1.1996
`
`(Andreas Hettich)
`
`

`

`
`
`llVHALTSVERZElCHlVlS
`
`Einleitung
`
`Breitband-ISDN (B-ISDN)
`
`2.1 Dienste im Breitband—ISDN ...........................
`
`2.2 VermittluIlgstechnik im B—lSDlV:
`
`Asynchronous Transfer .Mode (ATM) ......................
`
`2.2.1 Aufbau einer ATM—Zelle .........................
`
`4
`
`6
`
`6
`
`6
`
`7
`
`2.2.2 ATM—VermittluIlgstechnik ........................ 8
`
`2.2.3 ATM—Referenzmodell ........................... 9
`
`2.2.4 ATM Dienstklassen ........................... 10
`
`Mobile Broadband System
`
`11
`
`3.1 Eberblick ..................................... 11
`
`3.2 Bitfibertragungsschicht im MBS ......................... 14
`
`3.3 Zellstruktur des MBS .............................. 15
`
`Logical Link Control (LLC) im MES
`
`17
`
`4.1 Aufgaben und Anforderungen .......................... 17
`
`4.1.1
`
`End—zu—End Fehlerkorrektur innerhalb des AAL ............ 17
`
`4.2 Anforderungen an ein ARQ—Protokoll ..................... 19
`
`4.3 Zusammenwirken V011 LLC—Schicht und MAC—Schicht ............ 21
`
`4.4 Struktur der MAC—Schicht ............................ 22
`
`4.5 Struktur der LLC—Schicht ............................ 22
`
`Sicherungsprotokolle
`
`25
`
`5.1 Konventionelle ARQ—Protokolle ......................... 25
`
`5.1.1
`
`Stop—and—Wait ARQ ........................... 26
`
`5.1.2 Go Back n (continous) ARQ ...................... 27
`
`5.1.3
`
`Selective Repeat (SR) ARQ ....................... 28
`
`5.2 Das Adaptive Selective Repeat (:ASR) ARQ—Protokoll ........... 29
`
`5.2.1 Elemente des ARQ im Standard ISO 8802—2 .............. 30
`
`

`

`Inhaltsverzeichnis
`
`5.2.2 Der Ignore Timer .............................
`
`5.2.3 Behandlung zeitkritischer ATM—Zellen .................
`
`5.2.4 Die Delay PD U ..............................
`
`5.2.5
`
`Parallele ARQ—Instanzen .........................
`
`5.2.6 Quittieruirgsverfahren ..........................
`
`6
`
`Implementierung des ASR ARQ-Protokolls
`
`6.1 Der ConnectionHandler .............................
`
`31
`
`34
`
`34
`
`36
`
`40
`
`42
`
`6.2 Send_Data .....................................
`
`43
`
`6.2.1
`
`Send_Data_0bj ect ............................
`
`44
`
`6.3 Receive_Data ...................................
`
`47
`
`6.3.1 Receive_Data_0bject ..........................
`
`Der Simulator SIMCO3++/MBS
`
`7.1 Cberblick .....................................
`
`7.2 Der Application Layer statAPP ........................
`
`7.3 Quellen ......................................
`
`7.3.1
`
`Poisson Quelle ..............................
`
`7.3.2 LAN Quelle ................................
`
`7.3.3 Video Quelle ...............................
`
`7.3.4 CBR Quelle ................................
`
`7.4 Der MAC Layer MAC_Test_LLC .........................
`
`7.5 Die Konfigurationdatei
`
`.sim_defaults .....................
`
`7.6 Der graphische Debugger ............................
`
`Simulationsergebnisse
`
`8.1 Einfiihrung ....................................
`
`8.1.1 Mefigrofien und Leistungsparameter ..................
`
`8.1.2 Statistische Aussagefahigkeit ......................
`
`8.1.3 Simulationsparameter des ASR ARQ ..................
`
`8.2 Optimierung der Parameter ARQ Timer Delay und AchThres/zold .....
`
`8.2.1 ARQ Timer Delay ............................
`
`8.2.2 Ack_Threshold ..............................
`
`8.3 Critersuchuirg der Ursachen fiir Zellverzogerungen ...............
`
`8.3.1
`
`Einflufides Ignore Timers ........................
`
`48
`
`50
`
`50
`
`52
`
`54
`
`54
`
`54
`
`55
`
`56
`
`57
`
`58
`
`59
`
`64
`
`65
`
`65
`
`68
`
`68
`
`

`

`Inhaltsverzeichnis
`
`8.3.2 Einflufides Fehlermodells .........................
`
`8.4 Entersuchung des Aufwandes zum Verwerfen V011 Zellen ...........
`
`8.5
`
`T1‘e1111u11g V011 Quittungen u11d Nutzdaten ...................
`
`8.6 Asymmetrisches Verkehrsaufkommen ......................
`
`9 Zusammenfassung und Ausblick
`
`A Abkfirzungsverzeichnis
`
`Abbildungsverzeichnis
`
`Tabellenverzeichnis
`
`Literat urverzeichnis
`
`71
`
`72
`
`74
`
`75
`
`79
`
`81
`
`84
`
`85
`
`86
`
`

