Examples of Communication Systems/UMTS Network Architecture

1. Examples of Communication Systems
2. UMTS – Universal Mobile Telecommunications System
3. UMTS Network Architecture

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Basiseinheiten der Systemarchitektur

Bei der Architektur von UMTS–Netzen unterscheidet man vier grundlegende logische Einheiten. Die Interaktion dieser Einheiten ermöglicht das Bedienen und das Betreiben des Gesamtnetzes.

Basiseinheiten der UMTS–Systemarchitektur

In der Grafik erkennt man:

• $\rm Universal \ Subscriber \ Identity \ Module \ (USIM)$  – Das USIM ist eine entnehmbare IC–Karte, die Funkinformationen und Informationen zur eindeutigen Identifizierung und Authentifizierung des Teilnehmers enthält. Sie unterscheidet sich von der herkömmlichen SIM–Karte durch erweiterte Sicherheitsfunktionen, größere Speicherkapazität und einen integrierten Mikroprozessor, der zur Ausführung von Programmen dient.

• $\rm Mobile \ Equipment \ (ME)$  – Ausgestattet mit einer USIM–Karte stellt das UMTS–Endgerät sowohl die Funkschnittstelle für die Datenübertragung als auch die Bedienelemente für die Benutzer bereit. Es unterscheidet sich von der gängigen GSM–Mobilstation durch eine erweiterte Funktionalität, Multimedia–Anwendungen sowie komplexere und vielfältigere Dienste. Vielfach finden sich auch die Bezeichnungen  User Equipment  (UE) und  Terminal Equipment  (TE).
• $\rm Radio \ Access \ Network \ (RAN)$  – Darunter versteht man die Festnetzinfrastruktur von UMTS, die für die Funkübertragung und die damit verbundenen Aufgaben zuständig ist. Das RAN enthält die Basisstationen  (Node B)  und die Kontrollknoten  (Radio Network Controller – RNC), die das RAN und das  Core Network  verbinden.
• $\rm Core \ Network \ (CN)$  – Dieses stellt das Weitverkehrsnetz dar und ist für den Datentransport verantwortlich. Es enthält Vermittlungseinrichtungen (SGSN, GGSN) zu externen Netzen und Datenbanken zur Mobilitäts– und Teilnehmerverwaltung (HLR, VLR). Das  Core Network  enthält auch die Netzmanagement–Einrichtungen  (Operation and Maintenance Center – OMC), die zur Verwaltung des Gesamtnetzes erforderlich sind.

Domänen und Schnittstellen

Basiseinheiten der UMTS–Systemarchitektur

Die auf der letzten Seite aufgeführten Einheiten des UMTS–Netzes werden in so genannte  Domänen  (englisch:  Domains) zusammengefasst.

Darunter versteht man Funktionsblöcke, die zur Standardisierung und zur Untersuchung der funktionalen Einheiten und Schnittstellen innerhalb des UMTS–Netzes dienen.

Man unterscheidet zwei Hauptkategorien von Domänen, nämlich

• die  User Equipment Domain, und
• die  Infrastructure Domain.

Die  $\rm User \ Equipment \ Domain$  enthält alle Funktionen, die einen Zugang zum UMTS–Netz ermöglichen, wie zum Beispiel Verschlüsselungsfunktionen für die Übertragung der Daten über die Funkschnittstelle. Man kann diese Domäne in zwei Domänen unterteilen:

• die  USIM Domain  – die SIM–Karte ist ein Teil dieser Domäne;
• die  Mobile Equipment Domain  – Sie enthält alle Funktionen, über die ein Endgerät verfügt.

Diese beiden Domänen sind über die  Cu–Schnittstelle  verbunden, die die elektrischen und physikalischen Spezifikationen sowie den Protokollstapel zwischen USIM–Karte und Endgerät umfasst. Dadurch können USIM–Karten verschiedener Netzbetreiber mit allen Endgeräten betrieben werden.

Eine weitere wichtige Schnittstelle ist die  Uu–Schnittstelle, die die Radioverbindung zwischen der Mobilstation und der  Infrastructure Domain  herstellt.

Die  $\rm Infrastructure \ Domain$  gliedert sich in die zwei folgenden Domänen:

• Die  Access Network Domain  fasst alle Basisstationen – die bei UMTS „Node B” genannt werden – und die Funktionen des  Radio Access Networks  (RAN) zusammen.
• Die  Core Network Domain  ist für die möglichst fehlerfreie Übermittlung und den Transport der Nutzerdaten verantwortlich.

