Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.4: Cellular UMTS Architecture"

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{{quiz-Header|Buchseite=Beispiele von Nachrichtensystemen/UMTS–Netzarchitektur
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[[File:P_ID1934__Bei_A_4_4.png|right|frame|Zellulararchitektur von UMTS]]
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[[File:P_ID1934__Bei_A_4_4.png|right|frame|UMTS cellular architecture]]
Um ein flächendeckendes Netz mit geringer Sendeleistung und ausreichender Frequenzökonomie zu ermöglichen, werden bei UMTS – wie auch bei [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_GSM|GSM]] – Funkzellen eingerichtet.
+
In order to enable a nation-wide network with low transmission power and sufficient frequency economy,  radio cells are set up for UMTS  as for&Nbbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_GSM|"GSM"]].
  
Für einfache Systemuntersuchungen geht man dabei von hexagonalen Zellen wie in der Grafik angedeutet aus. In Realität sind die Funkzellen unterschiedlich groß und zudem an die vorliegende Topologie und die Infrastruktur des Versorgungsgebietes angepasst.
+
For simple system studies,  hexagonal cells are assumed as shown in the diagram.  In reality,  the radio cells vary in size and are also adapted to the existing topology and infrastructure of the coverage area.
  
Es gibt drei unterschiedliche Typen von Funkzellen mit einem hierarchischen Aufbau:
+
There are three different types of radio cells with a hierarchical structure:
*${\rm Makrozellen}$:   4 bis 6 km Durchmesser, Geschwindigkeiten bis zu 500 km/h erlaubt.
+
#»'''Macrocells'''«:  $\text{4 km}$  to  $\text{6 km}$  in diameter,  speeds allowed up to  $\text{500 km/h}$.
*${\rm Mikrozellen}$:   1 bis 2 km Durchmesser, maximal zulässige Geschwindigkeit 120 km/h.
+
#»'''Microcells'''«:  $\text{1 km}$  to  $\text{2 km}$  indiameter,  maximum speed allowed  $\text{120 km/h}$.
*${\rm Pikozelle}$:   Durchmesser bis 100 m, viele Teilnehmer, extrem hohes Datenaufkommen.
+
#»'''Picocells'''«:  Diameter up to  $\text{100 m}$,  many participants,  extremely high data volume.
  
  
Eine Makrozelle kann möglicherweise eine Vielzahl von Mikro– und Pikozellen überlagern. Für eine Mikrozelle beträgt die maximale Datenrate $384 \ \rm kbit/s$ für die maximale Geschwindigkeit von $120 \ \rm km/h$. Mit den maximal zulässigen Datenraten in einer Makrozelle und einer Pikozelle beschäftigt sich die Teilaufgabe (1).
+
A macrocell can potentially overlay a large number of microcells and picocells.  
 +
*For a microcell,  the maximum data rate is  $\text{384 kbit/s}$  for the maximum speed of  $\text{120 km/h}$.  
  
Im Zusammenhang mit der zellularen Struktur von UMTS werden häufig Begriffe verwendet, die in dieser Aufgabe erklärt werden sollen:
+
*Subtask  '''(1)'''  deals with the maximum data rates allowed in a macrocell and a picocell.
*Intrazellinterferenz und Interzellinterferenz,
 
*Zellatmung,
 
*Handover.
 
  
  
 +
In connection with the cellular structure of UMTS,  terms are often used which will be explained in this task:
 +
#Intracell interference and intercell interference,
 +
#cell breathing,
 +
#handover.
  
  
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel  [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/UMTS–Netzarchitektur|UMTS–Netzarchitektur]].
 
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seiten [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/UMTS–Netzarchitektur#Architektur_der_Zugangsebene|Architektur der Zugangsebene]] und [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/UMTS–Netzarchitektur#Handover_in_UMTS|Handover in UMTS]].
 
  
 +
<u>Hints:</u>
 +
*This exercise belongs to the chapter&nbsp;  [[Examples_of_Communication_Systems/UMTS_Network_Architecture|"UMTS Network Architecture"]].
  
 +
*Reference is made in particular to the sections&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/UMTS_Network_Architecture#Access_level_architecture|"Access level architecture"]]&nbsp; and&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/UMTS_Network_Architecture#Handover_in_UMTS|"Handover in UMTS"]].
  
