Difference between revisions of "Examples of Communication Systems/General Description of UMTS"

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|Untermenü=UMTS – Universal Mobile Telecommunications System
 
|Untermenü=UMTS – Universal Mobile Telecommunications System
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== # OVERVIEW OF THE FOURTH MAIN CHAPTER # ==
 
== # OVERVIEW OF THE FOURTH MAIN CHAPTER # ==
 
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$\rm U$niversal&nbsp; $\rm M$obile&nbsp; $\rm T$elecommunications&nbsp; $\rm S$ystem&nbsp; $\rm (UMTS)$&nbsp; ist ein Mobilfunksystem der dritten Generation,&nbsp; das bei seiner Einführung eine zukunftsweisende Alternative zu den bis dahin verwendeten Mobilfunksystemen darstellen sollte.&nbsp; Es bietet im Vergleich zu GSM nicht nur eine hochwertigere Sprachqualität,&nbsp; sondern dank seiner schnelleren und paketvermittelten Übertragung auch eine Vielfalt erweiterter Dienste und Funktionalitäten.
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$\rm U$niversal&nbsp; $\rm M$obile&nbsp; $\rm T$elecommunications&nbsp; $\rm S$ystem&nbsp; $\rm (UMTS)$&nbsp; is a third-generation mobile communications system,&nbsp; which, when it was introduced, was intended to be a forward-looking alternative to the mobile communications systems used until then. Compared with GSM, it not only offers higher-quality speech,&nbsp; but also a variety of enhanced services and functionalities thanks to its faster and packet-switched transmission.
  
UMTS wurde Ende der 1990er Jahre im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen der&nbsp; "International Telecommunication Union"&nbsp; $\rm (ITU)$&nbsp; und dem 3GPP–Forum&nbsp; $($"3rd Generation Partnership Project"$)$&nbsp; standardisiert und ist seit 2004 in Europa kommerziell verfügbar.  
+
UMTS was standardized in the late 1990s as part of a collaboration between the&nbsp; "International Telecommunication Union"&nbsp; $\rm (ITU)$&nbsp; and the 3GPP Forum&nbsp; $($"3rd Generation Partnership Project"$)$&nbsp; and has been commercially available in Europe since 2004.  
  
&rArr; &nbsp; Im Jahr 2011&nbsp; $($als dieses Kapitel konzipiert wurde$)$&nbsp;   nutzten weltweit etwa 200 Millionen Teilnehmer UMTS oder ähnliche Mobilfunksysteme der dritten Generation.   
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&rArr; &nbsp; In 2011&nbsp; $($when this chapter was conceived$)$&nbsp; about 200 million subscribers worldwide were using UMTS or similar third-generation mobile communications systems.   
  
&rArr; &nbsp; Im Jahr 2022&nbsp; $($als dieses Kapitel im Rahmen der englischen Übersetzung nochmals überarbeitet wurde$)$&nbsp; hat ein welt­weiter Report der Netz­aus­rüster-Indus­trie  mehr als hundert Betreiber iden­tifi­ziert,&nbsp; die die 3G-Abschal­tung neben der 2G-Abschal­tungentweder abge­schlossen haben,&nbsp; dies planen oder gerade durch­führen,&nbsp; um die hier­durch frei werdenden Frequenzen für den Ausbau von&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Allgemeines_zum_Mobilfunkstandard_LTE| $\rm LTE$]],&nbsp; $\rm 5G$&nbsp; oder techo­logie­neu­tral zu verwenden.  
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&rArr; &nbsp; In 2022&nbsp; $($when this chapter was revised again as part of the English translation$)$&nbsp; a global report by the network equipment industry has identified more than a hundred operators&nbsp; that have either completed 3G switch-off alongside 2G switch-off,&nbsp; are planning to do so or are in the process of doing so,&nbsp; in order to use the spectrum this frees up for&nbsp; [[Mobile_Communications/General_Information_on_the_LTE_Mobile_Communications_Standard| "$\rm LTE$"]],&nbsp; $\rm 5G$&nbsp; or technology-neutral.  
  
* 28 Betreiber in 17 Ländern und Terri­torien haben die 3G-Abschal­tung inzwischen abge­schlossen.  
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*28 operators in 17 countries and territories have now completed 3G switch-off.  
  
*Bei sechs Betrei­bern in sechs Ländern und Terri­torien ist die 3G-Abschal­tung derzeit im Gange.
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*Six operators in six countries and territories currently have 3G switch-off underway.
 
   
 
   
*Weitere 46 Netz­betreiber in 31 Ländern haben die 3G-Abschal­tungen für die allernächste Zeit geplant.  
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*Another 46 operators in 31 countries have 3G shutdowns planned for the very near future.  
  
*Interessant an diesem Report ist auch,&nbsp; dass in einigen Ländern die UMTS-Abschaltung noch mehr forciert wird als die des ca. zehn Jahre älteren 2G-Standards&nbsp; [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_GSM| $\rm GSM$]].
+
*It is also interesting to note from this report that in some countries the UMTS switch-off is being pushed even harder than that of the 2G standard, which is about ten years older&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_GSM| "$\rm GSM$"]].
  
  
&rArr; &nbsp; Wir haben uns trotz dieser negativen Prognose dafür entschieden,&nbsp; dieses Kapitel in unserem&nbsp; $\rm LNTwww$&nbsp; zu belassen,&nbsp; da das Verständnis der zugrundeliegenden CDMA-Technologie für Studierende  auch das Verständnis anderer nachrichtentechnischer Probleme erleichtert. '''Korrektur''': Hier muss ich noch mit Kollegen reden.  
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&rArr; &nbsp; We have chosen to keep this chapter in our&nbsp; $\rm LNTwww$&nbsp; despite this negative forecast,&nbsp; since understanding the underlying CDMA technology also facilitates students' understanding of other communications engineering problems. '''Korrektur''': Hier muss ich noch mit Kollegen reden.  
  
Dieses Kapitel beinhaltet im Einzelnen:
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This chapter includes in detail:
  
*UMTS als Mobilfunksystem der dritten Generation,
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*UMTS as a third generation mobile communications system,
*die Dienste und Sicherheitsaspekte in UMTS,
+
*the services and security aspects in UMTS,
*die UMTS–Netzarchitektur,
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*the UMTS network architecture,
*die physikalischen, logischen und Transportkanäle sowie deren Interaktionen,
+
*the physical, logical and transport channels and their interactions,
*die zellulare Architektur in UMTS und deren Mechanismen,
+
*the cellular architecture in UMTS and its mechanisms,
*die in UMTS verwendete Sprach– und Kanalcodierung,
+
*the speech and channel coding used in UMTS,
*die Bandspreizung und CDMA als Basis von UMTS,
+
*the band spreading and CDMA as the basis of UMTS,
*die Funkressourcenverwaltung und Leistungsregelung in UMTS–Netzen,
+
*the radio resource management and power control in UMTS networks,
*die Weiterentwicklungen von UMTS wie HSDPA und HSUPA,
+
*the further developments of UMTS such as HSDPA and HSUPA,
*ein Ausblick auf Long Term Evolution (LTE), dem Schlagwort der vierten Generation.
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*an outlook on Long Term Evolution (LTE), the buzzword of the fourth generation.
  
