Zellulare Netze

Drahtlose Kommunikation

Zellulare Netze

Übersicht

• Zellgeometrie

• Frequency‐Reuse

• Übliche Systemfunktionen

• Ausbreitungsmodelle

• Traffic‐Engineering

• Beispiel GSM

• Beispiel UMTS

Ideale Zellgeometrie

• Betrachte zunächst drei Sender s₁, s₂, s₃, die das von ihnen  eingeschlossene Dreieck D vollständig abdecken sollen.

• Annahme jeder Sender hat dieselbe maximale Reichweite r.

• Wie müssen die Sender positioniert werden, damit die  Fläche von D maximiert wird?

Ideale Zellgeometrie

• Setze dies nun für die sich anschließenden Regionen  unendlich weit fort.

• Wie sieht bei dieser Senderpositionierung die Region R der  Punkte um einen Sender s aus, die am nächsten zu s liegen?

Ideale Zellgeometrie

Fazit: hexagonale Zellgeometrie erfüllt

• maximiert bei fester Anzahl an Sendern die abgedeckte  Fläche oder

• minimiert die Anzahl benötigter Sender, um eine gegebene  Fläche abzudecken

Bemerkung

• Jede Basisstation kostet Geld. Somit ist die hexagonale  Zellgeometrie sinnvoll für die Zellplanung.

• Achtung idealisierte Zellgeometrie: Gleiche maximale  Sendereichweite für jede Basisstation ist jedoch eine  idealisierte Annahme.

Zellradius und Zelldistanz

Zellradius r

Zelldistanz d benachbarter Zellen bei Zellradius r

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Problemstellung

Ausgangspunkt

• Gegeben seien k Trägerfrequenzen f₁, … , f_k

• Die verwendeten Frequenzbereiche um die  Trägerfrequenzen überlappen nicht

• Also: gleichzeitige Kommunikation auf unterschiedlichen  Trägerfrequenzen ist störungsfrei

Problemstellung: teile die Frequenzen derart auf die Zellen auf,  sodass störungsfreie Kommunikation ohne weitere Absprache  zwischen den Zellen möglich wird.

f₁ f₂ f₃

…

Zuweisung von Frequenzblöcken

Wir bezeichnen zwei Zellen, die wechselseitig in ihren  Interferenzbereichen liegen, als Interferenz‐Nachbarn Offensichtlich

• Zwei Zellen, die Interferenznachbarn sind, dürfen nicht dieselbe  Frequenz gleichzeitig verwenden.

• Weiter auseinander liegende Zellen dürfen hingegen dieselbe  Frequenz verwenden.

Teile die verfügbaren Frequenzen in Frequenzblöcke und weise jeder  Zelle einen Frequenzblock derart zu, dass keine 

Interferenznachbarn denselben Block verwenden.

Im Folgenden geben wir bei einer Aufteilung in n Frequenzblöcke nur  noch die Nummern 1,…,n der Frequenzblöcke an.

f₁ f₂

f₃ f₄

f₅ f₆

f₇ f₈

Frequenzblock 1 Frequenzblock 2 Frequenzblock 3 Frequenzblock 4

Problemstellung: Frequency‐Reuse‐Patterns

Im folgenden betrachten wir folgende vereinfachte  Modellannahmen:

• Zellulares Netz verwendet die ideale Zellgeometrie (Hexagone)

• Jedes Hexagon hat in der Mitte eine Basisstation

• Jede Basisstation hat denselben Interferenzradius r.

Problemstellung: wie können den Zellen Frequenzbereiche zugewiesen werden,  sodass keine Interferenz vorliegt und die Frequenzwiederverwendung optimal  ist, d.h. eine minimale Anzahl von Frequenzblöcken benötigt wird.

Reguläre Struktur erlaubt Betrachtung auf Zellebene

D

C

Beobachtung

Definition Zelldistanzvektor

Es seien C und D zwei Zellen. Es sei von den sechs möglichen 

Sektoren um C der Sektor S der Sektor in dem die Zelle D liegt.

Es seien u und v die Vektoren, die den Sektor S aufspannen.

Das Zentrum von D lässt sich von C aus durch eine Linearkombination  von u und v erreichen.

Das bedeutet:

Wir bezeichnen (i,j) als Zelldistanzvektor von C nach D.

Offensichtlich ist (i,j) auch der Zelldistanzvektor von D nach C.

Wir sprechen somit im Folgenden einfach nur noch von dem  Zelldistanzvektor zwischen C und D.

