Examples of Communication Systems/General Description of UMTS

1. Examples of Communication Systems
2. UMTS – Universal Mobile Telecommunications System
3. General Description of UMTS

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# ÜBERBLICK ZUM VIERTEN HAUPTKAPITEL #

Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) ist ein Mobilfunksystem der dritten Generation, das bei seiner Einführung eine zukunftsweisende Alternative zu den bis dahin verwendeten Mobilfunksystemen darstellen sollte. Es bietet im Vergleich zu GSM nicht nur eine hochwertigere Sprachqualität, sondern dank seiner schnellen und paketvermittelten Übertragung auch eine Vielfalt erweiterter Dienste und Funktionalitäten.

UMTS wurde Ende der 1990er Jahre im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen der International Telecommunication Union (ITU) und dem 3GPP–Forum (3rd Generation Partnership Project) standardisiert und ist seit 2004 in Europa kommerziell verfügbar. In Deutschland wurden bis Ende 2007 mehr als 10 Millionen Nutzer registriert. Weltweit nutzen derzeit (2011) um die 200 Millionen Teilnehmer UMTS oder ähnliche Mobilfunksysteme der dritten Generation.

Dieses Kapitel beinhaltet im Einzelnen:

• UMTS als Mobilfunksystem der dritten Generation,
• die Dienste und Sicherheitsaspekte in UMTS,
• die UMTS–Netzarchitektur,
• die physikalischen, logischen und Transportkanäle sowie deren Interaktionen,
• die zellulare Architektur in UMTS und deren Mechanismen,
• die in UMTS verwendete Sprach– und Kanalcodierung,
• die Bandspreizung und CDMA als Basis von UMTS,
• die Funkressourcenverwaltung und Leistungsregelung in UMTS–Netzen,
• die Weiterentwicklungen von UMTS wie HSDPA und HSUPA,
• ein Ausblick auf Long Term Evolution (LTE), dem Schlagwort der vierten Generation.

Dem 4G–Standard Long Term Evolution (LTE) ist im Buch „Mobile Kommunikation” ein eigenes Kapitel gewidmet.

Anforderungen an Mobilfunksysteme der dritten Generation

Die wichtigste Motivation zur Entwicklung von Mobilfunksystemen der dritten Generation war die Erkenntnis, dass die Systeme der zweiten Generation den Bandbreitenbedarf zur Nutzung multimedialer Dienste nicht zufrieden stellen konnten.

Entwicklung der Mobilfunksysteme von 1995 bis 2006

Die Grafik zeigt die Entwicklung der Mobilfunksysteme seit 1995 hinsichtlich Leistungsfähigkeit bzw. Datenübertragungsrate aus Sicht des Jahres 2007:

• Die angegebenen Datenraten für HSUPA (Uplink, bis 3 Mbit/s) und HSDPA (Downlink, bis 7 Mbit/s) waren für 2006/2007 realistisch.
• In den Spezifikationen wurden dagegen für den Uplink 5.8 Mbit/s und für den Downlink 14.4 Mbit/s (also deutlich höhere Maximalwerte) genannt, die in der Praxis wohl aber nicht erreichbar sein werden.

Die Mobilfunksysteme der dritten Generation sollten über eine größere Bandbreite als das damals bereits etablierte GSM verfügen und genügend Reserve an Leistungsfähigkeit aufweisen, um auch bei den stetig wachsenden Anforderungen eine hohe Dienstgüte gewährleisten zu können.

Bei der Entwicklung der Systeme der dritten Generation hat die International Telecommunication Union (ITU) eine wichtige Rolle gespielt. Sie hat unter anderem einen Anforderungskatalog erstellt, der ihre Eigenschaften festlegte. Dieser Anforderungskatalog umfasst folgende Rahmenbedingungen:

• Hohe Datenraten von 144 kbit/s (Standard) bis 2 Mbit/s (In-door),
• symmetrische und asymmetrische Datenübertragung (IP–Dienste),
• leitungsvermittelte (circuit–switched) und paketvermittelte (packed–switched) Übertragung,
• hohe Sprachqualität und hohe Spektraleffizienz,
• nahtloser Übergang von und zu Systemen der zweiten Generation,
• globale Erreichbarkeit und Verbreitung,
• Anwendungen unabhängig vom verwendeten Netz (Virtual Home Environment).