`

`KAPITEL 1
`
`
`Einleitung
`
`Die Telekommunikationsindustrie hat in den letzten Jal1ren trotZ Rezession il1ren U1nsatz
`
`steigern k011nen. ln Deutscl1land stieg der U1nsatz in den Jal1ren V011 1990 bis 1995 V011 11
`
`auf 23 Mrd DM [25]. Mit dem Fall der Telekommunikationsmonopole in Europa i1n Jal1r
`1998 Wird mit einem zusatzlichen Anstieg der U1nsatze gerechnet. Dies Verdeutlicl1t die
`zunel1mende Bedeutung V011 Telekommunikationsnetzen u11d —diensten.
`
`Viele zusatzliche 11eue Dienste i1n Bereich der Telekommunikation wurden durcl1 digitale
`Telekommunikationssysteme moglich. ln diesem Zusammenhang ist das ISDN (Integrated
`Services Digital Network) zu nennen. Das lSDlV beseitigt die Vielfalt unterscl1iedlicl1er
`lVetZ , Benutzer Schnittstellen u11d bietet alle Sprach—7 Text— u11d Datendienste iiber eine
`einl1eitlicl1e lVetzscl111ittstelle an.
`lVebe11 digitalen Eestnetzen etablierten sicl1 aucl1 11eue
`digitale Mobilfunknetze nacl1 den Standards GSA! (Global System for Mobile Commu-
`nication) u11d DCS 1800 (Digital Cellular System 1800). In Deutscl1land arbeitet das
`D1—lVetZ der Deutscl1en Telekom sowie das D2—lVetZ V011 Mannesmann Mobilfunk nacl1
`
`dem GSM—Standard. Das E—lVetZ V011 E—Plus wurde nacl1 dem DCS—Standard aufgebaut.
`
`Die feste Zuteilung V011 Bandbreiten V011 64 kbit/s i1n lSDlV—lVetZ u11d 228 kbit/s (:brutto)
`i1n GSM—System ist auf scl1malbandige Sprachiibertragung (:4 kHz Grenzfrequenz) zuge—
`scl1nitten u11d kann die l1ol1en Variablen Datenraten7 die zukiinftige Breitbanddienste Wie
`Videokommunikation7 Dateniibertragung in Computernetzen7 u11d Multimedia generell er—
`fordern7 nicl1t anbieten. Desl1alb wurde das ATM—EbertragungsVerfahren (Asynchronous
`Transfer Mode) entVVickelt7 das i1n Breitband—lSDlV (:B—lSDlV) angewendet Wird u11d eine
`Variable Bitrate V011 622 Mbit/s u11d mel1r ermoglicht.
`
`Da sicl1 aucl1 der Bedarf an l1ol1eren Datenraten i1n Bereich V011 Mobilfunknetzen abzu—
`
`zeichnen beginnt7 wurde begonnen7 das UNITS—System (UniVersal Mobile Telecommuni—
`cation System) Z11 entwickeln. Es stellt Datenraten V011 bis zu 2 Mbit/s zur Verfiigzgung7
`bei Verwendung V011 dienstspezifischen Protokollen.
`
`Ein anderer Weg Wird i1n Rahmen des liBS—Projektes (Mobile Broadband System) ge—
`gangen. Es soll ein System entworfen VV'erden7 dais der Eunktionalitat u11d der Eber—
`tragungsqualitat des Breitband—lSDlV i1n Festnetz moglichst nal1e kommt. Als maximale
`
`(Brutto—)Datenrate Wird 155 Mbit/s angepeilt.
`
`Die fiir ein Mobilfunksystem sel1r l1ol1en Datenraten lassen sicl1 nur mit entsprechend
`l1ol1en Tragerfrequenzen i1n Bereich V011 177 40 oder 60 GHZ erZielen. ln diesen Bereichen
`befinden sicl1 nocl1 ungenutzte Bandbreiten. Hierzu miissen auf dem Gebiet der digitalen
`SignalVerarbeitung 11eue leistungsfahige Komponenten entwickelt werden. Bei 17 u11d 40
`GHZ kann auf Siliziumtechnik zuriickgegriffen VV'erden7 Wahrend bei der l1ol1en Erequenz
`V011 60 GHZ Galliumarsenid Verwendet werden mu137 das wesentlich teurer ist.
`
`Eine l1ol1e Teilnel1merdicl1te erreicl1t man durcl1 kleine Zellgrofien mit Radien V011 100—
`200 1n. Kleine Zellgrofien erreicl1t man durch die l1ol1en Tragerfrequenzen7 weil in diesem
`Bereich eine zusatzlich Resonanzdampfung der Luft eintritt. Diese liegt etwa bei 14 dB/km
`
`

