Mobile Communications/Characteristics of UMTS

1. Mobile Communications
2. Mobile radio systems of the 2nd and 3rd generation - an overview
3. Characteristics of UMTS

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Anforderungen an Mobilfunksysteme der dritten Generation

Die wichtigste Motivation zur Entwicklung von  Mobilfunksystemen der dritten Generation  war die Erkenntnis, dass die 2G–Systeme den Bandbreitenbedarf zur Nutzung multimedialer Dienste nicht zufrieden stellen konnten.

Entwicklung der Mobilfunksysteme

Die Grafik zeigt die Entwicklung der Mobilfunksysteme von 1995 bis 2006 hinsichtlich der Leistungsfähigkeit. Die angegebenen Datenraten waren auch für 2011 bei nicht mehr als zwei aktiven Nutzern in einer Zelle noch realistisch. Die von Anbietern oft angegebenen Maximalwerte wurden in der Praxis meist nicht erreicht.

Die Mobilfunksysteme der dritten Generation sollten über eine größere Bandbreite und eine genügende Reserve an Leistungsfähigkeit verfügen, um auch bei wachsenden Anforderungen eine hohe Dienstgüte (englisch:   Quality of Service, QoS) zu gewährleisten.

Vor der Entwicklung der 3G–Systeme hat die International Telecommunication Union  (ITU) einen Anforderungskatalog erstellt, der folgende Rahmenbedingungen umfasst:

• Hohe Datenraten von  $\text{144 kbit/s}$  (Standard) bis  $\text{2 Mbit/s}$  (In-door),
  
• symmetrische und asymmetrische Datenübertragung (IP–Dienste),
  

• hohe Sprachqualität und hohe Spektraleffizienz,
• globale Erreichbarkeit und Verbreitung,
  
• nahtloser Übergang von und zu den Systemen der zweiten Generation,
  
• Anwendbarkeit unabhängig vom verwendeten Netz (Virtual Home Environment ),
• Bereitstellung von leitungsvermittelter (circuit–switched ) und paketvermittelter (packed–switched ) Übertragung.
  
  

Bei der Einführung von UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) als den bekanntesten 3G–Standard war die Erweiterung und Diversifikation der angebotenen Dienste ein entscheidendes Motiv. Ein UMTS–fähiges Endgerät muss zusätzlich zu den klassischen Diensten (Sprachübertragung, Messaging, usw.) eine Reihe komplexer und multimedialer Anwendungen unterstützen, unter anderem

• hinsichtlich Information:   Internet–Surfen (Info–on–demand), Online–Printmedien,
  

• hinsichtlich Kommunikation:     Video– und Audiokonferenz, Fax, ISDN, Messaging,
  

• hinsichtlich Unterhaltung:     Mobile TV, Video–on–Demand, Online–Gaming,
  

• im geschäftlichen Bereich:     Interaktives Einkaufen, E–Commerce,
  

• im technischen Bereich:     Online–Betreuung, Distributionsservice (Sprache und Daten),
  

• im medizinischen Bereich:     Telemedizin.
  
  

Der IMT–2000–Standard

Um 1990 wurde von der  International Telecommuncation Union  (ITU) der  Standard IMT-2000  (International Mobile Telecommunications at the year 2000) ins Leben gerufen, der die genannten Anforderungen ermöglichen sollte. IMT–2000 umfasst einige Mobilfunksysteme der dritten Generation, die im Laufe der Standardisierung einander angenähert wurden, um die Entwicklung von gemeinsamen Endgeräten für alle diese Standards zu ermöglichen.

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

Die IMT–Familie

• W–CDMA:   Hierzu zählt man die FDD-Komponente des europäischen UMTS–Standards sowie das amerikanische cdma2000–System.
  

• TD–CDMA:   Zu dieser Gruppe zählt die TDD–Komponente von UMTS sowie das hierin integrierte chinesische TD–SCDMA.
  

• TDMA:   Eine Weiterentwicklung des GSM–Ablegers EDGE und des amerikanischen Pendants UWC–136, auch bekannt als D–AMPS.
  

• FD–TDMA:   Weiterentwicklung des europäischen Schnurlos–Telefonie–Standards DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication).
  