Der IMT–2000–Standard

Im Jahre 1992 wurde von der International Telecommuncation Union (ITU) der Standard $\rm IMT-2000$ (International Mobile Telecommunications at 2000 MHz) ins Leben gerufen, der die genannten Anforderungen ermöglichen sollte. Dieser umfasst eine Reihe verschiedener Mobilfunksysteme der dritten Generation, die im Laufe der Standardisierung aneinander angenähert wurden, um die Entwicklung von gemeinsamen Endgeräten für alle diese Standards zu ermöglichen.

Um national unterschiedliche Vorarbeiten zu berücksichtigen und den Netzbetreibern die Möglichkeit zu geben, die bereits bestehenden Netzarchitekturen zum Teil weiter zu verwenden, beinhaltet IMT–2000 mehrere Einzelstandards. Diese lassen sich grob in vier Kategorien einteilen:

Die „IMT–Familie” – ein Überblick

• $\rm W–CDMA$:   Dazu zählt man die FDD-Komponente des europäischen UMTS–Standards sowie das amerikanische cdma2000–System.
• $\rm TD–CDMA$:   Zu dieser Gruppe zählt die TDD–Komponente von UMTS sowie das chinesische TD–SCDMA, das mittlerweile in den UMTS–TDD–Standard integriert ist.
• $\rm TDMA$:   Eine Weiterentwicklung des GSM–Ablegers EDGE und des amerikanischen Pendants UWC–136, auch bekannt als DS–AMPS.
• $\rm FD–TDMA$:   Die Weiterentwicklung des europäischen Schnurlos–Telefonie–Standards DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication).

Im Folgenden konzentrieren wir uns auf das in Europa entwickelte System $\rm UMTS$ (Universal Mobile Telecommunications System), das die beiden erstgenannten Standards$\rm W–CDMA$ und $\rm TD–CDMA$ der Systemfamilie IMT–2000 unterstützt.

Historische Entwicklung von UMTS

Es folgen einige Daten zur historischen Entwicklung von UMTS und der darin verwendeten Techniken. Weitere Informationen finden Sie beispielsweise unter diesem Internet–Link.

• 1940–1950   Erste militärische Anwendungen von Signalspreizverfahren.
• 1949   Erste Grundzüge des CDMA–Verfahrens durch C. E. Shannon und J. R. Pierce.
• 1970   Verschiedene CDMA–Entwicklungen für militärische Systeme, z.B. GPS.
• 1989–1992   Grundlagenforschung zu den Eigenschaften zukünftiger Mobilfunksysteme im Rahmen des EU–Programms RACE–1 (Research, Analysis, Communication, Evaluation).
• 1992   Erste Überlegungen zum Standard IMT–2000 durch die ITU.
• 1992–1995   EU–Programm RACE–2 mit dem Schwerpunkt „Entwicklung von Systemkonzepten” – basierend auf den Ergebnissen von RACE–1.
• 1996   Gründung des UMTS–Forums in Zürich – Umbenennung des geplanten europäischen Standards „W–CDMA” in „UMTS”.
• 1998   Übernahme der beiden Modi W–CDMA und TD–CDMA in den UMTS–Standard auf der ETSI–SMG–Sitzung in Paris.
• 1998 Gründung des 3gpp–Forums (3rd Generation Partnership Project) durch die Gremien ETSI–SMG, T1P1, ARIB TTC und TTA.
• 1999 Verabschiedung des Standards UMTS–R99 (Release 1999) durch die ETSI. Dieser gilt als Basis für die ersten verfügbaren UMTS–Endgeräte.
• 2001   Verabschiedung der Release 4 als Weiterentwicklung von UMTS–R99: Quality of Service (QoS) wird nun sowohl an der Funkschnittstelle als auch im Festnetz unterstützt.
• 2001   Erstes kommerzielle UMTS–Netz des norwegischen Unternehmens TELENOR.
• 2002   Verabschiedung der UMTS Release 5: Die an das GSM–Festnetz angelehnte Architektur wird durch ein vollständig IP–basiertes Festnetz ersetzt.
• 2002   Erste UMTS–Sprach– und Datenverbindung von Nortel Networks und Qualcomm. Damit gelten diese beiden Firmen als Vorreiter bei der Umsetzung der UMTS–Technologie.
• 2004   Verabschiedung der UMTS Release 6. Dieser weiterentwickelte Standard bietet dem Nutzer einen verbesserten QoS und dem Anbieter eine effektivere Ressourcenverwaltung.