===Fragebogen===
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 +
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche der nachfolgenden Aussagen sind zutreffend?
+
{Which of the following statements are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- UMTS ($2 \ \rm GHz$) hat größere Funkzellen als GSM ($900 \ \rm MHz$).
+
- UMTS&nbsp; $($carrier frequency around&nbsp; $2 \ \rm GHz)$&nbsp; has larger radio cells than GSM&nbsp; $($carrier frequency around&nbsp; $900 \ \rm MHz)$.
- Die Datenrate ist in einer Makrozelle größer als in einer Mikrozelle.
+
- The data rate is greater in a macrocell than in a microcell.
+ Die Datenrate ist in einer  Pikozelle  größer als in einer Mikrozelle.
+
+ The data rate is greater in a picocell than in a microcell.
  
{Sind die folgenden Aussagen hinsichtlich ''Interferenzen'' richtig?
+
{Are the following statements correct regarding&nbsp; "interference"?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Intrazellinterferenzen entstehen, wenn mehrere Teilnehmer in der gleichen Zelle den gleichen Frequenzkanal benutzen.
+
+ Intracell interference occurs when multiple participants in the same cell use the same frequency channel.
+ Interzellinterferenzen entstehen, wenn die gleiche Frequenz von Teilnehmern in verschiedenen Zellen benutzt wird.
+
+ Intercell interference occurs when the same frequency is used by subscribers in different cells.
+ Im dargestellten Szenario kommt es zu Intrazellinterferenzen, wenn die Frequenzen $f_{1}$ und $f_{2}$ gleich sind.
+
+ In the scenario shown,&nbsp; intracell interference occurs when the frequencies&nbsp; $f_{1}$&nbsp; and&nbsp; $f_{2}$&nbsp; are the same.
+ Im dargestellten Szenario kommt es zu Interzellinterferenzen, wenn die Frequenzen $f_{3}$ und $f_{4}$ gleich sind.
+
+ In the scenario shown,&nbsp; intercell interference occurs when frequencies&nbsp; $f_{3}$&nbsp; and&nbsp; $f_{4}$&nbsp; are equal.
  
{Was versteht man unter ''Zellatmung''?
+
{What is meant by&nbsp; "cell breathing"?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Nimmt die Anzahl der aktiven Teilnehmer in der Zelle zu &nbsp; &rArr; &nbsp; größere Interferenzleistung, so wird der Zellenradius verkleinert.
+
+ If the number of active participants in the cell increases &nbsp; &rArr; &nbsp; greater interference power,&nbsp; the cell radius is reduced.
+ Die Versorgung der Teilnehmer am Rande einer ausgelasteten Zelle übernimmt eine weniger belastete Nachbarzelle.
+
+ The supply of subscribers at the edge of a busy cell is taken over by a less busy neighboring cell.
- Zellatmung beschreibt einen Mechanismus zur bestmöglichen Anpassung der Datenrate an den aktuellen Datenverkehr.
+
- Cell breathing describes a mechanism for best matching the data rate to the current traffic.
  
