global system for mobile communications

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Global System for Mobile Communications

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Ulf Marxen & Julian Wiegel

Masterstudiengang KommunikationsinformatikHochschule für Technik und Wirtschaft

Telefonbuch

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Gesamt-Übersicht

Inhaltsverzeichnis

Einleitung Konzept der Dienste Systemarchitektur Protokolle Prozeduren Datenanbindungen Zusammenfassung

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Einleitung

Inhaltsverzeichnis

Geschichte der mobilen Kommunikation Einführung von GSM Einteilung der Entwicklungsphasen von GSM

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Geschichte der mobilen Kommunikation

Einleitung

A-Netz (1958-1977)• Handvermittelt• Kein Roaming / kein handover• Standort muss bekannt sein

B-Netz (1972-1994)• Begrenztes Roaming (D,AT,NL,Lux)• Standort muss bekannt sein• Kein Handover• Selbstwählverbindung PSTN <-> Mobil

C-Netz (1984-2000)• Handover• Einheitliche Nummer• Erste Form von SIM

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Einführung von GSM

Einleitung

Erster digitaler Mobilfunkstandart Bekannt als „D-Netz“ oder 2G 1982 Groupe Spécial Mobile (GSM) 1988 ETSI (European Telecommunication

Standardisation Institute) Jetzt 3GPP (3rd Generation Project

Partnership)

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Ziele des GSM Standards

Einleitung

Europaweit einheitlicher Standard Mit ISDN und Analog PSTN kompatibel Vorhandene Standards (SS7) nutzen Frequenzen effektiv belegen Kompatibel mit anderen

Datenübertragungsverfahren Gute Sprachqualität Hoher Sicherheitsstandart

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Verwendete Frequenzbänder

Einleitung

GSM 1800

GSM 900

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Konzept der Dienste

Inhaltsverzeichnis

Allgemeine Einteilung der Dienste Spezifikation der Dienste

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Allgemeine Leistungen

Konzept der Dienste

Trägerdienste (Bearer Services) Tele(matik)dienste (Tele Services) Zusatzdienste (Supplementary Services)

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Bearer Services

Dient dem Transport von Nutzdaten auf den OSI-Schichten 1-3

Syn-/Asynchrone paket-/leitungsvermittelte Datenübertragung bis max. 9600bit/s Transparente und nicht transparent Modi

Konzept der Dienste

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Tele Services

Konzept der Dienste

Dient der Ende zu Ende Kommunikation unter Verwendung aller 7 OSI Schichten

Hauptdienst ist die Sprachtelefonie Weitere Dienste sind

• Short Message Service• Notfallnummer• Fax Übertragung

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Supplementary Services

Konzept der Dienste

Erweiterung der Dienstnutzung• Übermittlung der Teilnehmerkennung• Rufumleitung• Rufweiterleitung

Accounting der Teilnehmer für die Nutzung der Dienste

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Systemarchitektur

Inhaltsverzeichnis

Allgemeine Infrastruktur Erläuterung der Arbeitsbereiche Erläuterung der einzelnen Komponenten

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Allgemeine Infrastruktur

Systemarchitektur

HLR VLR

EIR AUC

OMC

BTS

BTS

MSCBTS

BTS

PSTNGMSC

PDNIWF

MS

MS BSC

BSC

OSS

NSSBSSSMSC

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PLMNPublic LandMobile Network

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BSSBase Station Subsystem

Systemarchitektur

Zuständig für permanente Funkverbindung zum MS

Sprach-(de/)Kodierung Anpassung der Datenraten 64 –> 16 ->

13/12,2/5,6 kBit/s durch Transcoding and Rate Adaption Unit (TRAU)

Zurück zur Übersicht

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MSMobile Station

Base Station Subsystem

Hard- und Software eines mobilen Endgeräts• Anzeige, Lautsprecher, Mikrofon, Tasten,…

