Aufgaben:Exercise 3.9: Further Developments of UMTS

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Some GSM/UMTS developments

Shortly after the first release of GSM and UMTS, there were already efforts to significantly increase the transmission speed of data transmission. The following standardized system variants were developed:

• HSCSD:   High-Speed Circuit-Switched Data,
• GPRS:   General Packet Radio Service,
• EDGE:   Enhanced Data Rates for GSM Evolution,
• HSUPA:   High Speed Uplink Packet Access,
• HSDPA:   High Speed Downlink Packet Access.

HSUPA and HSDPA are also combined to form High Speed Packet Access   ⇒   HSPA. The above chart shows the data transmission rates of these advanced mobile communications standards, whereby we specify so-called "peak data rates" for HSCSD, GPRS and EDGE, which were difficult to achieve under real conditions (at about 2012).

The indicated rates for HSUPA and HSDPA are now quite realistic. The standard has been modified several times. In 2012, the „peak data rates” for HSUPA have been denoted as   $6 \ \rm Mbit/s$ , and equivalently for HSDPA  $28.8 \ \rm Mbit/s$ .

• However, it has to be taken into account that under "best conditions", HSCSD/GPRS/EDGE means a single user with a bandwidth  $400 \ \rm kHz$  and HSUPA/HSDPA means a single user with a bandwidth  $5 \rm MHz$  (i.e. even better conditions).

Notes:

• This task belongs to the chapter  Die Charakteristika von UMTS.
• Particular reference is made to the page   UMTS–Erweiterungen HSDPA und HSUPA.

Questionnaire

1

Welche der folgenden Standards basieren auf der UMTS–Technologie?

	HSCSD,
	GPRS,
	EDGE,
	HSPA.

2

Which of the following standards does one count as the 3rd generation of mobile phones?

	HSCSD,
	GPRS,
	EDGE,
	HSPA.

3

How do you achieve the data rate  $57.6 \ \rm kbit/s$  with HSCSD?

	Through the packet-oriented system architecture.
	Through a higher code rate ( puncturing of the convolutional code.
	By combining several time slots.

4

Which of the following features characterize GPRS?

	It is packet-oriented instead of circuit-oriented.
	It also uses 8-PSK modulation.
	Several time slots can be combined.

5

Which of the following characteristics characterize EDGE?

	Es ist paketorientiert statt leitungsorientiert.
	Es verwendet auch eine 8–PSK–Modulation.
	Es können mehrere Zeitschlitze kombiniert werden.

6

Which of the following characteristics characterize HSPA?

	HSDPA/HSUPA use hybrid ARQ and node scheduling.
	Modulation, coding and transmission rate are adaptive.
	Adaptation is made with regard to the largest cell capacity.

Sample solution

Solution

(1)  Richtig ist nur der Lösungsvorschlag 4:

• Nur HSDPA und HSUPA sind Weiterentwicklungen von UMTS.
• Dagegen werden HSCSD, GPRS und EDGE der GSM–Phase $2+$ zugerechnet.

(2)  Zutreffend sind die Lösungsvorschläge 3 und 4:

• EDGE zählt man tatsächlich auch zu den 3G–Mobilfunksystemen, obwohl es in der GSM–Phase $2+$ entstanden ist.

(3)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 2 und 3:

• Bei HSCSD wird die in einem Zeitschlitz übertragbare Datenrate durch Punktierung des Faltungscodes von $9.6 \ \rm kbit/s$ (beim herkömmlichen GSM) um $50 \ \%$ auf $14.4 \ \rm kbit/s$ gesteigert.
• Durch die Bündelung von vier Zeitschlitzen erreicht man schließlich bei dieser leitungsorientierten GSM–Weiterentwicklung die maximale Übertragungsrate von $57.6 \ \rm kbit/s$.
• Hierfür sind beste Bedingungen vorausgesetzt. In der Realität wird dieser theoretische Wert eher nicht erreicht.

(4)  Richtig sind die Aussagen 1 und 3:

• Durch die paketorientierte Übertragung und einige andere Maßnahmen, die zu kürzeren Zugriffszeiten führen, ergibt sich eine Datenübertragungsrate von bis zu $21.4 \ \rm kbit/s$.
• Durch die Bündelung von acht Zeitschlitzen (Multislot Capability) erreicht man maximal $171.2 \ \rm kbit/s$ (auch dies ist ein theoretischer Wert).
• Als Modulationsverfahren wird wie beim herkömmlichen GSM ausschließlich Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) verwendet.

(5)  Richtig sind alle Lösungsvorschläge:

• EDGE ist ebenfalls paketorientiert und stellt insgesamt neun verschiedene Modulation and Coding Schemes (MCS) zur Verfügung, die je nach Kanalbedingungen ausgewählt werden.
• In den höheren Modi (ab MCS–5) wird anstelle von GMSK das kompaktere Modulationsverfahren 8–PSK verwendet, bei dem mit jedem Eingangssymbol drei Bit übertragen werden und dadurch die Datenrate (theoretisch) verdreifacht wird.
• Mit MCS–8 (laut Angabe $54.5 \ \rm kbit/s$) und sieben Zeitschlitzen erreicht man immerhin schon $380.8 \ \rm kbit/s$ und damit die Größenordnung von UMTS.

(6)  Richtig sind auch hier alle Lösungsvorschläge:

• Man nutzt bei HSPA das Hybrid–ARQ–Verfahren sowie Node–B–Scheduling.
• Zudem gestaltet man Modulation, Codierung und Übertragungsrate adaptiv.
• Die Optimierungsgröße ist dabei nicht die Datenrate einzelner Nutzer, sondern eine möglichst große Zellenkapazität hinsichtlich aller Mobilfunkteilnehmer.