Zur historischen Entwicklung von UMTS

Die Grafik fasst die historische Entwicklung von UMTS nochmals zusammen.

Man erkennt:

• Auch bei UMTS ist zwischen den ersten Konzeptüberlegungen und der endgültigen Einführung mehr als ein Jahrzehnt vergangen.

• Dies war ähnlich wie bei der Einführung anderer Kommunikationssysteme, wie zum Beispiel ISDN, DSL, GSM war .

Frequenzspektren für UMTS

Zuständig für die Zuweisung von Bandbreiten und Frequenzbänder der Kommunikationssysteme ist die International Telecommunication Union (ITU). Insbesondere bei UMTS gibt es aber Abweichungen zwischen den europäischen und den ITU–Frequenzzuweisungen, da manche Frequenzbänder in manchen Ländern schon von anderen Mobilfunksystemen belegt waren. Die Grafik zeigt die europäische (unten) sowie die ITU–Frequenzbelegung (oben).

UMTS–Frequenzspektren

Hierbei bedeuten:

• $\rm GSM \ 1800$ – Frequenzband für den Downlink des GSM 1800,
• $\rm SAT$ – satellitengestützte Systeme, jeweils 30 MHz für Uplink und Downlink,
• $\rm DECT$ – Digital Enhanced Cordless Telecommunications (Schnurlostelefon– Standard),
• $\rm UTRA–FDD$ – UMTS Terrestrial Radio Access–Frequency Division Duplex,
• $\rm UTRA–TDD$ – UMTS Terrestrial Radio Access–Time Division Duplex.

UTRA–FDD – oder kurz $\rm FDD$ – besteht aus zwölf gepaarten Uplink– und Downlink–Frequenzbändern zu je 5 MHz Bandbreite. Die Frequenzbänder liegen in Europa zwischen 1920 und 1980 MHz im Uplink sowie zwischen 2110 und 2170 MHz im Downlink.

Dagegen besteht UTRA–TDD – oder kurz $\rm TDD$ – aus fünf Frequenzbändern zu je 5 MHz Bandbreite, in denen mittels Zeitmultiplex sowohl Uplink– als auch Downlink–Daten übertragen werden sollen. Für TDD sind die Frequenzen zwischen 1900 und 1920 MHz (vier Kanäle) und zwischen 2020 und 2025 MHz (ein Kanal) reserviert. Das Band zwischen 2010–2020 wurde noch nicht lizenziert und wird deswegen in Deutschland ebenfalls noch nicht genutzt.

Vollduplexverfahren

Um die beiden Übertragungsrichtungen Uplink und Downlink zu trennen, werden in UMTS zwei unterschiedliche Betriebsmodi unterstützt. Man unterscheidet:

• UMTS Terrestrial Radio Access Frequency Division Duplex (UTRA–FDD),
• UMTS Terrestrial Radio Access Time Division Duplex (UTRA–TDD).

Der wesentliche Unterschied zwischen diesen beiden Modi zeigt sich vor allem in der physikalischen Ebene des Protokollstapels. Die beiden Verfahren unterscheiden sich dabei sowohl in ihren Duplex– als auch in ihren Vielfachzugriffsverfahren.

UTRA–FDD–Modus in UMTS

Im $\rm UTRA–FDD$–Modus werden – wie in obiger Grafik zu sehen – die Uplink– und Downlink–Daten gleichzeitig auf unterschiedlichen, aber korrespondierenden gepaarten Frequenzblöcken zu je 5 MHz übertragen. Dabei ist zu beachten:

• Daten verschiedener Teilnehmer werden auf dem gleichen Frequenzband gesendet und empfangen. Die Verwendung von verschiedenen CDMA–Spreizcodes ermöglicht die Trennung der jeweiligen Teilnehmerdaten.
• Es wird außerdem das TDMA–Verfahren verwendet, um periodische Funktionen wie zum Beispiel die Leistungssteuerung zu realisieren.
• Das FDMA–Verfahren kann zusätzlich zu CDMA und TDMA genutzt werden, wenn der Netzbetreiber über mehr als einen Frequenzkanal verfügt.