`

`und kann sicl1 bei Regen um nocl1 einmal 10 dB/km erl1ol1en. Aufgrund der l1ol1en Damp—
`fung lassen sich die Frequenzen in kleinen Abstanden Wiederverwenden.
`
`Die Cbertragung der Daten erfolgt dabei dienstunabhangig nur unter Angabe der in den
`ATM—Standards vorgegebenen QoS (Quality of Service)—Parametern sowie der V011 ATM
`vorgegebenen Dienstklassen. Die QoS Parameter7 Wie aucl1 cl1arakteristiscl1e Verkehrs—
`
`grofien werden vor dem Verbindungsaufbau V011 der CAC (Connection Admission Control)
`ausgewertet. Die einmal aufgebaute Verbindung muiS auf die Einhaltung der bei1n Verbin—
`dungsaufbau vereinbarten Verkehrsgrofien iiberwacht werden7 denn sonst kann moglicher—
`weise die Giite anderer Verbindungen in Mitleidenschaft gezogen werden.
`
`Ein pl1ysikaliscl1er Kanal i1n MBS kann als Bruttodatenrate 34 Mbit/s tragen. Wenn ein
`Virtueller Kanal eine Datenrate V011 mel1r als 34 Mbit/s l1at7 l1ilft nur die Aufteilung auf
`mel1rere Frequenzkanale (Multilinkiibertragung).
`
`Besondere Anforderungen werden an die Protokolle der Sicherungsschicht gestellt7 in der
`neue Konzepte verwirklicht werden miissen. Ein mobiles ATM—Terminal soll in ein ATM—
`Festnetz unter Beibehaltung der Ende—zu—Ende—Beziehung der ATM—Anpassungsschicht
`eingesetzt werden. Dabei stellt die scl1lecl1te tbertragungsqualitat auf der Funkschnitt—
`stelle ein besonderes Problem dar7 da sie die vom ATM geforderte Bitfehlerrate nicl1t
`
`ol1ne zusatzliche Mafinahmen zulafit. Abhilfe scl1a1cft eine VorWartsfehlerkorrektur (:engl;
`Forward Error Correction (FEC)) in Verbindung mit einem Protokoll zur Wiederl1olten
`tbertragung V011 ATM—Zellen (:engl; Automatic Repeat ReQuest (ARQ)).
`
`Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist7 ein neues Sicl1erungsprotokoll zu entwerfen und si—
`mulatiV zu bewerten. Dieses Protokoll basiert auf bekannten ARQ—Protokollen und ist den
`besonderen Anforderungen des MBS angepaBt.
`
`Zunachst Wird ein kurzer tberblick iiber das Breitband-ISDN (:Kapitel 2) und das .Mobile
`Broadband System (:Kapitel 3) gegeben. Anscl1liei5end Wird die fiir einen mobilen7 transpa—
`renten ATM—Zugriff konzipierte LLC (Logical Link Control)—Scl1icl1t vorgestellt und die
`besonderen Anforderungen des MBS bescl1rieben (:Kapitel 4). lVacl1 einer Einfiihrung in
`konventionelle ARQ—Protokolle Wird das in dieser Arbeit entwickelte und implementier—
`te ASR ARQ—Protokoll vorgestellt (:Kapitel 5). ln Kapitel 6 Wird die lmplementierung
`des Protokolls i1n Systemsimulator dargestellt. Der fiir die simulative Leistungsbewertung
`eingesetzte Simulator SlMCO3—l——|—/MBS Wird in Kapitel 7 vorgestellt. Die Elemente des
`Protokolls werden in Kapitel 8 anl1and V011 Simulationen in il1rer Leistungsfahigkeit be—
`wertet. Eine Zusammenfassung und ein Ausblick auf zukiinftige Erweiterungen scl1liei3en
`
`diese Arbeit ab (:Kapitel 9).
`
`

`

`KAPITEL 2
`
`
`Breitband-ISDN (B-ISDN)
`
`2.1 Dienste im Breitband-ISDN
`
`Die Integration V011 11eue11 b1‘eitba11dige11 A11we11du11ge11 i11 das Integrated Services Digital
`
`Network (:ISDN) e1‘f01‘de1‘t Datenraten V011 bis zu 155 Mbit/s auf dem Teil11eh111e1‘a11schlui3.
`Bei de1‘a1‘tige11 A11we11du11ge11 handelt es sich zum ei11e11 um Die11ste 111it k011ti11uie1‘1iche111
`Datenaufkommen u11d zum a11de1‘e11 um biischeleu‘tige7 i11te1‘aktiVe Die11ste. Zu den A11—
`VVe11du11gzge117 die k011ti11uie1‘1iche Bitst1‘0111e generieren7 gehéren Z.B. die Sprachiibertragung
`u11d die Vide0k011fe1e11z. InteraktiVe Die11ste weisen stark schwankende A11f01‘de1‘u11ge11 hi11—
`sichtlich i111‘e1‘ Bitrate auf. So ka1111 ei11e kurze Anfrage i11 ei11e1‘ Datenbank ei11e A11tw01‘t
`111it ei11e1‘ sehr l10he11 Datenrate zur Folge haben.
`
`o InteraktiVe Die11ste
`
`o Datenkommunikation
`
`— Telef011ie
`— Bildtelef011ie
`
`— B1*eitba11dVide0k011fere11Z
`o Abrufdienste
`
`— Zugriff auf Datenbanken
`— Radio7 TV7 HDTV7
`Video 011 Demand
`
`— e1ekt1‘011ische Zeitu11g
`— Videopost
`
`— LAN—Verbindungen
`— Filetransfer
`
`— CAM—Verbindungen
`— l10€hauflése11de
`
`Bildiibertragung
`
`Die sehr u11te1‘schiedliche11 A11f01‘de1‘u11ge11 de1‘ B1‘eitba11ddie11ste lassen sich 111it synchro—
`11e11 Dbe1‘tragungSVerfahren (:STDM) 11u1‘ schwer e1‘fiille11. Ei11e Dbe1‘di1ne11si011ie1‘u11g de1‘
`Cbertragungskapazitét V011 sy11ch1‘011e11 Kanétlen Ve1*1*i11ge1*t zwar die Wartezeiten7 fiihrt
`jedoch zu ei11e1‘ schlechten Kapazitéitsausnutzung des tbertragungsmediums. De11 A11f01—
`de1‘u11ge11 ist de1‘ Asynchronous Transfer JLIode (ATM) besser gewachsen.
`
`2.2 Vermittlungstechnik im B-ISDN:
`Asynchronous Transfer Mode (ATM)
`
`De1‘ Asynchronous Transfer JLIode ist das Ve1*bi11du11gsbezoge11e PaketVermittlungSVerfah—
`1*e11 des B—ISDN. Er k0111bi11ie1‘t die V01‘tei1e de1‘ Ve1*bi11du11gs— u11d paketo1‘ie11tie1‘te11 Ver—
`111itt1u11g 111itei11a11de1‘. Die zu iibertragenden Date11st1‘0me werden i11 kurze Blécke fester
`Léinge aufgeteilt7 die sogenannten ATM—Zellen. Die Zellen V011 Ve1*schiede11e11 Ve1‘bi11du11ge11
`werden zeitlich Verschachtelt iiber ei11e11 physikalischen Kama] iibertragen. E11tsp1‘eche11d
`i111‘e1‘ Datenrate e1‘halte11 die Ve1‘bi11du11ge11 u11te1‘schiedlich Viel Cbertragungskapazitat dy—
`namisch zugewiesen. Die Zellen werden e11tsp1‘eche11d de1‘ Reihenfolge i111‘e1‘ A11ku11ft iiber—
`tragen.
`
`

