Difference between revisions of "Examples of Communication Systems/UMTS Network Architecture"

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|Untermenü=UMTS – Universal Mobile Telecommunications System
 
|Untermenü=UMTS – Universal Mobile Telecommunications System
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==Basiseinheiten der Systemarchitektur ==
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==Basic units of the system architecture ==
 
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<br>
Bei der Architektur von UMTS–Netzen unterscheidet man vier grundlegende logische Einheiten. Die Interaktion dieser Einheiten ermöglicht das Bedienen und das Betreiben des Gesamtnetzes.
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In the architecture of UMTS networks,&nbsp; a distinction is made between four basic logical units.&nbsp; The interaction of these units enables the operation of the entire network.
  
[[File:P_ID1511__Bei_T_4_2_S1_v1.png|center|frame|Basiseinheiten der UMTS&ndash;Systemarchitektur]]
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In the graphic you can see:
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[[File:EN_Bei_T_4_2_S1_v1.png|right|frame|Basic units of UMTS system architecture<br><br><br><br><br><br><br><br>]]
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*$\rm Universal \ Subscriber \ Identity \ Module \ (USIM)$&nbsp; <br>The USIM is a removable chip card that contains radio information and information for unique identification and authentication of the subscriber.&nbsp; It differs from the conventional SIM card in that it has enhanced security features,&nbsp; larger memory capacity,&nbsp; and an integrated microprocessor that is used to run programs.
  
In der Grafik erkennt man:
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*$\rm Mobile \ Equipment \ (ME)$&nbsp; &ndash; Equipped with a USIM card,&nbsp; the UMTS terminal provides both the radio interface for data transmission and the user controls.&nbsp; It differs from the common GSM mobile station in that it offers enhanced functionality,&nbsp; multimedia applications,&nbsp; and more complex and diverse services.&nbsp; Often,&nbsp; the designations&nbsp; "User Equipment"&nbsp; $\rm (UE)$&nbsp; and&nbsp; "Terminal Equipment"&nbsp; $\rm (TE)$&nbsp; can also be found.
*$\rm Universal \ Subscriber  \ Identity  \ Module  \ (USIM)$&nbsp; – 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.
 
  
*$\rm Mobile \  Equipment  \ (ME)$&nbsp; – 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&nbsp; ''User Equipment''&nbsp; (UE) und&nbsp; ''Terminal Equipment''&nbsp; (TE).
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*$\rm Radio \ Access \ Network \ (RAN)$&nbsp; &ndash; This refers to the fixed network infrastructure of UMTS, which is responsible for radio transmission and related tasks. The RAN contains the base stations and the control nodes that connect the RAN and the&nbsp; "Core Network".
*$\rm Radio \ Access \ Network \ (RAN)$&nbsp; – Darunter versteht man die Festnetzinfrastruktur von UMTS, die für die Funkübertragung und die damit verbundenen Aufgaben zuständig ist. Das RAN enthält die Basisstationen&nbsp; (''Node B'')&nbsp; und die Kontrollknoten&nbsp; (''Radio Network Controller'' – RNC), die das RAN und das&nbsp; ''Core Network''&nbsp; verbinden.
 
*$\rm Core  \ Network  \ (CN)$&nbsp; – 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&nbsp; ''Core Network''&nbsp; enthält auch die Netzmanagement–Einrichtungen&nbsp; (''Operation and Maintenance Center'' – OMC), die zur Verwaltung des Gesamtnetzes erforderlich sind.
 
  
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*$\rm Core \ Network \ (CN)$&nbsp; &ndash; This represents the wide area network and is responsible for data transport.&nbsp; It contains switching facilities&nbsp; $\rm (SGSN, GGSN)$&nbsp; to external networks and databases for mobility and subscriber management&nbsp;s $\rm (HLR,\ VLR)$.&nbsp; The&nbsp; core network&nbsp; also contains the&nbsp; "operation and maintenance center"&nbsp; $\rm (OMC)$&nbsp; required to manage the overall network.
 
 
 
 
==Domänen und Schnittstellen ==  
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==Domains and interfaces ==  
 
<br>
 
<br>
[[File:P_ID1512__Bei_T_4_2_S2_v1.png|right|frame|Basiseinheiten der UMTS&ndash;Systemarchitektur]]
+
The units of the UMTS network listed  in the last section are grouped into so-called&nbsp; '''&raquo;domains&laquo;'''.&nbsp; This refers to functional blocks that serve to standardize and study the functional units and interfaces within the UMTS network.
Die auf der letzten Seite aufgeführten Einheiten des UMTS–Netzes werden in so genannte&nbsp; '''Domänen'''&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Domains'') zusammengefasst.  
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[[File:EN_Bei_T_4_2_S2_v1.png|right|frame|Basic units of the UMTS system architecture]]
  
Darunter versteht man Funktionsblöcke, die zur Standardisierung und zur Untersuchung der funktionalen Einheiten und Schnittstellen innerhalb des UMTS–Netzes dienen.
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Two main categories of domains are distinguished, viz.
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*the&nbsp; "User Equipment Domain",&nbsp; and
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*the&nbsp; "Infrastructure Domain".
  
Man unterscheidet zwei Hauptkategorien von Domänen, nämlich
 
*die&nbsp; ''User Equipment Domain'', und
 
*die&nbsp; ''Infrastructure Domain''.
 
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Die&nbsp; $\rm User \ Equipment \ Domain$&nbsp; 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&nbsp; '''USIM Domain'''&nbsp; – die SIM–Karte ist ein Teil dieser Domäne;
 
*die&nbsp; '''Mobile Equipment Domain'''&nbsp; – Sie enthält alle Funktionen, über die ein Endgerät verfügt.
 
  
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&rArr; &nbsp; The&nbsp; '''&raquo;User Equipment Domain&laquo;'''&nbsp; contains all functions that enable access to the UMTS network,&nbsp; such as encryption functions for the transmission of data via the radio interface.&nbsp; One can divide this domain into two domains:
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#the&nbsp; "USIM Domain"&nbsp; &ndash; the SIM card is a part of this domain;
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#the&nbsp; "Mobile Equipment Domain"&nbsp; &ndash; it contains all the functions that a terminal device has.
  
Diese beiden Domänen sind über die&nbsp; ''Cu–Schnittstelle''&nbsp; 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.
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These two domains are connected via the&nbsp; "Cu interface"&nbsp; which includes the electrical and physical specifications as well as the protocol stack between the USIM card and the terminal device.&nbsp; This allows USIM cards from different network operators to operate with all terminal devices.
  
Eine weitere wichtige Schnittstelle ist die&nbsp; ''Uu–Schnittstelle'', die die Radioverbindung zwischen der Mobilstation und der&nbsp; ''Infrastructure Domain''&nbsp; herstellt.
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Another important interface is the&nbsp; "Uu interface",&nbsp; which establishes the radio link between the mobile station and the&nbsp; infrastructure domain''&nbsp;.
  
  
Die&nbsp; $\rm Infrastructure \ Domain$&nbsp; gliedert sich in die zwei folgenden Domänen:
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&rArr; &nbsp; The&nbsp; '''&raquo;Infrastructure Domain&laquo;'''&nbsp; is divided into the following two domains:
*Die&nbsp; '''Access Network Domain'''&nbsp; fasst alle Basisstationen – die bei UMTS „Node B” genannt werden – und die Funktionen des&nbsp; ''Radio Access Networks''&nbsp; (RAN) zusammen.
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#The&nbsp; "Access Network Domain"&nbsp; groups all base stations &ndash;  in UMTS called&nbsp; "Node B"&nbsp; &ndash; and the functions of the&nbsp; "Radio Access Network"&nbsp; $\rm (RAN)$.
*Die&nbsp; '''Core Network Domain'''&nbsp; ist für die möglichst fehlerfreie Übermittlung und den Transport der Nutzerdaten verantwortlich.
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#The&nbsp; "Core Network Domain"&nbsp; is responsible for the most error-free transmission and transport of user data.
  
  
Diese beiden Domänen sind über eine&nbsp; ''Iu–Schnittstelle''&nbsp; verbunden. Diese Schnittstelle ist für die Datenvermittlung zwischen dem&nbsp; ''Access Network''&nbsp; und dem&nbsp; ''Core Network''&nbsp; verantwortlich und stellt die Trennung zwischen der Transportebene und der Funknetzebene dar.
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These two domains are connected via an&nbsp; "Iu interface".&nbsp; This interface is responsible for data switching between the access  and the  core network and is the separation between transport layer and radio network layer.
  
Die&nbsp; ''Core Network Domain''&nbsp; kann wiederum in drei Unterdomänen unterteilt werden:
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The&nbsp; "Core Network Domain"&nbsp; can in turn be divided into three sub-domains:
*Die&nbsp; ''Serving Network Domain''&nbsp; enthält alle Funktionen und Informationen, die für den Zugang zum UMTS–Netz nötig sind.
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#The&nbsp; "Serving Network"&nbsp; contains all functions and information necessary to access the UMTS network.
*Die&nbsp; ''Home Network Domain''&nbsp; enthält alle Funktionalitäten, die im Heimatnetz eines (fremden) Teilnehmers durchgeführt werden.
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#The&nbsp; "Home Network"&nbsp; contains all functionalities that are performed in the home network of a&nbsp; $($foreign$)$&nbsp; subscriber.
*Die&nbsp; ''Transit Network Domain''&nbsp; ist ein so genanntes Transitnetz. Dieses wird nur dann wirksam, wenn Datenbankabfragen im Heimatnetz des Teilnehmers durchzuführen sind und das&nbsp; ''Serving Network''&nbsp; nicht direkt mit dem&nbsp; ''Home Network''&nbsp; verbunden ist.
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#The&nbsp; "Transit Network"&nbsp; &ndash; this only takes effect if database queries are to be performed in the subscriber's home network and the&nbsp; "Serving Network"&nbsp; is not directly connected to the&nbsp; "Home Network".
  