  
==Anforderungen an Mobilfunksysteme der dritten Generation==   
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==Requirements for third-generation mobile communications systems==   
 
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Die wichtigste Motivation zur Entwicklung von&nbsp; ''Mobilfunksystemen der dritten Generation''&nbsp; war die Erkenntnis, dass die Systeme der zweiten Generation den Bandbreitenbedarf zur Nutzung multimedialer Dienste nicht zufrieden stellen konnten.  
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The main motivation for the development of&nbsp; ''third-generation mobile communications systems''&nbsp; was the realization that second-generation systems could not satisfy the bandwidth requirements for the use of multimedia services.  
  
[[File:EN_Bei_T_4_1_S1.png|right|frame|Entwicklung der Mobilfunksysteme von 1995 bis 2006]]
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[[File:EN_Bei_T_4_1_S1.png|right|frame|Development of mobile communications systems from 1995 to 2006]]
Die Grafik zeigt die Entwicklung der Mobilfunksysteme seit 1995 hinsichtlich Leistungsfähigkeit bzw. Datenübertragungsrate aus Sicht des Jahres 2007:
+
The graph shows the development of mobile radio systems since 1995 in terms of performance or data transmission rate as seen in 2007:
* Die  angegebenen Datenraten  für HSUPA $($Uplink, bis&nbsp; $\text{3 Mbit/s)}$&nbsp; und HSDPA $($Downlink, bis&nbsp; $\text{7 Mbit/s)}$&nbsp; waren für 2006/2007 realistisch.
+
*The specified data rates for HSUPA $($uplink, up to&nbsp; $\text{3 Mbit/s)}$&nbsp; and HSDPA $($downlink, up to&nbsp; $\text{7 Mbit/s)}$&nbsp; were realistic for 2006/2007.
*In den Spezifikationen wurden dagegen für den Uplink&nbsp; $\text{5.8 Mbit/s}$ und für den Downlink&nbsp; $\text{14.4 Mbit/s}$ (also deutlich höhere Maximalwerte) genannt, die  in der Praxis wohl aber nicht erreichbar sein werden.
+
*In contrast, the specifications stated maximum values for the uplink&nbsp; $\text{5.8 Mbit/s}$ and for the downlink&nbsp; $\text{14.4 Mbit/s}$ (i.e., significantly higher maximum values), but these will probably not be achievable in practice.
 
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Die Mobilfunksysteme der dritten Generation sollten über eine größere Bandbreite als das damals bereits etablierte&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_GSM|GSM]]&nbsp; verfügen und genügend Reserve an Leistungsfähigkeit aufweisen, um auch bei den stetig wachsenden Anforderungen eine hohe Dienstgüte gewährleisten zu können.
+
The third-generation mobile communications systems were to have greater bandwidth than the&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_GSM|"GSM"]]&nbsp; already established at that time and sufficient reserve capacity to ensure high quality of service even in the face of constantly growing demands.
  
Bei der Entwicklung der Systeme der dritten Generation hat die&nbsp; ''International Telecommunication Union''&nbsp; (ITU) eine wichtige Rolle gespielt. Sie hat unter anderem einen Anforderungskatalog erstellt, der ihre Eigenschaften festlegte. Dieser Anforderungskatalog umfasst folgende Rahmenbedingungen:
+
In the development of the third generation systems, the&nbsp; ''International Telecommunication Union''&nbsp; (ITU) has played an important role. Among other things, it created a catalog of requirements that defined their characteristics. This catalog of requirements includes the following general conditions:
*Hohe Datenraten von&nbsp; $\text{144 kbit/s}$ (Standard) bis&nbsp; $\text{2 Mbit/s}$&nbsp; (In-door),
+
*High data rates from&nbsp; $\text{144 kbit/s}$ (standard) to&nbsp; $\text{2 Mbit/s}$&nbsp; (in-door),
*symmetrische und asymmetrische Datenübertragung (IP–Dienste),
+
*symmetric and asymmetric data transmission (IP services),
*leitungsvermittelte (''circuit–switched'') und paketvermittelte (''packed–switched'') Übertragung,
+
*circuit-switched and packet-switched transmission,
*hohe Sprachqualität und hohe Spektraleffizienz,
+
*high speech quality and high spectral efficiency,
*nahtloser Übergang von und zu Systemen der zweiten Generation,
+
*seamless transition to and from second-generation systems,
*globale Erreichbarkeit und Verbreitung,
+
*global reachability and distribution,
*Anwendungen unabhängig vom verwendeten Netz (''Virtual Home Environment'').
+
*applications independent of the network used (''virtual home environment'').
  
 
 
 
 
==Der IMT–2000–Standard==   
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==The IMT 2000 standard==   
 
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Im Jahre 1992 wurde von der&nbsp; ''International Telecommuncation Union''&nbsp; (ITU) der Standard&nbsp; $\rm IMT\hspace{-0.1cm}-\hspace{-0.1cm}2000$&nbsp; $($''International Mobile Telecommunications at''&nbsp; 2000 MHz$)$&nbsp; ins Leben gerufen, der die genannten Anforderungen ermöglichen sollte. Dieser umfasst eine Reihe verschiedener Mobilfunksysteme der dritten Generation, die im Laufe der Standardisierung aneinander angenähert wurden, um die Entwicklung von gemeinsamen Endgeräten für alle diese Standards zu ermöglichen.
+
In 1992, the&nbsp; ''International Telecommuncation Union''&nbsp; (ITU) launched the&nbsp; $\rm IMT\hspace{-0.1cm}-\hspace{-0.1cm}2000$&nbsp; $($''International Mobile Telecommunications at''&nbsp; 2000 MHz$)$&nbsp; standard to enable the above requirements. This comprises a number of different third-generation mobile communications systems that have been converged during the standardization process to enable the development of common terminals for all these standards.
  