Der FDD–Modus wird nur in Europa und meist bei symmetrischen Diensten verwendet, deren Bandbreitenanforderungen im Uplink und im Downlink etwa gleich sind. Dies ist zum Beispiel bei der Sprachkommunikation oder der Videotelefonie der Fall.

Im $\rm UTRA–TDD$–Modus werden Uplink– und Downlink–Daten im gleichen Frequenzband übertragen. Dabei werden Uplink und Downlink zeitlich getrennt, wie die folgende Grafik zeigt. Weiterhin gilt:

• Der Umschaltzeitpunkt (Switching Point) kann abhängig vom Datenvolumenverhältnis zwischen Uplink und Downlink flexibel gewählt werden.
• Die Teilnehmer werden beim TDD–Modus sowohl durch den Spreizcode (wie bei FDD) als auch durch den Zeitschlitz gekennzeichnet.
• Verfügt der Netzbetreiber mehrere Frequenzkanäle, so kann wie bei FDD zusätzlich zu CDMA und TDMA noch FDMA zum Einsatz kommen.

UTRA–TDD–Modus in UMTS

Der TDD–Modus wird derzeit in Europa noch nicht genutzt und wird nach seiner Einführung hauptsächlich bei asymmetrischen Diensten (zum Beispiel: Downloads oder Surfen im Internet) eingesetzt werden, bei denen sich die Datenvolumina von Downlink und Uplink deutlich unterscheiden.

Eigenschaften des UMTS-Funkkanals

Im UMTS–Funkkanal treten neben Interferenzen durch andere Teilnehmer und Rauschen zusätzlich eine Reihe unvorhersehbarer, störender und verzerrender Effekte auf, die sich zudem über der Zeit verändern. Bedingt durch Reflexionen sowie Streuungen und Beugungen an Objekten erfährt das gesendete Signal eine Mehrwegeausbreitung. Dabei erreicht das Signal den Empfänger nicht nur über den direkten Pfad, sondern über mehrere Wege mit unterschiedlichen Laufzeiten und unterschiedlich gedämpft.

Szenario mit Mehrwegeausbreitung

Die Mehrwegeausbreitung wird von der Umgebung beeinflusst, zusätzlich aber auch von einer möglichen Bewegung des Teilnehmers, wie in der Grafik durch die Bewegungsgeschwindigkeit $v$ angedeutet ist.

Der Pfadverlust (englisch: Path–Loss) geht auf Ausbreitungseigenschaften elektromagnetischer Wellen zurück – siehe Kapitel 2.1 des Buches Mobile Kommunikation. Für die Untersuchung dieses Dämpfungsphänomens gehen wir von einem vereinfachten Pfadverlustmodell aus. Dieses besagt:

• Die Empfangsleistung eines Funksignals fällt mit der Entfernung $d$ um $d^{–γ}$, wobei der Parameter $γ$ eine mediumsabhängige Konstante der Funkausbreitungswelle darstellt.
• Unter Berücksichtigung von konstruktiven oder destruktiven Bodenreflexionen nimmt die Konstante $γ$ unterhalb des so genannten Break Points $(d_0)$ Werte zwischen 2 und 3 an.
• Oberhalb des Break Points verstärken sich die Reflexionseffekte und die Ausbreitungskonstante γ wächst auf Werte zwischen 3.5 und 4 an.

Rechts dargestellt ist der Pfadverlust (in dB) in Abhängigkeit der Entfernung $d$. Bei diesem Beispiel ist die Konstante $α_0 = 10^{–5}$ (also 50 dB) gesetzt und der Break Point liegt bei $d_0 = 100$ m.

• Im linken Bereich gilt $γ$ ≈ 2.
• Für $d > d_0$ ist dagegen $γ$ ≈ 4.