  
== Architektur der Zugangsebene ==  
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== Access level architecture ==  
 
<br>
 
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UMTS–Netze unterstützen sowohl Leitungsvermittlung als auch Paketvermittlung:
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UMTS networks support both&nbsp; "circuit-switching"&nbsp; and&nbsp; "packet-switching".
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Unterscheidungsmerkmale:}$&nbsp;
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$\text{Distinctive features:}$&nbsp;
*Bei der&nbsp; '''Leitungsvermittlung'''&nbsp; (englisch:&nbsp; ''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.
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*In&nbsp; '''&raquo;Circuit Switching&laquo;'''&nbsp; $\rm (CS)$,&nbsp; the radio channel is assigned to the two communication partners for the entire duration of the connection until all information has been transmitted.&nbsp; Only then the channel is released.
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*In&nbsp; '''&raquo;Packet Switching&laquo;'''&nbsp; $\rm (PS)$,&nbsp; the participants cannot use the channel exclusively,&nbsp; but the data stream is divided in the transmitter into small data packets &ndash; each with the destination address in the header &ndash; and only then sent.&nbsp; The channel is shared by several participants}}
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The two modes can also be recognized in the access level of the UMTS network in the core network&nbsp; $\rm (CN)$,&nbsp; which is shown in the graph.  
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[[File:EN_Bei_T_4_2_S3_v1.png|right|frame|Structural design of a UMTS network <br><br><br><br><br><br>]]
  
*Bei der&nbsp; '''Paketvermittlung'''&nbsp; (englisch:&nbsp; ''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.}}
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The access layer can be divided into two main blocks:
  
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&rArr; &nbsp; The&nbsp; '''&raquo;UMTS Terrestrial Radio Access Network&laquo;'''&nbsp;  $\rm (UTRAN)$&nbsp; ensures radio transmission of data between the transport layer and the radio network layer.
  
[[File:P_ID1514__Bei_T_4_2_S3_v1.png|right|frame|Struktureller Aufbau eines UMTS-Netzes]]
+
The UTRAN includes the base stations and the control nodes, whose functions are mentioned below:
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*A&nbsp; "Node B"&nbsp; &ndash; as a UMTS base station is usually called &ndash;&nbsp; includes the antenna equipment as well as the CDMA receiver and is directly connected to the radio interfaces of the mobile equipment.&nbsp; Its tasks include data rate adaptation,&nbsp; data and channel encoding or decoding,&nbsp; interleaving,&nbsp; and modulation or demodulation. Each base station can power one or more cells.
  
Die beiden Modi erkennt man auch in der Zugangsebene des UMTS–Netzes im&nbsp; ''Core Network''&nbsp; (CN) wieder, die  nebenstehend dargestellt ist.  
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*The&nbsp; "Radio Network Controller"&nbsp; $\rm (RNC)$base station is responsible for controlling the base stations.&nbsp; Likewise,&nbsp; within the cells,&nbsp; it is responsible for call acceptance control,&nbsp; encryption and decryption,&nbsp; ATM switching,&nbsp; channel assignment, handover and power control.
  
Die Zugangsebene kann man in zwei Hauptblöcke unterteilen:
 
  
Das&nbsp; $\rm UMTS \ Terrestrial  \ Radio  \ Access \ Network  \ (UTRAN)$&nbsp; sichert die Funkübertragung von Daten zwischen der Transportebene und der Funknetzebene.  
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&rArr; &nbsp; The&nbsp; '''&raquo;Core Network&laquo;'''&nbsp; $\rm (UTRAN)$&nbsp; is responsible for switching the data  within the UMTS network&nbsp; $($both,&nbsp; circuit-switched&nbsp; and &nbsp;packet-switched$)$&nbsp;.  
  
Zum UTRAN gehören die Basisstationen und die Kontrollknoten, deren Funktionen nachfolgend genannt werden:
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For this purpose,&nbsp; it contains at&nbsp; <u>circuit-switched transmission</u>&nbsp; the following hardware and software components:
*Ein&nbsp; '''Node B'''&nbsp; – 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 &bdquo;Node B&rdquo; kann eine oder mehrere Zellen versorgen.
+
#The&nbsp; "Mobile Services Switching Center"&nbsp; $\rm (MSC)$&nbsp; is responsible for call routing,&nbsp; localization,&nbsp; authentication,&nbsp; handover and data encryption.
*Der&nbsp; '''Radio Network Controller'''&nbsp; (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.
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#The&nbsp; "Home Location Register"&nbsp; $\rm (HLR)$&nbsp; contains all subscriber data;&nbsp; tariff model,&nbsp; telephone number,&nbsp; authorizations and keys,&nbsp; ...
<br clear=all>
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#The&nbsp; "Visitor Location Register"&nbsp; $\rm (VLR)$&nbsp; contains information about locally registered users and copies of records from its HLR.&nbsp; This data is dynamic.
Das&nbsp; $\rm Core  \ Network  \  (CN)$&nbsp; ist für die Vermittlung der Daten&nbsp; (sowohl &nbsp;''circuit-switched''&nbsp; als auch &nbsp;''packet-switched'')&nbsp; innerhalb des UMTS–Netzes zuständig.  
 
  
Dazu enthält es bei&nbsp; ''Leitungsvermittlung''&nbsp; folgende Hardware– und Softwarekomponenten:
 
*Das&nbsp; '''Mobile Services Switching Center'''&nbsp; (MSC) ist zuständig für das Routing von Gesprächen, Lokalisierung, Authentifizierung, das Handover und die Verschlüsselung von Teilnehmerdaten.
 
*Das&nbsp; '''Home Location Register'''&nbsp; (HLR) enthält alle Teilnehmerdaten wie zum Beispiel Tarifmodell, Telefonnummer sowie die zugehörigen dienstspezifischen Berechtigungen und Schlüssel.
 
*Das&nbsp; '''Visitor Location Register'''&nbsp; (VLR) enthält Ortsinformationen über lokal registrierte Nutzer und Kopien der Datensätze aus dessen HLR. Diese Daten sind dynamisch:&nbsp; Sobald der Teilnehmer seinen Aufenthaltsort ändert, werden diese Informationen verändert.
 
  
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In&nbsp; <u>circuit-switched transmission</u>&nbsp; there are the following facilities or registers:
  
Bei&nbsp; ''paketvermittelter Übertragung''&nbsp; gibt es folgende Einrichtungen bzw. Register:
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#The&nbsp; "Serving GPRS Support Node"&nbsp; $\rm (SGSN)$&nbsp;  is responsible for routing and authentication instead of MSC and VLR and keeps a local copy of the user information.
*Der&nbsp; '''Serving GPRS Support Node'''&nbsp; (SGSN) ist anstelle von MSC und VLR zuständig für Routing und Authentifizierung und hält eine lokale Kopie der Teilnehmerinformationen gespeichert.
+
#The&nbsp; "Gateway GPRS Support Node" $\rm (GGSN)$&nbsp; there are transitions to other packet data networks such as the Internet.&nbsp; <br>Incoming packets are filtered by an integrated firewall and forwarded to the appropriate SGSN.
*Am&nbsp; '''Gateway GPRS Support Node'''&nbsp; (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.
+
#The&nbsp; "GPRS Register"&nbsp; $\rm (GR)$&nbsp; is part of the  HLR and contains additional information needed for packet-switched transmission.
*Das&nbsp; '''GPRS Register'''&nbsp; (GR) ist Teil des&nbsp; ''Home Location Register''&nbsp; (HLR) und enthält zusätzliche Informationen, die für die paketvermittelte Übertragung benötigt werden.
 
  
  
 
== Physical channels  ==
 
== Physical channels  ==
 
<br>
 
<br>
Physikalische Kanäle dienen der Kommunikation auf der physikalischen Ebene der Funkschnittstelle und werden innerhalb einer Basisstation (&bdquo;Node B&bdquo;) verarbeitet. Dabei unterscheidet man zwischen den&nbsp; ''dedizierten physikalischen Kanälen''&nbsp; und&nbsp; ''gemeinsam genutzten physikalischen Kanälen''.
+
Physical channels are used for communication on the physical level of the radio interface and are processed within a base station&nbsp; $($"Node B"$)$.&nbsp; A distinction is made between&nbsp; "dedicated physical channels"&nbsp; and&nbsp; "shared physical channels".
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[[File:EN_Bei_T_4_2_S4a_v1.png|right|frame|Construction of the dedicated physical channels]]
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[[File:EN_Bei_T_4_2_S4b.png|right|frame|Shared channels in UMTS]]
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[[File:P_ID1515__Bei_T_4_2_S4a_v1.png|right|frame|Aufbau der dedizierten physikalischen Kanäle]]
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The&nbsp; '''&raquo;dedicated physical channels&laquo;'''&nbsp; are permanently assigned to individual communication partners.&nbsp; These include:
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#Dedicated Physical Data Channel&nbsp; $($'''DPDCH'''$)$&nbsp; &ndash; This is a unidirectional uplink channel that transports payload and signaling data from higher layers.
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#Dedicated Physical Control Channel&nbsp; $($'''DPCCH'''$)$&nbsp; &ndash; This control channel contains physical layer information for transmission control,&nbsp; line control commands,&nbsp; and transport format indicators,&nbsp; ...
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#Dedicated Physical Channel&nbsp; $($'''DPCH'''$)$&nbsp; &ndash; This channel includes the&nbsp; '''DPDCH'''&nbsp; and the&nbsp; '''DPCCH'''&nbsp; in the downlink and has a length of&nbsp; $2560$&nbsp; chips.
  
Die&nbsp; $\rm dedizierten \  physikalischen  \  Kanäle$&nbsp; werden einzelnen Kommunikationspartnern fest zugewiesen. Zu diesen gehören:
 
*''Dedicated Physical Data Channel''&nbsp; ('''DPDCH''')&nbsp; – Dabei handelt es sich um einen unidirektionalen Uplink–Kanal, der Nutz– und Signalisierungsdaten aus höheren Schichten transportiert.
 
*''Dedicated Physical Control Channel''&nbsp; ('''DPCCH''')&nbsp; – 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''&nbsp; ('''DPCH''')&nbsp; – Dieser Kanal umfasst den '''DPDCH''' und den '''DPCCH''' im Downlink und hat eine Länge von&nbsp; $2560$&nbsp; Chips.
 
  
 +
The diagram shows the structural design of the&nbsp; '''DPDCH'''&nbsp; (blue),&nbsp; of the&nbsp; '''DPCCH'''&nbsp; (red)&nbsp; as well as the enveloping&nbsp; '''DPCH'''&nbsp; (black).
  
Die Grafik zeigt den strukturellen Aufbau des '''DPDCH''' (blau), des '''DPCCH''' (rot) sowie des einhüllenden '''DPCH'''.
+
*In the&nbsp; '''DPCH''',&nbsp; $15 \cdot 2560 = 38400$&nbsp; chips are transmitted in&nbsp; $10 \ \rm ms$,&nbsp;  resulting in the chip rate&nbsp; $3.84 \ \rm Mchip/s$.
 +
 
 +
*The user data in the&nbsp; '''DPDCH'''&nbsp; is split and per time slot are transmitted&nbsp; $($depending on the spreading factor&nbsp; $J)$&nbsp;  between&nbsp; $10$&nbsp; bits&nbsp; $($if&nbsp; $J = 256)$&nbsp; and&nbsp; $640$&nbsp;bits&nbsp; $($if&nbsp; $J = 4)$.
 +
 
 +
*In the&nbsp; '''DPCCH''',&nbsp; ten control bits are transmitted uniformly per time slot.
  