Um national unterschiedliche Vorarbeiten zu berücksichtigen und den Netzbetreibern die Möglichkeit zu geben, die bereits bestehenden Netzarchitekturen zum Teil weiter zu verwenden, beinhaltet IMT–2000 mehrere Einzelstandards. Diese lassen sich grob in vier Kategorien einteilen:
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In order to take into account nationally different preliminary work and to allow network operators to continue using existing network architectures to some extent, IMT-2000 includes several individual standards. These can be roughly divided into four categories:
[[File:P_ID1482__Bei_T_4_1_S2_v1.png|right|frame|Die  "IMT–Familie" &ndash; ein Überblick]]
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[[File:P_ID1482__Bei_T_4_1_S2_v1.png|right|frame|The "IMT family" &ndash; an overview]]
*$\rm W–CDMA$: &nbsp; Dazu zählt man die FDD-Komponente des europäischen UMTS–Standards sowie das amerikanische cdma2000–System.
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*$\rm W-CDMA$: &nbsp; This includes the FDD component of the European UMTS standard as well as the American cdma2000 system.
*$\rm TD–CDMA$: &nbsp; Zu dieser Gruppe zählt die TDD–Komponente von UMTS sowie das chinesische TD–SCDMA, das mittlerweile in den UMTS–TDD–Standard integriert ist.
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*$\rm TD-CDMA$: &nbsp; This group includes the TDD component of UMTS as well as the Chinese TD-SCDMA, which is now integrated into the UMTS TDD standard.
*$\rm TDMA$: &nbsp; Eine Weiterentwicklung des GSM–Ablegers EDGE und des amerikanischen Pendants UWC–136, auch bekannt als DS–AMPS.
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*$\rm TDMA$: &nbsp; A further development of the GSM offshoot EDGE and its American counterpart UWC-136, also known as DS-AMPS.
*$\rm FD–TDMA$: &nbsp; Die Weiterentwicklung des europäischen Schnurlos–Telefonie–Standards DECT (''Digital Enhanced Cordless Telecommunication'').
+
*$\rm FD-TDMA$: &nbsp; The further development of the European cordless telephony standard DECT (''Digital Enhanced Cordless Telecommunication'').
  
  
Im Folgenden konzentrieren wir uns auf das in Europa entwickelte System&nbsp; $\rm UMTS$&nbsp; (''Universal Mobile Telecommunications System''), das die beiden erstgenannten Standards&nbsp; sowie&nbsp; $\rm TD–CDMA$&nbsp; der Systemfamilie IMT–2000 unterstützt.
+
In the following, we focus on the European-developed system&nbsp; $\rm UMTS$&nbsp; (''Universal Mobile Telecommunications System''), which supports the first two standards&nbsp; as well as&nbsp; $\rm TD-CDMA$&nbsp; of the IMT-2000 system family.
  
  
 
 
 
 
==Historische Entwicklung von UMTS ==  
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==Historical development of UMTS ==  
 
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Es folgen einige Daten zur historischen Entwicklung von UMTS und der verwendeten Techniken. Weitere Informationen finden Sie zum Beispiel unter diesem [http://www.umtsworld.com/umts/history.htm Internet–Link].
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The following is some data on the historical development of UMTS and the techniques used. More information can be found, for example, at this [http://www.umtsworld.com/umts/history.htm "internet link"].
*'''1940–1950''' &nbsp; Erste militärische Anwendungen von Signalspreizverfahren.
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*'''1940-1950''' &nbsp; First military applications of signal spreading techniques.
*'''1949''' &nbsp; Erste Grundzüge des CDMA–Verfahrens durch C. E. Shannon und J. R. Pierce.
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*'''1949''' &nbsp; First outlines of the CDMA process by C. E. Shannon and J. R. Pierce.
*'''1970''' &nbsp; Verschiedene CDMA–Entwicklungen für militärische Systeme, z.B. GPS.
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*'''1970''' &nbsp; Various CDMA developments for military systems, e.g. GPS.
*'''1989–1992''' &nbsp; Grundlagenforschung zu den Eigenschaften zukünftiger Mobilfunksysteme im Rahmen des EU–Programms RACE–1 <br>(''Research, Analysis, Communication, Evaluation'').
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*'''1989-1992''' &nbsp; Basic research on the characteristics of future mobile radio systems within the EU program RACE-1. <br>(''Research, Analysis, Communication, Evaluation'').
*'''1992''' &nbsp; Erste Überlegungen zum Standard IMT–2000 durch die ITU.
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*'''1992''' &nbsp; First consideration of the IMT-2000 standard by the ITU.
*'''1992–1995''' &nbsp; EU–Programm RACE–2 mit dem Schwerpunkt „Entwicklung von Systemkonzepten” – basierend auf den Ergebnissen von RACE–1.
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*'''1992-1995''' &nbsp; EU program RACE-2 focusing on "development of system concepts" - based on the results of RACE-1.
*'''1996''' &nbsp; Gründung des UMTS–Forums in Zürich – Umbenennung des geplanten europäischen Standards „W–CDMA” in „UMTS”.
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*'''1996''' &nbsp; Foundation of the UMTS Forum in Zurich - renaming of the planned European standard "W-CDMA" to "UMTS".
*'''1998''' &nbsp; Übernahme der beiden Modi ''W–CDMA'' und ''TD–CDMA'' in den UMTS–Standard auf der ETSI–SMG–Sitzung in Paris.
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*'''1998''' &nbsp; Adoption of the two modes ''W-CDMA'' and ''TD-CDMA'' into the UMTS standard at the ETSI-SMG meeting in Paris.
*'''1998''' &nbsp; Gründung des ''3gpp''–Forums (''3rd Generation Partnership Project'') durch die Gremien ETSI–SMG, T1P1, ARIB TTC und TTA.
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*'''1998''' &nbsp; Establishment of the ''3gpp'' forum (''3rd Generation Partnership Project'') by the ETSI-SMG, T1P1, ARIB TTC and TTA committees.
*'''1999''' &nbsp; Verabschiedung des Standards UMTS–R99 (Release 1999) durch die ETSI. Dieser gilt als Basis für die ersten verfügbaren UMTS–Endgeräte.
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*'''1999''' &nbsp; Adoption of the UMTS-R99 standard (Release 1999) by ETSI. This is considered the basis for the first available UMTS terminals.
*'''2001 '''&nbsp; Verabschiedung der Release 4 als Weiterentwicklung von UMTS–R99: ''Quality of Service'' (QoS) wird nun an der Funkschnittstelle und im Festnetz unterstützt.
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*'''2001 '''&nbsp; Adoption of Release 4 as a further development of UMTS-R99: ''Quality of Service'' (QoS) is now supported at the radio interface and in the fixed network.
*'''2001 '''&nbsp; Erstes kommerzielle UMTS–Netz des norwegischen Unternehmens TELENOR.
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*'''2001 '''&nbsp; First commercial UMTS network of the Norwegian company TELENOR.
*'''2002 '''&nbsp; Verabschiedung der UMTS Release 5: &nbsp; Die an das GSM–Festnetz angelehnte Architektur wird durch ein vollständig IP–basiertes Festnetz ersetzt.
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*'''2002 '''&nbsp; Adoption of UMTS Release 5: &nbsp; Architecture based on the GSM fixed network is replaced by a fully IP-based fixed network.
*'''2002 '''&nbsp; Erste UMTS–Sprach– und Datenverbindung von Nortel Networks und Qualcomm. Diese Firmen gelten als Vorreiter bei der Umsetzung der UMTS–Technologie.
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*'''2002 '''&nbsp; First UMTS voice and data link from Nortel Networks and Qualcomm. These companies are considered pioneers in the implementation of UMTS technology.
*'''2004''' &nbsp; Verabschiedung der UMTS Release 6. Dieser Standard bietet dem Nutzer einen verbesserten QoS und dem Anbieter eine effektivere Ressourcenverwaltung.
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*'''2004''' &nbsp; Adoption of UMTS Release 6, a standard that provides improved QoS for the user and more effective resource management for the provider.
  
