Aufgaben:Exercise 3.3: Cellular Mobile Communications Systems - Revision history

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Guenter at 15:27, 20 January 2021

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}}

[[File:P_ID2220__Mob_A_3_3.png|right|frame|Zellulare Netzarchitektur]]

Ein Charakteristikum von GSM und UMTS gleichermaßen ist die ''zellulare Netzstruktur'', wobei für einfache Berechnungen die Zellen häufig durch Hexagone angenähert werden.

*Die Farben „Weiß”, „Gelb” und „Blau” in der Grafik stehen für unterschiedliche Frequenzen, wodurch der störende Einfluss von Interzellinterferenz vermindert werden kann.

*Schwarze Punkte kennzeichnen Basisstationen, die in diesem Modell im Abstand von  $D = 10 \ \rm km$  gleichmäßig verteilt sind.

*Die beiden violetten Punkte im linken oberen Teil kennzeichnen zwei mobile Teilnehmer, deren Signale miteinander interferieren – siehe Teilaufgabe '''(2)'''.

''Hinweise:''

*Die Aufgabe gehört zum Kapitel  [[Mobile_Kommunikation/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS|Gemeinsamkeiten von GSM und
UMTS]].
* Insbesondere gibt es in dieser Aufgabe Fragen bezüglich  [[Mobile_Kommunikation/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS#Interferenzleistung_und_Zellatmung|Zellatmung]]  und  [[Mobile_Kommunikation/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS#Near.E2.80.93Far.E2.80.93Effekt|Near–Far–Effekt]].

===Fragebogen===

<quiz display=simple>

{Gilt die gegebene idealisierte Zellstruktur eher
|type="()"}
+ für GSM,
- für UMTS?

{Wie nennt man die gegenseitige Beeinträchtigung der eingezeichneten violetten Mobilstationen in der Grafik?
|type="()"}
- Intrazellinterferenz,
+ Interzellinterferenz.

{Wie groß ist hier der minimale Abstand von Mobilstationen gleicher Frequenz?
|type="{}"}
$d_{\rm min} \ = \ $ { 5.77 3% } $\ \rm km$

{Was versteht man unter Zellatmung?
|type="[]"}
+ Der Zellenradius variiert mit der Anzahl aktiver Teilnehmer.
+ Zellatmung wird bei UMTS eingesetzt.

{Wie kann dem ''Near–Far–Effekt'' entgegengewirkt werden?
|type="[]"}
+ Durch eine schnelle und präzise Leistungsregelung.
+ Durch den Einsatz so genannter Multi–User–Detektoren.
- Letztere sind nur für den Uplink geeignet.

</quiz>

===Musterlösung===
{{ML-Kopf}}

'''(1)'''  Richtig ist der Lösungsvorschlag 1:
*Aus der Farbgebung der Grafik auf der Angabenseite erkennt man den Reuse–Faktor 3.
*Bei GSM benutzen benachbarte Zellen unterschiedliche Frequenzen.
*Bei dem auf CDMA basierenden UMTS–System wird dagegen in allen Zellen die gleiche Frequenz verwendet.

'''(2)'''  Richtig ist der Lösungsvorschlag 2:
*Es kommt zwischen den eingezeichneten Mobilstationen zu Interzellinterferenzen, da die Teilnehmer ''unterschiedlicher Zellen'' den gleichen Frequenzkanal nutzen.

[[File:P_ID2225__Mob_A_3_3b.png|right|frame|Minimaler Abstand gleicher Frequenzen]]
'''(3)'''  Die Skizze verdeutlicht den Rechengang bezüglich den „weißen Frequenzen”, wobei $d_{\rm min}$ durch den violetten Pfeil gegeben ist.
*Die Mobilstationen befinden sich dann in den Ecken der weißen Hexagone.

*Der rote (horizontale) Pfeil kennzeichnet den Abstand $D = 10 \ \rm km$ zweier Basisstationen.
*Aufgrund einfacher geometrischer Überlegungen erhält man:
:$$\tan(30^{\circ}) = \frac{d_{\rm min}/2}{D/2} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} d_{\rm min} = D \cdot \tan(30^{\circ}) \hspace{0.15cm} \underline {= 5.77\,{\rm km}}\hspace{0.05cm}.$$

'''(4)'''  Richtig sind beide Lösungsvorschläge:
*Nimmt bei UMTS die Anzahl der aktiven Teilnehmer signifikant zu, so wird der Zellenradius und damit auch die aktuelle Interferenzleistung verkleinert.
*Für die Versorgung der Mobilteilnehmer am Rande einer ausgelasteten Zelle springt dann eine weniger belastete Nachbarzelle ein.

