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, … , fk
• 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
…
fkZuweisung 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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• Beispiel UMTS
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 Effekten
• 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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• Ausbreitungsmodelle
• Traffic‐Engineering
• Beispiel GSM
• 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.
LdB = 69.55 + 26.16 log fc – 13.82 log ht – A(hr) + (44.9 – 6.55 log ht) log d
fc = Carrier‐Frequenz in MHz (150 bis 1500 MHz)
ht = Höhe der übertragenden Antenne (Basis‐Station) in m (30 bis 300 m)
hr = Höhe der empfangenden Antenne (Mobile‐Unit) in m (1 bis 10 m) d = Distanz zwischen den Antennen in km (1 bis 20 km)
A(hr) = Korrekturfaktor für die Höhe der Antenne der Mobile‐Unit
Okumura/Hata Ausbreitungsmodell (2)
Der Korrekturfaktor A(hr) für Städte kleiner bis mittlerer Größe:
A(hr) = (1.1 log fc – 0.7) hr – (1.56 log fc – 0.8) dB Der Korrekturfaktor A(hr) für große Städte:
A(hr) = 8.29 [log (1.54 hr)]2 – 1.1 dB für fc <= 300 MHz A(hr) = 3.2 [log (11.75 hr)]2 – 4.97 dB für fc > 300 MHz
Okumura/Hata Ausbreitungsmodell (3)
Ist der Pfadverlust für eine Stadt nach obigem Modell LdB, so ergibt sich als Schätzung des Pfadverlustes L‘dB für
entsprechende vorstädtische Gebiete
L‘dB = LdB – 2 [log (fc / 28)]2 – 5.4
Für offene Gebiete wird der Pfadverlust L‘‘dB wie folgt geschätzt L‘‘dB = LdB – 4.78 (log fc)2 – 18.733 (log fc) – 40.98
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• Beispiel UMTS
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 GSM
• 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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• 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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– 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)
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• Beispiel UMTS
– 3G‐Systeme
– Diskussion von CDMA‐Systemen – Übersicht über das UMTS‐System – Power Control
– Handover Control
UMTS Architektur
UTRAN
UE CN
Iu Uu
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
Cu Uu Iu
User Equipment Domain
Zu
Yu
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
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– 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 SIRest after rake combining if SIRest > SIRtarget then
generate TPC “DOWN” command for i if SIRest ≤ SIRtarget 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 SIRtarget = SIRtarget – ∆down else
increase SIRtarget = SIRtarget + ∆up
Radio Network Controller (RNC)
target SIR adjustment frame reliability
information
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– 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 Ec/I0 Measurement quantity, e.g.
CPICH Ec/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
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• 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.