Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.3: Cellular Mobile Communications Systems"

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[[File:P_ID2220__Mob_A_3_3.png|right|frame|Zellulare Netzarchitektur]]
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[[File:P_ID2220__Mob_A_3_3.png|right|frame|Cellular network architecture]]
  
Ein Charakteristikum von GSM und UMTS gleichermaßen ist die ''zellulare Netzstruktur'', wobei für einfache Berechnungen die Zellen häufig durch Hexagone angenähert werden.
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A characteristic of GSM and UMTS alike is the cellular network structure, whereby for simple calculations the cells are often approximated by hexagons.
  
*Die Farben „Weiß”, „Gelb” und „Blau” in der Grafik stehen für unterschiedliche Frequenzen, wodurch der störende Einfluss von Interzellinterferenz vermindert werden kann.
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*The colours "white", "yellow" and "blue" in the diagram stand for different frequencies, which can reduce the disturbing influence of intercell interference.
  
*Schwarze Punkte kennzeichnen Basisstationen, die in diesem Modell im Abstand von  $D = 10 \ \rm km$  gleichmäßig verteilt sind.
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*Black dots indicate base stations that are evenly distributed in this model at a distance of  $D = 10 \ \rm km$ .
  
*Die beiden violetten Punkte im linken oberen Teil kennzeichnen zwei mobile Teilnehmer, deren Signale miteinander interferieren – siehe Teilaufgabe '''(2)'''.
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*The two violet dots in the upper left-hand corner indicate two mobile stations whose signals interfere with each other – see subtask '''(2)'''.
  
  
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''Hinweise:''  
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''Notes:''  
  
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel  [[Mobile_Communications/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS|Gemeinsamkeiten von GSM und
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*The task belongs to the chapter  [[Mobile_Communications/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS|Gemeinsamkeiten von GSM und
 
  UMTS]].
 
  UMTS]].
* Insbesondere gibt es in dieser Aufgabe Fragen bezüglich  [[Mobile_Communications/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS#Interferenzleistung_und_Zellatmung|Zellatmung]]  und  [[Mobile_Communications/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS#Near.E2.80.93Far.E2.80.93Effekt|Near–Far–Effekt]].
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* In particular there are questions in this task concerning  [[Mobile_Communications/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS#Interferenzleistung_und_Zellatmung|Zellatmung]]  and  [[Mobile_Communications/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS#Near.E2.80.93Far.E2.80.93Effekt|Near–Far–Effekt]].
 
   
 
   
  
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<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Gilt die gegebene idealisierte Zellstruktur eher
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{Does the given idealized cell structure rather apply
 
|type="()"}
 
|type="()"}
+ für GSM,
+
+ to GSM,
- für UMTS?
+
- to UMTS?
  
{Wie nennt man die gegenseitige Beeinträchtigung der eingezeichneten violetten Mobilstationen in der Grafik?
+
{What do you call the mutual interference of the marked violet mobile stations in the graphic?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
- Intrazellinterferenz,
+
- Intra-cell interference
+ Interzellinterferenz.
+
+ Inter-cell interference
  
{Wie groß ist hier der minimale Abstand von Mobilstationen gleicher Frequenz?
+
{What is the minimum distance between mobile stations of the same frequency?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$d_{\rm min} \ = \ $ { 5.77 3% } $\ \rm km$
 
$d_{\rm min} \ = \ $ { 5.77 3% } $\ \rm km$
  
{Was versteht man unter Zellatmung?
+
{What is cell respiration?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Der Zellenradius variiert mit der Anzahl aktiver Teilnehmer.
+
+ The cell radius varies with the number of active subscribers.
+ Zellatmung wird bei UMTS eingesetzt.
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+ Cell respiration is used for UMTS.
  