`

`2.2. Vermittiungstechnik im B—ISDN:
`
`Asynchronous Transfer Mode (ATAI)
`
`7
`
`Connection A
`
`
`
`I
`I
`
`I
`I
`
`
`
`
`ConnectionB
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`I
`I
`5:52:
`I
`I
`I
`I
`E=iri
`I
`
`2 ,
`> Hi
`Cell stream behind multiplexer
`
`
`:- Connection A
`Connection C
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`:- Connection B
`51:1:
`”:3:
`35:5 Connection C
`
`
`Empty cells
`
`Abbildung 2.1: Statistisches Multiplexen an eine1n ATM—Anschlufi
`
`Der ATM—Multiplexer fiigt ”Leerzellen“ in den gemeinsamen Datenstrorn ein7 falls kei—
`ne der Verbindungen Bbertragungskapazitat benotigt. Dieses als statistisches Multiplexen
`bezeichnete Verfahren ist besonders gut g_>;eeig2;net7 sich dein dynamischen Kommunikati—
`onsverhalten yon sehr unterschiedlichen Verbindungen anzupassen.
`
`2.2.1 Aufbau einer ATM-Zelle
`
`Eine ATM—Zelle uinfafit 53 Byte und setzt sich aus eine1n 5 Byte langen Kopf— und eine1n
`48 Byte langen Informationsfeld zusammen7 welches Nutzdaten enthalt. Die Verinittlung
`der Zellen ist verbindungsorientiert. Alle Zellen einer Virtuellen Verbindung nehinen den
`gleichen Bbertragungsweg7 der beim Verbindungsaufbau durch das Einrichten Virtueller
`Kanale festgelegt Wird. Die Steuerung der Zellen durch das Netz erfolgt anhand der i1n
`Kopffeld gespeicherten Routinginformationen. Das Kopffeld enthalt folgende Parameter:
`
`B-ISDN UNI
`
`B-ISDN NNI
`
`Byte
`
`3
`
`CLP
`GFC
`HEC
`NNI
`
`Cell loss priority
`Generic flow control
`Header error control
`Network-node interface
`
`PT
`VCI
`VPI
`UNI
`
`Payload type
`Virtual channel identifier
`Virtual path identifier
`User-network interface
`
`Abbildung 2.2: Kopf einer ATM—Zelle
`
`VCI Virtual Channnel Identifier7 2 Bytes
`Die Identifizierung des Virtuellen Kanals dient der Ullterscheidung der verschiedenen7
`gleichzeitigen Verbindungen und der Zuordnung der Zellen zu diesen Verbindungen.
`Die Virtuelle Kanalnummer Wird jeweils nur fiir einen Vermittlungsabschnitt verge—
`ben.
`
`VPI Virtual Path Identifier7 8 oder 12 Bit
`Die Kennzeichnung des Biindels erfolgt 1nit Hilfe der VPI. Es konnen inehrere Biindel
`der gleichen Richtung7 die jeweils inehrere Virtuelle Kanale ioeinhalten7 auseinander—
`
`