C

D

Zelldistanzvektor am Beispiel

Der Zelldistanzvektor (i,j) von C und D ist:

Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (1)

Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (2)

Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (1)

Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (2)

Fakten zum Frequency‐Reuse (1)

Anzahl c verfügbarer Frequenzen pro Zelle bei k gegebenen  Frequenzen und einem Frequency‐Reuse‐Pattern mit n Zellen:

Die Anzahl n der Zellen in einem Frequency‐Reuse‐Pattern  erfüllt immer:

Damit sind Frequency‐Reuse‐Patterns mit folgenden Größen  möglich: 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, ...

Fakten zum Frequency‐Reuse (2)

Definiere

• d = minimale Distanz zwischen Zellzentren von Zellen,  welche dieselbe Frequenz verwenden.

• r = Zellenradius

• b = Distanz zwischen Zellzentren von unmittelbar  benachbarten Zellen

• n = Anzahl Zellen in einem Frequency‐Reuse‐Pattern Es gelten folgende Zusammenhänge:

Erhöhen der Netzkapazität

Netzkapazität: von Interesse sind hier sowohl Bandbreite als  auch Latenz.

Hinzufügen neuer Kanäle – erhöht offensichtlich die gesamte  Netzkapazität

Frequency‐Borrowing – Ausleihen ungenutzter Frequenzen von  Nachbarzellen

Cell‐Splitting – Aufteilen von Zellen mit gewöhnlich hohem  Verkehrsaufkommen in kleinere Zellen.

Cell‐Sectoring – Aufteilen einer Zelle in Sektoren mittels  Sektorantennen

Makro‐Zellen und Mikro‐Zellen

Zellen mit besonders kleiner Abdeckung bezeichnet man auch  als Mikro‐Zellen. Ansonsten spricht man von Makro‐Zellen.

Typische Parameter 1995 nach Anderson et al. [1]

(Delay‐Spread = Zeit, zwischen erstem und letzem Empfang  eines Signals im Fall von Mehrwegeausbreitung)

[1] Anderson, Rappaport, Yoshida, „Propagation Measurements and Models for Wireless Communicaiton Channels“, IEEE  Communicaitons Magazine, 1995.

Makro‐Zellen Mikro‐Zellen

Zellradius 1 – 20 km 0,1 – 1 km

Übertragungsleistung 1 – 10 W 0,1 – 1 W Mittlerer Delay‐Spread 0.1 – 10 s 10 – 100 ns Maximale Bit‐Rate 0.3 Mbps 1 Mbps

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Übersicht eines zellularen Systems

Systemkomponenten

• Base‐Station (BS)

• Mobile‐Unit

• Mobile Telecommunications Switching Office (MTSO)  Kanäle

• Control‐Channels: Aufbau und Aufrechterhaltung von Verbindungen

• Traffic‐Channels: Übertragung von Sprach‐ und Datenverkehr

Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung 

• BS senden Broadcast auf  unterschiedlichen Setup‐

Kanälen

• Eingeschaltete Mobile‐Unit  beobachtet die Setup‐Kanäle

• Mobile‐Unit wählt BS mit dem  besten Empfang

• Handshake zwischen Mobile‐

Unit und BS zur Identifikation  und Ortsregistrierung

• Vorgang wird aufgrund von  Gerätemobilität periodisch  wiederholt.

• Mobile‐Unit bleibt somit  immer der besten BS  zugeordnet

Mobile‐Unit‐Initialization

Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung 

• Mobile‐Unit überprüft 

Information im BS‐Forward‐

Channel

• Wenn bzw. sobald Kanal frei, dann  sende Verbindungsanfrage mit  Nummer des Zielgerätes an MTSO  über Backward‐Channel der BSS

Mobile‐Originated‐Call

Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung 

• MTSO sendet Paging‐Nachricht an  BS, in denen gerufene Mobile‐Unit  erwartet wird

• Beauftragte BS senden Paging‐

Nachricht mittels Broadcast über  den eigenen Setup‐Channel in ihre  Zelle

Paging

Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung 

• Broadcast mit eigener Nummer  wird von Mobile‐Unit auf dem 

Setup‐Channel seiner aktuellen BS  erkannt

• Zum Broadcast zugehörige BS wird  benachrichtigt

• BS leitet Antwort an MTSO weiter

• MTSO schaltet eine 

Leitungsverbindung zwischen den  Kommunikationsendpunkten

• MTSO wählt passende Traffic‐

Channel in den beiden BS aus

• MTSO informiert dann die BS

• BS informieren dann die Mobile‐

Units

Call‐Accepted

Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung 

• Sprach‐ und Datenaustausch über den aufgebauten Mobile‐Unit‐BS‐

MTSO‐BS‐Mobile‐Unit‐Pfad

• Mobilität kann zu Zellwechsel führen. Verbindung bleibt mittels  Handoff in andere Zelle (BS) ohne Nutzerbenachrichtigung erhalten

Ongoing‐Call Handoff

Weitere Systemfunktionen

Call‐Blocking – Mobile‐Unit unternimmt mehrere 

Verbindungsaufbauversuche, wenn alle Traffic‐Channels belegt sind. 