{Wie kann dem ''Near–Far–Effekt'' entgegengewirkt werden?
+
{How can the ''Near-Far-Effect'' be counteracted?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Durch eine schnelle und präzise Leistungsregelung.
+
+ Through a fast and precise power control.
+ Durch den Einsatz so genannter Multi–User–Detektoren.
+
+ Through the use of so-called multi-user detectors.
- Letztere sind nur für den Uplink geeignet.
+
- The latter are only suitable for the uplink.
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Sample solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
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'''(1)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 1</u>:  
+
'''(1)'''&nbsp; Correct is the <u>solution 1</u>:  
*Aus der Farbgebung der Grafik auf der Angabenseite erkennt man den Reuse&ndash;Faktor 3.  
+
*From the coloring of the graphic on the data page you can see the reuse&ndash;factor 3.  
*Bei GSM benutzen benachbarte Zellen unterschiedliche Frequenzen.  
+
*In GSM, adjacent cells use different frequencies.  
*Bei dem auf CDMA basierenden UMTS&ndash;System wird dagegen in allen Zellen die gleiche Frequenz verwendet.
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*In the CDMA-based UMTS&ndash;system, however, the same frequency is used in all cells.
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>:
+
'''(2)'''&nbsp; Correct is the <u>solution 2</u>:
*Es kommt zwischen den eingezeichneten Mobilstationen zu Interzellinterferenzen, da die Teilnehmer ''unterschiedlicher Zellen'' den gleichen Frequenzkanal nutzen.
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*Intercell interference occurs between the mobile stations shown, since the participants of ''different cells'' use the same frequency channel.
  
  
  
[[File:P_ID2225__Mob_A_3_3b.png|right|frame|Minimaler Abstand gleicher Frequenzen]]
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[[File:P_ID2225__Mob_A_3_3b.png|right|frame|Minimum distance of equal frequencies]]
'''(3)'''&nbsp; Die Skizze verdeutlicht den Rechengang bezüglich den „weißen Frequenzen”, wobei $d_{\rm min}$ durch den violetten Pfeil gegeben ist.  
+
'''(3)'''&nbsp; The sketch illustrates the calculation process with regard to the "white frequencies", where $d_{\rm min}$ is given by the purple arrow.  
*Die Mobilstationen befinden sich dann in den Ecken der weißen Hexagone.
+
*The mobile stations are then located in the corners of the white hexagons.
  
*Der rote (horizontale) Pfeil kennzeichnet den Abstand $D = 10 \ \rm km$ zweier Basisstationen.  
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*The red (horizontal) arrow marks the distance $D = 10 \ \rm km$ between two base stations.  
*Aufgrund einfacher geometrischer Überlegungen erhält man:
+
*Based on simple geometric considerations, one obtains
 
:$$\tan(30^{\circ}) = \frac{d_{\rm min}/2}{D/2} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} d_{\rm min} = D \cdot \tan(30^{\circ}) \hspace{0.15cm} \underline {= 5.77\,{\rm km}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\tan(30^{\circ}) = \frac{d_{\rm min}/2}{D/2} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} d_{\rm min} = D \cdot \tan(30^{\circ}) \hspace{0.15cm} \underline {= 5.77\,{\rm km}}\hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig sind <u>beide Lösungsvorschläge</u>:  
+
'''(4)'''&nbsp; Correct are <u>both solutions</u>:  
*Nimmt bei UMTS die Anzahl der aktiven Teilnehmer signifikant zu, so wird der Zellenradius und damit auch die aktuelle Interferenzleistung verkleinert.  
+
*If the number of active participants increases significantly in UMTS, the cell radius and thus the current interference power is reduced.  
*Für die Versorgung der Mobilteilnehmer am Rande einer ausgelasteten Zelle springt dann eine weniger belastete Nachbarzelle ein.
+
*For the supply of mobile subscribers at the edge of a busy cell, a less busy neighboring cell then steps in.
  
  
  