Diese beiden Domänen sind über eine  Iu–Schnittstelle  verbunden. Diese Schnittstelle ist für die Datenvermittlung zwischen dem  Access Network  und dem  Core Network  verantwortlich und stellt die Trennung zwischen der Transportebene und der Funknetzebene dar.

Die  Core Network Domain  kann wiederum in drei Unterdomänen unterteilt werden:

• Die  Serving Network Domain  enthält alle Funktionen und Informationen, die für den Zugang zum UMTS–Netz nötig sind.
• Die  Home Network Domain  enthält alle Funktionalitäten, die im Heimatnetz eines (fremden) Teilnehmers durchgeführt werden.
• Die  Transit Network Domain  ist ein so genanntes Transitnetz. Dieses wird nur dann wirksam, wenn Datenbankabfragen im Heimatnetz des Teilnehmers durchzuführen sind und das  Serving Network  nicht direkt mit dem  Home Network  verbunden ist.

Architektur der Zugangsebene

UMTS–Netze unterstützen sowohl Leitungsvermittlung als auch Paketvermittlung:

$\text{Unterscheidungsmerkmale:}$ 

• Bei der  Leitungsvermittlung  (englisch:  Circuit Switching, CS) wird der Funkkanal während der gesamten Dauer der Verbindung den beiden Kommunikationspartnern so lange zugewiesen, bis alle Informationen übertragen wurden. Erst danach wird der Kanal freigegeben.

• Bei der  Paketvermittlung  (englisch:  Packet Switching, PS) können die Teilnehmer den Kanal nicht exklusiv nutzen, sondern der Datenstrom wird im Sender in kleine Datenpakete – jeweils mit der Zieladresse im Header – aufgeteilt, und erst danach versendet. Der Kanal wird von mehreren Teilnehmern gemeinsam benutzt.

Struktureller Aufbau eines UMTS-Netzes

Die beiden Modi erkennt man auch in der Zugangsebene des UMTS–Netzes im  Core Network  (CN) wieder, die nebenstehend dargestellt ist.

Die Zugangsebene kann man in zwei Hauptblöcke unterteilen:

Das  $\rm UMTS \ Terrestrial \ Radio \ Access \ Network \ (UTRAN)$  sichert die Funkübertragung von Daten zwischen der Transportebene und der Funknetzebene.

Zum UTRAN gehören die Basisstationen und die Kontrollknoten, deren Funktionen nachfolgend genannt werden:

• Ein  Node B  – wie eine UMTS–Basisstation meist genannt wird – umfasst die Antennenanlage sowie den CDMA–Empfänger und ist unmittelbar mit den ME–Funkschnittstellen verbunden. Zu seinen Aufgaben gehören die Datenratenanpassung, Daten– und Kanal(de)codierung, Interleaving sowie Modulation bzw. Demodulation. Jeder „Node B” kann eine oder mehrere Zellen versorgen.
• Der  Radio Network Controller  (RNC) ist für die Steuerung der Basisstationen verantwortlich. Ebenso ist er innerhalb der Zellen zuständig für die Rufannahmesteuerung, Verschlüsselung und Entschlüsselung, ATM–Vermittlung, Kanalzuweisung, Handover und Leistungssteuerung.

Das  $\rm Core \ Network \ (CN)$  ist für die Vermittlung der Daten  (sowohl  circuit-switched  als auch  packet-switched)  innerhalb des UMTS–Netzes zuständig.

Dazu enthält es bei  Leitungsvermittlung  folgende Hardware– und Softwarekomponenten:

• Das  Mobile Services Switching Center  (MSC) ist zuständig für das Routing von Gesprächen, Lokalisierung, Authentifizierung, das Handover und die Verschlüsselung von Teilnehmerdaten.
• Das  Home Location Register  (HLR) enthält alle Teilnehmerdaten wie zum Beispiel Tarifmodell, Telefonnummer sowie die zugehörigen dienstspezifischen Berechtigungen und Schlüssel.
• Das  Visitor Location Register  (VLR) enthält Ortsinformationen über lokal registrierte Nutzer und Kopien der Datensätze aus dessen HLR. Diese Daten sind dynamisch:  Sobald der Teilnehmer seinen Aufenthaltsort ändert, werden diese Informationen verändert.

