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

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Um ein flächendeckendes Netz mit geringer Sendeleistung und ausreichender Frequenzökonomie zu ermöglichen, werden bei UMTS – wie auch bei [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_GSM|GSM]] – Funkzellen eingerichtet.
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Um ein flächendeckendes Netz mit geringer Sendeleistung und ausreichender Frequenzökonomie zu ermöglichen, werden bei UMTS – wie auch bei [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_GSM|"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.
 
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.
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''Hinweise:''
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Hints:
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Examples_of_Communication_Systems/UMTS–Netzarchitektur|UMTS–Netzarchitektur]].
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*This exercise belongs to the chapter [[Examples_of_Communication_Systems/UMTS_Network_Architecture|"UMTS Network Architecture"]].
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seiten [[Examples_of_Communication_Systems/UMTS–Netzarchitektur#Architektur_der_Zugangsebene|Architektur der Zugangsebene]] und [[Examples_of_Communication_Systems/UMTS–Netzarchitektur#Handover_in_UMTS|Handover in UMTS]].
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*Reference is made in particular to the pages [[Examples_of_Communication_Systems/UMTS_Network_Architecture#Access_level_architecture|"Access level architecture"]] und [[Examples_of_Communication_Systems/UMTS_Network_Architecture#Handover_in_UMTS|"Handover in UMTS"]].
  
  
  
===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche der nachfolgenden Aussagen sind zutreffend?
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{Which of the following statements are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- UMTS (Trägerfrequenz um $2 \ \rm GHz$) hat größere Funkzellen als GSM (Trägerfrequenz um $900 \ \rm MHz$).
+
- UMTS (carrier frequency around $2 \ \rm GHz$) has larger radio cells than GSM (carrier frequency around $900 \ \rm MHz$).
- Die Datenrate ist in einer Makrozelle größer als in einer Mikrozelle.
+
- The data rate is greater in a macrocell than in a microcell.
+ Die Datenrate ist in einer  Pikozelle  größer als in einer Mikrozelle.
+
+ The data rate is greater in a picocell than in a microcell.
  
{Sind die folgenden Aussagen hinsichtlich ''Interferenzen'' richtig?
+
{Are the following statements regarding ''interference'' correct?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Intrazellinterferenzen entstehen, wenn mehrere Teilnehmer in der gleichen Zelle den gleichen Frequenzkanal benutzen.
+
+ Intracell interference occurs when multiple participants in the same cell use the same frequency channel.
+ Interzellinterferenzen entstehen, wenn die gleiche Frequenz von Teilnehmern in verschiedenen Zellen benutzt wird.
+
+ Intercell interference occurs when the same frequency is used by subscribers in different cells.
+ Im dargestellten Szenario kommt es zu Intrazellinterferenzen, wenn die Frequenzen $f_{1}$ und $f_{2}$ gleich sind.
+
+ In the scenario shown, intracell interference occurs when the frequencies $f_{1}$ and $f_{2}$ are the same.
+ Im dargestellten Szenario kommt es zu Interzellinterferenzen, wenn die Frequenzen $f_{3}$ und $f_{4}$ gleich sind.
+
+ In the scenario shown, intercell interference occurs when frequencies $f_{3}$ and $f_{4}$ are equal.
  
{Was versteht man unter ''Zellatmung''?
+
{What is meant by ''cellular respiration''?
 
|type="[]"}
 
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+ Nimmt die Anzahl der aktiven Teilnehmer in der Zelle zu &nbsp; &rArr; &nbsp; größere Interferenzleistung, so wird der Zellenradius verkleinert.
+
+ If the number of active participants in the cell increases &nbsp; &rArr; &nbsp; greater interference power, the cell radius is reduced.
+ Die Versorgung der Teilnehmer am Rande einer ausgelasteten Zelle übernimmt eine weniger belastete Nachbarzelle.
+
+ The supply of subscribers at the edge of a busy cell is taken over by a less busy neighboring cell.
- Zellatmung beschreibt einen Mechanismus zur bestmöglichen Anpassung der Datenrate an den aktuellen Datenverkehr.
+
- Cell breathing describes a mechanism for best matching the data rate to the current traffic.
  
{Welche der folgenden Aussagen zum ''Handover'' sind zutreffend?
+
{Which of the following statements about ''handover'' are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Ziel ist es, den Übergang eines mobilen Teilnehmers von einer Zelle zur anderen als unterbrechungsfrei erscheinen zu lassen.
+
+ The goal is to make the transition of a mobile subscriber from one cell to another appear to be uninterrupted.
+ Von ''Hard Handover'' spricht man dann, wenn die Verbindung schlagartig zu einer anderen Verbindung umgeschaltet wird.
+
+ ''Hard Handover'' is when the connection is abruptly switched to another connection.
+ Bei ''Soft Handover'' erfolgt die Weitergabe eines Teilnehmers von einer Basisstation zu einer anderen allmählich.
+
+ In ''Soft Handover'', the handover of a subscriber from one base station to another is gradual.
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
  