  
$\text{Zusammenfassung der historischen Entwicklung von UMTS}$&nbsp;
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$\text{Summary of the historical development of UMTS}$&nbsp;
  
Auch bei UMTS ist zwischen den ersten Konzeptüberlegungen und der endgültigen Einführung mehr als ein Jahrzehnt vergangen.  
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With UMTS, too, more than a decade has passed between the first conceptual considerations and the final introduction.  
  
Dies war ähnlich wie bei der Einführung anderer Kommunikationssysteme, wie zum Beispiel bei
+
This was similar to the introduction of other communications systems, such as
*[[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_ISDN|ISDN]]&nbsp; (''Integrated Services Digital Network''),
+
*[[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_ISDN|"ISDN"]]&nbsp; (''Integrated Services Digital Network''),
*[[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_DSL|DSL]]&nbsp; (''Digital Subscriber Line''),
+
*[[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_DSL|"DSL"]]&nbsp; (''Digital Subscriber Line''),
*[[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_GSM|GSM]]&nbsp; (''Global System for Mobile Communications'').
+
*[[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_GSM|"GSM"]]&nbsp; (''Global System for Mobile Communications'').
 
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==Frequency allocation for UMTS== 
 
==Frequency allocation for UMTS== 
 
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Zuständig für die Zuweisung von Bandbreiten und Frequenzbänder der Kommunikationssysteme ist die&nbsp; ''International Telecommunication Union''&nbsp; (ITU). Insbesondere bei UMTS gibt es aber Abweichungen zwischen den europäischen und den ITU–Frequenzzuweisungen, da manche Frequenzbänder in manchen Ländern schon von anderen Mobilfunksystemen belegt waren. Die Grafik zeigt die europäische (unten) sowie die ITU–Frequenzbelegung (oben).
+
The International Telecommunication Union (ITU) is responsible for allocating bandwidths and frequency bands for communications systems. In the case of UMTS in particular, however, there are discrepancies between the European and ITU frequency allocations, as some frequency bands were already occupied by other mobile communications systems in some countries. The graphic shows the European (bottom) and the ITU frequency assignments (top).
  
[[File:EN_Bei_T_4_1_S4.png|right|frame|UMTS&ndash;Frequenzspektren]]
+
[[File:EN_Bei_T_4_1_S4.png|right|frame|UMTS frequency spectra]]
Hierbei bedeuten:
+
Here, this means:
*$\rm GSM \ 1800$ – Frequenzband für den Downlink des GSM 1800,
+
*$\rm GSM \ 1800$ - frequency band for the downlink of GSM 1800,
*$\rm SAT$ – satellitengestützte Systeme <br>(jeweils&nbsp; $\text{30 MHz}$&nbsp; für Uplink und Downlink),
+
*$\rm SAT$ – satellite-based systems <br>(each&nbsp; $\text{30 MHz}$&nbsp; for uplink and downlink),
*$\rm DECT$ – ''Digital Enhanced Cordless Telecommunications'' <br>(Schnurlostelefon– Standard),
+
*$\rm DECT$ – ''Digital Enhanced Cordless Telecommunications'' <br>,
 
*$\rm UTRA–FDD$ – ''UMTS Terrestrial Radio Access–Frequency Division Duplex'',
 
*$\rm UTRA–FDD$ – ''UMTS Terrestrial Radio Access–Frequency Division Duplex'',
 
*$\rm UTRA–TDD$ – ''UMTS Terrestrial Radio Access–Time Division Duplex''.
 
*$\rm UTRA–TDD$ – ''UMTS Terrestrial Radio Access–Time Division Duplex''.
 
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$\rm UTRA–FDD$&nbsp; &ndash; oder kurz&nbsp; $\rm FDD$&nbsp; &ndash; besteht aus zwölf gepaarten Uplink– und Downlink–Frequenzbändern zu je&nbsp; $\text{5 MHz}$&nbsp; Bandbreite. Die Frequenzbänder liegen in Europa
+
$\rm UTRA-FDD$&nbsp; &ndash; or $\rm FDD$&nbsp; &ndash; for short, consists of twelve paired uplink and downlink frequency bands of&nbsp; $\text{5 MHz}$&nbsp; bandwidth each. The frequency bands are located in Europe
*zwischen&nbsp; $\text{1920 MHz}$&nbsp; und&nbsp; $\text{1980 MHz}$&nbsp; im Uplink, sowie
+
*between&nbsp; $\text{1920 MHz}$&nbsp; and&nbsp; $\text{1980 MHz}$&nbsp; in the uplink, as well as.
*zwischen&nbsp; $\text{2110 MHz}$&nbsp; und&nbsp; $\text{2170 MHz}$&nbsp; im Downlink.
+
*between&nbsp; $\text{2110 MHz}$&nbsp; and&nbsp; $\text{2170 MHz}$&nbsp; in the downlink.
  
