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WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme

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)

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Die Zutaten 1: Handys, PDAs & Co.

Der sichtbarste, aber kleinste Teil des Netzes!

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Die Zutaten 2: Antennen

Auch noch sichtbar – teilweise umstritten…

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Die Zutaten 3: Infrastrukturkomponenten 1

Basisstationen

Leitungen

Mikrowellenverbindungen

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Die Zutaten 3: Infrastrukturkomponenten 2

Vermittlungseinrichtungen

Datenbanken

Verwaltung

Überwachung

Nicht „sichtbar“, machen jedoch den größten Teildes Netzes aus (auch im Hinblick auf Investitionen…)

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GSM Netzarchitektur

WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 58Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005


Zeit-Vielfachzugriff (TDMA)

Zeitbereich

GSM-TDMA-Rahmen

GSM-Zeitschlitz

4,615 ms

546,5 µs577 µs

3

935-960 MHz 124 Kanäle mit je 200 kHzAbwärtsrichtung

890-915 MHz

Höhere GSM-Rahmenstrukturen

124 Kanäle mit je 200 kHzAufwärtsrichtung

1 2 3 4 5 6 7 8

Schutz-zeit Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail Schutz-

zeit3 bit57 1 26 1 57

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GSM‐Frame‐Format


GSM Signalisierungsprotokollarchitektur


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

WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 62

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• Adaptives Interface für den asymmetrischen Inbound‐ und

Outbound‐Internetverkehr• 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


Vor und Nachteile von CDMA

Vorteile• Frequenzdiversität• Mehrwegeresistenz • Privacy • Graceful‐Degradation Nachteile• Self‐Jamming• 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‐Reciever, 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)



UMTS Architektur

UTRANUE CN

IuUu

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 falls keine dedizierte Verbindung zwischen

UE und UTRAN besteht

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USIMDomain

MobileEquipment

Domain

AccessNetworkDomain

ServingNetworkDomain

TransitNetworkDomain

HomeNetworkDomain

Cu Uu Iu

User Equipment Domain

ZuYu

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

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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-

VerbindungenAccess Network Domain

Zugangsnetzabhängige FunktionenCore Network Domain

Funktionen, die unabhängig vom Zugangsnetz sind Serving Network Domain

Netz, das gegenwärtig den Zugang realisiert Home Network Domain

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

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Zellatmung

GSM Endgerät erhält volle Leistung der Basisstation Anzahl eingebuchter Endgeräte hat keinen Einfluss auf die

ZellgrößeUMTS

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

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Zellatmung: Beispiel

77

79

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

80

Fast fading spoils our plans

Figure copied from: Harri Holma and Antti Toskala, “WCDMA for UMTS”,3rd Edition, WILEY, 2004, ISBN 0-470-87096-6

81

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 combiningif SIRest > SIRtarget then

generate TPC “DOWN” command for iif SIRest ≤ SIRtarget then

generate TPC “UP” command for i

82

Compensates a fading channel

Figure copied from: Harri Holma and Antti Toskala, “WCDMA for UMTS”,3rd Edition, WILEY, 2004, ISBN 0-470-87096-6

83

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…

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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

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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?

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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 attachmentif quality better than required then

decrease SIRtarget = SIRtarget – ∆downelse

increase SIRtarget = SIRtarget + ∆up

Radio NetworkController (RNC)

target SIRadjustment

frame reliabilityinformation

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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 GSMcapacity extension coverage extension

Figures inspired from: Harri Holma and Antti Toskala, “WCDMA for UMTS”,3rd Edition, WILEY, 2004, ISBN 0-470-87096-6

F1 F1 F1 F1F2 F2

handover at hot spot

F1 F1 F1 F1F2 F2 F2 F2 F2 F2 F2

handover to support macro and micro layers

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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

90

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

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Soft handover: the uplink perspective

Selection combining (SC) in the RNC Target SIR decided after SC

NodeB1

NodeB2

NodeB1

NodeB2

SC

framewith CRC

framewith CRC

RNC

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Softer handover

Sectored antenna Downlink: similar to soft handover Uplink: the more effective MRC

instead of SC is possible and used

NodeB

93

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

time

94

Adding a cell to the active set

cell 1

cell 2

cell 3

Event 1A(add cell2)

add add = reporting_range –hysteresis_event1A

= window_add

Active set is not full

Best pilot

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Replacing a cell in the active set

cell 1

cell 2

cell 3

Event 1A(add cell2)

Event 1C(replace cell1 with cell3)

Worst pilot in full active set

Best candidate pilot

replace

96

Removing a cell from the active set

cell 1

cell 2

cell 3

Event 1C(replace cell1 with cell3)

Event 1B(remove cell2)

Event 1A(add cell2)

remove

Best pilot

remove = reporting_range +hysteresis_event1B

= window_drop

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: LuftschnittstelleKapitel 4.1.8: Neue DatendiensteKapitel 4.4: UMTS

[Rappaport2002] Theodore Rappaport, „Wireless Communications, Principles andPractice“, Second Edition, Prentice Hall, 200210.1 Principles of Cellular Networks10.3 Second‐Generation TDMA10.4 Second‐Generation CDMA10.5 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.


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