'''(5)'''  Richtig sind die beiden ersten Lösungsvorschläge:
*Der ''Near–Far–''Effekt bezeichnet das Problem des Uplinks. Die Basisstation empfängt von einem weiter entfernten Nutzer ein sehr viel schwächeres Signal als von einem nahen Teilnehmer.
*Um so größer ist dann auch dessen Bitfehlerrate, da das Signal des entfernteren Teilnehmers durch den nahen Teilnehmer weitgehend verdeckt wird.
*Man kann den ''Near–Far–''Effekt zum Beispiel durch eine schnelle und präzise Leistungsregelung weitgehend ausgleichen, in dem der entferntere Teilnehmer mit größerer Leistung sendet.
*Allerdings bewirkt eine solche Leistungserhöhung auch größere Interferenzleistungen für alle anderen Nutzer, so dass stets ein Kompromiss gefunden werden muss.
*Durch den Einsatz so genannter ''Multi–User–Detektoren'' lässt sich der ''Near–Far–''Effekt auch bei einheitlicher Sendeleistung ausreichend gut kompensieren.
*Dieser Empfängertyp wird vorwiegend bei der Basisstation eingesetzt – also im Uplink.
*Er wird aber auch im Downlink benutzt, zum Beispiel, um den BCH– oder den Pilotkanal zu subtrahieren.

{{ML-Fuß}}

[[Category:Exercises for Mobile Communications|^3.2 Similarities between GSM and UMTS
^]]

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	^]]		^]]

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 *The two violet dots in the upper left-hand corner indicate two mobile stations whose signals interfere with each other &ndash; <br>see subtask '''(2)'''.
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 *From the coloring of the graphic on the data page you can see the reuse&ndash;factor 3.
 *In GSM, adjacent cells use different frequencies.
-*In the CDMA-based UMTS&ndash;system, however, the same frequency is used in all cells.
+*In the CDMA based UMTS system, however, the same frequency is used in all cells.
 '''(2)'''&nbsp; Correct is the <u>solution 2</u>:
-*Intercell interference occurs between the mobile stations shown, since the participants of ''different cells'' use the same frequency channel.
+*Intercell interference occurs between the mobile stations shown, since the participants of "different cells" use the same frequency channel.
 [[File:P_ID2225__Mob_A_3_3b.png|right|frame|Minimum distance of equal frequencies]]
-'''(3)'''&nbsp; The sketch illustrates the calculation process with regard to the "white frequencies", where $d_{\rm min}$ is given by the purple arrow.
+'''(3)'''&nbsp; The sketch illustrates the calculation process with regard to the "white frequencies", where&nbsp; $d_{\rm min}$&nbsp; is given by the purple arrow.
 *The mobile stations are then located in the corners of the white hexagons.
-*The red (horizontal) arrow marks the distance $D = 10 \ \rm km$ between two base stations.
+*The red (horizontal) arrow marks the distance&nbsp; $D = 10 \ \rm km$&nbsp; between two base stations.
 *Based on simple geometric considerations, one obtains
 :$$\tan(30^{\circ}) = \frac{d_{\rm min}/2}{D/2} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} d_{\rm min} = D \cdot \tan(30^{\circ}) \hspace{0.15cm} \underline {= 5.77\,{\rm km}}\hspace{0.05cm}.$$
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 '''(5)'''&nbsp; Correct are the <u>both first solutions</u>:
-*The ''Near-Far-''effect describes the problem of the uplink. The base station receives a much weaker signal from a farther away user than from a nearby subscriber.
+*The Near-Far effect describes the problem of the uplink.&nbsp; The base station receives a much weaker signal from a farther away user than from a nearby subscriber.
 *The bit error rate is then all the greater, since the signal of the farther party is largely obscured by the near party.
-*The ''Near-Far'' effect can be largely compensated for, for example, by a fast and precise power control, in which the more distant subscriber transmits with greater power.
+*The Near-Far effect can be largely compensated for, e.g. by a fast and precise power control, in which the more distant subscriber transmits with greater power.
 *However, such an increase in power also causes greater interference power for all other users, so that a compromise must always be found.
-*By using so-called multi-user detectors, the near-far effect can be compensated sufficiently well, even with uniform transmission power.
+*By using so-called multi-user detectors, the Near-Far effect can be compensated sufficiently well, even with uniform transmission power.
-*This type of receiver is mainly used at the base station - in the uplink.
+*This type of receiver is mainly used at the base station - in the uplink.&nbsp; But it is also used in the downlink, for example to subtract the BCH or pilot channel.
 {{ML-Fuß}}