BS signalisiert der Mobile‐Unit nach mehreren Fehlversuchen einen  Busy‐Tone.

Call‐Termination – Beendet eine Mobile‐Unit die Verbindung, wird  MTSO informiert. MTSO gibt Traffic‐Channels an beiden BS wieder  frei.

Call‐Drop – Bei sehr schlechter Verbindungsqualität wird die  Verbindung gestoppt und die MTSO informiert.

Call‐to/from fixed and remote mobile subscriber – MTSO stellt auch  Verbindungen ins Telefonnetz oder zu Mobile‐Unit mit anderer 

zugeordneter MTSO her.

Handoff (1)

Handoff – Vorgang ein mobiles Gerät von einer Zelle in eine  benachbarte weiter zu reichen

• Network‐initiiert – nur basierend auf Messungen der  empfangenen Signale der mobilen Station

• Mobile‐Unit‐gestützt – Signalstärkemessungen auf der  mobilen Station werden an Basisstation zurückgeführt

Handoff (2)

Genereller Parameter für Handoff‐Entscheidungen – Signalstärke (gemittelt) Handoff‐Strategien

• Relative Signalstärke

• Relative Signalstärke mit Schwellwert

• Relative Signalstärke mit Hysteresis

• Relative Signalstärke mit Hysteresis und Schwellwert

• Vorhersagetechniken

Achtung: Handoff ist aufgrund von Sendeleistungskontrolle noch komplizierter

Sendeleistungskontrolle

Wozu benötigt man Sendeleistungskontrolle?

• Kompensation von Pfadverlust und allen weiteren  Signalstärkedämpfenden Effekte

• Vermeiden von Cochannel‐Interferenz mit benachbarten  Mobilfunkzellen

• Ausbalancieren der Signalstärken an der Basisstation bei CDMA‐

basierten Systemen Generelle Techniken

• Open‐Loop – Messung eines permanenten „Pilot‐Signals“ der  Basisstation an der Mobilstation; Umgekehrt proportionale  Anpassung der Sendeleistung der Mobilstation; Annahme  Vorwärts‐ und Rückwärtskanäle sind korreliert.

• Closed‐Loop –Basisstation misst Signal der Mobilstation; 

Leistungseinstellung an der Mobilstation wird der Mobilstation  über einen Kontrollkanal kommuniziert.

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• Beispiel UMTS

Okumura/Hata Ausbreitungsmodell (1)

Original‐Modell nach Okumura und von Hata nochmals überarbeitet. 

Ausbreitungsmodell für zellulare Netze basierend auf empirischen  Daten zu Messungen in Tokyo.

L_dB = 69.55 + 26.16 log f_c – 13.82 log h_t – A(h_r)  + (44.9 – 6.55 log h_t) log d

f_c = Carrier‐Frequenz in MHz (150 bis 1500 MHz)

h_t = Höhe der übertragenden Antenne (Basis‐Station) in m (30 bis 300  m)

h_r = Höhe der empfangenden Antenne (Mobile‐Unit) in m (1 bis 10 m) d = Distanz zwischen den Antennen in km (1 bis 20 km)

A(h_r) = Korrekturfaktor für die Höhe der Antenne der Mobile‐Unit

Okumura/Hata Ausbreitungsmodell (2)

Der Korrekturfaktor A(h_r) für Städte kleiner bis mittlerer Größe:

A(h_r) = (1.1 log f_c – 0.7) h_r – (1.56 log f_c – 0.8) dB Der Korrekturfaktor A(h_r) für große Städte:

A(h_r) = 8.29 [log (1.54 h_r)]² – 1.1 dB        für f_c <= 300 MHz A(h_r) = 3.2 [log (11.75 h_r)]² – 4.97 dB        für f_c > 300 MHz

Okumura/Hata Ausbreitungsmodell (3)

Ist der Pfadverlust für eine Stadt nach obigem Modell L_dB, so  ergibt sich als Schätzung des Pfadverlustes L‘_dB für 

entsprechende vorstädtische Gebiete

L‘_dB = L_dB – 2 [log (f_c / 28)]² – 5.4

Für offene Gebiete wird der Pfadverlust L‘‘_dB wie folgt geschätzt L‘‘_dB = L_dB – 4.78 (log f_c)² – 18.733 (log f_c) – 40.98

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Motivation und Begriffsbildung

Zellkapazität – Anzahl der mobilen Geräte, die gleichzeitig  bedient werden können.