*Im '''DPCH''' werden in&nbsp; $10 \ \rm ms$&nbsp; genau&nbsp; $15 · 2560 = 38400$&nbsp; Chips übertragen, woraus sich für die Chiprate&nbsp; $3.84 \ \rm Mchip/s$&nbsp; ergibt.
 
*Die Nutzdaten im '''DPDCH''' werden aufgesplittet und pro Zeitschlitz werden – je nach Spreizfaktor&nbsp; $J$&nbsp; – zwischen&nbsp; $10$&nbsp; Bit&nbsp; $($falls&nbsp;  $J = 256 )$&nbsp; und&nbsp; $640$&nbsp;Bit&nbsp; $($falls&nbsp;  $J = 4)$&nbsp; Bit übertragen.
 
*Im '''DPCCH''' werden einheitlich pro Zeitschlitz zehn Kontrollbits übertragen.
 
<br clear=all>
 
In der Tabelle sind die von allen Teilnehmern&nbsp; $\rm gemeinsam \  genutzten  \  physikalischen  \  Kanäle$&nbsp; aufgelistet.
 
  
[[File:P_ID1516__Bei_T_4_2_S4b.png|right|frame|Gemeinsam genutzte Kanäle in UMTS]]
+
The table lists the&nbsp;  '''&raquo;shared physical channels&laquo;'''&nbsp; by all participants.&nbsp; The following describes the characteristics of some selected channels:
Im Folgenden werden die Eigenschaften einiger ausgewählter Kanäle beschrieben:
+
#The&nbsp; '''CCPCH'''&nbsp; is a downlink channel with two subchannels:&nbsp; The&nbsp; "P-CCPCH"&nbsp; contains data necessary for operation within a radio cell,&nbsp; while the&nbsp; "S-CCPCH"&nbsp; contains data responsible for the paging procedure and for the transport of control data.
*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.
+
#The&nbsp; '''PDSCH'''&nbsp; and the&nbsp; '''PUSCH'''&nbsp; are shared channels that can transport both payload and control data.&nbsp; The first is solely responsible for the downlink,&nbsp; the second for the uplink.
*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.
+
#The&nbsp; '''PRACH'''&nbsp; controls the message transmission of the random access channel&nbsp; '''RACH''',&nbsp; while the&nbsp; '''PCPCH'''&nbsp; is responsible for transporting data packets using the CDMA/CDM method.
*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:
+
The following channels are responsible for the control and synchronization of the overall system:
* Der '''CPICH''' ermittelt die Zugehörigkeit der Mobilstation zu einer Basisstation.  
+
#The&nbsp; '''CPICH'''&nbsp; determines the affiliation of the mobile  to a base station.  
*Der '''SCH''' dient zur Zellsuche und Synchronisation der Mobilstation.
+
#The&nbsp; '''SCH'''&nbsp; is used for cell search and synchronization of the mobile station.
*Der '''AICH''' überprüft und ermittelt die Verfügbarkeit des Systems.  
+
#The&nbsp; '''AICH'''&nbsp; checks and determines the availability of the system.  
*Der '''PICH''' ist für den Funkruf bei der Teilnehmerlokalisierung zuständig.
+
#The&nbsp; '''PICH'''&nbsp; is responsible for paging during subscriber localization.
 
   
 
   
  
  
==Logische Kanäle ==  
+
==Logical channels ==  
 
<br>
 
<br>
Die logischen Kanäle befinden sich in der MAC (''Medium Access Control'')–Referenzschicht und werden durch den Typ der übertragenen Daten gekennzeichnet.  
+
The logical channels are located in the&nbsp; $\rm MAC$&nbsp; $($"Medium Access Control"$)$&nbsp; reference layer and are identified by the type of  the transmitted data.
 +
 
 +
[[File:EN_Bei_T_4_2_S5.png|right|frame|Logical channels in UMTS]]
 +
The logical channels compiled in the table can be divided into two classes,&nbsp; namely.
 +
 
 +
:*&nbsp;'''&raquo;Control Channels&laquo;''' $($ending with&nbsp; "CCH"$)$:
 +
:#Control information&nbsp; $($"BCCH"$)$&nbsp; as well as paging information&nbsp; $($"PCCH"$)$&nbsp; are transported via the control channels.
 +
:#Subscriber-specific signaling data&nbsp; $($"DCCH"$)$&nbsp; or transport information can also be exchanged between subscriber devices and the UTRAN&nbsp; $($"CCCH"$)$&nbsp; over this.  
  
[[File:P_ID1517__Bei_T_4_2_S5.png|right|frame|Logische Kanäle in UMTS]]
 
Die in der Tabelle zusammengestellten logischen Kanäle lassen sich in zwei Klassen unterteilen, nämlich in
 
  
*Kontrollkanäle&nbsp; (''Control Channels''):
+
:*&nbsp;'''&raquo;Traffic Channels&laquo;''' $($ending with&nbsp; "TCH"$)$:
:Über die&nbsp; '''Kontrollkanäle'''&nbsp; (mit Endung '''CCH''')&nbsp; werden sowohl Kontrollinformationen&nbsp; ('''BCCH''')&nbsp; als auch Paging–Informationen&nbsp; ('''PCCH''')&nbsp; transportiert. Darüber können auch teilnehmerspezifische Signalisierungsdaten&nbsp; ('''DCCH''')&nbsp; oder Transportinformationen zwischen den Teilnehmergeräten und dem UTRAN&nbsp; ('''CCCH''')&nbsp; ausgetauscht werden.
+
:#Subscriber information is exchanged over the traffic channels.
*Verkehrskanäle&nbsp; (''Traffic Channels''):
+
:#While the&nbsp; "DTCH"&nbsp; can be assigned individually to a mobile subscriber for user data transport,&nbsp; a&nbsp; "CTCH"&nbsp;&nbsp; is predominantly assigned to all or to a predefined subscriber group.
:Über die&nbsp; '''Verkehrskanäle'''&nbsp; (mit Endung&nbsp; '''TCH''')&nbsp; werden Teilnehmerinformationen ausgetauscht. Während der&nbsp; '''DTCH'''&nbsp; einem mobilen Teilnehmer zum Nutzdatentransport individuell zugewiesen werden kann, wird ein&nbsp; '''CTCH'''&nbsp; vorwiegend an alle oder an eine vordefinierte Teilnehmergruppe  vergeben.
 
 
<br clear=all>  
 
<br clear=all>  
== Transportkanäle ==  
+
== Transport channels ==  
 
<br>
 
<br>
Transportkanäle befinden sich in der physikalischen Schicht des&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/OSI-Modell ISO/OSI–Schichtenmodells]. Sie
+
Transport channels are located in the physical layer of the&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/OSI_model "ISO/OSI layer model"].&nbsp; They
*werden durch die Parameter der Datenübertragung (z.B. die Datenrate) gekennzeichnet,
+
*are characterized by the parameters of the data transmission&nbsp; $($e.g. the data rate$)$,
*gewährleisten die gewünschten Anforderungen bezüglich der Fehlerschutzmechanismen, und
+
 
*legen die Art der Datenübertragung – so zu sagen das „WIE” – fest.
+
*ensure the desired requirements regarding error protection mechanisms,&nbsp; and
  
 +
*determine the type of data transmission &ndash; the&nbsp; "how",&nbsp; so to speak.
  
Man unterscheidet zwei Klassen von Transportkanälen, nämlich dedizierte und gemeinsam genutzte Transportkanäle.
 
  
Zur Klasse der&nbsp; $\rm dedizierten \ Transportkanäle$&nbsp; (''Dedicated Transport Channels'' – '''DTCH''') gehören die&nbsp; ''Dedicated Channels''&nbsp; ('''DCH'''), die Teilnehmern fest zugewiesen werden.
+
Two classes of transport channels are distinguished,&nbsp; namely&nbsp; "dedicated transport channels"&nbsp; and&nbsp; "shared transport channels".
*Ein&nbsp; '''DCH'''&nbsp; transportiert sowohl Nutzdaten als auch Kontrolldaten (Handover–Daten, Messdaten, ...) an die höheren Schichten, in denen sie dann interpretiert und verarbeitet werden.
 
  
 +
The class of&nbsp; '''&raquo;dedicated  transport channels&laquo;'''&nbsp; $\rm (DTCH)$:
 +
#This class includes the&nbsp; "dedicated channels"&nbsp; $($"DCH"$)$,&nbsp; which are permanently assigned to participants.
 +
#DCH&nbsp; transports both user data and control data&nbsp; $($handover data,&nbsp; measurement data, ...$)$&nbsp; to the higher layers,&nbsp; where they are then interpreted and processed.
  
Zu den&nbsp; $\rm gemeinsam \  genutzten \ Transportkanälen$&nbsp; (''Common Transport Channels''&nbsp; – '''CTCH''')&nbsp; gehören beispielsweise:
 
*Der&nbsp; ''Broadcast Channel''&nbsp; ('''BCH''')&nbsp; ist ein Downlink–Kanal, der netzbetreiberspezifische Daten der Funkzelle&nbsp; (zum Beispiel:&nbsp; ''Access Random Codes''&nbsp; zur Signalisierung eines Verbindungsaufbaus)&nbsp; an die Teilnehmer verteilt. Charakteristisch ist seine relativ hohe Leistung und niedrige Datenrate $($nur&nbsp; $\text{3.4 kbit/s)}$, um allen Nutzern einen möglichst fehlerfreien Empfang und hohen Prozessgewinn zu ermöglichen.
 
*Der&nbsp; ''Forward Access Channel''&nbsp; ('''FACH''')&nbsp; 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&nbsp; ''Random Access Channel''&nbsp; ('''RACH''')&nbsp; 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&nbsp; ''Common Packet Channel''&nbsp; ('''CPCH''')&nbsp; ist ein unidirektionaler Uplink–Datenkanalfür paketorientierte Dienste und eine Erweiterung des RACH–Kanals.
 
*Der&nbsp; ''Paging Channel''&nbsp; ('''PCH''')&nbsp; ist ein unidirektionaler Downlink–Kanal zur Lokalisierung eines Teilnehmers mit Daten für die Paging–Prozedur.
 