Frequenz- und zeitselektives Fading

Eine wesentliche Eigenschaft des Mobilfunkkanals stellt das so genannte Fading dar. Dieses entsteht durch zeitlich veränderliche Signalabschattungen (englisch: Shadowing) und durch mögliche Bewegungen des Mobilfunkteilnehmers.

Im Buch Mobile Kommunikation wird diese Art der Signalbeeinträchtigung ausführlich behandelt. Hier folgt nur eine kurze Zusammenfassung. Man unterscheidet zum einen:

• schnelles Fading (englisch: Fast Fading oder Short Term Fading) mit kurzzeitigen Einbrüchen der Empfangsleistung im Mikrosekundenbereich,
• langsames Fading (englisch: Long Term Fading) – also nur langsame Veränderungen (meist) im Sekundenbereich.

Fast Fading beeinträchtigt hauptsächlich Systeme mit großer Symboldauer, also kleiner Bandbreite. Da aber die Bandbreite bei UMTS sehr viel größer ist als bei GSM, ist dieses System weniger anfällig gegenüber Fast Fading.

Weiterhin lässt sich Fading auch noch wie folgt klassifizieren:

• Frequenzselektives Fading wird durch Mehrwegeausbreitung über Pfade mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten verursacht. Als Folge dieses Fadings werden verschiedene Frequenzanteile durch die Leistungsübertragungsfunktion $|H_{\rm K}(f)|^2$ des Kanals unterschiedlich gedämpft.
• Zeitselektives Fading entsteht durch eine Relativbewegung zwischen Sender und Empfänger. Dadurch kommt es abhängig von der Bewegungsrichtung (hin zum oder weg vom Sender) zu Frequenzverschiebungen, die physikalisch durch den Dopplereffekt beschrieben werden.

Hier sei auf zwei Interaktionsmodule aus dem Buch Mobile Kommunikation verwiesen:

• Mehrwegeausbreitung und Frequenzselektivität
• Zur Verdeutlichung des Dopplereffekts

Auf der nächsten Seite wird dargelegt, unter welchen Bedingungen mit welchen dieser Fadingarten zu rechnen ist.

Die beiden auf der letzten Seite genannten Fadingeigenschaften frequenzselektiv und zeitselektiv sollen noch etwas genauer erläutert werden.

Durch den Empfang verschiedener Streukomponenten mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten entsteht eine Mehrwegeverbreiterung (englisch: Delay Spread) $T_{\rm V}$, definiert als Differenz zwischen maximaler und minimaler Verzögerungszeit. Der Kehrwert hiervon ist näherungsweise die Kohärenzbandbreite $B_{\rm K}$.

• Man spricht dann von frequenzselektivem Fading, wenn die Kohärenzbandbreite $B_{\rm K}$ sehr viel kleiner als die Signalbandbreite BS ist. Als Folge werden verschiedene Frequenzanteile durch den Kanal unterschiedlich gedämpft, woraus lineare Verzerrungen resultieren.

Die linke Grafik verdeutlicht diesen Effekt. Dargestellt ist die Leistungsübertragungsfunktion $|H_{\rm K}(f, t)|^2$ des Kanals zu einer festen Zeit t. Während blau nichtfrequenzselektives Fading mit –5 dB eingezeichnet ist, zeigt die rote Kurve ein Beispiel von frequenzselektivem Fading: Unterschiedliche Frequenzanteile werden dabei unterschiedlich gedämpft.

Beim zeitselektiven Fading entsteht eine so genannte Dopplerverbreiterung (englisch: Doppler Spread) $B_{\rm D}$, die als Differenz zwischen der maximal und der minimal auftretenden Dopplerfrequenzen definiert ist. Deren Kehrwert bezeichnet man als die Korrelationsdauer $T_{\rm D} = \frac{1}{B_{\rm D}}$. In manchen Literaturstellen wird diese Größe auch als Kohärenzzeit bezeichnet.

• Bei UMTS tritt immer dann zeitselektives Fading auf, wenn die Korrelationsdauer $T_{\rm D}$ sehr viel kleiner als die Chipdauer $T_{\rm C}$ ist. Die rechte Grafik zeigt schematisch das zeitselektive Fading, wobei nun die Leistungsübertragungsfunktion $|H_{\rm K}(f, t)|^2$ des Kanals für eine feste Frequenz $f$ aufgetragen ist. Die blaue Kurve gilt hier für nicht zeitselektives Fading.