'''(1)'''&nbsp; Richtig ist nur die <u>letzte Aussage</u>:  
+
'''(1)'''&nbsp; Only the <u>last statement</u> is correct:  
*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 $900 \ \rm MHz$).  
+
*Since the range of radio signals decreases with increasing frequency at the same transmission power, the radio cells at UMTS (carrier frequency around $2 \ \rm GHz$) are significantly smaller than at GSM (in the D-network around $900 \ \rm MHz$).  
*Die maximalen Datenraten (hierbei handelt es sich aber eher um theoretische Grenzwerte) betragen bei UMTS für
+
*The maximum data rates for UMTS (which are more theoretical limits) are as follows for
:*eine Makrozelle bis zu $144 \ \rm kbit/s$,
+
:*a macro cell up to $144 \ \rm kbit/s$,
:*eine Pikozelle bis zu $2 \ \rm Mbit/s$.
+
:*a picocell up to $2 \ \rm Mbit/s$.
  
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig sind  <u>alle Aussagen</u>:  
+
'''(2)'''&nbsp; Correct are <u>all statements</u>:  
*Die beiden Definitionen für Intra– und Interzellinterferenz sind richtig.  
+
*The two definitions for intracell and intercell interference are correct.  
*Wendet man diese auf das vorliegende Szenario (Grafik auf der Angabenseite) an, so erkennt man
+
*Applying these to the scenario at hand (graph on the information page), we see.
:*<u>Intra</u>zellinterferenzen für $f_{1} = f_{2}$,
+
:*<u>Intra</u>cell interference for $f_{1} = f_{2}$,
:*<u>Inter</u>zellinterferenzen für $f_{3} = f_{4}$.
+
:*<u>Inter</u>cell interference for $f_{3} = f_{4}$.
*<u>Intra</u>zellinterferenzen sind wegen des meist kleineren Abstandes der Störer vom Empfänger gravierender als <u>Inter</u>zellinterferenzen, das heißt, sie bewirken ein kleineres CIR (''Carrier–to–Interference Ratio'').
+
*<u>Intra</u>cell interference is more severe than <u>Inter</u>cell interference because of the usually smaller distance of the interferers from the receiver, that is, it causes a smaller CIR (''carrier-to-interference ratio'').
  
  
'''(3)'''&nbsp; Richtig sind die  <u>Aussagen 1 und 2</u>:  
+
'''(3)'''&nbsp; Correct <u>statements 1 and 2</u> are:  
*Die Zellatmung wird durch die beiden ersten Statements genau richtig beschrieben.  
+
*Cellular respiration is accurately described by the first two statements.  
*Da nun weniger Teilnehmer auf einer Frequenz senden, wird der negative Einfluss der Intrazellinterferenz geringer.  
+
*With fewer participants now transmitting on a frequency, the negative influence of intracell interference is reduced.  
*Die Teilnehmer in Nachbarzellen senden auf anderen Frequenzen und stören somit deutlich weniger.
+
*The participants in neighboring cells transmit on other frequencies and thus interfere much less.
*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.  
+
*An alternative to cell breathing would be to maintain the cell size but reduce the transmit power of all participants within the cell, but this also means a reduction in the reception quality.  
*Der letzte Lösungsvorschlag ist schlicht und einfach falsch.
+
*The last proposed solution is simply wrong.
  
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig sind  <u>alle Aussagen</u>:  
+
'''(4)'''&nbsp; Correct are <u>all statements</u>:  
*Beispielsweise werden die Downlink–Daten im ''Radio Network Controller'' (RNC) aufgeteilt, über die beteiligten "Node Bs" ausgestrahlt und in der Mobilstation wieder zusammengesetzt.
+
*For example, downlink data is split in the ''Radio Network Controller'' (RNC), broadcast over the participating "Node Bs", and reassembled in the mobile station.
*Bei ''Soft Handover'' kann ein Mobiltelefon mit bis zu drei Basisstationen gleichzeitig kommunizieren.  
+
*With ''soft handover,'' a mobile can communicate with up to three base stations simultaneously.  
*Diese Variante ist natürlich dem ''Hard Handover'' überlegen, aber auch mit einem größeren Aufwand verbunden.
+
*This variant is of course superior to ''Hard Handover'', but also involves greater effort.
  
 
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Revision as of 03:38, 13 February 2023

UMTS cellular architecture

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.



Hints:


Questions

1

Which of the following statements are true?

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

2

Are the following statements regarding interference correct?

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

3

What is meant by cellular respiration?

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

4

Which of the following statements about handover are true?

The goal is to make the transition of a mobile subscriber from one cell to another appear to be uninterrupted.
Hard Handover is when the connection is abruptly switched to another connection.
In Soft Handover, the handover of a subscriber from one base station to another is gradual.


Solution

(1)  Only the last statement is correct:

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


(2)  Correct are all statements:

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


(3)  Correct statements 1 and 2 are:

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


(4)  Correct are all statements:

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