Exercise 4.4: Cellular UMTS Architecture

Zellulararchitektur von UMTS

Um ein flächendeckendes Netz mit geringer Sendeleistung und ausreichender Frequenzökonomie zu ermöglichen, werden bei UMTS – wie auch bei GSM – Funkzellen eingerichtet.

Für einfache Systemuntersuchungen geht man dabei von hexagonalen Zellen wie in der Grafik angedeutet aus. In Realität sind die Funkzellen unterschiedlich groß und zudem an die vorliegende Topologie und die Infrastruktur des Versorgungsgebietes angepasst.

Es gibt drei unterschiedliche Typen von Funkzellen mit einem hierarchischen Aufbau:

${\rm Makrozellen}$: 4 bis 6 km Durchmesser, Geschwindigkeiten bis zu 500 km/h erlaubt.
${\rm Mikrozellen}$: 1 bis 2 km Durchmesser, maximal zulässige Geschwindigkeit 120 km/h.
${\rm Pikozelle}$: Durchmesser bis 100 m, viele Teilnehmer, extrem hohes Datenaufkommen.

Eine Makrozelle kann möglicherweise eine Vielzahl von Mikro– und Pikozellen überlagern. Für eine Mikrozelle beträgt die maximale Datenrate $384 \ \rm kbit/s$ für die maximale Geschwindigkeit von $120 \ \rm km/h$. Mit den maximal zulässigen Datenraten in einer Makrozelle und einer Pikozelle beschäftigt sich die Teilaufgabe (1).

Im Zusammenhang mit der zellularen Struktur von UMTS werden häufig Begriffe verwendet, die in dieser Aufgabe erklärt werden sollen:

Intrazellinterferenz und Interzellinterferenz,
Zellatmung,
Handover.

Hinweise:

Die Aufgabe gehört zum Kapitel UMTS–Netzarchitektur.
Bezug genommen wird insbesondere auf die Seiten Architektur der Zugangsebene und Handover in UMTS.

Fragebogen

Musterlösung

Solution

(1) Zutreffend ist nur die letzte Aussage. Da bei gleicher Sendeleistung die Reichweite von Funksignalen mit steigender Frequenz abnimmt, sind die Funkzellen bei UMTS (Trägerfrequenz um $2 \ \rm GHz$) deutlich kleiner als bei GSM (im D–Netz um $900 \ \rm MHz$). Die maximalen Datenraten betragen bei UMTS für

eine Makrozelle bis zu $144 \ \rm kbit/s$,
eine Pikozelle bis zu $2 \ \rm Mbit/s$.

Hierbei handelt es sich aber eher um theoretische Grenzwerte.

(2) Die beiden Definitionen für Intra– und Interzellinterferenz sind richtig. Wendet man diese auf das vorliegende Szenario (Grafik auf der Angabenseite) an, so erkennt man

Intrazellinterferenzen für $f_{1} = f_{2}$,
Interzellinterferenzen für $f_{3} = f_{4}$.

Intrazellinterferenzen sind wegen des meist kleineren Abstandes der Störer vom Empfänger gravierender als Interzellinterferenzen, das heißt, sie bewirken ein kleineres CIR (Carrier–to–Interference Ratio) $\Rightarrow$ alle Aussagen sind zutreffend.

(3) Die Zellatmung wird durch die beiden ersten Statements genau richtig beschrieben. Da nun weniger Teilnehmer auf einer Frequenz senden, wird der negative Einfluss der Intrazellinterferenz geringer. Die Teilnehmer in Nachbarzellen senden auf anderen Frequenzen und stören somit deutlich weniger. Eine Alternative zur Zellatmung wäre, dass man die Zellgröße beibehält, aber die Sendeleistung aller Teilnehmer innerhalb der Zelle verringert, was allerdings auch eine Reduzierung der Empfangsqualität bedeutet. Der letzte Lösungsvorschlag ist schlicht und einfach falsch. (4) Alle genannten Aussagen sind richtig. Beispielsweise werden die Downlink–Daten im Radio Network Controller (RNC) aufgeteilt, über die beteiligten Node Bs ausgestrahlt und in der Mobilstation wieder zusammengesetzt. Bei Soft Handover kann ein Mobiltelefon mit bis zu drei Basisstationen gleichzeitig kommunizieren. Diese Variante ist natürlich dem Hard Handover überlegen, aber auch mit einem größeren Aufwand verbunden.

	Intrazellinterferenzen entstehen, wenn mehrere Teilnehmer in der gleichen Zelle den gleichen Frequenzkanal benutzen.
	Interzellinterferenzen entstehen, wenn die gleiche Frequenz von Teilnehmern in verschiedenen Zellen benutzt wird.
	Im dargestellten Szenario kommt es zu Intrazellinterferenzen, wenn die Frequenzen $f_{1}$ und $f_{2}$ gleich sind.
	Im dargestellten Szenario kommt es zu Interzellinterferenzen, wenn die Frequenzen $f_{3}$ und $f_{4}$ gleich sind.

	UMTS ($2 \ \rm GHz$) hat größere Funkzellen als GSM ($900 \ \rm MHz$).
	Die Datenrate ist in einer Makrozelle größer als in einer Mikrozelle.
	Die Datenrate ist in einer Pikozelle größer als in einer Mikrozelle.

	Nimmt die Anzahl der aktiven Teilnehmer in der Zelle zu ⇒ größere Interferenzleistung, so wird der Zellenradius verkleinert.
	Die Versorgung der Teilnehmer am Rande einer ausgelasteten Zelle übernimmt eine weniger belastete Nachbarzelle.
	Zellatmung beschreibt einen Mechanismus zur bestmöglichen Anpassung der Datenrate an den aktuellen Datenverkehr.

	Ziel ist es, den Übergang eines mobilen Teilnehmers von einer Zelle zur anderen als unterbrechungsfrei erscheinen zu lassen.
	Von Hard Handover spricht man dann, wenn die Verbindung schlagartig zu einer anderen Verbindung umgeschaltet wird.
	Bei Soft Handover erfolgt die Weitergabe eines Teilnehmers von einer Basisstation zu einer anderen allmählich.