Wir konzentrieren uns hier auf das in Europa entwickelte Mobilfunksystem UMTS, das die beiden Standards W–CDMA und TD–CDMA der Systemfamilie IMT–2000 unterstützt, und zwar unter folgenden Bezeichnungen:

• UTRA–FDD   ⇒   UMTS Terrestrial Radio Access – Frequency Division Duplex: 
  Dieses besteht aus zwölf gepaarten Uplink– und Downlink–Frequenzbändern zu je  $\text{5 MHz}$  Bandbreite. Diese liegen in Europa zwischen  $\text{1920}$  und  $\text{1980 MHz}$  im Uplink sowie zwischen  $\text{2110}$  und  $\text{2170 MHz}$  im Downlink. Im Sommer 2000 brachte die Versteigerung der Lizenzen für Deutschland mit 20 Jahren Laufzeit ca. 50 Milliarden Euro.
  

• UTRA–TDD  ⇒   UMTS Terrestrial Radio Access – Time Division Duplex: 
  Hierfür werden fünf Bänder zu je  $\text{5 MHz}$  Bandbreite bereitgestellt, in denen mittels Zeitmultiplex sowohl Uplink– als auch Downlink–Daten übertragen werden sollen. Für UTRA–TDD sind die Frequenzen zwischen  $\text{1900}$  und  $\text{1920 MHz}$  (vier Kanäle) und zwischen  $\text{2020}$  und  $\text{2025 MHz}$  (ein Kanal) reserviert.
  

Systemarchitektur und Basiseinheiten bei UMTS

Die Netzwerk–Architektur kann man bei UMTS in zwei Hauptblöcke unterteilen.

Das UMTS Terrestrial Radio Access Network  (UTRAN)  sichert die Funkübertragung von Daten zwischen der Transportebene und der Funknetzebene. Dazu gehören die Basisstationen und die Kontrollknoten, deren Funktionen nachfolgend genannt werden:

• Ein  Node B  – wie eine UMTS–Basisstation genannt wird – umfasst die Antennenanlage sowie den CDMA–Empfänger und ist unmittelbar mit den Funkschnittstellen aller Teilnehmer in der Zelle verbunden. Zu den Aufgaben eines „Node B” gehören die Datenratenanpassung, Daten– und Kanal(de)codierung, Interleaving sowie Modulation bzw. Demodulation. Jede Basisstation kann eine oder mehrere Zellen(sektoren) versorgen.
  

• Der  Radio Network Controller  (RNC) ist für die Steuerung der Basisstationen verantwortlich. Ebenso ist er innerhalb der Zellen zuständig für die Rufannahmesteuerung, Verschlüsselung und Entschlüsselung, die Umsetzung auf ATM (Asynchronous Tranfer Mode), die Kanalzuweisung, das Handover und die Leistungsregelung.
  
  

Das Core Network  (CN)  übernimmt die Vermittlung der Daten innerhalb des UMTS–Netzes. Dazu enthält es bei  Leitungsvermittlung  folgende Hardware– und Softwarekomponenten:

• Das  Mobile Switching Center  (MSC) ist zuständig für Lokalisierung/Authentifizierung, das Routing von Gesprächen, Handover und Verschlüsselung von Teilnehmerdaten.
  

• Das  Gateway Mobile Switching Center  (GMSC) organisiert die Verbindung zu anderen Netzen, zum Beispiel zum Festnetz.
  

• MSC  und  GMSC  haben Zugriff auf verschiedene Datenbanken wie  Home Location Register  (HLR) und  Visitor Location Register  (VLR).
  

UMTS–Zugangsebene (bei Leitungsvermittlung)

Die Grafik zeigt die UMTS–Architektur bei Leitungsvermittlung (englisch:   Circuit Switching ), wobei das Core Network  (CN) ähnlich wie bei der GSM–Architektur organisiert ist.

Die  Systemarchitektur bei Paketvermittlung  (englisch:   Packet Switching ) unterscheidet sich demgegenüber grundlegend:

• Hier nutzen die Kommunikationspartner den ihnen zugewiesenen Kanal nicht exklusiv, sondern die Pakete sind mit denen anderer Teilnehmer vermischt.
• Man findet dort ähnliche Komponenten wie bei der GSM–Erweiterung  General Packet Radio Service  (GPRS).
  