  
 +
The&nbsp; '''&raquo;common  transport channels&laquo;'''&nbsp; $\rm (CTCH)$&nbsp; include,&nbsp; for example:
 +
#The&nbsp; "Broadcast Channel"&nbsp; $($"BCH"$)$&nbsp; is a downlink channel that distributes network operator-specific radio cell data to the subscribers.&nbsp; It is characterized by its relatively high power and low data rate&nbsp; $($only&nbsp; $\text{3.4 kbit/s)}$,&nbsp; in order to provide all users with the most error-free reception and high process gain.
 +
#The&nbsp; "Forward Access Channel"&nbsp; $($"FACH"$)$&nbsp; is a downlink channel,&nbsp; responsible for transporting control data.&nbsp; <br>A cell may contain several FACH channels,&nbsp; one of which must have a low data rate to allow all users to evaluate its data.
 +
#The&nbsp; "Random Access Channel"&nbsp; $($"RACH"$)$&nbsp; is a unidirectional uplink channel.&nbsp; The subscriber can use it to express the desire to establish a radio link.&nbsp; <br>It can also be used to transmit small amounts of data.
 +
#The&nbsp; "Common Packet Channel"&nbsp; $($"CPCH"$)$&nbsp; is a unidirectional uplink data channel for packet-oriented services and an extension of the RACH channel.
 +
#The&nbsp; "Paging Channel"&nbsp; $($"PCH"$)$&nbsp; is a unidirectional downlink channel for locating a subscriber with data for the paging procedure.
  
[[File:P_ID1523__Bei_T_4_2_S6_v1.png|right|frame|Verbindungsaufbau bei UMTS]]
 
{{GraueBox|TEXT= 
 
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp;
 
Die Grafik soll die Interaktion zwischen den Transportkanälen &nbsp;'''RACH'''&nbsp; und &nbsp;'''FACH'''&nbsp; mit den logischen Kanälen &nbsp;'''CCCH'''&nbsp; und &nbsp;'''DCCH'''&nbsp; bei einem einfachen Verbindungsaufbau erläutern.
 
  
Einige Erklärungen zu diesem Schaubild:
+
{{GraueBox|TEXT=
*Ein mobiler Teilnehmer&nbsp; (''Mobile Equipment'', ME)&nbsp; äußert den Wunsch für einen Verbindungsaufbau. Als erstes wird dann mit Hilfe des logischen Kanals&nbsp;   '''CCCH'''&nbsp; und des Transportkanals&nbsp;   '''RACH'''&nbsp; eine Verbindungsanfrage über den UTRAN an den&nbsp; ''Radio Network Controller''&nbsp; (RNC) gesendet.
+
[[File:EN_Bei_T_4_2_S6aaa.png|right|frame|Connection setup for UMTS]]
*Hierzu wird das&nbsp; '''RRC'''–Protokoll&nbsp; (''Radio Resource Control'')&nbsp; verwendet, das die Aufgabe hat, die Signalisierung zwischen dem Teilnehmer und UTRAN/RNC zu gewährleisten.
+
$\text{Example 1:}$&nbsp;
*Der&nbsp; ''Radio Network Controller''&nbsp; (RNC) antwortet auf diese Anfrage über den Transportkanal&nbsp;   '''FACH'''. Dabei werden dem Teilnehmer die nötigen Kontrolldaten für den Verbindungsaufbau übersendet.
+
This diagram is intended to explain the interaction between the transport channels &nbsp;"RACH"&nbsp; and &nbsp;"FACH"&nbsp; with the logical channels &nbsp;"CCCH"&nbsp; and &nbsp;"DCCH"&nbsp; in a simple call setup.
*Erst danach wird die Verbindung mit Hilfe des logischen Kanals&nbsp; '''DCCH'''&nbsp; tatsächlich aufgebaut.}}
+
 
 +
Some explanations of this diagram:
 +
 
 +
*A mobile equipment&nbsp;$\rm  (ME)$&nbsp; expresses a request for a connection setup.  
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 +
*First,&nbsp; using the logical channel&nbsp; '''CCCH'''&nbsp; and the transport channel&nbsp; '''RACH'''&nbsp; a connection request is then sent via the UTRAN to the&nbsp; radio network controller''&nbsp; $\rm (RNC)$.
 +
 
 +
*For this purpose,&nbsp; the&nbsp; '''RRC''' protocol&nbsp; $($"Radio Resource Control"$)$&nbsp; is used,&nbsp; which has the task of providing signaling between the subscriber and UTRAN/RNC.
 +
 
 +
*The&nbsp; "Radio Network Controller"&nbsp; $\rm (RNC)$&nbsp; responds to this request via the transport channel&nbsp; '''FACH'''.&nbsp; Thereby the necessary control data for the connection setup is sent to the subscriber.
 +
 
 +
*Only then the connection is actually established using the logical channel&nbsp; '''DCCH'''&nbsp; }}.
  
  
==Kommunikation innerhalb des ISO/OSI–Schichtenmodells==   
+
==Communication within the ISO/OSI layer model==   
 
<br>
 
<br>
Die Kommunikation zwischen den verschiedenen Schichten des ISO/OSI–Modells wird durch die auf den letzten Seiten vorgestellten logischen, physikalischen und Transport–Kanäle sichergestellt.  
+
Communication between the different layers of the ISO/OSI model is ensured by the logical, physical and transport channels presented in the last sections.  
  
[[File:P_ID1518__Bei_T_4_2_S7a_87.png|right|frame|Abbildung der Kanäle bei UMTS]]  
+
[[File:EN_Bei_T_4_2_S7a_87.png|right|frame|Physical,&nbsp; logical and transport channels in UMTS]]  
Die Grafik rechts zeigt die Struktur sowohl für die Aufwärtsrichtung (Uplink) als auch für die Abwärtsrichtung (Downlink).
+
The graph on the right shows the structure for both,&nbsp; the uplink and downlink directions.
  
Um die Funktionsfähigkeit und den Datenaustausch innerhalb des Gesamtmodells zu garantieren, müssen diese entsprechend der Grafik aufeinander abgebildet werden:
+
To guarantee functionality and data exchange within the overall model,&nbsp; these must be mapped to each other according to the graph:
*Zunächst erfolgt die Abbildung des logischen Kanals auf den Transportkanal,
+
*First,&nbsp; the logical channel is mapped to the transport channel,
*danach die Abbildung des Transportkanals auf einen physikalischen Kanal.
 
  
 +
*then the mapping of the transport channel to the physical channel.
  
  
[[File:P_ID1519__Bei_T_4_2_S7b_v1.png|left|frame|Ausschnitt aus dem ISO/OSI–Schichtenmodell]]  
+
 
 +
[[File:EN_Bei_T_4_2_S7b_88.png|left|frame|Excerpt from the ISO/OSI layer model]]  
 
<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>
 
<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>
Die untere (linke) Grafik soll einen Gesamtüberblick über die Struktur der drei untersten Schichten des ISO/OSI–Modells geben und die Interaktionen der verschiedenen Kanalarten vermitteln.
+
The lower&nbsp; (left)&nbsp; graphic is intended to give an overall view of the structure of the three lowest layers of the ISO/OSI model and to convey the interactions of the different channel types.
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
== Zellulare Architektur von UMTS ==  
+
== Cellular architecture of UMTS ==  
 
<br>
 
<br>
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&nbsp; $($Trägerfrequenz um&nbsp; $\text{2 GHz)}$&nbsp; deutlich kleiner als bei GSM&nbsp; $($Trägerfrequenz um&nbsp; $\text{900 MHz)}$, da bei gleicher Sendeleistung die Reichweite von Funksignalen mit steigender Frequenz abnimmt.
+
To enable a nationwide network with low transmission power and sufficient frequency economy,&nbsp; radio cells are also set up in UMTS,&nbsp; as in GSM.  
 +
*The radio cells in the UMTS network&nbsp; $($carrier frequency&nbsp; $\text{2 GHz)}$&nbsp; are significantly smaller than in GSM&nbsp; $($carrier frequency&nbsp; $\text{900 MHz)}$,  
 +
 
 +
*since the range of radio signals decreases with increasing frequency for the same transmission power.
 +
[[File:EN_Bei_T_4_2_S8.png|right|frame|Cell structure in UMTS]]
 +
 
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The graph shows the&nbsp; '''cell structure'''&nbsp; of UMTS. One recognizes from it a hierarchical structure and three types of radio cells:
  
Die Grafik zeigt die&nbsp; '''Zellenstruktur'''&nbsp; von UMTS. Man erkennt daraus einen hierarchischen Aufbau und drei Typen von Funkzellen:
+
*'''&raquo;Macrocells&laquo;'''&nbsp; are the largest cells with a diameter of four to six kilometers.  
[[File:P_ID1520__Bei_T_4_2_S8a_60.png|right|frame|Zellenaufbau bei UMTS]]
+
#&nbsp;They allow relatively fast movements.  
*'''Makrozellen'''&nbsp; sind mit vier bis sechs Kilometer Durchmesser die größten Zellen. Sie erlauben relativ schnelle Bewegungungen. Beispielsweise ist eine Bewegungsgeschwindigkeit bis zu maximal&nbsp; $500\ \rm km/h$&nbsp; zulässig, wenn die Datenrate&nbsp; $144 \ \rm kbit/s$&nbsp; beträgt. Eine Makrozelle kann möglicherweise eine Vielzahl von Mikro– und Pikozellen überlagern.
+
#&nbsp;For example,&nbsp; a movement speed up to&nbsp; $500\ \rm km/h$&nbsp; is allowed if the data rate is&nbsp; $144 \ \rm kbit/s$.
*'''Mikrozellen'''&nbsp; sind mit ein bis zwei Kilometer Durchmesser deutlich kleiner als Makrozellen. Sie erlauben höhere Datenraten bis&nbsp; $384 \ \rm kbit/s$, dafür aber nur langsamere Bewegungsgeschwindigkeiten. Zum Beispiel ist bei der maximalen Datenrate die maximal zulässige Geschwindigkeit nur noch&nbsp; $120\ \rm   km/h$. Eine Mikrozelle überlagert keine, eine oder eine Vielzahl von Pikozellen.
+
#&nbsp;A macrocell can potentially overlay a large number of microcells and picocells.
*'''Pikozellen'''&nbsp; versorgen nur sehr kleine Gebiete mit etwa&nbsp; $100$&nbsp; Meter Durchmesser, aber sehr hohem Datenaufkommen. Sie werden in hochverdichteten Orten wie zum Beispiel Flughäfen, Stadien, usw. eingesetzt. Zulässig sind theoretisch Datenraten bis&nbsp; $2\ \rm   Mbit/s$.
+
 
 +
*'''&raquo;Microcells&laquo;'''&nbsp; are much smaller than macrocells at one to two kilometers in diameter.  
 +
#&nbsp;They allow higher data rates up to&nbsp; $384 \rm kbit/s$,&nbsp; but only slower movement speeds.  
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#&nbsp;For example,&nbsp; at the maximum data rate,&nbsp; the maximum allowed speed is only&nbsp; $120\ \rm km/h$.  
 +
#&nbsp;A microcell overlays none,&nbsp; one,&nbsp; or a plurality of picocells.
 +
 