  
Dagegen besteht&nbsp; $\rm UTRA–TDD$&nbsp; &ndash; oder kurz $\rm TDD$ &ndash; aus fünf Frequenzbändern zu je&nbsp; $\text{5 MHz}$&nbsp; Bandbreite, in denen mittels Zeitmultiplex sowohl Uplink– als auch Downlink–Daten übertragen werden sollen.  
+
In contrast,&nbsp; $\rm UTRA-TDD$&nbsp; &ndash; or $\rm TDD$ &ndash; for short, consists of five frequency bands of&nbsp; $\text{5 MHz}$&nbsp; bandwidth each, in which both uplink and downlink data are to be transmitted using time division multiplexing.  
*Für TDD sind die Frequenzen zwischen&nbsp; $\text{1900 MHz}$&nbsp; und&nbsp; $\text{1920 MHz}$&nbsp; (vier Kanäle) und zwischen&nbsp; $\text{2020 MHz}$&nbsp; und&nbsp; $\text{2025 MHz}$&nbsp; (ein Kanal) reserviert.  
+
*The frequencies between&nbsp; $\text{1900 MHz}$&nbsp; and&nbsp; $\text{1920 MHz}$&nbsp; (four channels) and between&nbsp; $\text{2020 MHz}$&nbsp; and&nbsp; $\text{2025 MHz}$&nbsp; (one channel) are reserved for TDD.  
*Das Band zwischen&nbsp; $\text{2010 MHz}$&nbsp; und&nbsp; $\text{2020 MHz}$&nbsp; wurde noch nicht lizenziert und wird deswegen in Deutschland ebenfalls noch nicht genutzt.
+
*The band between&nbsp; $\text{2010 MHz}$&nbsp; and&nbsp; $\text{2020 MHz}$&nbsp; has not been licensed yet and is therefore not used in Germany either.
  
 
   
 
   
== Vollduplexverfahren ==
+
== Full duplex ==
 
<br>
 
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Um die beiden Übertragungsrichtungen Uplink und Downlink zu trennen, werden in UMTS zwei unterschiedliche Betriebsmodi unterstützt. Man unterscheidet:
+
In order to separate the two transmission directions uplink and downlink, two different operating modes are supported in UMTS. A distinction is made between:
*''UMTS Terrestrial Radio Access Frequency Division Duplex''&nbsp; (UTRA–FDD),
+
*''UMTS Terrestrial Radio Access Frequency Division Duplex''&nbsp; (UTRA-FDD),
*''UMTS Terrestrial Radio Access Time Division Duplex''&nbsp; (UTRA–TDD).
+
*''UMTS Terrestrial Radio Access Time Division Duplex''&nbsp; (UTRA-TDD).
  
  
Der wesentliche Unterschied zwischen diesen beiden Modi zeigt sich vor allem in der physikalischen Ebene des Protokollstapels. Die beiden Verfahren unterscheiden sich dabei sowohl in ihren Duplex– als auch in ihren Vielfachzugriffsverfahren.
+
The main difference between these two modes can be seen in the physical layer of the protocol stack. The two methods differ in both their duplex and multiple access methods.
  
[[File:P_ID1527__Bei_T_4_1_S3a_v1.png|center|frame|UTRA–FDD–Modus in UMTS]]
+
[[File:P_ID1527__Bei_T_4_1_S3a_v1.png|center|frame|UTRA-FDD mode in UMTS]]
  
Im&nbsp; $\rm UTRA–FDD$–Modus werden – wie in obiger Grafik zu sehen – die Uplink– und Downlink–Daten gleichzeitig auf unterschiedlichen, aber korrespondierenden gepaarten Frequenzblöcken zu je&nbsp; $\text{5 MHz}$&nbsp; übertragen. Dabei ist zu beachten:
+
In&nbsp; $\rm UTRA-FDD$ mode - as shown in the above graphic - the uplink and downlink data are transmitted simultaneously on different but corresponding paired frequency blocks at&nbsp; $\text{5 MHz}$&nbsp; each. It should be noted that:
*Daten verschiedener Teilnehmer werden auf dem gleichen Frequenzband gesendet und empfangen.  
+
*Data from different subscribers is transmitted and received on the same frequency band.  
*Die Verwendung von verschiedenen CDMA–Spreizcodes ermöglicht die Trennung der jeweiligen Teilnehmerdaten.
+
*The use of different CDMA spreading codes enables the separation of the respective subscriber data.
*Es wird außerdem das&nbsp; ''TDMA–Verfahren''&nbsp; verwendet, um periodische Funktionen wie zum Beispiel die Leistungssteuerung zu realisieren.
+
*The&nbsp; ''TDMA method''&nbsp; is also used to realize periodic functions such as power control.
*Das&nbsp; ''FDMA–Verfahren''&nbsp; kann zusätzlich zu CDMA und TDMA genutzt werden, wenn der Netzbetreiber über mehr als einen Frequenzkanal verfügt.
+
*The&nbsp; ''FDMA method''&nbsp; can be used in addition to CDMA and TDMA if the network operator has more than one frequency channel.
  
  
Der FDD–Modus wird nur in Europa und meist nur bei symmetrischen Diensten verwendet, deren Bandbreitenanforderungen im Uplink und im Downlink etwa gleich sind. Dies ist zum Beispiel bei der Sprachkommunikation oder der Videotelefonie der Fall.
+
FDD mode is used only in Europe and mostly only for symmetrical services whose bandwidth requirements in the uplink and downlink are approximately the same. This is the case for voice communications or video telephony, for example.
 
   
 
   
  
Im&nbsp; $\rm UTRA–TDD$–Modus werden Uplink– und Downlink–Daten im gleichen Frequenzband übertragen. Dabei werden Uplink und Downlink zeitlich getrennt, wie die folgende Grafik zeigt. Weiterhin gilt:
+
In $TRA-TDD$ mode, uplink and downlink data are transmitted in the same frequency band. In this case, uplink and downlink are separated in time, as shown in the following diagram. Furthermore:
*Der Umschaltzeitpunkt (''Switching Point'') kann abhängig vom Datenvolumenverhältnis zwischen Uplink und Downlink flexibel gewählt werden.
+
*The switching point (''Switching Point'') can be flexibly selected depending on the data volume ratio between uplink and downlink.
*Die Teilnehmer werden beim TDD–Modus sowohl durch den Spreizcode&nbsp; (wie bei FDD)&nbsp; als auch durch den Zeitschlitz gekennzeichnet.
+
*In TDD mode, the subscribers are identified both by the spreading code&nbsp; (as in FDD)&nbsp; and by the time slot.
*Verfügt der Netzbetreiber mehrere Frequenzkanäle, so kann wie bei FDD  zusätzlich zu CDMA und TDMA noch FDMA zum Einsatz kommen.
+
*If the network operator has several frequency channels, FDMA can be used in addition to CDMA and TDMA, as with FDD.
  
[[File:P_ID1528__Bei_T_4_1_S3b_v1.png|center|frame|UTRA–TDD–Modus in UMTS]]
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[[File:P_ID1528__Bei_T_4_1_S3b_v1.png|center|frame|UTRA TDD mode in UMTS]]
  
Der TDD–Modus wird derzeit in Europa noch nicht genutzt und wird nach seiner Einführung hauptsächlich bei asymmetrischen Diensten (zum Beispiel: &nbsp; Downloads oder Surfen im Internet) eingesetzt werden, bei denen sich die Datenvolumina von Downlink und Uplink deutlich unterscheiden.
+
TDD mode is not currently used in Europe and, once introduced, will mainly be used for asymmetric services (for example: &nbsp; downloads or surfing the Internet) where the data volumes of downlink and uplink differ significantly.
  