Bei  paketvermittelter Übertragung  gibt es folgende Einrichtungen bzw. Register:

• Der  Serving GPRS Support Node  (SGSN) ist anstelle von MSC und VLR zuständig für Routing und Authentifizierung und hält eine lokale Kopie der Teilnehmerinformationen gespeichert.
• Am  Gateway GPRS Support Node  (GGSN) gibt es Übergänge zu anderen Paketdatennetzen wie zum Beispiel dem Internet. Eingetroffene Pakete werden durch eine integrierte Firewall gefiltert und an den entsprechenden SGSN weitergeleitet.
• Das  GPRS Register  (GR) ist Teil des  Home Location Register  (HLR) und enthält zusätzliche Informationen, die für die paketvermittelte Übertragung benötigt werden.

Physikalische Kanäle

Physikalische Kanäle dienen der Kommunikation auf der physikalischen Ebene der Funkschnittstelle und werden innerhalb einer Basisstation („Node B„) verarbeitet. Dabei unterscheidet man zwischen den  dedizierten physikalischen Kanälen  und  gemeinsam genutzten physikalischen Kanälen.

Aufbau der dedizierten physikalischen Kanäle

Die  $\rm dedizierten \ physikalischen \ Kanäle$  werden einzelnen Kommunikationspartnern fest zugewiesen. Zu diesen gehören:

• Dedicated Physical Data Channel  (DPDCH)  – Dabei handelt es sich um einen unidirektionalen Uplink–Kanal, der Nutz– und Signalisierungsdaten aus höheren Schichten transportiert.
• Dedicated Physical Control Channel  (DPCCH)  – Dieser Kontrollkanal enthält Informationen der physikalischen Schicht für die Steuerung der Übertragung, Leitungssteuerungs–Kommandos und Transportformat–Indikatoren, um nur einige Beispiele zu nennen.
• Dedicated Physical Channel  (DPCH)  – Dieser Kanal umfasst den DPDCH und den DPCCH im Downlink und hat eine Länge von  $2560$  Chips.

Die Grafik zeigt den strukturellen Aufbau des DPDCH (blau), des DPCCH (rot) sowie des einhüllenden DPCH.

• Im DPCH werden in  $10 \ \rm ms$  genau  $15 · 2560 = 38400$  Chips übertragen, woraus sich für die Chiprate  $3.84 \ \rm Mchip/s$  ergibt.
• Die Nutzdaten im DPDCH werden aufgesplittet und pro Zeitschlitz werden – je nach Spreizfaktor  $J$  – zwischen  $10$  Bit  $($falls  $J = 256 )$  und  $640$ Bit  $($falls  $J = 4)$  Bit übertragen.
• Im DPCCH werden einheitlich pro Zeitschlitz zehn Kontrollbits übertragen.

In der Tabelle sind die von allen Teilnehmern  $\rm gemeinsam \ genutzten \ physikalischen \ Kanäle$  aufgelistet.

Gemeinsam genutzte Kanäle in UMTS

Im Folgenden werden die Eigenschaften einiger ausgewählter Kanäle beschrieben:

• Der CCPCH ist ein Downlink–Kanal mit zwei Unterkanälen. Der P–CCPCH beinhaltet Daten, die für den Betrieb innerhalb einer Funkzelle notwendig sind, während der S–CCPCH Daten enthält, die für die Paging–Prozedur und für den Transport von Kontrolldaten verantwortlich sind.
• Der PDSCH und der PUSCH sind gemeinsam genutzte Kanäle, die sowohl Nutzdaten als auch Kontrolldaten transportieren können. Der erste ist allein für den Downlink zuständig, der zweite für den Uplink.
• Der PRACH kontrolliert die Nachrichtenübertragung des Zufallszugriffkanals RACH, während der PCPCH für den Transport von Datenpaketen nach dem CDMA/CD–Verfahren zuständig ist.

Die folgenden Kanäle sind für die Steuerung und Synchronisierung des Gesamtsystems verantwortlich:

• Der CPICH ermittelt die Zugehörigkeit der Mobilstation zu einer Basisstation.
• Der SCH dient zur Zellsuche und Synchronisation der Mobilstation.
• Der AICH überprüft und ermittelt die Verfügbarkeit des Systems.
• Der PICH ist für den Funkruf bei der Teilnehmerlokalisierung zuständig.