 +
*'''&raquo;Picocells&laquo;'''&nbsp; serve only very small areas about&nbsp; $100$&nbsp; meters in diameter,&nbsp; but very high data volumes.  
 +
#&nbsp;They are used in high density locations such as airports,&nbsp; stadiums,&nbsp; and so on.  
 +
#&nbsp;Data rates up to&nbsp; $2\ \rm Mbit/s$&nbsp; are theoretically allowed.
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
Da UMTS als Vielfachzugriffsverfahren&nbsp; [[Modulationsverfahren/Aufgaben_und_Klassifizierung#FDMA.2C_TDMA_und_CDMA|Code Division Multiple Access]]&nbsp; (CDMA) verwendet, benutzen alle Teilnehmer den gleichen Frequenzkanal. Dies resultiert in einer relativ hohen Interferenzleistung und einem sehr niedrigen&nbsp; ''Träger–zu–Interferenz–Abstand''&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Carrier–to–Interference Ratio'', CIR). Dieser ist zumindest deutlich kleiner als bei&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_GSM|GSM]], das auf FDMA und TDMA basiert.
+
Since UMTS uses as multiple access method&nbsp; [[Modulation_Methods/Tasks_and_Classification#FDMA.2C_TDMA.2C_and_CDMA|"Code Division Multiple Access"]]&nbsp; $\rm (CDMA)$,&nbsp; all subscribers use the same frequency channel.
 +
*This results in a relatively high interference power and a very low carrier-to-interference ratio&nbsp; $\rm (CIR)$.  
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 +
*This is at least significantly smaller than for&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_GSM|"GSM"]],&nbsp; which is based on FDMA and TDMA.
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 +
*A low CIR can significantly impair transmission quality,&nbsp; namely when signals from different subscribers destructively overlap,&nbsp; resulting in information loss.
  
Ein niedriges CIR kann die Übertragungsqualität erheblich beeinträchtigen, nämlich dann, wenn sich die Signale unterschiedlicher Teilnehmer destruktiv überlagern, was zu Informationsverlust führt.
 
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Man unterscheidet zwei Arten von Interferenzen::}$&nbsp;
+
$\text{There are two types of interference:}$&nbsp;
 +
 
 +
*'''&raquo;Intracell interference&laquo;'''&nbsp; occurs when multiple subscribers within the same cell use the same frequency channel.
 +
 
 +
*'''&raquo;Intercell interference&laquo;'''&nbsp; occurs when subscribers of different cells use the same frequency channel}}.
 +
 
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:EN Mob T 3 2 S2a.png|right|frame|To illustrate intra- and intercellular interference|class=fit]] 
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp;
 +
The graph illustrates both types of cell interference:
  
*$\rm Intrazellinterferenz$&nbsp; entsteht durch die Verwendung des gleichen Frequenzkanals von mehreren Teilnehmern innerhalb der gleichen Zelle.
+
*In the left cell,&nbsp; there is&nbsp; "intracell interference"&nbsp; when the two frequencies&nbsp; $f_1$&nbsp; and&nbsp; $f_2$&nbsp; are identical.
*$\rm Interzellinterferenz$&nbsp; tritt auf, wenn Teilnehmer verschiedener Zellen den gleichen Frequenzkanal benutzen.}}
 
  
 +
*In contrast,&nbsp; there is&nbsp; "intercell interference"&nbsp; when the same frequencies are used in the right radio cells&nbsp; $(f_3 = f_4)$.
  
[[File:P_ID1521__Bei_T_4_2_S10_v1.png|right|frame|Interzellinterferenz vs. Intrazellinterferenz]]
 
{{GraueBox|TEXT= 
 
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp;
 
Die Grafik veranschaulicht beide Arten der Zellinterferenz.
 
*In der linken Zelle kommt es zu&nbsp; ''<u>Intra</u>zellinterferenzen'', wenn die beiden Frequenzen&nbsp; $f_1$&nbsp; und&nbsp; $f_2$&nbsp; identisch sind.
 
  
  
*Dagegen gibt es&nbsp; ''<u>Inter</u>zellinterferenz'', wenn in den beiden rechten Funkzellen gleiche Frequenzen verwendet werden&nbsp; $(f_3 = f_4)$.
 
  
  
 +
&rArr; &nbsp; Intracell interference is usually more severe than intercell interference
 +
*because of the close spacing of intracell interferers,
  
Intrazellinterferenzen sind wegen des geringen Abstands der Intrazellstörer meistens gravierender als Interzellinterferenzen, das heißt, sie bewirken ein deutlich kleineres&nbsp; ''Carrier–to–Interference Ratio'' (CIR).}}
+
*that is,&nbsp; it causes a much smaller&nbsp; "'carrier-to-interference ratio"&nbsp; $\rm (CIR)$.}}
  
 
== What is cell breathing? ==  
 
== What is cell breathing? ==  
 
<br>
 
<br>
Um den Einfluss der Interferenzleistung auf die Übertragungsqualität zu begrenzen, wird bei UMTS die so genannte&nbsp; $\rm Zellatmung$&nbsp; eingesetzt. Diese lässt sich wie folgt beschreiben:
+
In order to limit the influence of the interference power on the transmission quality,&nbsp; the so-called&nbsp; '''&raquo;cell breathing&laquo;'''&nbsp; is used in UMTS.&nbsp; This can be described as follows:
*Nimmt die Anzahl der aktiven Teilnehmer und damit die aktuelle Interferenzleistung zu, so wird der Zellenradius verkleinert.
+
*If the number of active subscribers and thus the current interference power increases,&nbsp; the cell radius is reduced.
*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.
+
*Since fewer subscribers are now transmitting in the cell,&nbsp; the interfering influence of intracell interference is thus also reduced.
 +
 
 +
*The less loaded neighboring cell then steps in to supply the subscribers standing at the edge of a busy cell.
 +
 
 +
*For the supply of the users at the edge of a busy cell,&nbsp; a less busy neighboring cell steps in.
  
  
Eine Alternative zur Zellatmung ist, dass man die Gesamtsendeleistung innerhalb der Zelle verringert, was allerdings auch eine Reduzierung der Sende– und damit auch der Empfangsqualität bedeutet.
+
&nbsp; &rArr; &nbsp; An alternative to&nbsp; "cell breathing"&nbsp; is to reduce the total transmitted power within the cell,&nbsp; which,&nbsp; however, also means a reduction in the transmission quality.
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 3:}$&nbsp;
+
$\text{Example 3:}$&nbsp;
In der Grafik erkennt man, dass die Anzahl der aktiven Teilnehmer (pro Flächeneinheit) im Versorgungsgebiet von links nach rechts zunimmt.
+
In the graph,&nbsp; we can see that the number of active subscribers&nbsp; $($per unit area$)$&nbsp; in the coverage area increases from left to right.
  
[[File:P_ID1522__Bei_T_4_2_S8b_v1.png|right|frame|Zur Verdeutlichung von &bdquo;Zellatmung&rdquo; bei UMTS]]  
+
[[File:EN_Bei_T_4_2_S8b.png|right|frame|To illustrate&nbsp; "cell breathing"&nbsp; in 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.
+
*If one leaves the cell size the same,&nbsp; there are more active subscribers in the cell than before and accordingly the quality decreases significantly due to intracell interference.
*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:&nbsp; sieben) und die Qualität bleibt (in etwa) erhalten.}}
+
 
 +
 
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*If,&nbsp; on the other hand,&nbsp; the cell size is reduced to the same extent as the number of subscribers increases,&nbsp; there are no more active subscribers in a cell than before&nbsp; $($according to this sketch:&nbsp; seven$)$&nbsp; and the quality remains&nbsp; $($approximately$)$&nbsp; the same}}.
  
  
 
==Handover in UMTS ==  
 
==Handover in UMTS ==  
 
<br>
 
<br>
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:
+
In order to make the transition between different cells appear as uninterrupted as possible for mobile subscribers,&nbsp; a handover is used for circuit-switched UMTS services &ndash; as with GSM.&nbsp; A distinction is made between two types in UMTS:
*$\rm Hard \ Handover$: &nbsp; Hierbei wird zu einem bestimmten Zeitpunkt die Verbindung hart zu einem anderen &bdquo;Node B&rdquo; umgeschaltet. Diese Art von Handover geschieht im TDD–Modus während des Umschaltens zwischen Sender und Empfänger.
+
*'''&raquo;Hard Handover&laquo;''': &nbsp; Here the connection is switched hard to another node B at a certain point in time.&nbsp; This type of handover happens in the time division duplex mode&nbsp; $\rm (TDD)$&nbsp; during the switchover between transmitter and receiver.
*$\rm Soft \ Handover$: &nbsp; Dabei kann ein Mobiltelefon mit bis zu drei Basisstationen kommunizieren. Die Übergabe eines Teilnehmers von einem &bdquo;Node B&rdquo; zu einem anderen erfolgt allmählich, bis der Teilnehmer diesen Bereich endgültig verlässt. Man spricht in diesem Zusammenhang von&nbsp; ''Makrodiversität''.
 
  
 +
*'''&raquo;Soft  Handover&laquo;''': &nbsp; In this process,&nbsp; a mobile can communicate simultaneously with up to three base stations.&nbsp; The handover of a subscriber from one node B to another takes place gradually until the subscriber finally leaves this area.&nbsp; In this context,&nbsp; one speaks of&nbsp; "macrodiversity".
  
Die&nbsp; ''Downlink–Daten''&nbsp; werden im&nbsp; ''Radio Network Controller''&nbsp; (RNC) aufgeteilt&nbsp; (''Splitting''), über die beteiligten Basisstationen ausgestrahlt und in der Mobilstation wieder zusammengesetzt&nbsp; (''Rake Processing'').
 
  
Im&nbsp; ''Uplink''&nbsp; werden hingegen die gesendeten Daten von allen beteiligten Basisstationen empfangen. Die Zusammenlegung der Daten&nbsp; (''Soft Combining'')&nbsp; findet im RNC statt. Dieser leitet anschließend die Daten an das&nbsp; ''Core Network''&nbsp; (CN) weiter.
+
The downlink data&nbsp;  
 +
*is split in the&nbsp; radio network controller&nbsp; $\rm (RNC)$,&nbsp;
 +
* broadcast over the participating base stations,&nbsp; and
 +
*reassembled in the mobile station&nbsp; $($"Rake processing"$)$.
  
Man unterscheidet bei&nbsp; ''Soft Handover''&nbsp; drei Sonderfälle:
 
*Bei&nbsp; '''Softer Handover'''&nbsp; wird ein Teilnehmer über verschiedene Pfade der gleichen Basisstation versorgt.
 
*Dagegen geschieht bei&nbsp; '''Intra–RNC Handover'''&nbsp; die Versorgung der Teilnehmer über zwei verschiedene Basisstationen, die an denselben RNC angeschlossen sind. <br>Das&nbsp; ''Combining und Splitting''&nbsp; der Daten findet in dem gemeinsamen RNC statt.
 