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 *Black dots indicate base stations that are evenly distributed in this model at a distance of&nbsp; $D = 10 \ \rm km$&nbsp;.
-*The two violet dots in the upper left-hand corner indicate two mobile stations whose signals interfere with each other &ndash; see subtask '''(2)'''.
+*The two violet dots in the upper left-hand corner indicate two mobile stations whose signals interfere with each other &ndash; <br>see subtask '''(2)'''.
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 ''Notes:''
-*The task belongs to the chapter&nbsp; [[Mobile_Communications/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS|Gemeinsamkeiten von GSM und
+*The task belongs to the chapter&nbsp; [[Mobile_Communications/Similarities_Between_GSM_and_UMTS|Similarities between GSM and UMTS]].
- UMTS]].
+* In particular there are questions in this task concerning&nbsp; [[Mobile_Communications/Similarities_Between_GSM_and_UMTS#Interference_power_and_cell_breathing|Cell Breathing]]&nbsp; and&nbsp; [[Mobile_Communications/Similarities_Between_GSM_and_UMTS#Near-Far_effect|Near–Far effect]].
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 {What do you call the mutual interference of the marked violet mobile stations in the graphic?
 |type="()"}
-- Intra-cell interference
+- Intra-cell interference.
-+ Inter-cell interference
++ Inter-cell interference.
 {What is the minimum distance between mobile stations of the same frequency?
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 $d_{\rm min} \ = \ $ { 5.77 3% } $\ \rm km$
-{What is cell respiration?
+{What is "Cell Breathing"?
 |type="[]"}
 + The cell radius varies with the number of active subscribers.
-+ Cell respiration is used for UMTS.
++ Cell breathing is used for UMTS.
-{How can the ''Near-Far-Effect'' be counteracted?
+{How can the "Near-Far effect" be counteracted?
 |type="[]"}
 + Through a fast and precise power control.
-+ Through the use of so-called multi-user detectors.
++ Through the use of so-called "Multi-user Detectors".
 - The latter are only suitable for the uplink.