`

`8
`
`2. Breitband—ISDN (B—ISDN)
`
`gehalten werden. Zellen V011 Kanalen des gleichen Biindels k011nen auf diese Weise
`schnell V0111 Koppelnetz erkannt u11d entsprechend weitergeleitet werden.
`PT Payload Type, 3 Bit
`Diese Kennzeichnung der lnf0r1nati0nsfeldart dient der U11terscl1eidung V011 qutZi11—
`f0r1nati0nen u11d Signalisierungsinformati0nen. Letztere k011nen beispielsweise Infor—
`1nati0nen enthalten, die zur Aktualisierung der in den Ver1nittlungsstellen Verwalte—
`ten Routingtabellen benétigt werden. Hierzu 1nui3 eine Ver1nittlungstelle neben de1n
`Kopffeld auch das lnf0r1nati0nsfeld der ATM—Zelle begutachten. Werden hingegen
`i1n lnf0r1nati0nsfeld einer ATM—Zelle Nutzdate11 iibertragen, so bleibt deren lnhalt
`unbeachtet.
`
`HEC Header Error Control, 1 Byte
`Da der Kopf einer ATM—Zelle Daten enthalt, die fiir den Transport der Zellen V011
`besonderer Bedeutung sind, Wird dieser durch eine gesonderte Priifsequenz gesichert.
`Sie er1n0glicht das Erkennen V011 Fehlern u11d deren Behebung.
`CLP Cell Loss Priority, 1 Bit
`Dieser Parameter kennzeichnet Zellen niedrigerer Prioritat, die i1n Falle eines War—
`teschlangeniiberlaufs in den ATM—Vermittlungsstellen Verworfen werden.
`
`2.2.2 ATM-Vermittlungstechnik
`
`VC switch
`
`VCI 1
`VCI 2
`VCI 3
`VCI 4
`VCI 5
`VCI 6
`
`VCI 3
`VCI 4
`VCI 5
`VCI 6
`VC|1
`VCI 2
`
`VCI 1
`VCI 2
`VC|1
`VCI 2
`
`VCI 4
`
`VCI 3
`VC|1
`
`VCI 2
`
`VP switch
`
`VP switch
`
`Abbildung 2.3: Virtual Path Switching u11d Virtual Channel Switching
`
`Die Ver1nittlung der ATM—Zellen erfolgt, Wie bei anderen PaketVermittlungSVerfahren, auf—
`grund der i1n Zellkopf enthaltenen Routi11ginf0r1nati0nen. U111 diese 1n0glichst gering zu
`halten u11d hierdurch den Durchsatz zu erhéhen, Wird lediglich bei1n Verbindungsaufbau
`die k01nplette U1‘sp1‘u11gs— u11d Zieladresse Versendet. Fiir die Verschiedenen Abschnitte der
`
`Verbindung werden weitere ldentifizierungen V011 logischen Kanalen Vergeben (VCI, VPI).
`Die ATM—Vermittlungsstellen richten aufgrund der einlaufenden Steuerinf0r1nati0nen Rou—
`
`tingtabellen ein. Diese enthalten eine Eingangs— u11d Ausgangs—ldentifizierung (:Leitung —|—
`logische Kanal—ldentifizierung). Die Ver1nittlung der Zellen Wird auf Grundlage dieser Ta—
`bellen V01‘ge1101n1nen u11d lauft Wie folgt ab: Die Ver1nittelnde Koppeleinrichtung entni1n1nt
`den eintreffenden Zellen die logischen Kanal—ldentifizierungen. Auf Grundlage der in ihrer
`Routingtabelle enthaltenen lnf0r1nati0nen Wird anschlieiSend die Kennung des folgenden
`Verbindu11gsabschnitts eingetragen u11d die Zelle zu1n entsprechenden Ausgang des Kop—
`pelnetzes geleitet.
`
`Abbildung 2.3 zeigt die in den Ver1nittlungsstellen Verwendeten Koppelelemente. Man
`unterscheidet ZWischen VP—Switch u11d VC—Switch. Ein VP—Switch wertet nur die VPI—
`
`Werte der Zellen aus, so dais eine schnelle Ver1nittlung der Zellen 1n0glich ist. Die Eintrage
`
`

`

`2.2. Vermittlungstechnik im B—ISDN:
`
`Asynchronous Transfer Mode (ATAI)
`
`9
`
`der VCl—Felder bleiben unverandert. Nui‘ beim Durchgang durch einen VC—Switch werden
`die VCl—Kennungen verandert.
`
`2 .2. 3 ATM-Referenz modell
`
`Entsprechend den Empfehlungen des OSl—Referenzmodells kann fiir ATM ein Referenz—
`modell bestehend aus Vier Schichten angegeben werden. Dies sind die Schichten Physical
`Layer, ATM Layer, ATM Adaptation Layer und eine Schicht, die die Funktionen der hoher—
`
`en Schichten reprasentiert (Higher Layers). AuBerdem sind drei unterschiedliche Ebenen
`definiert. Die Benutzerebene (User Plane), die Kontrollebene (Control Plane) und die Ver—
`waltungsebene (.Management Plane). Die Management Plane umfaiSt die Funktionen zur
`Ebenenverwaltung (Plane .Management) und die Funktionen zur Verwaltung der Schichten
`(Layer .Management). Aufgabe des Plane Management ist die Verwaltung des gesamten
`Systems, Wahrend das Layer Management die einzelnen Schichten kontrolliert.
`
`Management Plane
`
`Higher Layers
`
`ATM Adaptation Layer
`
`Higher Layers
`
`Plane Management
`ATM Layer
`
`Layer Management
`Physical Layer
`
`
`Abbildung 2.4: ATM—Referenzmodell
`
`Der Physical Layer ist vom tbertragungsmedium abhangig und hat die Aufgabe, die Funk—
`tionen zum Zusammensetzen und tbertragen der Zellen iiber das physikalische Medium
`bereitzustellen. Zu den Aufgaben des ATM—Layer Zahlen:
`
`o Multiplexen und Demultiplexen der Zellen verschiedener Verbindungen
`o Kontrolle der VCl— und VPl—orientierten Funktionen
`
`o Generierung und Extrahierung der Header—lnformationen
`
`0 Generic Flow Control an der Benutzer—NetZW'e1*k—Schnittstelle (UNI) zur Einrichtung
`der Verbindung.
`
`Der ATM Adaptation Layer (AAL) dient den iibergeordneten Schichten zur Adaptierung
`an den ATM Layer. Er fiihrt die notwendige Segmentierung yon Datenstromen durch und
`sorgt fiir eine gesicherte tbertragung. Der AAL Layer Wird in zwei Teilschichten unterteilt:
`
`1. Die Segmentation and Reassembly (:SAR) Schicht, die die Abbildung der Protokollda—
`teneinheiten der hoheren Schichten auf die ATM—Zellen und umgekehrt iibernimmt.
`
`