  
 
==Properties of the UMTS radio channel==   
 
==Properties of the UMTS radio channel==   
 
<br>
 
<br>
Im UMTS–Funkkanal treten neben Interferenzen durch andere Teilnehmer und Rauschen zusätzlich eine Reihe unvorhersehbarer, störender und verzerrender Effekte auf, die sich zudem über der Zeit verändern.  
+
In the UMTS radio channel, in addition to interference from other subscribers and noise, a number of unpredictable, interfering and distorting effects occur, which also change over time.  
  
Bedingt durch Reflexionen sowie Streuungen und Beugungen an Objekten erfährt das gesendete Signal eine&nbsp; '''Mehrwegeausbreitung'''&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Mulipath Scattering'').
+
Due to reflections as well as scattering and diffraction from objects, the transmitted signal experiences multipath scattering.
  
[[File:P_ID1529__Bei_T_4_1_S5a_v2.png|right|frame|Scenario with multipath propagation]]  
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[[File:P_ID1529__Bei_T_4_1_S5a_v2.png|right|frame|Scenario with multipath scattering]]  
*Dabei erreicht das Signal den Empfänger nicht nur über den direkten Pfad, sondern über mehrere Wege mit unterschiedlichen Laufzeiten und unterschiedlich gedämpft.
+
*The signal reaches the receiver not only via the direct path, but via several paths with different propagation times and different attenuation.
*Die Mehrwegeausbreitung wird von der Umgebung beeinflusst, zusätzlich aber auch von einer möglichen Bewegung des Teilnehmers, wie in der Grafik durch die Bewegungsgeschwindigkeit&nbsp; $v$&nbsp; angedeutet ist.
+
*The multipath scattering is influenced by the environment, but additionally also by a possible movement of the subscriber, as indicated in the graph by the movement speed&nbsp; $v$&nbsp;.
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
Der&nbsp; '''Pfadverlust'''&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Path–Loss'') geht auf Ausbreitungseigenschaften elektromagnetischer Wellen zurück – siehe Seite&nbsp; [[Mobile_Communications/Distanzabhängige_Dämpfung_und_Abschattung#Gebr.C3.A4uchliches_Pfadverlustmodell|Gebräuchliches Pfadverlustmodell]]&nbsp; im Buch "Mobile Kommunikation". Für die Untersuchung dieses Dämpfungsphänomens gehen wir von einem vereinfachten Pfadverlustmodell aus. Dieses besagt:
+
The&nbsp; '''path loss''' goes back to propagation properties of electromagnetic waves - see page&nbsp; [[Mobile_Communications/Distance_Dependent_Attenuation_and_Shading#Common_path_loss_model|"Common Path Loss Model"]]&nbsp; in the book "Mobile Communication". For the study of this attenuation phenomenon, we assume a simplified path loss model. This states:
*Die Empfangsleistung eines Funksignals fällt mit der Entfernung&nbsp; $d$&nbsp; um&nbsp; $d^{–γ}$, wobei&nbsp; $γ$&nbsp; eine mediumsabhängige Konstante der Funkausbreitungswelle darstellt.
+
*The received power of a radio signal decreases with distance&nbsp; $d$&nbsp; by&nbsp; $d^{}$, where&nbsp; $γ$&nbsp; is a medium-dependent constant of the radio propagation wave.
*Unter Berücksichtigung von konstruktiven oder destruktiven Bodenreflexionen nimmt die Konstante&nbsp; $γ$&nbsp; unterhalb des&nbsp; "Break Points"&nbsp; $d_0$&nbsp; Werte zwischen&nbsp; $2$&nbsp; und&nbsp; $3$&nbsp; an.
+
*Accounting for constructive or destructive ground reflections, the constant&nbsp; $γ$&nbsp; below the&nbsp; "break point"&nbsp; $d_0$&nbsp; takes values between&nbsp; $2$&nbsp; and&nbsp; $3$&nbsp; .
*Oberhalb dieses charakteristischen Punktes verstärken sich die Reflexionseffekte und die Ausbreitungskonstante&nbsp; $γ$&nbsp; wächst auf Werte zwischen&nbsp; $3.5$&nbsp; und&nbsp; $4$&nbsp; an.
+
*Above this characteristic point, the reflection effects increase and the propagation constant&nbsp; $γ$&nbsp; grows to values between&nbsp; $3.5$&nbsp; and&nbsp; $4$&nbsp;.
  
  
[[File:EN Bei T 4 1 S2 pfad.png|right|frame|Pfadverlust (Dämpfung) abhängig von der Entfernung]]
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[[File:EN At T 4 1 S2 path.png|right|frame|Path loss (attenuation) as a function of distance]]
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp;
+
$\text{Example 1:}$&nbsp;
Rechts dargestellt ist der Pfadverlust (in dB) in Abhängigkeit der Entfernung&nbsp; $d$. Bei diesem Beispiel ist die Konstante&nbsp; $α_0 = 10^{–5}$&nbsp; $($also&nbsp; $50 \ \rm dB)$&nbsp; gesetzt und der Break Point liegt bei&nbsp; $d_0 = \ \rm 100 \ m$.
+
Shown on the right is the path loss (in dB) as a function of distance&nbsp; $d$. In this example, the constant&nbsp; $α_0 = 10^{-5}$&nbsp; $($also&nbsp; $50 \ \rm dB)$&nbsp; is set and the break point is at&nbsp; $d_0 = \ \rm 100 \ m$.
*Im linken Bereich&nbsp; $(d \ll d_0)$&nbsp; gilt&nbsp; $γ \approx 2$.
+
*In the left-hand range&nbsp; $(d \ll d_0)$&nbsp; $γ \approx 2$ holds.
*Für&nbsp; $d \gg d_0$&nbsp; ist dagegen&nbsp; $γ \approx 4$.  
+
*For&nbsp; $d \gg d_0$&nbsp; on the other hand&nbsp; $γ \approx 4$.  
*Im Bereich um&nbsp; $d = d_0$&nbsp; steigt die Ausbreitungskonstante koninuierlich von&nbsp;   $γ = 2$&nbsp; auf&nbsp; $γ = 4$&nbsp; an.}}
+
*In the region around&nbsp; $d = d_0$&nbsp; the propagation constant increases continuously from&nbsp; $γ = 2$&nbsp; to&nbsp; $γ = 4$&nbsp;. }}
 
 
 
 
  
==Frequenz&ndash; und zeitselektives Fading==   
+
==Frequency&ndash; and time&ndash;selective fading==   
 
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Eine wesentliche Eigenschaft des Mobilfunkkanals stellt das so genannte&nbsp; '''Fading'''&nbsp; dar. Dieses entsteht durch zeitlich veränderliche Signalabschattungen&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Shadowing'')&nbsp; und durch mögliche Bewegungen des Mobilfunkteilnehmers.
+
An essential property of the mobile radio channel is the so-called &nbsp; '''fading'''&nbsp;. This is caused by time-varying shadowing and by possible movements of the mobile subscriber.
  