CDMA – Vielfachzugriff bei UMTS

UMTS verwendet das Vielfachzugriffsverfahren  Direct Sequence Code Division Multiple Access  (DS–CDMA). Das Verfahren wird manchmal auch „PN–Modulation” genannt.

Prinzip und Signalverläufe bei „DS–CDMA” für zwei Nutzer

Die Grafik zeigt das Prinzip anhand eines vereinfachten Modells und beispielhafter Signale für den „Nutzer 1”. Zur Vereinfachung ist für die dargestellten Signale das Rauschsignal  $n(t) \equiv 0$  gesetzt. Es gilt:

• Die beiden Quellensignale  $q_1(t)$  und  $q_2(t)$  benutzen den gleichen AWGN–Kanal, ohne sich gegenseitig zu stören. Die Bitdauer der Datensignale beträgt jeweils  $T_{\rm B}$.
  

• Jedes der Datensignale wird mit einem zugeordneten Spreizcode –  $c_1(t)$  bzw.  $c_2(t)$  – multipliziert. Übertragen wird das Summensignal 

$$s(t) = s_1(t) + s_2(t) = q_1(t) \cdot c_1(t) + q_2(t) \cdot c_2(t).$$

• Die Bandbreiten der Teilsignale  $s_1(t)$  und  $s_2(t)$  sowie des resultierenden Sendesignal  $s(t)$  sind um den  Spreizfaktor  $ J = T_{\rm C}/T_{\rm B}$  größer als die Bandbreiten von  $q_1(t)$  bzw.  $q_2(t)$. Für die Grafik wurde  $J = 4$  gewählt.

• Beim Empfänger werden die gleichen Spreizcodes  $c_1(t)$  bzw.  $c_2(t)$  multiplikativ zugesetzt. Bei orthogonalen Codes und kleinem AWGN–Rauschen  $n(t)$  können dann die Datensignale wieder voneinander getrennt werden. Das heißt, es gilt  $v_1(t) = q_1(t)$  und  $v_2(t) = q_2(t)$.
  

• Bei vorhandenem AWGN–Rauschen unterscheiden sich zwar die digitalen Ausgangssignale von den Eingangssignalen, aber die Fehlerwahrscheinlichkeit wird durch die anderen Teilnehmer nicht erhöht, solange die verwendeten Spreizfolgen orthogonal sind.
  

• Man könnte somit im Beispiel  $J =4$  Teilnehmer ohne Beeinträchtigung über den gleichen Kanal übertragen, allerdings nur dann, wenn es überhaupt  $J =4$  orthogonale Spreizcodes gibt.
  

Anforderungen an die Spreizcodes

Die Spreizcodes für UMTS sollen

• zueinander orthogonal sein, um eine gegenseitige Beeinflussung der Teilnehmer zu vermeiden,
  

• eine flexible Realisierung unterschiedlicher Spreizfaktoren $J$ ermöglichen.
  
  

OVSF–Codefamilie und mögliche Spreizfolgen

$\text{Beispiel 1:}$  Ein Beispiel für Spreizcodes sind die  Codes mit variablem Spreizfaktor  (englisch:   Orthogonal Variable Spreading Faktor, OVSF), die Codes der Länge  $J =4$  bis  $J =512$  bereitstellen.

Diese können, wie in der Grafik zu sehen ist, mit Hilfe eines Codebaums erstellt werden. Dabei entstehen bei jeder Verzweigung aus einem Code  $C$  zwei neue Codes  $(+C \ +\hspace{-0.05cm}C)$  und  $(+C \ -\hspace{-0.05cm}C)$.

Anzumerken ist:

• Es darf kein Vorgänger und Nachfolger eines Codes benutzt werden.
• Im Beispiel könnten also acht Spreizcodes mit dem Spreizfaktor  $J = 8$  verwendet werden.
• Oder die vier gelb hinterlegten Codes – einmal  $J = 2$,  einmal $J = 4$  und zweimal  $J = 8$.
• Die unteren vier Codes mit dem Spreizfaktor  $J = 8$  können hier nicht herangezogen werden, da sie alle mit „$+1 \ -1$ ” beginnen, was bereits durch den OVSF–Codes mit Spreizfaktor  $J = 2$  belegt ist.

Der hier dargelegte Sachverhalt wird auch durch das Applet  OVSF–Codes  verdeutlicht.