Logische Kanäle

Die logischen Kanäle befinden sich in der MAC (Medium Access Control)–Referenzschicht und werden durch den Typ der übertragenen Daten gekennzeichnet.

Logische Kanäle in UMTS

Die in der Tabelle zusammengestellten logischen Kanäle lassen sich in zwei Klassen unterteilen, nämlich in

• Kontrollkanäle  (Control Channels):

Über die  Kontrollkanäle  (mit Endung CCH)  werden sowohl Kontrollinformationen  (BCCH)  als auch Paging–Informationen  (PCCH)  transportiert. Darüber können auch teilnehmerspezifische Signalisierungsdaten  (DCCH)  oder Transportinformationen zwischen den Teilnehmergeräten und dem UTRAN  (CCCH)  ausgetauscht werden.

• Verkehrskanäle  (Traffic Channels):

Über die  Verkehrskanäle  (mit Endung  TCH)  werden Teilnehmerinformationen ausgetauscht. Während der  DTCH  einem mobilen Teilnehmer zum Nutzdatentransport individuell zugewiesen werden kann, wird ein  CTCH  vorwiegend an alle oder an eine vordefinierte Teilnehmergruppe vergeben.

Transportkanäle

Transportkanäle befinden sich in der physikalischen Schicht des  ISO/OSI–Schichtenmodells. Sie

• werden durch die Parameter der Datenübertragung (z.B. die Datenrate) gekennzeichnet,
• gewährleisten die gewünschten Anforderungen bezüglich der Fehlerschutzmechanismen, und
• legen die Art der Datenübertragung – so zu sagen das „WIE” – fest.

Man unterscheidet zwei Klassen von Transportkanälen, nämlich dedizierte und gemeinsam genutzte Transportkanäle.

Zur Klasse der  $\rm dedizierten \ Transportkanäle$  (Dedicated Transport Channels – DTCH) gehören die  Dedicated Channels  (DCH), die einem Teilnehmer fest zugewiesen werden.

• Ein DCH transportiert sowohl Nutzdaten als auch Kontrolldaten (Handover–Daten, Messdaten, ...) an die höheren Schichten, in denen sie dann interpretiert und verarbeitet werden.

Zu den  $\rm gemeinsam \ genutzten \ Transportkanälen$  (Common Transport Channels  – CTCH)  gehören beispielsweise:

• Der  Broadcast Channel  (BCH)  ist ein Downlink–Kanal, der netzbetreiberspezifische Daten der Funkzelle (zum Beispiel  Access Random Codes  zur Signalisierung eines Verbindungsaufbaus) an die Teilnehmer verteilt. Charakteristisch ist seine relativ hohe Leistung und niedrige Datenrate $($nur  $\text{3.4 kbit/s)}$, um allen Nutzern einen möglichst fehlerfreien Empfang und hohen Prozessgewinn zu ermöglichen.
• Der Forward Access Channel (FACH) ist ein Downlink–Kanal, zuständig für den Transport von Kontrolldaten. Eine Zelle kann mehrere FACH–Kanäle enthalten, wobei einer der Kanäle eine niedrige Datenrate aufweisen muss, um allen Nutzern die Auswertung seiner Daten zu ermöglichen.
• Der Random Access Channel (RACH) ist ein unidirektionaler Uplink–Kanal. Der Teilnehmer kann damit den Wunsch äußern, eine Funkverbindung aufbauen zu wollen. Außerdem können darüber auch kleine Datenmengen übertragen werden.
• Der Common Packet Channel (CPCH) ist ein unidirektionaler Uplink–Datenkanal, der für paketorientierte Dienste ausgelegt ist und eine Erweiterung des RACH–Kanals darstellt.
• Der Paging Channel (PCH) ist ein unidirektionaler Downlink–Kanal zur Lokalisierung eines Teilnehmers mit Daten für die Paging–Prozedur.

$\text{Beispiel 1:}$  Die Grafik soll die Interaktion zwischen den Transportkanälen RACH und FACH mit den logischen Kanälen CCCH und DCCH bei einem einfachen Verbindungsaufbau erläutern.