`

`10
`
`2. Breitban d—ISDN (B—ISDN)
`
`2. Der Convergence Sublayer (CS)7 der unerwiinschte Effekte durch unterschiedliche
`Zellaufzeiten verschiedener Dienste ausgleicht.
`
`Beispielsweise werden die bei der Sprachiibertragung erzeugten kurzen Datenbursts fiber
`einen gewissen Zeitraum zusammengefafit, um die Kapazitat einer ATM—Zelle vollstandig
`auszunutzen. Der Empfanger erzeugt aus den eintreffenden ATM—Zellen Wieder einen kon—
`tinuierlichen Datenstrom.
`
`Criterschiedliche Laufzeiten der Zellen durch das Netz werden durch den ATM Adapta—
`tion Layer beim Empfanger ausgeglichen. Dies Wird durch die Addition eines konstanten
`zeitlichen Versatzes erreicht.
`
`2.2.4 ATM Dienstklassen
`
`Um die Anzahl der benétigten Protokolle fiir den ATM Adaptation Layer gering zu hal—
`ten7 werden die Dienste gemafi den Parametern ,,Zeitbezug ZWischen Quelle und Senke“7
`Bitrate und Verbindungsart in Vier verschiedene Klassen unterteilt7 welche in Abbildung
`2.5 dargestellt sind.
`
`Zeitbezug
`
`zeitkontinuierlich
`
`nicht zeitkontinuierlich
`
`
`
`Verbindungsart
`
`verbindungsorientiert
`
`verbindungslos
`
`Abbildung 2.5: Klassifizierung der Dienste im ATM Adaptation Layer
`
`Den Nutzinformationen werden in Abhangigkeit V0n der benutzten Dienstklasse zusatzlich
`noch Steuerdaten angefiigt. Diese Steuerdaten dienen dazu7 Nutzdaten Wiederherstellen
`zu 1(6nnen7 die in mehrere Zellen aufgeteilt worden sind. Die Steuerdaten werden V0n der
`SAR Teilschicht beim Aufteilen der Daten in Zellen generiert. 1m Empfanger muB die
`entsprechende SAR Teilschicht die Daten anhand der Steuerdaten Wieder in der richtigen
`Reihenfolge zusammenfiigen.
`
`Zur Kennzeichnung der einzelnen Zellen werden diese mit Sequenznummern versehen. An—
`hand dieser ist es dem Empfanger méglich7 den Verlust V0n Zellen zu erkennen. wahrend
`die Sequenznummer bei allen Dienstklassen V0rhanden ist7 sind zusatzliche Sicherungs—
`daten und verschiedene Segmenttypen nur bei einigen Klassen vorgesehen. Durch den
`
`unterschiedlichen Steuerdatenanteil ergibt sich ein Nutzdatenanteil V0n 44—48 Byte [36]
`
`

`

`
`
`KAPITEL 3
`
`Mobile Broadband System
`
`3.1 Uberblick
`
`Das RACE II—Forschungsprogramm (Research and Technology Development in Advanced
`Communications Technologies in Europe) hat von 1992 bis 1995 die Entwicklung von M0—
`bilfunksystemen der dritten Generation geférdert7 welche die Vereinigung von Systemen
`Wie GSM7 DECT (Digital European Cordless Telecommunications) und Biindelfunksyste-
`men und ihrer unterschiedlichen Anwendungsbereiche zu einem universellen Mobilfunk—
`
`system (Universal Mobile Telecommunications System 7 UMTS) mit Datenraten bis zu
`2 Mbit/s erméglichen sollen. Dabei wurden die Entwicklung einheitlicher Endgeréite und
`die Erweiterung der Dienste um breitbandige Dienste mit hohen Datenraten angestrebt
`
`[8]-
`
`Teilnehmermobilitét
`
`schnell
`
`mittel
`
`UMTS
`
`beweglich IEI
`
`wireless LANs
`
`
`.
`kbit / 5
`
`2
`
`20
`
`Mbit / s
`
`verngbare Datenrate
`
`Abbildung 3.1: MBS und andere Datennetze
`
`Das MBS—Projekt7 das im Rahmen von RACE 11 geférdert wurde7 beschéiftigt sich mit
`
`der Anbindung mobiler Teilnehmer an stationiire Breitbandnetze (Integrated Broadband
`Communication Network 7 IBCN) bei Datenraten bis zu 155 Mbit/s. Dariiberhinaus sollen
`schmalbandige Dienste weiterhin verfiigbar sein. Ein Ziel von MBS ist insbesondere die Be—
`reitstellung der Dienste des Breitband—ISDN fiir mobile Teilnehmer und die Unterstiitzung
`der ATM—Ubertragung.
`
`Das Konzept von MBS sieht neben der Anbindung an das Breitband—ISDN auch eine mégli—
`Che Zusammenarbeit mit anderen Systemen , Wie zum Beispiel UMTS , vor. Dabei kann
`
`

`

`12
`
`3. Alobfle Broadband System
`
`der Typ des Netzes u11d der Integrationsgrad V011 einem priVat betriebenen MES—System
`mit niedriger Dienstintegration u11d Mobilitat bis 11in zum offentlichen MES—System mit
`
`starker Integration7 weitreichender Mobilitat u11d grofiem Versorgungsbereich Variieren [3]
`In Abbildung 3.1 Wird MBS mit anderen Datennetzen in Beziehung gesetzt. Es Wird deut—
`lich7 dais durch MBS das breite Dienstspektrum des Breitband—ISDN mit der Mobilitat
`V011 Mobilfunknetzen kombiniert Wird.
`
`Aufgrund der Flexibilitat V011 MBS u11d der Verffigbarkeit der Dienste des B—ISDN ist eine
`Vielfalt Verschiedener Anwendungen moglich. Diese werden durch die benotigten Daten—
`raten u11d die Mobilitat ihrer Benutzer gekennzeichnet u11d sind in Abbildung 3.2 grafisch
`dargestellt.
`
`City guidance
`
`Freight Management
`
`mobile LANs
`
`Surveillance
`of property
`
`.
`lnteractlve
`"quasi real time"
`Services
`
`'
`Accees to
`Banking Servuces
`
`Alarm detection
`
`Special needs
`(e.g. health)
`
`CAD interconnection
`
`Teleconsulting
`
`Interconnection of
`
`fast mobile
`
`.
`slow mobile
`
`5 E
`
`0
`a,
`E
`g
`
`movable
`
`2
`
`8
`
`34
`
`155
`
`required datarate, Mbit / s
`
`Abbildung 3.2: Anwendungen u11d Dienste des MBS
`
`Bei der Integration breitbandiger Dienste in Mobilfunksysteme werden an die Funkschnitt—
`stelle (air interface) besondere Anforderungen gestellt. Diese resultieren aus der Mobilitat
`der Teilnehmer u11d der Nutzung eines gemeinsamen physikalischen tbertragungsmedi—
`ums. Fiir die mobile Anbindung an das ATM—Festnetz bieten sich grundsatzlich zwei u11—
`terschiedliche Realisierungsmoglichkeiten an:
`
`1. Bereitstellung dienstspezifischer Protokolle zur K01n1nunikation fiber die Funk—
`schnittstelle7 bei de11e11 die ATRI—Ube1‘t1‘agu11g nur zwischen Basisstation u11d Festnetz
`stattfindet.
`
`2. tbertragung V011 ATM—Zellen fiber die Fu11kschnittstelle7 wodurch die Mobilstationen
`transparent auf das ATM—Netz zugreifen k011nen.
`
`