Zusätzliche Verwürfelung bei UMTS

Verwürfelung bei UMTS

Um mehr Spreizcodes zu erhalten und damit mehr Teilnehmer versorgen zu können, wird nach der Bandspreizung mit  $c(t)$  die Folge mit  $w(t)$  chipweise nochmals verwürfelt, ohne dass eine weitere Spreizung stattfindet.

Die Verwendung quasi–orthogonaler Codes macht Sinn, da die Menge an orthogonalen Codes begrenzt ist und durch die Verwürfelung verschiedene Teilnehmer auch gleiche Spreizcodes verwenden können.

$\text{Fazit:}$ 

• Der Verwürfelungscode  $w(t)$  hat die gleiche Länge und dieselbe Rate wie  $c(t)$.
  
• Durch die Verwürfelung (englisch:   Scrambling ) verlieren die Codes ihre vollständige Orthogonalität; man nennt sie quasi–othogonal.
• Bei diesen Codes ist zwar die  Kreuzkorrelationsfunktion  (KKF) zwischen unterschiedlichen Spreizcodes ungleich Null.
• Sie zeichnen sich aber durch einen ausgeprägten  AKF–Wert  um den Nullpunkt aus, was die Detektion am Empfänger erleichtert.

Beispielhafter Generator für Goldcodes mit  $N = 18$

$\text{Beispiel 2:}$  Bei UMTS verwendet man zur Verwürfelung so genannte Goldcodes:

• Die Grafik aus [3gpp] zeigt das Blockschaltbild zur schaltungstechnischen Erzeugung solcher Codes.
• Dabei werden zunächst zwei unterschiedliche  Pseudonoise–Folgen  gleicher Länge $($hier:  $N = 18)$  mit Hilfe von Schieberegistern parallel erzeugt und dann mit Exklusiv–Oder–Gatter  bitweise addiert.

Einige Beispiele und Eigenschaften geeigneter Spreiz– und Verwürfelungscodes

• Im Uplink hat jede Mobilstation einen eigenen Verwürfelungscode und die Trennung der einzelnen Kanäle erfolgt über den jeweils gleichen Code.

• Dagegen hat im Downlink jedes Versorgungsgebiet eines „Node B” einen gemeinsamen Verwürfelungscode.
  

• Die nebenstehende Tabelle fasst einige Daten der Spreiz– und Verwürfelungscodes zusammen.
  

Modulation und Pulsformung bei UMTS

Bei UMTS kommen im FDD–Modus folgende Modulationsverfahren zum Einsatz:

• Im Downlink findet  Quaternary Phase Shift Keying  (QPSK) Anwendung. Dabei werden Nutzdaten  (DPDCH–Kanal)  und  Kontrolldaten (DPCCH–Kanal)  zeitlich gemultiplext.
  

• Im Uplink wird eine  zweifache binäre PSK  (englisch:   Dual–Channel–BPSK) verwendet. Diese besitzt zwar den gleichen Signalraum wie QPSK, aber die  $I$– und  $Q$–Komponenten übertragen hier die Informationen unterschiedlicher Kanäle.
  
  

Modulation und Pulsformung bei UMTS

Die Grafik zeigt das  $I/Q$–Multiplexing–Verfahren, wie Dual–Channel–BPSK auch genannt wird, im äquivalenten Tiefpassbereich.

• Die gespreizten Nutzdaten des DPDCH–Kanals werden auf die Inphase–Komponente  $I$  (Realteil) und die Kontrolldaten des DPCCH–Kanals – ebenfalls mit einem Spreizcode beaufschlagt – auf die Quadratur–Komponente  $Q$  (Imaginärteil) moduliert und übertragen.
  

• Die Quadratur–Komponente wird mit der Wurzel des Leistungsverhältnisses  $G$  zwischen  $I$  und  $Q$  gewichtet, um Leistungsunterschiede auszugleichen. Anschließend wird das Summensignal  $(I + {\rm j} \cdot Q)$  mit einem komplexen Verwürfelungscode multipliziert.
  

• Abschließend erfolgt die Impulsformung mit  $g_s(t)$  entsprechend der  Wurzel–Cosinus–Rolloff–Charakteristik  (englisch:   Root Raised Cosine). Da das Empfangsfilter an  $G_s(f)$  angepasst ist, erfüllt somit der Gesamtfrequenzgang das  erste Nyquistkriterium.
  