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	}}		}}

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 }}
-[[File:P_ID2220__Mob_A_3_3.png|right|frame|Zellulare Netzarchitektur]]
+[[File:P_ID2220__Mob_A_3_3.png|right|frame|Cellular network architecture]]
-Ein Charakteristikum von GSM und UMTS gleichermaßen ist die ''zellulare Netzstruktur'', wobei für einfache Berechnungen die Zellen häufig durch Hexagone angenähert werden.
+A characteristic of GSM and UMTS alike is the cellular network structure, whereby for simple calculations the cells are often approximated by hexagons.
-*Die Farben „Weiß”, „Gelb” und „Blau” in der Grafik stehen für unterschiedliche Frequenzen, wodurch der störende Einfluss von Interzellinterferenz vermindert werden kann.
+*The colours "white", "yellow" and "blue" in the diagram stand for different frequencies, which can reduce the disturbing influence of intercell interference.
-*Schwarze Punkte kennzeichnen Basisstationen, die in diesem Modell im Abstand von&nbsp; $D = 10 \ \rm km$&nbsp; gleichmäßig verteilt sind.
+*Black dots indicate base stations that are evenly distributed in this model at a distance of&nbsp; $D = 10 \ \rm km$&nbsp;.
-*Die beiden violetten Punkte im linken oberen Teil kennzeichnen zwei mobile Teilnehmer, deren Signale miteinander interferieren &ndash; siehe Teilaufgabe '''(2)'''.
+*The two violet dots in the upper left-hand corner indicate two mobile stations whose signals interfere with each other &ndash; see subtask '''(2)'''.
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-''Hinweise:''
+''Notes:''
-*Die Aufgabe gehört zum Kapitel&nbsp; [[Mobile_Communications/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS|Gemeinsamkeiten von GSM und
+*The task belongs to the chapter&nbsp; [[Mobile_Communications/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS|Gemeinsamkeiten von GSM und
   UMTS]].
-* Insbesondere gibt es in dieser Aufgabe Fragen bezüglich&nbsp; [[Mobile_Communications/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS#Interferenzleistung_und_Zellatmung|Zellatmung]]&nbsp; und&nbsp; [[Mobile_Communications/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS#Near.E2.80.93Far.E2.80.93Effekt|Near–Far–Effekt]].
+* In particular there are questions in this task concerning&nbsp; [[Mobile_Communications/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS#Interferenzleistung_und_Zellatmung|Zellatmung]]&nbsp; and&nbsp; [[Mobile_Communications/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS#Near.E2.80.93Far.E2.80.93Effekt|Near–Far–Effekt]].
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 <quiz display=simple>
-{Gilt die gegebene idealisierte Zellstruktur eher
+{Does the given idealized cell structure rather apply
 |type="()"}
-+ für GSM,
++ to GSM,
-- für UMTS?
+- to UMTS?
-{Wie nennt man die gegenseitige Beeinträchtigung der eingezeichneten violetten Mobilstationen in der Grafik?
+{What do you call the mutual interference of the marked violet mobile stations in the graphic?
 |type="()"}
-- Intrazellinterferenz,
+- Intra-cell interference
-+ Interzellinterferenz.
++ Inter-cell interference
-{Wie groß ist hier der minimale Abstand von Mobilstationen gleicher Frequenz?
+{What is the minimum distance between mobile stations of the same frequency?
 |type="{}"}
 $d_{\rm min} \ = \ $ { 5.77 3% } $\ \rm km$
-{Was versteht man unter Zellatmung?
+{What is cell respiration?
 |type="[]"}
-+ Der Zellenradius variiert mit der Anzahl aktiver Teilnehmer.
++ The cell radius varies with the number of active subscribers.
-+ Zellatmung wird bei UMTS eingesetzt.
++ Cell respiration is used for UMTS.
-{Wie kann dem ''Near–Far–Effekt'' entgegengewirkt werden?
+{How can the ''Near-Far-Effect'' be counteracted?
 |type="[]"}
-+ Durch eine schnelle und präzise Leistungsregelung.
++ Through a fast and precise power control.
-+ Durch den Einsatz so genannter Multi–User–Detektoren.
++ Through the use of so-called multi-user detectors.
-- Letztere sind nur für den Uplink geeignet.
+- The latter are only suitable for the uplink.
 </quiz>
-===Musterlösung===
+===Sample solution===
 {{ML-Kopf}}
-'''(1)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 1</u>:
+'''(1)'''&nbsp; Correct is the <u>solution 1</u>:
-*Aus der Farbgebung der Grafik auf der Angabenseite erkennt man den Reuse&ndash;Faktor 3.
+*From the coloring of the graphic on the data page you can see the reuse&ndash;factor 3.
-*Bei GSM benutzen benachbarte Zellen unterschiedliche Frequenzen.
+*In GSM, adjacent cells use different frequencies.