`

`3.1. Uberbliclc
`
`13
`
`Mobile Station
`
`Base Station
`
`Mobile Station
`
`higher layers
`
`
`
`
`Mobile Station
`Base Station
`ATM layer
`
`lower layers
`lower layers
`Physical layer
`
`
`air interface
`
`fibre link of
`ATM—Net
`
`Abbildung 3.3: Dienstspezifische AThl—tbertragung
`
`Das erste Verfahren Wird zum Beispiel bei UNITS verwendet und benotigt keine Funktionen
`zur AThl—tbertragung iiber die Funkschnittstelle. Aus diesem Grund sind keine Kanal—
`Zugriffsverfahren notwendig7 die das statistische Multiplexen V0n ATM unterstiitzen7 und
`es konnen bestehende Protokolle an die Anforderungen verschiedener Dienste angepafit
`werden. Nachteile dieser Vorgehensweise sind die Notwendigkeit verschiedener7 komple—
`xer Kanalzugriffsverfahren7 der fehlende transparente ATM—Zugang und die lnflexibilitat
`
`beziiglich der Integration neuer Dienste (:Abbildung 3..3)
`
`user services
`
`layers
`
`TM
`
`physical
`layers
`
`physical
`
`user services
`
`
`
`user terminal
`
`I
`UNI
`
`MBT
`
`MBS radio access
`system
`
`fixed ATM
`network
`
`I
`UNI
`
`ATM Adaptation Layer
`AAL
`Asynchronous Transfer Mode Layer
`ATM
`M—LLC MBS Logical Link Control Layer
`M—MAC MBS Medium Access Control Layer
`
`M—PHY MBS Physical Layer
`MBT
`Mobile Broadband Termination
`UNI
`User to Network Interface
`
`Abbildung 3.4: Transparenter7 mobiler ATM—Zugriff
`
`Transparenter Zugriff bedeutet7 dais die ATM—Anpassungsschicht nicht geandert werden
`muB und auf die MBS—PHY—Schicht zugreifen kann Wie auf die ATM—PHY—Schicht
`ei—
`nes konventionellen ATlVl—lVetzes. Der zweite Ansatz benotigt deshalb nur ein dienstun—
`abhangiges MAC Scheme (Medium Access Control) zur tbertragung im Asynchronous
`Transfer Mode. Zukiinftig hinzukommende ATM—Dienste werden durch diese universel—
`le Losung ebenfalls unterstiitzt. Allerdings sind Kanalzugriffsverfahren notwendig7 die das
`statistische Multiplexen des ATM unterstiitzen. Durch dieses Verfahren kann zwar die glei—
`Che Funktionalitat7 aber nicht die gleiche Dienstgiite Wie im B—lSDlV angeboten werden.
`
`Dieser Ansatz wurde im MES—System gewahlt (:Abbildung 3.4) [15].
`
`