Beispiel FDMA‐System: jedes aktive mobile Gerät benötigt eine  Frequenz. Zellkapazität = Anzahl der verfügbaren Frequenzen. 

Traffic‐Engineering – geeignetes dimensionieren von 

Zellkapazität für erwartete Verkehrslasten (Konzepte wurden  auch schon für drahtgebundene geswitchte Telefonnetze 

entwickelt)

Zwei generelle Systemkonzepte: L potentielle Kunden (mobile  Geräte) und Zellkapazität für N Kunden. Das System bezeichnet  man als

• non‐blocking, wenn L <= N

• blocking, wenn L > N

Traffic‐Engineering in Blocking‐Systemen

Blocking‐Wahrscheinlichkeit

• Wahrscheinlichkeit, dass ein Anruf geblockt wird

• Alternativ: welche Zellkapazität wird für eine gegebene  Blocking‐Wahrscheinlichkeit mindestens benötigt

Blocking‐Delay (falls geblockte Anrufe in einer Warteschlange  warten)

• Wartezeit eines geblockten Anrufes

• Alternativ: welche Zellkapazität wird für einen gegebenen  Blocking‐Delay mindestens benötigt

Relevante Traffic‐Engineering Konzepte

Zwei Parameter bestimmen die einem System zugeführte Last 

 – mittlere Rate von Verbindungsanfragen pro Zeiteinheit h – mittlere benötigte Bedienzeit pro erfolgreichem Anruf

Diese Parameter definieren zusammen die Verkehrsintensität A

Zellkapazität N interpretiert als Anzahl Bediener eines Multi‐Server‐

Systems (vgl. Warteschlangentheorie) ergibt

mit  = Zeitanteil, in dem ein Server belegt ist (im FDMA‐Beispiel also  die Wahrscheinlichkeit, dass eine Frequenz belegt ist)

Beispiel

Mittlere Anzahl Anrufe pro Minute = 20

Mittlere Bedienzeit pro erfolgreichem Anruf = 3 min Dies ergibt eine Verkehrsintensität A von:

Für ein System mit einer Kapazität von N = 120 Kanälen ergibt  sich eine mittlere Auslastung  pro Kanal:

Ein System mit einer Kapazität von 50 Kanälen wäre überlastet. 

Ein System mit einer Kapazität von 60 Kanälen wäre voll  ausgelastet. Zu Zeiten hoher Last jedoch inadäquat 

dimensioniert.

Beispiel: Empirische Bestimmung der Verkehrsgrößen

Die mittlere Ankunftsrate und mittlere Bedienzeit h pro erfolgreichem Anruf ist  in diesem Beispiel:

Achtung:  ist so nur im Nonblocking‐Fall korrekt geschätzt!

Systemdimensionierung in der Praxis

Dimensionierung des Systems, um die mittlere Last zu  Spitzenlastzeiten bedienen zu können.

Spitzenlastzeit – 60‐Minutenperiode  an einem Tag (gemittelt über  viele Tage), an dem die Last am höchsten ist.

Empfehlung der ITU‐T: statistisches Mittel über die Last der  Spitzenlastzeiten der 30 Tage im Jahr, in denen die Last am  höchsten war.

Praxis in Nordamerika: wie oben nur 10 Tage im Jahr.

Achtung: gemessen wird immer die bediente Last; die tatsächliche  angebotene Last lässt sich daraus nur abschätzen.

Verkehrsmodelle

Verkehrsmodell hängt von zwei wesentlichen Faktoren ab:

• Wie werden geblockte Anrufe behandelt?

• Wie viele Verkehr generierende Quellen gibt es?

Behandlung von geblockten Anrufen

• Lost‐Calls‐Delayed (LCD) – geblockte Anrufe werden in einer  Warteschlange bis zur Bedienung gepuffert

• Ein geblockter Anruf wird einfach verworfen: hier gibt es zwei  Varianten

– Lost‐Calls‐Cleared (LCC) – Benutzer hängt auf und versucht es nach  einer zufälligen Zeit wieder

– Lost‐Calls‐Held (LCH)– Benutzer macht unmittelbar darauf den  nächsten Anrufversuch

LCC‐Modell wird häufig für die Analyse von zellularen Netzen angenommen

Verkehrsmodelle

Verkehrsmodell hängt von zwei wesentlichen Faktoren ab:

• Wie werden geblockte Anrufe behandelt?