-*Bei dem auf CDMA basierenden UMTS&ndash;System wird dagegen in allen Zellen die gleiche Frequenz verwendet.
+*In the CDMA-based UMTS&ndash;system, however, the same frequency is used in all cells.
-'''(2)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>:
+'''(2)'''&nbsp; Correct is the <u>solution 2</u>:
-*Es kommt zwischen den eingezeichneten Mobilstationen zu Interzellinterferenzen, da die Teilnehmer ''unterschiedlicher Zellen'' den gleichen Frequenzkanal nutzen.
+*Intercell interference occurs between the mobile stations shown, since the participants of ''different cells'' use the same frequency channel.
-[[File:P_ID2225__Mob_A_3_3b.png|right|frame|Minimaler Abstand gleicher Frequenzen]]
+[[File:P_ID2225__Mob_A_3_3b.png|right|frame|Minimum distance of equal frequencies]]
-'''(3)'''&nbsp; Die Skizze verdeutlicht den Rechengang bezüglich den „weißen Frequenzen”, wobei $d_{\rm min}$ durch den violetten Pfeil gegeben ist.
+'''(3)'''&nbsp; The sketch illustrates the calculation process with regard to the "white frequencies", where $d_{\rm min}$ is given by the purple arrow.
-*Die Mobilstationen befinden sich dann in den Ecken der weißen Hexagone.
+*The mobile stations are then located in the corners of the white hexagons.
-*Der rote (horizontale) Pfeil kennzeichnet den Abstand $D = 10 \ \rm km$ zweier Basisstationen.
+*The red (horizontal) arrow marks the distance $D = 10 \ \rm km$ between two base stations.
-*Aufgrund einfacher geometrischer Überlegungen erhält man:
+*Based on simple geometric considerations, one obtains
 :$$\tan(30^{\circ}) = \frac{d_{\rm min}/2}{D/2} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} d_{\rm min} = D \cdot \tan(30^{\circ}) \hspace{0.15cm} \underline {= 5.77\,{\rm km}}\hspace{0.05cm}.$$
-'''(4)'''&nbsp; Richtig sind <u>beide Lösungsvorschläge</u>:
+'''(4)'''&nbsp; Correct are <u>both solutions</u>:
-*Nimmt bei UMTS die Anzahl der aktiven Teilnehmer signifikant zu, so wird der Zellenradius und damit auch die aktuelle Interferenzleistung verkleinert.
+*If the number of active participants increases significantly in UMTS, the cell radius and thus the current interference power is reduced.
-*Für die Versorgung der Mobilteilnehmer am Rande einer ausgelasteten Zelle springt dann eine weniger belastete Nachbarzelle ein.
+*For the supply of mobile subscribers at the edge of a busy cell, a less busy neighboring cell then steps in.
-'''(5)'''&nbsp; Richtig sind die <u>beiden ersten Lösungsvorschläge</u>:
+'''(5)'''&nbsp; Correct are the <u>both first solutions</u>:
-*Der ''Near–Far–''Effekt bezeichnet das Problem des Uplinks. Die Basisstation empfängt von einem weiter entfernten Nutzer ein sehr viel schwächeres Signal als von einem nahen Teilnehmer.
+*The ''Near-Far-''effect describes the problem of the uplink. The base station receives a much weaker signal from a farther away user than from a nearby subscriber.
-*Um so größer ist dann auch dessen Bitfehlerrate, da das Signal des entfernteren Teilnehmers durch den nahen Teilnehmer weitgehend verdeckt wird.
+*The bit error rate is then all the greater, since the signal of the farther party is largely obscured by the near party.
-*Man kann den ''Near–Far–''Effekt zum Beispiel durch eine schnelle und präzise Leistungsregelung weitgehend ausgleichen, in dem der entferntere Teilnehmer mit größerer Leistung sendet.
+*The ''Near-Far'' effect can be largely compensated for, for example, by a fast and precise power control, in which the more distant subscriber transmits with greater power.
-*Allerdings bewirkt eine solche Leistungserhöhung auch größere Interferenzleistungen für alle anderen Nutzer, so dass stets ein Kompromiss gefunden werden muss.
+*However, such an increase in power also causes greater interference power for all other users, so that a compromise must always be found.
-*Durch den Einsatz so genannter ''Multi–User–Detektoren'' lässt sich der ''Near–Far–''Effekt auch bei einheitlicher Sendeleistung ausreichend gut kompensieren.
+*By using so-called multi-user detectors, the near-far effect can be compensated sufficiently well, even with uniform transmission power.
-*Dieser Empfängertyp wird vorwiegend bei der Basisstation eingesetzt – also im Uplink.
+*This type of receiver is mainly used at the base station - in the uplink.
-*Er wird aber auch im Downlink benutzt, zum Beispiel, um den BCH– oder den Pilotkanal zu subtrahieren.
+*But it is also used in the downlink, for example to subtract the BCH or pilot channel.
 {{ML-Fuß}}

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