`

`14
`
`3. Alobile Broadband System
`
`3.2 Bitijbertragungsschicht im MBS
`
`Die Bitiibertragungsschicht (Physical Layer) stellt die unterste Schicht im lSO—OSl—Re—
`ferenzmodell dar u11d definiert die Pr0t0kolle zur Dbertragung der Bits auf dem physi—
`kalischen Kanal. In MBS ist die Dbertragung V011 l10hen Datenraten V0rgesel1en7 fiir die
`eine grofie Bandbreite erf0rderlicl1 ist. Aus diesem Grund sind Frequenzen im 60 GHZ—
`Frequenzband als Trager gewahlt worden. Zum einen sind diese Frequenzen noch nicl1t
`anderweitig Vergeben7 zum anderen ist die Sauerstoffdampfung der Atmosphare sel1r l1ocl1.
`Der Radius einer Funkzelle hangt neben den gerade genannten Parametern mafigeblich V011
`der Rauschzahl7 dem erf0rderlicl1en Signal—zu—RauschleistungsVerhaltnis im E111pfa11ger7
`der Bandbreite u11d den Kanaleigenschaften ab. Enter Beriicksichtigung dieser Faktoren
`ergeben sicl1 Zellradien in der Gréfienordnung V011 R = 100 — 200 m. Aufgrund der Damp—
`fung sind die WiederVerwendbarkeitsabstande einer Frequenz sel1r kurz. Dadurcl1 lassen
`sich 11011e Teilnehmerdichten erreichen. Eine Zellplanung7 Wie sie zum Betrieb V011 mobilen
`K0111munikati0nsnetzen der zweiten Generation 110tig ist7 kann wegen der mikrozellularen
`Struktur in MBS nicl1t mel1r durcl1gefiil1rt werden. Hier miissen Verfahren zur dynami—
`scl1en KanalVergabe eingesetzt werden.
`
`Zur Syncl1r0nisati0n ermittelt die Mobilstation den Zeittakt auf dem D0Vanink7 den sie
`um die Signallaufzeit Verzégert empfangt. Dies fiihrt im Upli11k zu maximalen Asynchro—
`nitaten ZWischen Mobilstationen nal1e der Basisstati0n u11d solchen in grofier Entfernung
`V011 Tam/nah : g m 0.666 ,us bis 1.33 ,us (0 ist die Lichtgeschwindigkeit)7 da das Sen—
`designal der Mobilstation um die entsprechende Laufzeit Verzégert
`in der Basisstati0n
`
`ank0mmt. Eine Messung der aucl1 als Schleifen—Laufzeit bezeichneten Gr0i5e Tam/nah durcl1
`die Basisstati0n7 Wie dies Z.B. bei GSM—lVetzen erfolgt7 ist in MBS nicl1t Vorgesehen.
`
`Frequenzband fiir den Downlink
`62 — 63 GHZ
`
`Frequenzband fiir den Upli11k
`65 — 66 GHZ
`
`Anzahl der Frequenzkanale
`32
`
`Bandbreite je Frequenzkanal
`30 MHZ
`
`Duplextrennung
`2 FDD
`
`MultipleXVerfahren
`FDMA/TDMA (hybrid)
`
`Slotlange
`2133 Ms
`
`Guard Time
`133 ,us
`
`Modulati0nsVerfal1ren
`QPSK/16 QAM
`
`Datenrate
`20 w (TSg/mbol : 50 n8)
`
`ATM—Zellen/Slot
`1 (:fi 424 Bit)
`
`
`
`
`
`
`
`Asynchronitat
`
`Tam/nah m 0,666 bis 133 M8
`(z 13 bis 26 Symbole)
`Funkzellenradius 100 — 200 m
`
`
`
`Tabelle 3.1: Systemparameter des MES—Systems
`
`Grundlage des Systems stellt eine l1ybride FDMA/TDMA—Kanalstruktur (Frequency/
`Time DiVisi0n Multiple Access) dar. Der Frequenzbereich ist in 32 Kanale zu je 30 MHZ
`Bandbreite unterteilt7 die durcl1 Schutzbander V0neinander getrennt sind. Der Zeitbereich
`
`Wird in Zeitschlitze (Slots) aufgeteilt. Die Dauer eines Slots betragt Tslot : (:20 —|— 1.33) ,us.
`Darin ist auf dem Upli11k eine Schutzzeit (Guard Time) V011 Tguwd : 1.33 ,us entl1alten7 die
`die zeitliche Dberlappung der Pakete Verl1indern soll7 die nacl1einander V011 unterschiedli—
`Chen Mobilstationen auf demselben Trager gesendet wurden. Die Lange der Guard Time
`
`

`

`33. Zellstruktur des AIBS
`
`15
`
`entspricht der maximalen Asynchronitat Tasymh, so dais unabhangig V011 der Position ei—
`ner Mobilstation innerlralb einer Zelle die Summe aus Laufzeit u11d Dauer eines Paketes
`
`die Slotdauer nicht iibersteigt. Diese 1.33 ,us entsprechen der Signallaufzeit V011 Basis— zu
`Mobilstation u11d Wieder zuriick7 wenn die Mobilstation die grofitmogliche Entfernung V011
`der Basisstation einnimmt. Auf dem Downlink ist ei11e Schutzzeit zum Einschwingen des
`Senders bei Anwendung V011 PowercontrolVerfalrren notwendig.
`
`Die Aufteilung eines Slots ist in Abbildung 3.5 dargestellt.
`
`lVebe11 den eigentlichen Da—
`
`ten (:2 X 168 Symbole) ist in der Mitte jedes Slots ei11e Training Sequence (:15 Symbole)
`enthalten7 die dem Equalizer zur Schatzung der KanalstoBantwort u11d zur Synchroni—
`sation dient. In der Abbildung 3.5 si11d drei Versclriedene Slotlangen alogebildet7 es Wird
`aber nur mit normalen u11d selrr kurzen Slots gearbeitet. No1‘1nale Slots die11e11 der Da—
`teniibertragzgungz;7 Wahrend selrr kurze Slots zur Bbertragung dynamischer Parameter u11d
`zur Kollisionsauflosung Verwendet werden.
`
`Wird QPSK (Quaternary Phase Shift Keying) angewendet7 entspricht ein Symbol zwei
`Bit7 i1n Falle des ModulationsVerfalrrens 16 QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
`Ware ein Symbol aquiValent mit 4 Bits. Der Aufwand7 Wie auclr die Fehleranfalligkeit
`des zweiten ModulationsVerfalrrens si11d deutliclr hoher einzustufen7 so dais in der ersten
`lmplementierungsstufe mit QPSK gearbeitet werden soll.
`
`lm weiteren Wird als ModulationsVerfalrren QPSK angenommen7 so dais 168 - 2 - 2 Bits :
`672 Bits : 84 Bytes i1n Falle eines normalen Slots zur Verfiigung stelren. DaVon braucht
`ei11e ATM Zelle bekanntlich 53 Bytes7 die iibrigen 31 Bytes teilen siclr die MAC u11d die
`LLC Schicht als OVerlread. Ein Slot selrr kurzer Lange7 der V011 nun an Subslot genannt
`
`VVird7 hat 24-2-2 Bits : 96 Bits : 12 Bytes [15].
`
`
`21.3 us
`l<—>l
`
`
`
`|:| Tail (5