• Wie viele Verkehr generierende Quellen gibt es?

Infinite‐Source‐Model – es wird eine feste Ankunftsrate  angenommen

Finite‐Source‐Model – Ankunftsrate hängt davon ab wie viele  Nutzer schon aktiv sind.

Verkehrsmodelle

Annahme: System mit L Nutzern. Jeder Nutzer erzeugt mittlere Last  der Größenordnung  / L.

Was ist die mittlere Ankunftsrate, wenn das System noch leer ist?

Was ist die mittlere Ankunftsrate, wenn schon K Nutzer im System  sind?

[Infinite‐Source‐Modell analytisch einfacher handhabbar; keine  Abhängigkeit von Nutzer im System; sinnvoll,  wenn Anzahl 

Quellen mindestens 5 bis 10 mal höher als die Systemkapazität  ist.]

Beispiel: LCC und Infinite‐Source

Es seien:

A = dem System angebotene Last in Erlang

N = Anzahl Bediener (d.h. Anzahl verfügbarer Kanäle; ein Kanal pro  Nutzer)

Die Blocking‐Wahrscheinlichkeit P (Grade‐of‐Service) ist: (Erlang‐B‐

Formel)

[Bemerkung: Zusammenhang zwischen angebotener Last A und  bedienter Last C:

]

Erlang‐B‐Tabelle

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• Beispiel UMTS

Erinnerung: Mobilfunkgeneration

• 1G: Ursprüngliche zellulare Netze auf der Basis  von analogen Kanälen (Sprache wird auf 

Trägerfrequenz aufmoduliert). Mehrfachzugriff  über FDMA.

• 2G: Weiterentwicklung von 1G im Bezug auf

–

bessere Signalqualität, höhere Datenraten für digitale  Datenübertragung, höhere Kapazität

–

Wesentliche Unterschiede zu 1G

• Digitale Kanäle

• Verschlüsselung

• Fehlerdetektion‐ und korrektur

• Kanalzugriff: FDMA plus TDMA (z.B. GSM) bzw. FDMA plus  CDMA (z.B. IS‐95)

GSM Entwicklungsgeschichte

• Vor GSM wurden in Europa viele inkompatible 1G  Mobilfunksysteme verwendet

• GSM war gedacht als Mobilfunkstandard, der  europaweite Kommunikation mit mobilen 

Geräten ermöglicht (Roaming)

• GSM wurde erstmals 1990 in Europa verwendet

• Heute ein sehr erfolgreicher weltweiter  Mobilfunkstandard

–

Verfügbar in  Nord‐ und Südamerika, Asien,  Nordafrika, Mittlerer Osten und Australien

–

GSM‐Association verkündet 2004 über eine Milliarde 

Nutzer

Aufbau des GSM-Systems

 Das GSM-System zählt zu den PLMNs (Public Land Mobile Network). Es wird von verschiedenen Betreibern eingerichtet und bereitgestellt.

 Es besteht aus mehreren Komponenten:

 MS (Mobilstation)

 BS (Basisstation)

 MSC (Mobilvermittlungseinrichtung)

 LRs (Aufenthaltsregister)

 Man unterscheidet mehrere Subsysteme:

 RSS (Funk-Subsystem): Funktechnische Aspekte

 NSS (Netzwerk-Subsystem): Vermittlungstechnische Vorgänge

 OSS (Betriebs- und Wartungs-Subsystem)

Die Zutaten 1: Handys, PDAs & Co.

Der sichtbarste, aber kleinste Teil des Netzes!

Die Zutaten 2: Antennen

Auch noch sichtbar – teilweise umstritten…

Die Zutaten 3: Infrastrukturkomponenten 1

Basisstationen

Leitungen

Mikrowellenverbindungen

Die Zutaten 3: Infrastrukturkomponenten 2

Vermittlungseinrichtungen

Datenbanken Verwaltung

Überwachung

Nicht „sichtbar“, machen jedoch den größten Teil des Netzes aus (auch im Hinblick auf

Investitionen…)

GSM Netzarchitektur

Zeit-Vielfachzugriff (TDMA)