Nutzerunabhängig• Mobiltelefon• IMEI zur Identifikation

Nutzerspezifisch• SIM-Karte: alle Daten für GSM

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MSSIM-Karte

Komplexer Mikrocontroller Nutzerspezifische Funktionen Geschützt durch PIN / PUK Wichtige Daten auf SIM:

• Personal Identity Number (PIN)• International Mobile Subscriber Identity (IMSI)

• Geheimer Schlüssel Ki

Nach erfolgter Einbuchung:• Schlüssel Kc zur Übertragungschiffrierung• Aufenthaltsinformationen (TMSI,LAI)

Zurück zur ÜbersichtBase Station Subsystem

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BTSBase Transceiver Station

Sende-/Empfangseinheit (Antenne & Verstärker) Radius bis 35 km

• Abhängig von Nutzerzahl und geografischen Gegebenheiten

Deckung normal 1 Funkzelle• Mit sektorisierten Antennen bis zu 3• Jede Funkzelle hat eine eindeutige Cell-ID (CID)

Kommunikation mit MS über Um-Schnittstelle Weiterleiten von Signalisierungs- und

Sprachdaten über Abis-Schnittstelle an BSC


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BTSAufgaben

Modulation und Kodierung der Signale Fehlerkorrektur Messung der Signalqualität und –stärke des

Uplinks• Regelung der Sendeleistung

Ver- und Entschlüsselung


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3-Sektorantenne im 120 ° Winkel

Folie 20Base Station Subsystem

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http://opencellid.org

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Aufenthaltsbereiche

Mehrere Funkzellen (BTS) bilden einen Aufenthaltsbereich Location Area (LA)

Zugeordnet wird jeder LA eine Location Area Identity (LAI) bestehend aus:

• Mobile Country Code (MCC)• Mobile Network Code (MNC)• Location Area Code (LAC)

LA dient zur Standortbestimmung


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Aufenthaltsbereiche


(3)

Ortung innerhalb von LA = Paging Wechsel innerhalb von LA = Handover Wechsel in andere LA = Location Area Update


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BSCBase Station Controller

Dient dem Radio Ressource Management Schnittstelle zwischen GSM-Core Netz und MS Formt viele Zellen (BTS) mit einem MSC zu LA Verwaltet Funkkanäle (Up/Down Frequenzen) Überwacht bestehende Funkverbindungen Steuert Verbindungsübergabe (intra BSC handover) Steuert Ausgangsleistung der MS und BTS Verwaltet Datenkanäle Multiplexing der Funkverbindungen über A-

Schnittstelle


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NSS Network and Switching

Subsystem

Intelligentes Teilsystem zur Vermittlung von Gesprächs- und Datenverbindungen

Bietet Funktionen • zur Verwaltung der Teilnehmerdaten• zur Lokalisierung der Teilnehmer

Zurück zur ÜbersichtSystemarchitektur

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MSCMobile Services Switching Center

Network & Switching Subsystem Zurück zur Übersicht

Knotenpunkt aller BSC‘s PLMN besteht aus einem oder mehreren MSC Kommuniziert mittels SS7 Protokoll ISUP Externe Weiterleitungen über das GMSC Regelt Signalisierung des PLMN

• Call Management - Verbindungsaufbau und Verbindungsabbau- Weiterleitungen von Verbindungen

• Mobility Management - Authentifizierung- Location Update- Handover

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Visited - MSCGateway – MSC

GMSCGateway Mobile Services

Switching Center


PSTNG-MSC V-MSC

Anschluss an das öffentliche Telefonnetz PSTN

Dient der Weiterleitung von Telefongesprächen• zu dem Festnetz über SS7 Netzknoten• zu anderen Mobilfunknetzen PLMN‘s (über die Schnittstelle Visited-MSC)

Network & Switching Subsystem

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HLRHome Location Register

Heimatregisters des PLMN Speicherung von Benutzerdaten der Mitglieder

des lokalen GSM-Netzes

• Statische Daten:- MSISDN (Tel.: 00 49 / 178 – 4153736 )- IMSI (Interne Teilnehmerkennung)