'''(5)'''&nbsp; Richtig sind die <u>beiden ersten Lösungsvorschläge</u>:  
+
'''(5)'''&nbsp; Correct are the <u>both first solutions</u>:  
*Der ''Near–Far–''Effekt bezeichnet das Problem des Uplinks. Die Basisstation empfängt von einem weiter entfernten Nutzer ein sehr viel schwächeres Signal als von einem nahen Teilnehmer.  
+
*The ''Near-Far-''effect describes the problem of the uplink. The base station receives a much weaker signal from a farther away user than from a nearby subscriber.  
*Um so größer ist dann auch dessen Bitfehlerrate, da das Signal des entfernteren Teilnehmers durch den nahen Teilnehmer weitgehend verdeckt wird.
+
*The bit error rate is then all the greater, since the signal of the farther party is largely obscured by the near party.
*Man kann den ''Near–Far–''Effekt zum Beispiel durch eine schnelle und präzise Leistungsregelung weitgehend ausgleichen, in dem der entferntere Teilnehmer mit größerer Leistung sendet.  
+
*The ''Near-Far'' effect can be largely compensated for, for example, by a fast and precise power control, in which the more distant subscriber transmits with greater power.  
*Allerdings bewirkt eine solche Leistungserhöhung auch größere Interferenzleistungen für alle anderen Nutzer, so dass stets ein Kompromiss gefunden werden muss.
+
*However, such an increase in power also causes greater interference power for all other users, so that a compromise must always be found.
*Durch den Einsatz so genannter ''Multi–User–Detektoren'' lässt sich der ''Near–Far–''Effekt auch bei einheitlicher Sendeleistung ausreichend gut kompensieren.  
+
*By using so-called multi-user detectors, the near-far effect can be compensated sufficiently well, even with uniform transmission power.  
*Dieser Empfängertyp wird vorwiegend bei der Basisstation eingesetzt – also im Uplink.  
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*This type of receiver is mainly used at the base station - in the uplink.  
*Er wird aber auch im Downlink benutzt, zum Beispiel, um den BCH– oder den Pilotkanal zu subtrahieren.
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*But it is also used in the downlink, for example to subtract the BCH or pilot channel.
  
 
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Revision as of 14:42, 15 July 2020

Cellular network architecture

A characteristic of GSM and UMTS alike is the cellular network structure, whereby for simple calculations the cells are often approximated by hexagons.

  • The colours "white", "yellow" and "blue" in the diagram stand for different frequencies, which can reduce the disturbing influence of intercell interference.
  • Black dots indicate base stations that are evenly distributed in this model at a distance of  $D = 10 \ \rm km$ .
  • The two violet dots in the upper left-hand corner indicate two mobile stations whose signals interfere with each other – see subtask (2).




Notes:



Fragebogen

1

Does the given idealized cell structure rather apply

to GSM,
to UMTS?

2

What do you call the mutual interference of the marked violet mobile stations in the graphic?

Intra-cell interference
Inter-cell interference

3

What is the minimum distance between mobile stations of the same frequency?

$d_{\rm min} \ = \ $

$\ \rm km$

4

What is cell respiration?

The cell radius varies with the number of active subscribers.
Cell respiration is used for UMTS.

5

How can the Near-Far-Effect be counteracted?

Through a fast and precise power control.
Through the use of so-called multi-user detectors.
The latter are only suitable for the uplink.


Sample solution

(1)  Correct is the solution 1:

  • From the coloring of the graphic on the data page you can see the reuse–factor 3.
  • In GSM, adjacent cells use different frequencies.
  • In the CDMA-based UMTS–system, however, the same frequency is used in all cells.


(2)  Correct is the solution 2:

  • Intercell interference occurs between the mobile stations shown, since the participants of different cells use the same frequency channel.


Minimum distance of equal frequencies

(3)  The sketch illustrates the calculation process with regard to the "white frequencies", where $d_{\rm min}$ is given by the purple arrow.

  • The mobile stations are then located in the corners of the white hexagons.
  • The red (horizontal) arrow marks the distance $D = 10 \ \rm km$ between two base stations.
  • Based on simple geometric considerations, one obtains
$$\tan(30^{\circ}) = \frac{d_{\rm min}/2}{D/2} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} d_{\rm min} = D \cdot \tan(30^{\circ}) \hspace{0.15cm} \underline {= 5.77\,{\rm km}}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  Correct are both solutions:

  • If the number of active participants increases significantly in UMTS, the cell radius and thus the current interference power is reduced.
  • For the supply of mobile subscribers at the edge of a busy cell, a less busy neighboring cell then steps in.


(5)  Correct are the both first solutions:

  • The Near-Far-effect describes the problem of the uplink. The base station receives a much weaker signal from a farther away user than from a nearby subscriber.
  • The bit error rate is then all the greater, since the signal of the farther party is largely obscured by the near party.
  • The Near-Far effect can be largely compensated for, for example, by a fast and precise power control, in which the more distant subscriber transmits with greater power.
  • However, such an increase in power also causes greater interference power for all other users, so that a compromise must always be found.
  • By using so-called multi-user detectors, the near-far effect can be compensated sufficiently well, even with uniform transmission power.
  • This type of receiver is mainly used at the base station - in the uplink.
  • But it is also used in the downlink, for example to subtract the BCH or pilot channel.