05 Zellulare Netze (leer) - userpages.uni-koblenz.deunikorn/lehre/drako/ws15/05... · • Beispiel UMTS WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐Zellulare Netze 2. ... Call‐Drop

Drahtlose Kommunikation

Zellulare Netze

Übersicht

• Zellgeometrie• Frequency‐Reuse• Übliche Systemfunktionen• Ausbreitungsmodelle• Traffic‐Engineering• Beispiel GSM• Beispiel UMTS

WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 2

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 Dmaximiert wird?

WS 2012/2013 3Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze


• 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?



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


Übersicht



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 fk…

Zuweisung von FrequenzblöckenWir bezeichnen zwei Zellen, die wechselseitig in ihren

Interferenzbereichen liegen, als Interferenz‐NachbarnOffensichtlich• 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.


f1f2

f3f4

f5f6

f7f8

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)








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‐ZellenZellradius 1 – 20 km 0,1 – 1 kmÜbertragungsleistung 1 – 10 W 0,1 – 1 WMittlerer Delay‐Spread 0.1 – 10 s 10 – 100 nsMaximale Bit‐Rate 0.3 Mbps 1 Mbps

Übersicht



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

Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005

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



• 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



• 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



• 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



• 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• VorhersagetechnikenAchtung: 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.

Übersicht



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



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 MHzA(hr) = 3.2 [log (11.75 hr)]2 – 4.97 dB für fc > 300 MHz



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 geschätztL‘‘dB = LdB – 4.78 (log fc)2 – 18.733 (log fc) – 40.98

Übersicht



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 benötigtBlocking‐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 Zeiteinheith – 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 = 20Mittlere Bedienzeit pro erfolgreichem Anruf = 3 minDies 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 AnrufversuchLCC‐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 ErlangN = 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

WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 49Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005

Übersicht



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)


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)

53


Die Zutaten 1: Handys, PDAs & Co.

Der sichtbarste, aber kleinste Teil des Netzes!

54


Die Zutaten 2: Antennen

Auch noch sichtbar – teilweise umstritten…

55


Die Zutaten 3: Infrastrukturkomponenten 1

Basisstationen

Leitungen

Mikrowellenverbindungen

56


Die Zutaten 3: Infrastrukturkomponenten 2

Vermittlungseinrichtungen

Datenbanken

Verwaltung

Überwachung

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

57

GSM Netzarchitektur



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

59

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


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





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)






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

73


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

74


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 den gegenwärtig den Zugang realisiert Home Network Domain

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

75


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

76


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…

84

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

85

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?

86

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




88

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

89

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

91

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

92

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

Active set is not full

Best pilot

95

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

Zusammenfassung und Literatur



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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