Verbindungsaufbau bei UMTS

Einige Erklärungen zu diesem Schaubild:

• Ein mobiler Teilnehmer (Mobile Equipment, ME) äußert den Wunsch für einen Verbindungsaufbau. Als erstes wird dann mit Hilfe des logischen Kanals CCCH und des Transportkanals RACH eine Verbindungsanfrage über den UTRAN an den Radio Network Controller (RNC) gesendet.
• Hierzu wird das RRC–Protokoll (Radio Resource Control) verwendet, das die Aufgabe hat, die Signalisierung zwischen dem Teilnehmer und UTRAN/RNC zu gewährleisten.
• Der Radio Network Controller (RNC) antwortet auf diese Anfrage über den Transportkanal FACH. Dabei werden dem Teilnehmer die nötigen Kontrolldaten für den Verbindungsaufbau übersendet.
• Danach wird die Verbindung mit Hilfe des logischen Kanals DCCH tatsächlich aufgebaut.

Kommunikation innerhalb des ISO/OSI–Schichtenmodells

Die Kommunikation zwischen den verschiedenen Schichten des ISO/OSI–Modells wird durch die auf den letzten Seiten vorgestellten logischen, physikalischen und Transport–Kanäle sichergestellt.

Abbildung der Kanäle bei UMTS

Die obere Grafik zeigt die Struktur sowohl für die Aufwärtsrichtung (Uplink) als auch für die Abwärtsrichtung (Downlink).

Um die Funktionsfähigkeit und den Datenaustausch innerhalb des Gesamtmodells zu garantieren, müssen diese entsprechend der Grafik aufeinander abgebildet werden:

• Zunächst erfolgt die Abbildung des logischen Kanals auf den Transportkanal,
• danach die Abbildung des Transportkanals auf einen physikalischen Kanal.

Ausschnitt aus dem ISO/OSI–Schichtenmodell

Die untere Grafik soll einen Gesamtüberblick über die Struktur der drei untersten Schichten des ISO/OSI–Modells geben und die Interaktionen der verschiedenen Kanalarten vermitteln.

Zellulare Architektur von UMTS

Um ein flächendeckendes Netz mit geringer Sendeleistung und ausreichender Frequenzökonomie zu ermöglichen, werden auch bei UMTS wie bei GSM Funkzellen eingerichtet. Die Funkzellen sind im UMTS–Netz (Trägerfrequenz um 2 GHz) deutlich kleiner als bei GSM (Trägerfrequenz um 900 MHz), da bei gleicher Sendeleistung die Reichweite von Funksignalen mit steigender Frequenz abnimmt.

Die Grafik zeigt die Zellenstruktur von UMTS. Man erkennt daraus einen hierarchischen Aufbau und drei Typen von Funkzellen:

Zellenaufbau bei UMTS

• Makrozellen sind mit vier bis sechs Kilometer Durchmesser die größten Zellen. Sie erlauben relativ schnelle Bewegungungen. Beispielsweise ist eine Bewegungsgeschwindigkeit bis zu maximal $500\ \rm km/h$ zulässig, wenn die Datenrate $144 \ \rm kbit/s$ beträgt. Eine Makrozelle kann möglicherweise eine Vielzahl von Mikro– und Pikozellen überlagern.
• Mikrozellen sind mit ein bis zwei Kilometer Durchmesser deutlich kleiner als Makrozellen. Sie erlauben wesentlich höhere Datenraten bis $384 \ \rm kbit/s$, dafür aber nur langsamere Bewegungsgeschwindigkeiten. Zum Beispiel ist bei der maximalen Datenrate die maximal zulässige Geschwindigkeit nur noch $120\ \rm km/h$. Eine Mikrozelle überlagert keine, eine oder eine Vielzahl von Pikozellen.
• Pikozellen versorgen nur sehr kleine Gebiete mit etwa 100 Meter Durchmesser, aber sehr hohem Datenaufkommen. Sie werden in hochverdichteten Orten wie zum Beispiel Flughäfen, Stadien, usw. eingesetzt. Zulässig sind theoretisch Datenraten bis $2\ \rm Mbit/s$.

Da UMTS als Vielfachzugriffsverfahren Code Division Multiple Access (CDMA) verwendet, benutzen alle Teilnehmer den gleichen Frequenzkanal. Dies resultiert in einer relativ hohen Interferenzleistung und einem sehr niedrigen Träger–zu–Interferenz–Abstand (englisch: Carrier–to–Interference Ratio, CIR). Dieser ist zumindest deutlich kleiner als bei GSM, das auf FDMA und TDMA basiert.

Ein niedriges CIR kann die Übertragungsqualität erheblich beeinträchtigen, nämlich dann, wenn sich die Signale unterschiedlicher Teilnehmer destruktiv überlagern, was zu Informationsverlust führt.