Im Buch&nbsp; [[Mobile Kommunikation]]&nbsp; wird diese Art der Signalbeeinträchtigung ausführlich behandelt.  
+
In the book&nbsp; [["Mobile Communications"]]&nbsp; this type of signal degradation is discussed in detail.  
  
Hier folgt nur eine kurze Zusammenfassung. Man unterscheidet zum einen:
+
Here follows only a brief summary. One distinguishes on the one hand:
*''schnelles Fading''&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Fast Fading''&nbsp; oder&nbsp; ''Short Term Fading'')&nbsp; mit kurzzeitigen Einbrüchen der Empfangsleistung im Mikrosekundenbereich,
+
*''Fast fading'' or ''short term fading''&nbsp; with short term drops in received power in the microsecond range,
*''langsames Fading''&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Long Term Fading'')&nbsp; – also nur langsame Veränderungen (meist) im Sekundenbereich.
+
*''Long term fading'' - i.e. only slow changes (mostly) in the seconds range.
  
  
''Fast Fading''&nbsp; beeinträchtigt hauptsächlich Systeme mit großer Symboldauer, also kleiner Bandbreite. Da aber die Bandbreite bei UMTS sehr viel größer ist als bei GSM, ist dieses System weniger anfällig gegenüber ''Fast Fading''.
+
Fast fading mainly affects systems with large symbol durations, i.e. small bandwidths. However, since the bandwidth of UMTS is much larger than that of GSM, this system is less susceptible to fast fading.
  
Weiterhin lässt sich Fading auch noch wie folgt klassifizieren:
+
Furthermore, fading can also be classified as follows:
*'''Frequenzselektives Fading'''&nbsp; wird durch Mehrwegeausbreitung über Pfade mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten verursacht. Als Folge dieses Fadings werden verschiedene Frequenzanteile durch die Leistungsübertragungsfunktion&nbsp; $|H_{\rm K}(f)|^2$&nbsp; des Kanals unterschiedlich gedämpft.
+
*'''Frequency selective fading'''&nbsp; is caused by multipath scattering over paths with different delay times. As a result of this fading, different frequency components are attenuated differently by the power transfer function&nbsp; $|H_{\rm K}(f)|^2$&nbsp; of the channel.
*'''Zeitselektives Fading'''&nbsp; entsteht durch eine Relativbewegung zwischen Sender und Empfänger. Dadurch kommt es abhängig von der Bewegungsrichtung&nbsp; (hin zum oder weg vom Sender)&nbsp; zu Frequenzverschiebungen, die physikalisch durch den&nbsp; ''Dopplereffekt''&nbsp; beschrieben werden.
+
*'''Time selective fading'''&nbsp; occurs due to a relative motion between transmitter and receiver. This causes frequency shifts depending on the direction of movement&nbsp; (towards or away from the transmitter)&nbsp; which are physically described by the&nbsp; ''Doppler effect''&nbsp;.
  
  
Die  Fadingeigenschaften&nbsp; "frequenzselektiv"&nbsp; und&nbsp; "zeitselektiv"&nbsp; sollen nun noch etwas genauer erläutert werden, insbesondere wird dargelegt, unter welchen Bedingungen mit welchen dieser Fadingarten zu rechnen ist. Wir verweisen an dieser Stelle auch auf die beiden interaktiven Applets
+
The fading characteristics&nbsp; "frequency selective"&nbsp; and&nbsp; "time selective"&nbsp; shall now be explained in more detail, in particular it will be explained under which conditions which of these fading types are to be expected. At this point we also refer to the two interactive applets
:: [[Applets:Mehrwegeausbreitung_und_Frequenzselektivität_(Applet)|Mehrwegeausbreitung und Frequenzselektivität]]&nbsp; sowie
+
:: [[Applets:Multipath_propagation_and_frequency_selectivity_(Applet)|"multipath propagation and frequency selectivity"]]&nbsp; sowie
:: [[Applets:Zur_Verdeutlichung_des_Dopplereffekts_(Applet)|Zur Verdeutlichung des Dopplereffekts]].
+
:: [[Applets:To_illustrate_the_Doppler_effect_(Applet)|"to illustrate the Doppler effect"]].
  
 
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Revision as of 22:10, 29 January 2023

# OVERVIEW OF THE FOURTH MAIN CHAPTER #


$\rm U$niversal  $\rm M$obile  $\rm T$elecommunications  $\rm S$ystem  $\rm (UMTS)$  is a third-generation mobile communications system,  which, when it was introduced, was intended to be a forward-looking alternative to the mobile communications systems used until then. Compared with GSM, it not only offers higher-quality speech,  but also a variety of enhanced services and functionalities thanks to its faster and packet-switched transmission.

UMTS was standardized in the late 1990s as part of a collaboration between the  "International Telecommunication Union"  $\rm (ITU)$  and the 3GPP Forum  $($"3rd Generation Partnership Project"$)$  and has been commercially available in Europe since 2004.

⇒   In 2011  $($when this chapter was conceived$)$  about 200 million subscribers worldwide were using UMTS or similar third-generation mobile communications systems.

⇒   In 2022  $($when this chapter was revised again as part of the English translation$)$  a global report by the network equipment industry has identified more than a hundred operators  that have either completed 3G switch-off alongside 2G switch-off,  are planning to do so or are in the process of doing so,  in order to use the spectrum this frees up for  "$\rm LTE$",  $\rm 5G$  or technology-neutral.

  • 28 operators in 17 countries and territories have now completed 3G switch-off.
  • Six operators in six countries and territories currently have 3G switch-off underway.
  • Another 46 operators in 31 countries have 3G shutdowns planned for the very near future.
  • It is also interesting to note from this report that in some countries the UMTS switch-off is being pushed even harder than that of the 2G standard, which is about ten years older  "$\rm GSM$".


⇒   We have chosen to keep this chapter in our  $\rm LNTwww$  despite this negative forecast,  since understanding the underlying CDMA technology also facilitates students' understanding of other communications engineering problems. Korrektur: Hier muss ich noch mit Kollegen reden.

This chapter includes in detail:

  • UMTS as a third generation mobile communications system,
  • the services and security aspects in UMTS,
  • the UMTS network architecture,
  • the physical, logical and transport channels and their interactions,
  • the cellular architecture in UMTS and its mechanisms,
  • the speech and channel coding used in UMTS,
  • the band spreading and CDMA as the basis of UMTS,
  • the radio resource management and power control in UMTS networks,
  • the further developments of UMTS such as HSDPA and HSUPA,
  • an outlook on Long Term Evolution (LTE), the buzzword of the fourth generation.