Zeitbereich GSM-TDMA-Rahmen

GSM-Zeitschlitz

4,615 ms

546,5 µs

577 µs 3

935-960 MHz 124 Kanäle mit je 200 kHz Abwärtsrichtung

890-915 MHz

Höhere GSM-Rahmenstrukturen 124 Kanäle mit je 200 kHz Aufwärtsrichtung

1 2 3 4 5 6 7 8

Schutz-

zeit Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail Schutz- zeit

3 bit

57 1 26 1 57

GSM‐Frame‐Format

GSM Signalisierungsprotokollarchitektur

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• Traffic‐Engineering

• Beispiel GSM

• Beispiel UMTS

– 3G‐Systeme

– Diskussion von CDMA‐Systemen – Übersicht über das UMTS‐System – Power Control

– Handover Control

3G‐System‐Fähigkeiten nach ITU IMT‐2000

• Sprachqualität vergleichbar mit drahtgebundener Telefonie

• 144 kbps Datenrate für Nutzer in (schnellen) Fahrzeugen  über weite Gebiete

• 384 kbps für Fußgänger über kleinere Gebiete

• Unterstützung für 2048 Mbps Büroanwendungen

• Symmetrische und asymmetrische Übertragungsraten

• Unterstützung sowohl für Packet‐Switched‐ als auch Circuit‐

Switched Datendienste

• Effizientere Nutzung des verfügbaren Spektrums

• Unterstützung für eine Vielzahl von mobilem Equipment

• Flexibilität, welche die Einführung von neuen Diensten und  Technologien unterstützt

Motivation und Ansätze für 3G‐Systeme

• Treibende Kräfte im Bereich der mobilen  drahtlosen Telekommunikation

–

Universal‐Personal‐Telecommunications – Person ist  identifiziert und kann bequem auf unterschiedliche  Kommunikationsdienste global zugreifen

–

Universal‐Communications‐Access – Fähigkeit eines  Gerätes sich in vielen unterschiedlichen Umgebungen  mit Informationsdiensten zu verbinden

• Generelle Ansätze

–

Digitale Technologie

–

Effiziente Nutzung des verfügbaren Spektrums mittels 

TDMA oder CDMA

Alternative Ansätze als Teil von IMT‐2000

Wiedervorlage: Entwicklung der 

Mobilfunkgenerationen

3G und CDMA

• CDMA ist die dominante Technologie für 3G

• Die CDMA‐Schemen haben folgendes  gemeinsam

– Bandbreite: Kanalbandbreite von 5MHz, um  Dienste mit 144 kbps und 384 kbps zu 

unterstützen

– Chipping‐Rate: 3Mcps, um für gegebene 

Bandbreite und verwendete Fehlerkorrektur die  gewünschte Datenrate zu erzeugen

– Multirate: mehrere logische Kanäle mit festen 

Datenraten für einen Nutzer

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• Übliche Systemfunktionen

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• Traffic‐Engineering

• Beispiel GSM

• Beispiel UMTS

– 3G‐Systeme

– Diskussion von CDMA‐Systemen – Übersicht über das UMTS‐System – Power Control

– Handover Control

Vor und Nachteile von CDMA

Vorteile

• Frequenzdiversität

• Mehrwegeresistenz 

• Privacy 

• Graceful‐Degradation  Nachteile

• Nah‐Fern‐Problem 

• Komplexeres Handoff

CDMA: RAKE Receiver







CDMA: Hard‐ und Soft‐Handoff

• Handoff‐Verfahren in TDMA und FDMA immer  dergestalt, dass ein Gerät an eine Basisstation  angebunden ist.

• Vorig beschriebene Idee zu RAKE‐Receiver lässt sich im  CDMA‐Fall auch auf Handoff übertragen

• Wenn ein Mobilgerät mehrere Basisstationen gut  empfangen kann

– Von Mobilgerät ausgesendete Signale werden von all  diesen Basisstationen empfangen und an die Mobile‐

Switching‐Station weiter geleitet; Die Mobile‐Switching‐

Station kombiniert die Signale (z.B. Selection‐Combining) – Dasselbe geht auch in die umgekehrte Richtung. Alle 

Basisstationen senden mit dem Code der Mobile‐Station. 

Die Mobile‐Station kann die Signale ebenfalls kombinieren – (Vergleiche mit RAKE‐Receiver auf voriger Folie)

Übersicht

• Zellgeometrie

• Frequency‐Reuse

• Übliche Systemfunktionen

• Ausbreitungsmodelle

• Traffic‐Engineering

• Beispiel GSM

• Beispiel UMTS

– 3G‐Systeme

– Diskussion von CDMA‐Systemen – Übersicht über das UMTS‐System – Power Control

– Handover Control

UMTS Architektur

UTRAN

UE CN

I_u U_u

UTRAN (UTRA Network)

 Mobilität auf Zellenebene

 Radio Network Subsystem (RNS)

 Kapselung der funkspezifischen Abläufe UE (User Equipment)

CN (Core Network)