Man unterscheidet zwei Arten von Interferenzen:

• $\rm Intrazellinterferenz$ entsteht durch die Verwendung des gleichen Frequenzkanals von mehreren Teilnehmern innerhalb der gleichen Zelle.
• Dagegen kann es zu $\rm Interzellinterferenz$ kommen, wenn Teilnehmer verschiedener Zellen den gleichen Frequenzkanal benutzen.

Interzellinterferenz vs. Intrazellinterferenz

$\text{Beispiel 2:}$  Die Grafik veranschaulicht beide Arten der Zellinterferenz.

• In der linken Zelle kommt es zu Intrazellinterferenzen, wenn die beiden Frequenzen $f_1$ und $f_2$ identisch sind.
• Dagegen gibt es Interzellinterferenz, wenn in den beiden rechten Funkzellen gleiche Frequenzen verwendet werden $(f_3 = f_4)$.

Intrazellinterferenzen sind wegen des geringen Abstands der Intrazellstörer meistens gravierender als Interzellinterferenzen, das heißt, sie bewirken ein deutlich kleineres Carrier–to–Interference Ratio (CIR).

Was versteht man unter Zellatmung?

Um den Einfluss der Interferenzleistung auf die Übertragungsqualität zu begrenzen, wird bei UMTS die so genannte $\rm Zellatmung$ eingesetzt. Diese lässt sich wie folgt beschreiben:

• Nimmt die Anzahl der aktiven Teilnehmer und damit die aktuelle Interferenzleistung zu, so wird der Zellenradius verkleinert.
• Da nun weniger Teilnehmer in der Zelle senden, wird damit auch der störende Einfluss der Zellinterferenz geringer.
• Für die Versorgung der am Rande einer ausgelasteten Zelle stehenden Teilnehmer springt dann die weniger belastete Nachbarzelle ein.

Eine Alternative zur Zellatmung ist, dass man die Gesamtsendeleistung innerhalb der Zelle verringert, was allerdings eine Reduzierung der Sende– und damit auch der Empfangsqualität bedeutet.

$\text{Beispiel 3:}$  In der Grafik erkennt man, dass die Anzahl der aktiven Teilnehmer (pro Flächeneinheit) im Versorgungsgebiet von links nach rechts zunimmt.

Zur Verdeutlichung von „Zellatmung” bei UMTS

• Lässt man die Zellengröße gleich, so gibt es in der Zelle mehr aktive Teilnehmer als vorher und dementsprechend nimmt die Qualität aufgrund der Intrazellinterferenzen deutlich ab.
• Verkleinert man dagegen die Zellengröße im gleichen Maße, wie die Teilnehmerzahl zunimmt, so sind in einer Zelle nicht mehr Teilnehmer aktiv als vorher (nach dieser Skizze: sieben) und die Qualität bleibt (in etwa) erhalten.

Handover in UMTS

Um den Übergang zwischen verschiedenen Zellen für Mobilfunkteilnehmer möglichst unterbrechungsfrei erscheinen zu lassen, wird bei leitungsvermittelten UMTS–Diensten – wie auch bei GSM – ein Handover eingesetzt. Man unterscheidet bei UMTS zwei Arten:

• $\rm Hard \ Handover$ – Hierbei wird zu einem bestimmten Zeitpunkt die Verbindung hart zu einem anderen Node B umgeschaltet. Diese Art von Handover geschieht im TDD–Modus während des Umschaltens zwischen Sender und Empfänger.
• $\rm Soft \ Handover$ – Dabei kann ein Mobiltelefon mit bis zu drei Basisstationen kommunizieren. Die Übergabe eines Teilnehmers von einem Node B zu einem anderen erfolgt allmählich, bis der Teilnehmer diesen Bereich verlässt. Man spricht in diesem Zusammenhang von Makrodiversität.

Die Downlink–Daten werden im Radio Network Controller (RNC) aufgeteilt (Splitting), über die beteiligten Basisstationen ausgestrahlt und in der Mobilstation wieder zusammengesetzt (Rake Processing).

Im Uplink werden hingegen die gesendeten Daten von allen beteiligten Basisstationen empfangen. Die Zusammenlegung der Daten (Soft Combining) findet im RNC statt. Dieser leitet anschließend die Daten an das Core Network (CN) weiter.