*Ist der Teilnehmer in einem Gebiet, das von zwei benachbarten&nbsp; ''Radio Network Controllern''&nbsp; verwaltet wird, so liegt '''Inter–RNC Handover''' vor.
 
**Der erste RNC &nbsp; &rArr; &nbsp; ''Serving RNC''&nbsp; (SRNC) übernimmt die Kommunikation mit dem&nbsp; ''Core Network''&nbsp; und ist für&nbsp; ''Combining und Splitting''&nbsp; verantwortlich.
 
**Der zweite RNC &nbsp; &rArr; &nbsp; ''Drift RNC''&nbsp; (DRNC) übernimmt die Kommunikation mit dem&nbsp; SRNC&nbsp; und mit dem von ihm verwalteten &bdquo;Node B&rdquo;.
 
  
 +
However,&nbsp; in the&nbsp; uplink:&nbsp;
 +
*The transmitted data is received by all participating base stations.
 +
*The soft combining of the data takes place in the radio network controller&nbsp; $\rm  (RNC)$.
 +
*This then forwards the data to the&nbsp; core network&nbsp; $\rm (CN)$.
  
[[File:P_ID1524__Bei_T_4_1_S10.png|right|frame|Zur Verdeutlichung verschiedener Handover&ndash;Strategien]]
 
{{GraueBox|TEXT= 
 
$\text{Beispiel 4:}$&nbsp;
 
Wir gehen von folgendem Szenario aus. Das Fahrzeug startet bei&nbsp; $\rm A$,  bewegt sich nach rechts und passiert verschiedene Basisstationen, die jeweils mit einem&nbsp; ''Radio Network Controller''&nbsp; (RNC) verbunden sind. Die Buchstaben markieren verschiedene Fahrzeugpositionen.
 
  
* Bei den Positionen&nbsp;  $\rm A$,&nbsp; $\rm C$,&nbsp; $\rm E$,&nbsp; $\rm G$,&nbsp; $\rm I$&nbsp; und&nbsp; $\rm K$&nbsp; gibt es stets nur eine RNC–Verbindung, also auch&nbsp; ''kein Handover''.
+
A distinction is made between three special cases of&nbsp; "soft handover":
* Bei&nbsp; $\rm B$,&nbsp; $\rm F$&nbsp; und&nbsp; $\rm J$&nbsp; ist das Fahrzeug mit zwei Basisstationen des gleichen  RNC in Kontakt &nbsp; &rArr; &nbsp; ''Intra–RNC Handover''.
+
*With&nbsp; '''&raquo;Softer Handover&laquo;'''&nbsp; a subscriber is supplied via different paths of the same base station.
*Bei&nbsp; $\rm D$&nbsp; und&nbsp; $\rm H$&nbsp; ist das Fahrzeug mit zwei Basisstationen zweier  RNCs in Kontakt &nbsp; &rArr; &nbsp; ''Inter–RNC Handover''.
+
   
*Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass die Koordination der beiden RNCs durch das&nbsp; ''Core Network''&nbsp; (CN) funkioniert. Ansonsten: &nbsp; ''Hard Handover''.}}
+
*on the other hand,&nbsp; '''&raquo;Intra-RNC Handover&laquo;'''&nbsp; involves supplying the subscribers via two different base stations connected to the same RNC.&nbsp; The&nbsp; combining and splitting&nbsp; of the data takes place in the common RNC.
 +
 
 +
*'''&raquo;Inter-RNC Handover&laquo;'''&nbsp; is present,&nbsp; if the subscriber is in an area managed by two adjacent&nbsp; radio network controllers: 
 +
:#The first RNC &nbsp; &rArr; &nbsp; "Serving RNC"&nbsp; $\rm (SRNC)$&nbsp; handles communications with the&nbsp; core network&nbsp; and is responsible for&nbsp; "Combining and Splitting".
 +
:#The second RNC&nbsp; &rArr; &nbsp; "Drift RNC"&nbsp; $\rm (GRNC)$&nbsp; handles communications with the&nbsp; SRNC&nbsp; and with the node B&nbsp; it manages.
 +
 
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:P_ID1524__Bei_T_4_1_S10.png|right|frame|To illustrate different handover strategies;&nbsp; the letters mark different vehicle positions]]
 +
$\text{Example 4:}$&nbsp;
 +
We assume the following scenario:&nbsp;  The vehicle starts at&nbsp; $\rm A$,&nbsp; moves to the right,&nbsp; and passes various base stations,&nbsp; each connected to a&nbsp; radio network controller&nbsp; $\rm (RNC)$.&nbsp;
 +
 
 +
# At positions&nbsp; $\rm A$,&nbsp; $\rm C$,&nbsp; $\rm E$,&nbsp; $\rm G$,&nbsp; $\rm I$,&nbsp; $\rm K$:&nbsp; There is always only one RNC connection &nbsp; <br>&rArr; &nbsp; no handover.<br><br>
 +
#For&nbsp; $\rm B$,&nbsp; $\rm F$,&nbsp; $\rm J$:&nbsp; the vehicle is in contact with two base stations of the same RNC &nbsp; <br>&rArr; &nbsp; "intra-RNC handover".<br><br>
 +
#For&nbsp; $\rm D$&nbsp; and&nbsp; $\rm H$: &nbsp; The vehicle is in contact with two base stations of two RNCs &nbsp; <br>&rArr; &nbsp; "inter-RNC handover".
 +
::However,&nbsp; (3)&nbsp; requires that the coordination of the two RNCs through the&nbsp; core network&nbsp;is functioning. Otherwise: &nbsp; "hard handover".}}
  
  
==IP–basierte Netze ==  
+
==IP core networks ==  
 
<br>
 
<br>
Mit dem UMTS Release 5 wurden unter Anderem&nbsp; '''IP–basierte Netze'''&nbsp; (''IP Core Networks'')&nbsp; eingeführt.  
+
UMTS Release 5 introduced,&nbsp; among other things,&nbsp; '''&raquo;IP Core Networks&laquo;'''.
 +
 
 +
#In this case,&nbsp; both the user data and the control data are transmitted over an internal IP network.
 +
#This means that both circuit-switched services and packet-switched services are provided on the basis of IP protocols.
  
[[File:P_ID1525__Bei_T_4_2_S9_v1.png|right|frame|Netzarchitektur von UMTS &ndash; Release 5]]  
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[[File:EN_Bei_T_4_2_S10.png|right|frame|Network architecture of UMTS &ndash; Release 5]]  
*Dabei werden sowohl die Nutzdaten als auch die 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.
 
  
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The graph shows this network architecture in schematic form.&nbsp; Compared with the original UMTS network architecture&nbsp; $($Release 99$)$,&nbsp; the following nodes have been added to the network:
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*The&nbsp; '''&raquo;Media Gateway&laquo;'''&nbsp; $\rm (MGW)$&nbsp; is responsible for recovering voice packets converted to&nbsp; "'voice-over-IP"&nbsp; $\rm (VoIP)$&nbsp;  into conventional voice data.
  
Die Grafik zeigt diese Netzarchitektur in schematischer Weise. Im Vergleich zur ursprünglichen UMTS–Netzarchitektur (Release 99) wurde das Netz um folgende Knoten ergänzt:
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*The&nbsp; '''&raquo;Home Subscriber Server&laquo;'''&nbsp; $\rm (HSS)$&nbsp; combines the registers&nbsp; "HLR"&nbsp; and&nbsp; "VLR"&nbsp; known from&nbsp; UMTS Release 99.
*Das&nbsp; ''Media Gateway''&nbsp; ('''MGW''')&nbsp; ist für die Wiedergewinnung der in&nbsp; ''Voice–over–IP''&nbsp; (VoIP) konvertierten Sprachpakete in herkömmliche Sprachdaten verantwortlich.
 
*Der&nbsp; ''Home Subscriber Server''&nbsp; ('''HSS''')&nbsp; fasst die aus dem&nbsp; ''UMTS Release 99''&nbsp; bekannten Register&nbsp; '''HLR'''&nbsp; und&nbsp; '''VLR'''&nbsp; zusammen.
 
*Der&nbsp; ''Call State Control Function''&nbsp; ('''CSCF''')–Knoten ist für die gesamte Steuerung des IP–Netzes in&nbsp; ''UMTS Release 5''&nbsp; zuständig und stellt die Kommunikation zwischen CSCF–Knoten und Teilnehmer über das&nbsp; ''Session Initiation Protocol''&nbsp; (SIP) her.
 
  
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*The&nbsp; '''&raquo;Call State Control Function&laquo;'''&nbsp; $\rm (CSCF)$&nbsp; node is responsible for the overall control of the IP network in&nbsp; UMTS Release 5&nbsp; and establishes the communication between CSCF node and subscriber via the&nbsp; "session initiation protocol"&nbsp; $\rm (SIP)$.
  
Es spricht vieles für den Einsatz einer solchen IP–basierten Netzarchitektur, da diese eine Reihe von Verbesserungen bereitstellt.
 
  
Wesentliche&nbsp; '''Vorteile'''&nbsp; von IP–Netzen sind:
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Major&nbsp; '''advantages'''&nbsp; of IP networks are:
*eine zukunftsweisende Alternative zur jetzigen Auslegung,
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#A forward-looking alternative to the previous design,
*eine preiswerte Routing–Technologie  &nbsp; ⇒ &nbsp; große Einsparungen bei der Vermittlungstechnik,
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#a low-cost routing technology &nbsp; ⇒ &nbsp; large savings in switching equipment,
*große Flexibilität bei der Einführung neuer Dienste, und
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#great flexibility in the introduction of new services,&nbsp; and
*eine leichte Implementierung von Netzüberwachungstechniken.
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#an ease of implementation of network monitoring techniques.
  
  
Entscheidende&nbsp; '''Nachteile'''&nbsp; dieser Architektur sind derzeit (2011) allerdings auch:
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However,&nbsp; crucial&nbsp; '''disadvantages'''&nbsp; of this architecture&nbsp; $($ in 2011$)$&nbsp; include:
*die mühsame Integration der Infrastruktur der zweiten Mobilfunkgeneration,
+
#The cumbersome integration of second generation cellular infrastructure,
*die Notwendigkeit von Übergangsknoten zur Konvertierung der Daten in so genannten Gateways, und
+
#the need for transition nodes to convert the data in so-called gateways,&nbsp; and
*das Fehlen eines eindeutigen und zuverlässigen Sicherheitskonzeptes.
+
#the lack of a clear and reliable security concept.
  