• Dynamische Daten:- Adresse des eingebuchten MSC und VLR- Aktuelle LAI (Location Area Identity)- Temporäre MSRN (Globale Teilnehmerkennung)- Einstellungen der Zusatzdienste

Zurück zur ÜbersichtNetwork & Switching Subsystem

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VLRVisitor Location Register

Besucherregister des PLMN Temporäre Speicherung der Benutzerdaten aller

Teilnehmer im lokalen GSM-Netz

- Kopie aller Daten aus dem HLR (MSISDN, IMSI, LA, MSRN, Zusatzdienste)

- Adresse des Herkunfs- MSC / VLR

- Generierte MS-Adresse TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)


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IWFInter-Working function

Dient der leitungsvermittelnden Datenübertragung

Schnittstelle zum PLN (Public Data Network) Umwandlung interner GSM-Daten zu IP-Daten


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SMSCShort Message Services

Center

Dienst des SMS-Nachrichtendienst Verteilung der SMS an andere SMSC Temporäre Speicherung der SMS bis TE wieder

verfügbar


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OSS Operation Subsystem

Systemarchitektur

Betriebs- und Wartungseinheit Zuständig für reibungslosen Betrieb Kommunikation mit Elementen via SS7-

Schnittstellen Elemente von OSS:

• Operation and Maintenence Center (OMC)• Authentication Center (AuC)• Equipment Identity Register (EIR)


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OMCOperation and Maintenance

Center

Überwachung und Steuerung aller Komponenten• Sicherheitsmanagement• Konfigurationsmanagement• Softwaremanagement• Teilnehmerverwaltung• Abrechnung• Komponentenüberwachung

Verkehrsüberwachung / Quality of Service

Zurück zur ÜbersichtOperation Subsystem

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EIR Equipment Identity

Register

Optionale Datenbank für alle IMEI Möglichkeit MS zu sperren Enthält verschiedene Listen:

• Schwarze Liste: alle gesperrten MS• Graue Liste: MS in Prüfung• Weiße Liste: Zugriff auf Netz OK

Unabhängig von SIM

Zurück zur ÜbersichtOperation Subsystem

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AUC Authentication Center

Operation Subsystem

Verantwortlich für Authentifizierung

Erzeugung der gesendeten Zufallszahlen (RAND) Berechnung der SRES Enthält alle Ki für

Teilnehmerauthentifizierung Kc Schlüsselgenerierung für jede IMSI

Übertragung an HLR


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Protokolle

Inhaltsverzeichnis

Übersicht der Schnittstellen Protokollzuordnung der Schnittstellen Erläuterung der Funktionen der Protokolle Erläuterung der Verwaltung von Zusatzdiensten

mittels CAMEL Protokolls

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Schnittstellen

Protokolle

BTS

BTS

MSCBTS

BTS

GMSC

MS

MS BSC

BSC

Um Abis A E

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Protokollezwischen MS und MSC

Protokolle

CM - Call ManagementMM - Mobility ManagementRR - Radio Ressource Management

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Call Management

Protokolle

Bestehend aus 3 Komponenten:• CC - Call Control • SMS - Short Message Service • SS - Supplementary Service

CC bietet:• Punkt zu Punkt Sprach-Verbindung zwischen zwei Teilnehmern• Verbindungsaufbau / Verbindungsabbau• Ändern der Verbindungsparameter• Tonwahlverfahren DTMF (Dual Tone Multiple Frequency)

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Call Management

Protokolle

SMS bietet:• Punkt zu Punkt Nachrichtendienst• Textbasierte Nachricht

- bis 160 Symbole bei englischen Alphabet- bis 140 Symbole bei anderen Alphabeten

(z.B. arabisch, chinesisch, koreanisch, …) SS bietet:

• Zusatzdienste wie - Mailbox- Roaming- Accounting

• Wird durch das Protokoll CAMEL erweitert

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Mobility Management

Protokolle

Verantwortlich für:• Nutzerregistrierungen• Authentifizierungen• Geräteidentifikation• Standortbestimmung