Mehr über die hier kurz angerissene Thematik erfahren Sie im Buch Mobile Kommunikation:

• Mehrwegeverbreiterung und Kohärenzbandbreite
• Korrelationsdauer und Dopplerverbreiterung

UMTS–Dienste

Die Einführung von UMTS hat sich unter Anderem die Erweiterung und Diversifikation der angebotenen Mobilfunkdienste zum Ziel gesetzt. Ein UMTS–fähiges Endgerät muss zusätzlich zu den klassischen Diensten (Sprachübertragung, Messaging, usw.) eine Reihe komplexerer multimedialer Anwendungen und Funktionen unterstützen.

Man kann diese Dienste – je nach Anwendung – in sechs Hauptkategorien unterteilen:

• Information: Internet–Surfen (Info–on–demand), Online–Printmedien,
• Kommunikation: Video– und Audiokonferenz, Fax, ISDN, Messaging,
• Unterhaltung: Mobile TV, Mobile Radio, Video–on–Demand, Online–Gaming,
• Geschäftlicher Bereich: Interaktives Einkaufen, E–Commerce,
• Technischer Bereich: Online–Betreuung, Distributionsservice (Sprache und Daten),
• Medizinischer Bereich: Telemedizin.

In der Abbildung sind die Dienste nach Datenrate und Art der Verbindung klassifiziert:

• Die Höhe eines Kästchens gibt (in etwa) den Bereich für die erforderliche Datenrate an.
• Die Breite deutet näherungsweise auf den Datenumfang hin.

Sicherheitsaspekte

Die Sicherheitsmerkmale in UMTS–Netzen basieren auf den genau gleichen Prinzipien wie bei GSM. Allerdings wurden einige GSM–Sicherheitsfunktionen entfernt, ersetzt oder ausgebaut. Dadurch wurden die Verschlüsselungsalgorithmen robuster, die Authentifizierungsalgorithmen strenger und die Kriterien zur Vertraulichkeit eines Teilnehmers enger.

Die wesentlichen von GSM übernommenen Sicherheitsmaßnahmen bei UMTS sind:

• Authentifizierung des Teilnehmers,
• Vertraulichkeit der Teilnehmeridentität,
• Verschlüsselung der Funkschnittstelle.

Zusätzlich zu diesen werden bei UMTS noch weitere Sicherheitsmaßnahmen beachtet:

• Gegenseitige Authentifizierung, um die Nutzung falscher Basisstationen zu vermeiden,
• Verschlüsselung der Verbindung zwischen Basisstation und zugehörigem Kontrollknoten,
• Verschlüsselung und Authentifizierung der Sicherheitsdaten bei der Übertragung,
• Mechanismen zur Aktualisierung der Sicherheitsmerkmale.

Man kann die oben aufgeführten Sicherheitsmaßnahmen entsprechend der Grafik klassifizieren. Man unterscheidet Sicherheitskonzepte für

• den sicheren Netzzugang (Network Access Security) für jeden Teilnehmer,
• die Netzdomäne (Network Domain Security) – ein sicherer Austausch von Kontrolldaten zwischen den Knoten innerhalb der Netzanbieterdomäne wird sichergestellt,
• die Teilnehmerdomäne (User Domain Security) – der Zugang zu den Endgeräten wird sichergestellt,
• die Anwendungsdomäne (Application Domain Security) – der sichere Austausch zwischen Anwendungen der Teilnehmerendgeräte und der Netzanbieter wird garantiert.

Der UMTS–Teilnehmer kann jederzeit erkennen, welche dieser Sicherheitsmaßnahmen in Betrieb sind und welche davon für bestimmte Dienste benötigt werden. Man spricht in diesem Zusammenhang von Sichtbarkeit und Konfigurierbarkeit der Sicherheit.

Aufgaben zum Kapitel

Aufgabe 4.1: UMTS - Duplexverfahren

Aufgabe 4.2: UMTS-Funkkanal