Man unterscheidet bei Soft Handover drei Sonderfälle:

• Bei Softer Handover wird ein Teilnehmer über verschiedene Pfade der gleichen Basisstation versorgt.
• Dagegen geschieht bei Intra–RNC Handover die Versorgung der Teilnehmer über zwei verschiedene Basisstationen, die an denselben RNC angeschlossen sind. Das Combining und Splitting der Daten findet in dem gemeinsamen RNC statt.
• Ist der Teilnehmer in einem Gebiet, das von zwei benachbarten Radio Network Controllern verwaltet wird, so liegt Inter–RNC Handover vor.
  • Der erste RNC, den man auch als Serving RNC (SRNC) bezeichnet, übernimmt die Kommunikation mit dem Core Network und ist für Combining und Splitting verantwortlich.
  • Der zweite RNC – der so genannte Drift RNC (DRNC) – übernimmt die Kommunikation mit dem SRNC und mit dem von ihm verwalteten Node B.

Zur Verdeutlichung verschiedener Handover–Strategien

$\text{Beispiel 4:}$  Wir gehen von folgendem Szenario aus. Das Fahrzeug startet bei $\rm A$, bewegt sich nach rechts und passiert verschiedene Basisstationen, die jeweils mit einem Radio Network Controller (RNC) verbunden sind. Die Buchstaben markieren verschiedene Fahrzeugpositionen.

• Bei den Positionen $\rm A$, $\rm C$, $\rm C$, $\rm G$, $\rm I$, $\rm K$ gibt es stets nur eine RNC–Verbindung, also auch kein Handover.
• Bei $\rm B$, $\rm F$, $\rm J$ ist das Fahrzeug mit zwei Basisstationen des gleichen RNC in Kontakt   ⇒   Intra–RNC Handover.
• Bei $\rm D$ und $\rm H$ ist das Fahrzeug mit zwei Basisstationen zweier RNCs in Kontakt   ⇒   Inter–RNC Handover.
• Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass die Koordination der beiden RNCs durch das Core Network (CN) funkioniert. Ansonsten: Hard Handover.

IP–basierte Netze

Mit dem UMTS Release 5 wurden unter Anderem IP–basierte Netze (IP Core Networks) eingeführt.

Netzarchitektur von UMTS – Release 5

• Dabei werden sowohl Nutzdaten als auch Kontrolldaten über ein internes IP–Netz übertragen.
• Das bedeutet, dass sowohl leitungsvermittelte Dienste als auch paketvermittelte Dienste auf der Basis von IP–Protokollen erbracht werden.

Die Grafik zeigt diese Netzarchitektur in schematischer Weise. Im Vergleich zur ursprünglichen UMTS–Netzarchitektur (Release 99) wurde das Netz um folgende Knoten ergänzt:

• Das Media Gateway (MGW) ist für die Wiedergewinnung der in Voice–over–IP (VoIP) konvertierten Sprachpakete in herkömmliche Sprachdaten verantwortlich.
• Der Home Subscriber Server (HSS) fasst die aus dem UMTS Release 99 bekannten Register HLR und VLR zusammen.
• Der Call State Control Function (CSCF)–Knoten ist für die gesamte Steuerung des IP–Netzes in UMTS Release 5 zuständig und stellt die Kommunikation zwischen CSCF–Knoten und Teilnehmer über das Session Initiation Protocol (SIP) her.

Es spricht vieles für den Einsatz einer solchen IP–basierten Netzarchitektur, da diese eine Reihe von Verbesserungen bereitstellt.

Wesentliche Vorteile von IP–Netzen sind:

• eine zukunftsweisende Alternative zur jetzigen Auslegung,
• eine preiswerte Routing–Technologie  ⇒   große Einsparungen bei der Vermittlungstechnik,
• große Flexibilität bei der Einführung neuer Dienste, und
• eine leichte Implementierung von Netzüberwachungstechniken.

Entscheidende Nachteile dieser Architektur sind derzeit (2011) allerdings auch:

• die mühsame Integration der Infrastruktur der zweiten Mobilfunkgeneration,
• die Notwendigkeit von Übergangsknoten zur Konvertierung der Daten in so genannten Gateways, und
• das Fehlen eines eindeutigen und zuverlässigen Sicherheitskonzeptes.

Aufgaben zum Kapitel

Aufgabe 4.3: UMTS–Zugangsebene

Aufgabe 4.4: Zellulare UMTS-Architektur