  
==Aufgaben zum Kapitel ==
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==Exercises for the chapter ==
 
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[[Aufgaben:Aufgabe_4.3:_UMTS–Zugangsebene|Aufgabe 4.3: UMTS–Zugangsebene]]
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[[Aufgaben:Exercise_4.3:_UMTS_Access_Level|Exercise 4.3: UMTS Access Level]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_4.4:_Zellulare_UMTS-Architektur|Aufgabe 4.4: Zellulare UMTS-Architektur]]
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[[Aufgaben:Exercise_4.4:_Cellular_UMTS_Architecture|Exercise 4.4: Cellular UMTS Architecture]]
  
  
  
 
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Latest revision as of 18:13, 25 March 2023


Basic units of the system architecture


In the architecture of UMTS networks,  a distinction is made between four basic logical units.  The interaction of these units enables the operation of the entire network.

In the graphic you can see:

Basic units of UMTS system architecture







  • $\rm Universal \ Subscriber \ Identity \ Module \ (USIM)$ 
    The USIM is a removable chip card that contains radio information and information for unique identification and authentication of the subscriber.  It differs from the conventional SIM card in that it has enhanced security features,  larger memory capacity,  and an integrated microprocessor that is used to run programs.
  • $\rm Mobile \ Equipment \ (ME)$  – Equipped with a USIM card,  the UMTS terminal provides both the radio interface for data transmission and the user controls.  It differs from the common GSM mobile station in that it offers enhanced functionality,  multimedia applications,  and more complex and diverse services.  Often,  the designations  "User Equipment"  $\rm (UE)$  and  "Terminal Equipment"  $\rm (TE)$  can also be found.
  • $\rm Radio \ Access \ Network \ (RAN)$  – This refers to the fixed network infrastructure of UMTS, which is responsible for radio transmission and related tasks. The RAN contains the base stations and the control nodes that connect the RAN and the  "Core Network".
  • $\rm Core \ Network \ (CN)$  – This represents the wide area network and is responsible for data transport.  It contains switching facilities  $\rm (SGSN, GGSN)$  to external networks and databases for mobility and subscriber management s $\rm (HLR,\ VLR)$.  The  core network  also contains the  "operation and maintenance center"  $\rm (OMC)$  required to manage the overall network.

Domains and interfaces


The units of the UMTS network listed in the last section are grouped into so-called  »domains«.  This refers to functional blocks that serve to standardize and study the functional units and interfaces within the UMTS network.

Basic units of the UMTS system architecture

Two main categories of domains are distinguished, viz.

  • the  "User Equipment Domain",  and
  • the  "Infrastructure Domain".


⇒   The  »User Equipment Domain«  contains all functions that enable access to the UMTS network,  such as encryption functions for the transmission of data via the radio interface.  One can divide this domain into two domains:

  1. the  "USIM Domain"  – the SIM card is a part of this domain;
  2. the  "Mobile Equipment Domain"  – it contains all the functions that a terminal device has.

These two domains are connected via the  "Cu interface"  which includes the electrical and physical specifications as well as the protocol stack between the USIM card and the terminal device.  This allows USIM cards from different network operators to operate with all terminal devices.

Another important interface is the  "Uu interface",  which establishes the radio link between the mobile station and the  infrastructure domain .


⇒   The  »Infrastructure Domain«  is divided into the following two domains:

  1. The  "Access Network Domain"  groups all base stations – in UMTS called  "Node B"  – and the functions of the  "Radio Access Network"  $\rm (RAN)$.
  2. The  "Core Network Domain"  is responsible for the most error-free transmission and transport of user data.


These two domains are connected via an  "Iu interface".  This interface is responsible for data switching between the access and the core network and is the separation between transport layer and radio network layer.

The  "Core Network Domain"  can in turn be divided into three sub-domains:

  1. The  "Serving Network"  contains all functions and information necessary to access the UMTS network.
  2. The  "Home Network"  contains all functionalities that are performed in the home network of a  $($foreign$)$  subscriber.
  3. The  "Transit Network"  – this only takes effect if database queries are to be performed in the subscriber's home network and the  "Serving Network"  is not directly connected to the  "Home Network".


Access level architecture


UMTS networks support both  "circuit-switching"  and  "packet-switching".

$\text{Distinctive features:}$ 

  • In  »Circuit Switching«  $\rm (CS)$,  the radio channel is assigned to the two communication partners for the entire duration of the connection until all information has been transmitted.  Only then the channel is released.
  • In  »Packet Switching«  $\rm (PS)$,  the participants cannot use the channel exclusively,  but the data stream is divided in the transmitter into small data packets – each with the destination address in the header – and only then sent.  The channel is shared by several participants


The two modes can also be recognized in the access level of the UMTS network in the core network  $\rm (CN)$,  which is shown in the graph.

Structural design of a UMTS network





The access layer can be divided into two main blocks:

⇒   The  »UMTS Terrestrial Radio Access Network«  $\rm (UTRAN)$  ensures radio transmission of data between the transport layer and the radio network layer.

The UTRAN includes the base stations and the control nodes, whose functions are mentioned below:

  • A  "Node B"  – as a UMTS base station is usually called –  includes the antenna equipment as well as the CDMA receiver and is directly connected to the radio interfaces of the mobile equipment.  Its tasks include data rate adaptation,  data and channel encoding or decoding,  interleaving,  and modulation or demodulation. Each base station can power one or more cells.
  • The  "Radio Network Controller"  $\rm (RNC)$base station is responsible for controlling the base stations.  Likewise,  within the cells,  it is responsible for call acceptance control,  encryption and decryption,  ATM switching,  channel assignment, handover and power control.


⇒   The  »Core Network«  $\rm (UTRAN)$  is responsible for switching the data within the UMTS network  $($both,  circuit-switched  and  packet-switched$)$ .

For this purpose,  it contains at  circuit-switched transmission  the following hardware and software components:

  1. The  "Mobile Services Switching Center"  $\rm (MSC)$  is responsible for call routing,  localization,  authentication,  handover and data encryption.
  2. The  "Home Location Register"  $\rm (HLR)$  contains all subscriber data;  tariff model,  telephone number,  authorizations and keys,  ...
  3. The  "Visitor Location Register"  $\rm (VLR)$  contains information about locally registered users and copies of records from its HLR.  This data is dynamic.


In  circuit-switched transmission  there are the following facilities or registers:

  1. The  "Serving GPRS Support Node"  $\rm (SGSN)$  is responsible for routing and authentication instead of MSC and VLR and keeps a local copy of the user information.
  2. The  "Gateway GPRS Support Node" $\rm (GGSN)$  there are transitions to other packet data networks such as the Internet. 
    Incoming packets are filtered by an integrated firewall and forwarded to the appropriate SGSN.
  3. The  "GPRS Register"  $\rm (GR)$  is part of the HLR and contains additional information needed for packet-switched transmission.


Physical channels


Physical channels are used for communication on the physical level of the radio interface and are processed within a base station  $($"Node B"$)$.  A distinction is made between  "dedicated physical channels"  and  "shared physical channels".

Construction of the dedicated physical channels
Shared channels in UMTS


The  »dedicated physical channels«  are permanently assigned to individual communication partners.  These include:

  1. Dedicated Physical Data Channel  $($DPDCH$)$  – This is a unidirectional uplink channel that transports payload and signaling data from higher layers.
  2. Dedicated Physical Control Channel  $($DPCCH$)$  – This control channel contains physical layer information for transmission control,  line control commands,  and transport format indicators,  ...
  3. Dedicated Physical Channel  $($DPCH$)$  – This channel includes the  DPDCH  and the  DPCCH  in the downlink and has a length of  $2560$  chips.


The diagram shows the structural design of the  DPDCH  (blue),  of the  DPCCH  (red)  as well as the enveloping  DPCH  (black).

  • In the  DPCH,  $15 \cdot 2560 = 38400$  chips are transmitted in  $10 \ \rm ms$,  resulting in the chip rate  $3.84 \ \rm Mchip/s$.
  • The user data in the  DPDCH  is split and per time slot are transmitted  $($depending on the spreading factor  $J)$  between  $10$  bits  $($if  $J = 256)$  and  $640$ bits  $($if  $J = 4)$.
  • In the  DPCCH,  ten control bits are transmitted uniformly per time slot.


The table lists the  »shared physical channels«  by all participants.  The following describes the characteristics of some selected channels:

  1. The  CCPCH  is a downlink channel with two subchannels:  The  "P-CCPCH"  contains data necessary for operation within a radio cell,  while the  "S-CCPCH"  contains data responsible for the paging procedure and for the transport of control data.
  2. The  PDSCH  and the  PUSCH  are shared channels that can transport both payload and control data.  The first is solely responsible for the downlink,  the second for the uplink.
  3. The  PRACH  controls the message transmission of the random access channel  RACH,  while the  PCPCH  is responsible for transporting data packets using the CDMA/CDM method.


The following channels are responsible for the control and synchronization of the overall system:

  1. The  CPICH  determines the affiliation of the mobile to a base station.
  2. The  SCH  is used for cell search and synchronization of the mobile station.
  3. The  AICH  checks and determines the availability of the system.
  4. The  PICH  is responsible for paging during subscriber localization.


Logical channels


The logical channels are located in the  $\rm MAC$  $($"Medium Access Control"$)$  reference layer and are identified by the type of the transmitted data.

Logical channels in UMTS

The logical channels compiled in the table can be divided into two classes,  namely.

  •  »Control Channels« $($ending with  "CCH"$)$:
  1. Control information  $($"BCCH"$)$  as well as paging information  $($"PCCH"$)$  are transported via the control channels.
  2. Subscriber-specific signaling data  $($"DCCH"$)$  or transport information can also be exchanged between subscriber devices and the UTRAN  $($"CCCH"$)$  over this.


  •  »Traffic Channels« $($ending with  "TCH"$)$:
  1. Subscriber information is exchanged over the traffic channels.
  2. While the  "DTCH"  can be assigned individually to a mobile subscriber for user data transport,  a  "CTCH"   is predominantly assigned to all or to a predefined subscriber group.


Transport channels


Transport channels are located in the physical layer of the  "ISO/OSI layer model".  They

  • are characterized by the parameters of the data transmission  $($e.g. the data rate$)$,
  • ensure the desired requirements regarding error protection mechanisms,  and
  • determine the type of data transmission – the  "how",  so to speak.


Two classes of transport channels are distinguished,  namely  "dedicated transport channels"  and  "shared transport channels".

The class of  »dedicated transport channels«  $\rm (DTCH)$:

  1. This class includes the  "dedicated channels"  $($"DCH"$)$,  which are permanently assigned to participants.
  2. DCH  transports both user data and control data  $($handover data,  measurement data, ...$)$  to the higher layers,  where they are then interpreted and processed.