- Location Update- Paging

• Standortaktualisierung (Handovermanagement)• Generierung von temporären Teilnehmerkennungen (TMSI)

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Radio Ressource Management

Protokolle

Stellt die unterste Vermittlungsschicht dar (ISO/OSI Layer 3)

Zuständig für die permanente Funkverbindung von BTS zu MS

Sicherstellen der Signalqualität Belegung, Aufrechterhaltung und Freigabe von

Trägerfrequenzen Allokieren von logischen Kanälen Bereitstellung von dedizierten Funkkanälen

für höhere Schichten

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CAMELCustomized Applications for Mobile network Enhanced Logic

Protokolle

Dient der Verwaltung von Zusatzdiensten z.B. 0800-Wahl, Roaming, Pre-Paid Accounting Problem:

• unterschiedliche Zusatzdienste je Betreiber• unterschiedliche Systeme zur Steuerung• international Nutzung dieser Dienste

Lösung:• Anbindung an das IN (Intelligent Network)• Unterteilung in 3 Dienste Standards (Phasen)• MSC überwacht mittels IN Funktionen die Kommunikationszustände

• Änderung der Zustände mittels Regelwerke

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CAMELZustandsmodell

Protokolle

HLR beinhaltet gebuchte Zusatzdienste

Regeln werden eingeleitet durch DP (Detection Points)

Erkennung von DPs mittels SSF Funktion (Service Switching Funktion)

Speicherung der Verbindung als Zustandsmodell

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CAMELZustandsmodell

Protokolle

BCSM - Basic Call State Model

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CAMELFunktionsprinzip

Protokolle

MSC

SSFIAM (MSRN) ISUP

SCP SCP

MSC

SSFISUP ISUPPSTN

INAP(MSRN)

INAP(MSRN)

INAP(MSRN)

INAP(MSRN)

HLR

INAP

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Prozeduren

Inhaltsverzeichnis

Lokalisierung eines Teilnehmers Mobilitätsverhalten (Handover) Anruf aus dem Festnetz zu dem Mobilfunknetz Anruf aus dem Mobilfunknetz zum Festnetz

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Location Area Update

Prozeduren

MS

BSCBTS MSC

Authentifizierung

Location Update Request

UA ACK FrameConnection Confirmed

Location Update Accept

TMSI Reallocation Cmd.

TMSI Reallocation Complete

Verbindungsabbau

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Handover

Prozeduren(2)

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Clear complete

Clear command HO complete

Handover (Intra-MSC)

Prozeduren

MS

BSCalt MSC BTS

neuBSCneu

Messbericht Messbericht

HO nötig ?

HO required HO request

Funkkanalreservierung

Ch. activation

HO access

HO request ACK

Link aufgebaut

Ch. activation ACK

BTSalt

HO command

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Gesprächsaufbau(Festnetz zu Mobiltelefon)

Prozeduren

MS

BTS VLRPSTNMSC GMSC

BSC

IAM (MSISDN)

PRN(IMSI)

PRN Ack.(MSRN)

IAM(MSRN)Paging

(TMSI)Paging(TMSI)Paging

(TMSI)

SETUP(TMSI)

CALL CONFIRMED(TMSI)

Kanalvergabe

SRI(MSISDN)

SRI Ack.(MSRN)

TE im PLMN klingelt

ACM + ANM(MSRN)

ACM + ANM(MSRN)

BTS

HLR

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PRIVILEG CHECK(TMSI)

PRIVILEG ACK(TMSI)

CALL CONFIRMED(TMSI)

Gesprächsaufbau(Mobiltelefon zu Festnetz)

Prozeduren

MS

BTS VLRPSTNGMSC

BSC

CALL(MSISDN)

BTS

HLR

CALL(MSISDN)

MSC

CALL(MSISDN)

SERVICE CHECK

IAM(MSRN)

SERVICE OK(TMSI)

SETUP(MSRN)