{Welche der folgenden Aussagen zum ''Handover'' sind zutreffend?
+
{Which of the following statements about&nbsp; "handover"&nbsp; are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Ziel ist es, den Übergang eines mobilen Teilnehmers von einer Zelle zur anderen als unterbrechungsfrei erscheinen zu lassen.
+
+ The aim is for the transition of a mobile subscriber from one cell to another to appear uninterrupted.
+ Von ''Hard Handover'' spricht man dann, wenn die Verbindung schlagartig zu einer anderen Verbindung umgeschaltet wird.
+
+ "Hard Handover"&nbsp; is when the connection is abruptly switched to another connection.
+ Bei ''Soft Handover'' erfolgt die Weitergabe eines Teilnehmers von einer Basisstation zu einer anderen allmählich.
+
+ With&nbsp; "Soft Handover",&nbsp; the handover of a subscriber from one base station to another is gradual.
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
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'''(1)'''&nbsp; Zutreffend ist nur die <u>letzte Aussage</u>. Da bei gleicher Sendeleistung die Reichweite von Funksignalen mit steigender Frequenz abnimmt, sind die Funkzellen bei UMTS (Trägerfrequenz um $2 \ \rm GHz$) deutlich kleiner als bei GSM (im D–Netz um $900 \ \rm MHz$). Die maximalen Datenraten betragen bei UMTS für
+
'''(1)'''&nbsp; Only the&nbsp; <u>last statement</u>&nbsp; is correct:
*eine Makrozelle bis zu $144 \ \rm kbit/s$,
+
*Since the range of radio signals decreases with increasing frequency at the same transmission power,&nbsp; the radio cells at UMTS&nbsp; $($carrier frequency around&nbsp; $2 \ \rm GHz)$&nbsp; are significantly smaller than at GSM&nbsp; $($in the D-network around&nbsp; $900 \ \rm MHz)$.
*eine Pikozelle bis zu $2 \ \rm Mbit/s$.
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*The maximum data rates for UMTS&nbsp; $($which are more theoretical limits$)$ are as follows for
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:*a macro cell up to&nbsp; $144 \ \rm kbit/s$,
 +
:*a picocell up to&nbsp; $2 \ \rm Mbit/s$.
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'''(2)'''&nbsp; Correct are&nbsp; <u>all statements</u>:
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*The two definitions for intracell and intercell interference are correct.
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*Applying these to the scenario at hand&nbsp; $($graph on the information page$)$,&nbsp; we see.
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:*<u>Intra</u>cell interference for $f_{1} = f_{2}$,
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:*<u>Inter</u>cell interference for $f_{3} = f_{4}$.
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*<u>Intra</u>cell interference is more severe than&nbsp; <u>Inter</u>cell interference because of the usually smaller distance of the interferers from the receiver,&nbsp; that is,&nbsp; it causes a smaller CIR&nbsp; $($"carrier-to-interference ratio"$)$.
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'''(3)'''&nbsp; Correct are the&nbsp; <u>statements 1 and 2</u>:
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*Cell breathing is accurately described by the first two statements.
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*With fewer participants transmitting on a frequency,&nbsp; the negative influence of intracell interference is reduced.
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*The participants in neighboring cells transmit on other frequencies and thus interfere much less.
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*An alternative to cell breathing would be to maintain the cell size but reduce the transmitted power of all participants within the cell,&nbsp; <br>but this also means a reduction in the reception quality.
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*The last proposed solution is simply wrong.
  
Hierbei handelt es sich aber eher um theoretische Grenzwerte.
 
  
'''(2)'''&nbsp; Die beiden Definitionen für Intra– und Interzellinterferenz sind richtig. Wendet man diese auf das vorliegende Szenario (Grafik auf der Angabenseite) an, so erkennt man
 
*Intrazellinterferenzen für $f_{1} = f_{2}$,
 
*Interzellinterferenzen für $f_{3} = f_{4}$.
 
  
Intrazellinterferenzen sind wegen des meist kleineren Abstandes der Störer vom Empfänger gravierender als Interzellinterferenzen, das heißt, sie bewirken ein kleineres CIR (''Carrier–to–Interference Ratio'') $\Rightarrow$ <u>alle Aussagen sind zutreffend</u>.
+
'''(4)'''&nbsp; Correct are&nbsp; <u>all statements</u>:
 +
*For example,&nbsp; the downlink data is split in theRNC,&nbsp; broadcast over the participating&nbsp; "Node Bs",&nbsp; and reassembled in the mobile station.
  
'''(3)'''&nbsp; Die Zellatmung wird durch die <u>beiden ersten Statements genau richtig</u> beschrieben. Da nun weniger Teilnehmer auf einer Frequenz senden, wird der negative Einfluss der Intrazellinterferenz geringer. Die Teilnehmer in Nachbarzellen senden auf anderen Frequenzen und stören somit deutlich weniger.
+
*With&nbsp; "Soft Handover",&nbsp; a mobile can communicate with up to three base stations simultaneously.
Eine Alternative zur Zellatmung wäre, dass man die Zellgröße beibehält, aber die Sendeleistung aller Teilnehmer innerhalb der Zelle verringert, was allerdings auch eine Reduzierung der Empfangsqualität bedeutet. Der letzte Lösungsvorschlag ist schlicht und einfach falsch.
+
'''(4)'''&nbsp; <u>Alle genannten Aussagen sind richtig</u>. Beispielsweise werden die Downlink–Daten im ''Radio Network Controller'' (RNC) aufgeteilt, über die beteiligten Node Bs ausgestrahlt und in der Mobilstation wieder zusammengesetzt.
+
*This variant is of course superior to&nbsp; "Hard Handover",&nbsp; but also involves greater effort.
Bei ''Soft Handover'' kann ein Mobiltelefon mit bis zu drei Basisstationen gleichzeitig kommunizieren. Diese Variante ist natürlich dem ''Hard Handover'' überlegen, aber auch mit einem größeren Aufwand verbunden.
 