  

Weitere Informationen zu diesem Thema gibt es im Abschnitt  Pulsformung und Modulation in UMTS  des Buches „Beispiele von Nachrichtensystemen”. Dort finden Sie auch eine Grafik mit dem Nyquistfrequenzgang  $H(f)$. Es handelt sich um einen  Cosinus–Rolloff–Tiefpass  (englisch:   Raised Cosine) mit folgender Dimensionierung:

• Die UMTS–Chiprate beträgt  $R_{\rm C} = 3.84 \ \rm Mbit/s$. Die Flankenmitte muss bei  $f_{\rm N} =R_{\rm C}/2 = 1.92 \ \rm MHz$  liegen, um Impulsinterferenzen zu vermeiden. Dann gilt 

$$H(f = \pm f_{\rm N}) = 0.5.$$

• Für UMTS wurde der Rolloff–Faktor  $r = 0.22$  festgelegt.
• Somit ergeben sich die beiden Eckfrequenzen zu  $f_1 = 0.78 \cdot f_{\rm N} \approx 1.498 \ \rm MHz$  und  $f_2 = 1.22 \cdot f_{\rm N} \approx 2.342 \ \rm MHz$.
  

• Die erforderliche absolute Frequenzbandbreite beträgt somit  $B = 2 \cdot f_2 = 1.22 \cdot f_{\rm N} \approx 4.684 \ \rm MHz$, so dass für jeden UMTS–Kanal mit  $5 \ \rm MHz$  ausreichend Bandbreite zur Verfügung steht.
  
  

UMTS–Erweiterungen HSDPA und HSUPA

Um dem ständig steigenden Bedarf an höheren Datenraten im Mobilfunk gerecht zu werden, wurde der UMTS–Standard stetig weiterentwickelt. Die wichtigsten Änderungen ergaben sich innerhalb der dritten Generation durch die Einführung von

• HSDPA:   High Speed Downlink Packet Access  (Release 5, 2002, Markteinführung 2006) und
  

• HSUPA:   High Speed Uplink Packet Access  (Release 6, 2005, Markteinführung 2007).
  
  

Zusammen ergeben HSDPA und HSDUPA den  HSPA–Standard.

Hauptmotivation dieser Weiterentwicklungen war die Steigerung von Datenrate/ Durchsatz sowie die Minimierung der Antwortzeiten bei paketvermittelter Übertragung.

• Für die Abwärtsstrecke waren seit 2011 mit HSDPA Datenraten bis  $\text{7 Mbit/s}$  durchaus machbar.
• Angegeben wurden aber auch (eher theoretische) Best–Case–Raten von bis zu  $\text{28.8 Mbit/s}$  (bei 64–QAM und MIMO).

Erreicht wurden diese Steigerungen durch

• die Einführung zusätzlicher  gemeinsam genutzter Kanäle  (zum Beispiel  HS–DSCH),
  

• das  Hybrid–ARQ–Verfahren  (HARQ) und  Node B–Scheduling,
  

• die Verwendung von  adaptiver $M$–QAM, Codierung und Übertragungsrate.
  
  

Die wesentliche Verbesserung durch HSUPA ist neben der Verwendung von HARQ und Node–B–Scheduling durch die Einführung des zusätzlichen Aufwärtskanals  E–DCH  (Enhanced Dedicated Channel) zurückzuführen.

• Dieser minimiert unter anderem den Einfluss von Anwendungen mit stark unterschiedlichen und teilweise sehr intensivem Datenaufkommen (englisch:   Bursty Traffic ). Allerdings wird bei HSUPA im Gegensatz zu UMTS–R99 in Aufwärtsrichtung keine feste Bandbreite garantiert.
  

• Diese flexible und effiziente Bandbreitenzuteilung abhängig von den Kanalbedingungen steigerte die Zellenkapazität enorm. In der Praxis wurden ab 2011 auch bei Berücksichtigung vieler Nutzer Übertragungsraten bis zu  $\text{3 Mbit/s}$  erreicht. Die von Entwicklern für beste Bedingungen angegebenen Werte lagen deutlich darüber.
  

Aufgaben zum Kapitel

Exercise 3.6: FDMA, TDMA and CDMA