Kanalvergabe

SERVICE ACK

IAM(MSRN)

ACM + ANM(MSRN)ACM + ANM

(MSRN)

TE im PSTN klingelt

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Datendienste

Inhaltsverzeichnis

Übertragungsarten• Leitungsvermittelnd HSCSD• Paketvermittelnd GPRS / EDGE

Systemarchitektur

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LeitungsvermittelnderDatendienst

Datendienst

HSCSD (High Speed Circuit Switched Data)

Bündelung von Sprachkanälen (TCHs)• ETSI 1997c: 4x TCH á 14,4 Kbit/s

Nur Softwareänderungen (in MS & MSC) Keine Änderung in Modulation oder GSM-

Rahmenstruktur

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Problemstellung unter HSCSD

Datendienst

Asynchrone Datenschübe mit langen Zeitpausen• Typisch für Webanwendungen

Jeder Kanal wird getrennt signalisiert• Steuerung der Zellenübergabe

Reservierung von Kanälen• Belegung von Ressourcen• Berechnung ungenutzter Bandbreite

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Weiterentwicklung

Datendienste

GPRS General Packet Radio Service

Paketorientierte Datenübertragung (IP) Benutzt bestehende BTS-Antennen Erweitert Netzarchitektur Neue logische Kanäle Dynamische Zuweisung von Datenkanälen

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Systemarchitektur der Datenvermittlung

Datendienste

BTS

BTS

MSC PDNIWFMS BSC

NSSBSS

PCU SGSN GSGN

paket-vermittelt

leitungs-vermittelt

HSCSD 57,6 Kbit/s

GPRS 4x14,4 Kbit/s =53,6 Kbit/s

EDGE~ 474 Kbit/s

HLR VLR

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PCUPacket Control Unit

Datendienste

Erweitert BSC um Pakethandling Bereitstellung der Sicherungsschicht auf der

Luftschnittstelle Herausfischen von GPRS-Paketen aus GSM-

Datenströmen

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GPRSSupport Nodes

Datendienste

Service GPRS Support Node (SGSN)• Verhält sich wie ein MSC in GSM• Bildet mit GSM-BTS eine Routing Area (RA)• Verantwortlich für (GPRS)-Handover zu anderen RAs, Netz-Einbuchungen

• Routing von GPRS-Daten zu den GGSN

Gateway GPRS Support Node (GGSN)• Schnittstellen zu andere GGSN/Datennetzen/GPRS-Diensteplattformen/etc…

• Routing zu/von PDN• Tunnelt Pakete zu den korrekten SGSN• Zuständig für Roaming und Gebührenerfassung

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GPRSRouting Areas

Datendienste

BTS

Location Area

Routing Area 1

Routing Area 2

Cell 1 BTS Cell 2

BTS Cell 3 BTS Cell 4



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EDGEEnhanced Data Rates for GSM Evolution

Datendienste

8-PSK ersetzt bisherige GMSK Modulation• GSMK = 1 Bit pro Symbol• 8-PSK = 3 Bit pro Symbol

Brutto bis zu 474 Kbit/s• Real ca ~150-200 Kbit/s

GPRS -> EGPRS HSCSD -> ECSD

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Ausblick

Trend für private Endverbraucher von Sprach- hin zu Datendiensten (Smartphones, Tablets,..)

Paketvermittlung dominiert Leitungsvermittlung• Bandbreite onDemand• VoIP für Sprachübertragung• Dienstgütegarantien (QoS)

Freigabe der GSM Frequenzen zugunsten von UMTS/LTE ?• Langfristige Anwendungen die auf GSM/GPRS/EDGE aufbauen wie M2M ?

Abschluss

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ENDE

Sperren

In diesem Sinne

weitere Fragen…?Ausschalten

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Quellen

(2)http://article.sapub.org/image/10.5923.j.ijnc.20120204.02_005.gif

(3)http://doktori.bme.hu/bme_palyazat/2012/hallgato/honlap/Tettamanti_Tamas_hu_files/image08_en.jpg

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