  
 
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[[Category:Aufgaben zu Beispiele von Nachrichtensystemen|^4.2 UMTS–Netzarchitektur
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[[Category:Examples of Communication Systems: Exercises|^4.2 UMTS Network Architecture
  
 
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Latest revision as of 16:05, 15 February 2023

UMTS cellular architecture

In order to enable a nation-wide network with low transmission power and sufficient frequency economy,  radio cells are set up for UMTS  as for&Nbbsp; "GSM".

For simple system studies,  hexagonal cells are assumed as shown in the diagram.  In reality,  the radio cells vary in size and are also adapted to the existing topology and infrastructure of the coverage area.

There are three different types of radio cells with a hierarchical structure:

  1. »Macrocells«:  $\text{4 km}$  to  $\text{6 km}$  in diameter,  speeds allowed up to  $\text{500 km/h}$.
  2. »Microcells«:  $\text{1 km}$  to  $\text{2 km}$  indiameter,  maximum speed allowed  $\text{120 km/h}$.
  3. »Picocells«:  Diameter up to  $\text{100 m}$,  many participants,  extremely high data volume.


A macrocell can potentially overlay a large number of microcells and picocells.

  • For a microcell,  the maximum data rate is  $\text{384 kbit/s}$  for the maximum speed of  $\text{120 km/h}$.
  • Subtask  (1)  deals with the maximum data rates allowed in a macrocell and a picocell.


In connection with the cellular structure of UMTS,  terms are often used which will be explained in this task:

  1. Intracell interference and intercell interference,
  2. cell breathing,
  3. handover.


Hints:


Questions

1

Which of the following statements are true?

UMTS  $($carrier frequency around  $2 \ \rm GHz)$  has larger radio cells than GSM  $($carrier frequency around  $900 \ \rm MHz)$.
The data rate is greater in a macrocell than in a microcell.
The data rate is greater in a picocell than in a microcell.

2

Are the following statements correct regarding  "interference"?

Intracell interference occurs when multiple participants in the same cell use the same frequency channel.
Intercell interference occurs when the same frequency is used by subscribers in different cells.
In the scenario shown,  intracell interference occurs when the frequencies  $f_{1}$  and  $f_{2}$  are the same.
In the scenario shown,  intercell interference occurs when frequencies  $f_{3}$  and  $f_{4}$  are equal.

3

What is meant by  "cell breathing"?

If the number of active participants in the cell increases   ⇒   greater interference power,  the cell radius is reduced.
The supply of subscribers at the edge of a busy cell is taken over by a less busy neighboring cell.
Cell breathing describes a mechanism for best matching the data rate to the current traffic.

4

Which of the following statements about  "handover"  are true?

The aim is for the transition of a mobile subscriber from one cell to another to appear uninterrupted.
"Hard Handover"  is when the connection is abruptly switched to another connection.
With  "Soft Handover",  the handover of a subscriber from one base station to another is gradual.


Solution

(1)  Only the  last statement  is correct:

  • Since the range of radio signals decreases with increasing frequency at the same transmission power,  the radio cells at UMTS  $($carrier frequency around  $2 \ \rm GHz)$  are significantly smaller than at GSM  $($in the D-network around  $900 \ \rm MHz)$.
  • The maximum data rates for UMTS  $($which are more theoretical limits$)$ are as follows for
  • a macro cell up to  $144 \ \rm kbit/s$,
  • a picocell up to  $2 \ \rm Mbit/s$.


(2)  Correct are  all statements:

  • The two definitions for intracell and intercell interference are correct.
  • Applying these to the scenario at hand  $($graph on the information page$)$,  we see.
  • Intracell interference for $f_{1} = f_{2}$,
  • Intercell interference for $f_{3} = f_{4}$.
  • Intracell interference is more severe than  Intercell interference because of the usually smaller distance of the interferers from the receiver,  that is,  it causes a smaller CIR  $($"carrier-to-interference ratio"$)$.


(3)  Correct are the  statements 1 and 2:

  • Cell breathing is accurately described by the first two statements.
  • With fewer participants transmitting on a frequency,  the negative influence of intracell interference is reduced.
  • The participants in neighboring cells transmit on other frequencies and thus interfere much less.
  • An alternative to cell breathing would be to maintain the cell size but reduce the transmitted power of all participants within the cell, 
    but this also means a reduction in the reception quality.
  • The last proposed solution is simply wrong.


(4)  Correct are  all statements:

  • For example,  the downlink data is split in theRNC,  broadcast over the participating  "Node Bs",  and reassembled in the mobile station.
  • With  "Soft Handover",  a mobile can communicate with up to three base stations simultaneously.
  • This variant is of course superior to  "Hard Handover",  but also involves greater effort.