 Handover zwischen Systemen

 Location Management

USIM Domain

Mobile Equipment

Domain

Access Network

Domain

Serving Network

Domain

Transit Network

Domain Home

Network Domain

C_u U_u I_u

User Equipment Domain

Z_u

Y_u

Core Network Domain Infrastructure Domain

UMTS Bereiche und Schnittstellen I

User Equipment Domain

 Einem Benutzer zugeordnet, um auf UMTS Dienste zuzugreifen Infrastructure Domain

 Geteilt für alle Benutzer

 Bietet den zugelassenen Benutzern UMTS Dienste an

UMTS Bereiche und Schnittstellen II

Universal Subscriber Identity Module (USIM)

 Funktionen zur Verschlüsselung und eindeutigen Authentisierung des Benutzers

 Auf der SIM untergebracht Mobile Equipment Domain

 Funktionen zur Funkübertragung

 Teilnehmerschnittstelle zur Realisierung von Ende-zu-Ende- Verbindungen

Access Network Domain

 Zugangsnetzabhängige Funktionen Core Network Domain

 Funktionen, die unabhängig vom Zugangsnetz sind

 Serving Network Domain

 Netz, das den gegenwärtig den Zugang realisiert

 Home Network Domain

 Funktionen, die unabhängig vom aktuellen Aufenthaltsort des Benutzers dort zur Verfügung stehen

Zellatmung

GSM

 Endgerät erhält volle Leistung der Basisstation

 Anzahl eingebuchter Endgeräte hat keinen Einfluss auf die Zellgröße

UMTS

 Zellgröße ist eng korreliert mit der Kapazität der Zelle

 Kapazität ist bestimmt durch den Signal-Rausch-Abstand

 Rauschen entsteht durch vorhandene Interferenz

 anderer Zellen

 anderer Teilnehmer

 Interferenz erhöht das Rauschen

 Endgeräte an der Zellgrenze können das Signal (aufgrund der Sendeleistungsbeschränkung) nicht weiter verstärken

 keine Kommunikation möglich

 Beschränkung der Teilnehmeranzahl notwendig

 Zellatmung erschwert die Netzwerkplanung erheblich

Zellatmung: Beispiel

Übersicht

• Zellgeometrie

• Frequency‐Reuse

• Übliche Systemfunktionen

• Ausbreitungsmodelle

• Traffic‐Engineering

• Beispiel GSM

• Beispiel UMTS

– 3G‐Systeme

– Diskussion von CDMA‐Systemen – Übersicht über das UMTS‐System – Power Control

– Handover Control

The near-far problem of CDMA

 Large area may become blocked

 Need to balance emitted power

 Assume for now a target SIR for each UE

 Goal: minimum TX power to keep the SIR NodeB

Fast fading spoils our plans

The solution: fast close loop power control

NodeB

execute in NodeB at rate 1.5kHz:

foreach UE i assigned to NodeB

estimate SIR_est after rake combining if SIR_est > SIR_target then

generate TPC “DOWN” command for i if SIR_est ≤ SIR_target then

generate TPC “UP” command for i

Compensates a fading channel

Further remarks

 And the downlink? basically the same…

 A short reflection: closed loop power control

• Tight interaction between sender and receiver

• Useful for an interaction period

 What if sender and receiver are not connected so far?

 Example random access on RACH for

• Initial access

• Short packages

 Open loop power control…

Open loop power control

 Transmit power needs to be known to UE

 Inaccurate! Fast fading between uplink and downlink is uncorrelated in WCDMA FDD

 Does not consider interference at receiver

 (Use power ramping to avoid excessive interference)

NodeB

• estimate path loss

• adapt power

• estimate path loss

• adapt power

How to choose the right target SIR?

 Adjust target SIR to meet the link quality

 Consider quality as BER or BLER

 SIR for quality depends on

• Mobiles speed

• Multipath profile

 Adjust SIR to the worst case?

• Unnecessary high SIR wastes capacity

• Desirable: minimal SIR which fulfils the quality requirement

 How to find such SIR?

Finding the target SIR: outer loop power control

 Similar method for the downlink

 Downlink method resides in UE

 Why is uplink handled in RNC?