The  »common transport channels«  $\rm (CTCH)$  include,  for example:

  1. The  "Broadcast Channel"  $($"BCH"$)$  is a downlink channel that distributes network operator-specific radio cell data to the subscribers.  It is characterized by its relatively high power and low data rate  $($only  $\text{3.4 kbit/s)}$,  in order to provide all users with the most error-free reception and high process gain.
  2. The  "Forward Access Channel"  $($"FACH"$)$  is a downlink channel,  responsible for transporting control data. 
    A cell may contain several FACH channels,  one of which must have a low data rate to allow all users to evaluate its data.
  3. The  "Random Access Channel"  $($"RACH"$)$  is a unidirectional uplink channel.  The subscriber can use it to express the desire to establish a radio link. 
    It can also be used to transmit small amounts of data.
  4. The  "Common Packet Channel"  $($"CPCH"$)$  is a unidirectional uplink data channel for packet-oriented services and an extension of the RACH channel.
  5. The  "Paging Channel"  $($"PCH"$)$  is a unidirectional downlink channel for locating a subscriber with data for the paging procedure.


Connection setup for UMTS

$\text{Example 1:}$  This diagram is intended to explain the interaction between the transport channels  "RACH"  and  "FACH"  with the logical channels  "CCCH"  and  "DCCH"  in a simple call setup.

Some explanations of this diagram:

  • A mobile equipment $\rm (ME)$  expresses a request for a connection setup.
  • First,  using the logical channel  CCCH  and the transport channel  RACH  a connection request is then sent via the UTRAN to the  radio network controller  $\rm (RNC)$.
  • For this purpose,  the  RRC protocol  $($"Radio Resource Control"$)$  is used,  which has the task of providing signaling between the subscriber and UTRAN/RNC.
  • The  "Radio Network Controller"  $\rm (RNC)$  responds to this request via the transport channel  FACH.  Thereby the necessary control data for the connection setup is sent to the subscriber.
  • Only then the connection is actually established using the logical channel  DCCH 

.


Communication within the ISO/OSI layer model


Communication between the different layers of the ISO/OSI model is ensured by the logical, physical and transport channels presented in the last sections.

Physical,  logical and transport channels in UMTS

The graph on the right shows the structure for both,  the uplink and downlink directions.

To guarantee functionality and data exchange within the overall model,  these must be mapped to each other according to the graph:

  • First,  the logical channel is mapped to the transport channel,
  • then the mapping of the transport channel to the physical channel.


Excerpt from the ISO/OSI layer model
















The lower  (left)  graphic is intended to give an overall view of the structure of the three lowest layers of the ISO/OSI model and to convey the interactions of the different channel types.

Cellular architecture of UMTS


To enable a nationwide network with low transmission power and sufficient frequency economy,  radio cells are also set up in UMTS,  as in GSM.

  • The radio cells in the UMTS network  $($carrier frequency  $\text{2 GHz)}$  are significantly smaller than in GSM  $($carrier frequency  $\text{900 MHz)}$,
  • since the range of radio signals decreases with increasing frequency for the same transmission power.
Cell structure in UMTS


The graph shows the  cell structure  of UMTS. One recognizes from it a hierarchical structure and three types of radio cells:

  • »Macrocells«  are the largest cells with a diameter of four to six kilometers.
  1.  They allow relatively fast movements.
  2.  For example,  a movement speed up to  $500\ \rm km/h$  is allowed if the data rate is  $144 \ \rm kbit/s$.
  3.  A macrocell can potentially overlay a large number of microcells and picocells.
  • »Microcells«  are much smaller than macrocells at one to two kilometers in diameter.
  1.  They allow higher data rates up to  $384 \rm kbit/s$,  but only slower movement speeds.
  2.  For example,  at the maximum data rate,  the maximum allowed speed is only  $120\ \rm km/h$.
  3.  A microcell overlays none,  one,  or a plurality of picocells.
  • »Picocells«  serve only very small areas about  $100$  meters in diameter,  but very high data volumes.
  1.  They are used in high density locations such as airports,  stadiums,  and so on.
  2.  Data rates up to  $2\ \rm Mbit/s$  are theoretically allowed.


Since UMTS uses as multiple access method  "Code Division Multiple Access"  $\rm (CDMA)$,  all subscribers use the same frequency channel.

  • This results in a relatively high interference power and a very low carrier-to-interference ratio  $\rm (CIR)$.
  • This is at least significantly smaller than for  "GSM",  which is based on FDMA and TDMA.
  • A low CIR can significantly impair transmission quality,  namely when signals from different subscribers destructively overlap,  resulting in information loss.


$\text{There are two types of interference:}$ 

  • »Intracell interference«  occurs when multiple subscribers within the same cell use the same frequency channel.
  • »Intercell interference«  occurs when subscribers of different cells use the same frequency channel

.

To illustrate intra- and intercellular interference

$\text{Example 2:}$  The graph illustrates both types of cell interference:

  • In the left cell,  there is  "intracell interference"  when the two frequencies  $f_1$  and  $f_2$  are identical.
  • In contrast,  there is  "intercell interference"  when the same frequencies are used in the right radio cells  $(f_3 = f_4)$.



⇒   Intracell interference is usually more severe than intercell interference

  • because of the close spacing of intracell interferers,
  • that is,  it causes a much smaller  "'carrier-to-interference ratio"  $\rm (CIR)$.

What is cell breathing?


In order to limit the influence of the interference power on the transmission quality,  the so-called  »cell breathing«  is used in UMTS.  This can be described as follows:

  • If the number of active subscribers and thus the current interference power increases,  the cell radius is reduced.
  • Since fewer subscribers are now transmitting in the cell,  the interfering influence of intracell interference is thus also reduced.
  • The less loaded neighboring cell then steps in to supply the subscribers standing at the edge of a busy cell.
  • For the supply of the users at the edge of a busy cell,  a less busy neighboring cell steps in.


  ⇒   An alternative to  "cell breathing"  is to reduce the total transmitted power within the cell,  which,  however, also means a reduction in the transmission quality.

$\text{Example 3:}$  In the graph,  we can see that the number of active subscribers  $($per unit area$)$  in the coverage area increases from left to right.

To illustrate  "cell breathing"  in UMTS
  • If one leaves the cell size the same,  there are more active subscribers in the cell than before and accordingly the quality decreases significantly due to intracell interference.


  • If,  on the other hand,  the cell size is reduced to the same extent as the number of subscribers increases,  there are no more active subscribers in a cell than before  $($according to this sketch:  seven$)$  and the quality remains  $($approximately$)$  the same

.


Handover in UMTS


In order to make the transition between different cells appear as uninterrupted as possible for mobile subscribers,  a handover is used for circuit-switched UMTS services – as with GSM.  A distinction is made between two types in UMTS:

  • »Hard Handover«:   Here the connection is switched hard to another node B at a certain point in time.  This type of handover happens in the time division duplex mode  $\rm (TDD)$  during the switchover between transmitter and receiver.
  • »Soft Handover«:   In this process,  a mobile can communicate simultaneously with up to three base stations.  The handover of a subscriber from one node B to another takes place gradually until the subscriber finally leaves this area.  In this context,  one speaks of  "macrodiversity".


The downlink data 

  • is split in the  radio network controller  $\rm (RNC)$, 
  • broadcast over the participating base stations,  and
  • reassembled in the mobile station  $($"Rake processing"$)$.


However,  in the  uplink: 

  • The transmitted data is received by all participating base stations.
  • The soft combining of the data takes place in the radio network controller  $\rm (RNC)$.
  • This then forwards the data to the  core network  $\rm (CN)$.


A distinction is made between three special cases of  "soft handover":

  • With  »Softer Handover«  a subscriber is supplied via different paths of the same base station.
  • on the other hand,  »Intra-RNC Handover«  involves supplying the subscribers via two different base stations connected to the same RNC.  The  combining and splitting  of the data takes place in the common RNC.
  • »Inter-RNC Handover«  is present,  if the subscriber is in an area managed by two adjacent  radio network controllers:
  1. The first RNC   ⇒   "Serving RNC"  $\rm (SRNC)$  handles communications with the  core network  and is responsible for  "Combining and Splitting".
  2. The second RNC  ⇒   "Drift RNC"  $\rm (GRNC)$  handles communications with the  SRNC  and with the node B  it manages.
To illustrate different handover strategies;  the letters mark different vehicle positions

$\text{Example 4:}$  We assume the following scenario:  The vehicle starts at  $\rm A$,  moves to the right,  and passes various base stations,  each connected to a  radio network controller  $\rm (RNC)$. 

  1. At positions  $\rm A$,  $\rm C$,  $\rm E$,  $\rm G$,  $\rm I$,  $\rm K$:  There is always only one RNC connection  
    ⇒   no handover.

  2. For  $\rm B$,  $\rm F$,  $\rm J$:  the vehicle is in contact with two base stations of the same RNC  
    ⇒   "intra-RNC handover".

  3. For  $\rm D$  and  $\rm H$:   The vehicle is in contact with two base stations of two RNCs  
    ⇒   "inter-RNC handover".
However,  (3)  requires that the coordination of the two RNCs through the  core network is functioning. Otherwise:   "hard handover".


IP core networks


UMTS Release 5 introduced,  among other things,  »IP Core Networks«.

  1. In this case,  both the user data and the control data are transmitted over an internal IP network.
  2. This means that both circuit-switched services and packet-switched services are provided on the basis of IP protocols.
Network architecture of UMTS – Release 5

The graph shows this network architecture in schematic form.  Compared with the original UMTS network architecture  $($Release 99$)$,  the following nodes have been added to the network:

  • The  »Media Gateway«  $\rm (MGW)$  is responsible for recovering voice packets converted to  "'voice-over-IP"  $\rm (VoIP)$  into conventional voice data.
  • The  »Home Subscriber Server«  $\rm (HSS)$  combines the registers  "HLR"  and  "VLR"  known from  UMTS Release 99.
  • The  »Call State Control Function«  $\rm (CSCF)$  node is responsible for the overall control of the IP network in  UMTS Release 5  and establishes the communication between CSCF node and subscriber via the  "session initiation protocol"  $\rm (SIP)$.


Major  advantages  of IP networks are:

  1. A forward-looking alternative to the previous design,
  2. a low-cost routing technology   ⇒   large savings in switching equipment,
  3. great flexibility in the introduction of new services,  and
  4. an ease of implementation of network monitoring techniques.


However,  crucial  disadvantages  of this architecture  $($ in 2011$)$  include:

  1. The cumbersome integration of second generation cellular infrastructure,
  2. the need for transition nodes to convert the data in so-called gateways,  and
  3. the lack of a clear and reliable security concept.


Exercises for the chapter


Exercise 4.3: UMTS Access Level

Exercise 4.4: Cellular UMTS Architecture