 Soft handover combining! … NodeB

execute in RNC at rate of max 100Hz:

foreach UE i assigned to a NodeB

determine the quality from CRC attachment if quality better than required then

decrease SIR_target = SIR_target – ∆_down else

increase SIR_target = SIR_target + ∆_up

Radio Network Controller (RNC)

target SIR adjustment frame reliability

information

Übersicht

• Zellgeometrie

• Frequency‐Reuse

• Übliche Systemfunktionen

• Ausbreitungsmodelle

• Traffic‐Engineering

• Beispiel GSM

• Beispiel UMTS

– 3G‐Systeme

– Diskussion von CDMA‐Systemen – Übersicht über das UMTS‐System – Power Control

– Handover Control

WCDMA Handover types

 Inter-system (e.g. WCDMA and GSM)

 Inter-frequency (needed at different cell layers or at hot spots)

 Intra-frequency (what we look at here)

• Soft handover

• Softer handover

GSM GSM GSM GSM

WCDMA WCDMA WCDMA

GSM GSM

capacity extension coverage extension

F1 F1 F1 F1

F2 F2

handover at hot spot

F1 F1 F1 F1

F2 F2 F2 F2 F2 F2 F2

handover to support macro and micro layers

The idea of soft handover

 Exploiting multi path/antenna diversity (Macro diversity)

 Uplink

• No additional signal is transmitted

• In principal, always increases performance

 Downlink

• Each link causes interference at other users

• Trade-off

NodeB1

NodeB2

Soft handover: the downlink perspective

 Maximal ratio combining (MRC) in the rake receiver

 Recall: MRC used to exploit multi path diversity

 Difference: rake receiver fingers use different codes

NodeB1

NodeB2

Soft handover: the uplink perspective

 Selection combining (SC) in the RNC

 Target SIR decided after SC NodeB1

NodeB2

NodeB1 NodeB2 SC

frame with CRC

frame with CRC RNC

Softer handover

 Sectored antenna

 Downlink: similar to soft handover

 Uplink: the more effective MRC instead of SC is possible and used NodeB

Ingredients of the soft handover procedure

cell 1

cell 2

cell 3

CPICH E_c/I₀  Measurement quantity, e.g.

CPICH E_c/I₀

 Active set: soft handover connection of UE

 Neighbor/monitored set: set of cells that UE can measure

 In the following example the active set size is 2

Adding a cell to the active set

cell 1

cell 2

cell 3



_add

Active set is not full

Best pilot

Replacing a cell in the active set

cell 1

cell 2

cell 3

 

Worst pilot in full active set Best candidate pilot

_replace

Removing a cell from the active set

cell 1

cell 2

cell 3

  

_remove

Best pilot

Zusammenfassung und Literatur

• Zellgeometrie

• Frequency‐Reuse

• Übliche Systemfunktionen

• Ausbreitungsmodelle

• Traffic‐Engineering

• Beispiel GSM

• Beispiel UMTS

Zusammenfassung

• Generelle Idee zellularer Netze: räumlich verteilte Basisstationen wegen  beschränkter Bandbreite und limitierter Übertragungsreichweite

• Erfordert: Leistungskontrolle, Handover‐Mechanismen, aufwendige  drahtgebundene Infrastruktur (drahtlos nur „auf der letzten Meile“)

• Bemerkung: das Thema schnurlose Telefone (z.B. DECT) wurde hier nicht  betrachtet

• Vereinfachte Darstellung von Zellen mittels Hexagonen

• Zwei Varianten zur Aufteilung der Bandbreite: Zuweisung von Frequenzen,  CDMA

• Alte Mobilefunkgenerationen: der Schwerpunkt ist hier die  Sprachübertragung. (Eine Verbindung pro aktivem Nutzer)

• In der Mobiltelefonie spricht man von Evolution von alten Generationen  hin zu neuen Generationen

• Neue Generationen: Datendienste werden immer wichtiger

– Evolution von leitungsvermittelnden zu paketorientiertem Netz (näher am  Internet‐Modell)

• Beispiele: GSM und UMTS

Literatur

[Schiller2003] Jochen Schiller, „Mobilkommunikation“, 2te überarbeitete Auflage, 2003

Kapitel 4.1.3: Luftschnittstelle Kapitel 4.1.8: Neue Datendienste Kapitel 4.4: UMTS

[Rappaport2002] Theodore Rappaport, „Wireless Communications, Principles and Practice“, Second Edition, Prentice Hall, 2002

10.1 Principles of Cellular Networks 10.3 Second‐Generation TDMA 10.4 Second‐Generation CDMA 10.5 Third‐Generation Systems

Weiterführende Literatur zum Thema UMTS (nicht unbedingt erforderlich zur  Nachbearbeitung dieser Folien)

• H. Holma, A. Toskala (Ed.), “WCDMA for UMTS”, Wiley, 3rd edition, Wiley, 2004.

• R. Prasad, W. Mohr, W. Konhäuser (Ed.), “Third Generation Mobile  Communications Systems”, Artech House, March 2000.

• J. P. Castro, “The UMTS Network and Radio Access Technology”, Wiley, 2001.

• 3GPP standards: TR 25.922: “Radio Resource Management Strategies”, 2007.