Requirements for third-generation mobile communications systems


The main motivation for the development of  third-generation mobile communications systems  was the realization that second-generation systems could not satisfy the bandwidth requirements for the use of multimedia services.

Development of mobile communications systems from 1995 to 2006

The graph shows the development of mobile radio systems since 1995 in terms of performance or data transmission rate as seen in 2007:

  • The specified data rates for HSUPA $($uplink, up to  $\text{3 Mbit/s)}$  and HSDPA $($downlink, up to  $\text{7 Mbit/s)}$  were realistic for 2006/2007.
  • In contrast, the specifications stated maximum values for the uplink  $\text{5.8 Mbit/s}$ and for the downlink  $\text{14.4 Mbit/s}$ (i.e., significantly higher maximum values), but these will probably not be achievable in practice.


The third-generation mobile communications systems were to have greater bandwidth than the  "GSM"  already established at that time and sufficient reserve capacity to ensure high quality of service even in the face of constantly growing demands.

In the development of the third generation systems, the  International Telecommunication Union  (ITU) has played an important role. Among other things, it created a catalog of requirements that defined their characteristics. This catalog of requirements includes the following general conditions:

  • High data rates from  $\text{144 kbit/s}$ (standard) to  $\text{2 Mbit/s}$  (in-door),
  • symmetric and asymmetric data transmission (IP services),
  • circuit-switched and packet-switched transmission,
  • high speech quality and high spectral efficiency,
  • seamless transition to and from second-generation systems,
  • global reachability and distribution,
  • applications independent of the network used (virtual home environment).


The IMT 2000 standard


In 1992, the  International Telecommuncation Union  (ITU) launched the  $\rm IMT\hspace{-0.1cm}-\hspace{-0.1cm}2000$  $($International Mobile Telecommunications at  2000 MHz$)$  standard to enable the above requirements. This comprises a number of different third-generation mobile communications systems that have been converged during the standardization process to enable the development of common terminals for all these standards.

In order to take into account nationally different preliminary work and to allow network operators to continue using existing network architectures to some extent, IMT-2000 includes several individual standards. These can be roughly divided into four categories:

The "IMT family" – an overview
  • $\rm W-CDMA$:   This includes the FDD component of the European UMTS standard as well as the American cdma2000 system.
  • $\rm TD-CDMA$:   This group includes the TDD component of UMTS as well as the Chinese TD-SCDMA, which is now integrated into the UMTS TDD standard.
  • $\rm TDMA$:   A further development of the GSM offshoot EDGE and its American counterpart UWC-136, also known as DS-AMPS.
  • $\rm FD-TDMA$:   The further development of the European cordless telephony standard DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication).


In the following, we focus on the European-developed system  $\rm UMTS$  (Universal Mobile Telecommunications System), which supports the first two standards  as well as  $\rm TD-CDMA$  of the IMT-2000 system family.


Historical development of UMTS


The following is some data on the historical development of UMTS and the techniques used. More information can be found, for example, at this "internet link".

  • 1940-1950   First military applications of signal spreading techniques.
  • 1949   First outlines of the CDMA process by C. E. Shannon and J. R. Pierce.
  • 1970   Various CDMA developments for military systems, e.g. GPS.
  • 1989-1992   Basic research on the characteristics of future mobile radio systems within the EU program RACE-1.
    (Research, Analysis, Communication, Evaluation).
  • 1992   First consideration of the IMT-2000 standard by the ITU.
  • 1992-1995   EU program RACE-2 focusing on "development of system concepts" - based on the results of RACE-1.
  • 1996   Foundation of the UMTS Forum in Zurich - renaming of the planned European standard "W-CDMA" to "UMTS".
  • 1998   Adoption of the two modes W-CDMA and TD-CDMA into the UMTS standard at the ETSI-SMG meeting in Paris.
  • 1998   Establishment of the 3gpp forum (3rd Generation Partnership Project) by the ETSI-SMG, T1P1, ARIB TTC and TTA committees.
  • 1999   Adoption of the UMTS-R99 standard (Release 1999) by ETSI. This is considered the basis for the first available UMTS terminals.
  • 2001   Adoption of Release 4 as a further development of UMTS-R99: Quality of Service (QoS) is now supported at the radio interface and in the fixed network.
  • 2001   First commercial UMTS network of the Norwegian company TELENOR.
  • 2002   Adoption of UMTS Release 5:   Architecture based on the GSM fixed network is replaced by a fully IP-based fixed network.
  • 2002   First UMTS voice and data link from Nortel Networks and Qualcomm. These companies are considered pioneers in the implementation of UMTS technology.
  • 2004   Adoption of UMTS Release 6, a standard that provides improved QoS for the user and more effective resource management for the provider.


$\text{Summary of the historical development of UMTS}$ 

With UMTS, too, more than a decade has passed between the first conceptual considerations and the final introduction.

This was similar to the introduction of other communications systems, such as

  • "ISDN"  (Integrated Services Digital Network),
  • "DSL"  (Digital Subscriber Line),
  • "GSM"  (Global System for Mobile Communications).


Frequency allocation for UMTS


The International Telecommunication Union (ITU) is responsible for allocating bandwidths and frequency bands for communications systems. In the case of UMTS in particular, however, there are discrepancies between the European and ITU frequency allocations, as some frequency bands were already occupied by other mobile communications systems in some countries. The graphic shows the European (bottom) and the ITU frequency assignments (top).

UMTS frequency spectra

Here, this means:

  • $\rm GSM \ 1800$ - frequency band for the downlink of GSM 1800,
  • $\rm SAT$ – satellite-based systems
    (each  $\text{30 MHz}$  for uplink and downlink),
  • $\rm DECT$ – Digital Enhanced Cordless Telecommunications
    ,
  • $\rm UTRA–FDD$ – UMTS Terrestrial Radio Access–Frequency Division Duplex,
  • $\rm UTRA–TDD$ – UMTS Terrestrial Radio Access–Time Division Duplex.


$\rm UTRA-FDD$  – or $\rm FDD$  – for short, consists of twelve paired uplink and downlink frequency bands of  $\text{5 MHz}$  bandwidth each. The frequency bands are located in Europe

  • between  $\text{1920 MHz}$  and  $\text{1980 MHz}$  in the uplink, as well as.
  • between  $\text{2110 MHz}$  and  $\text{2170 MHz}$  in the downlink.


In contrast,  $\rm UTRA-TDD$  – or $\rm TDD$ – for short, consists of five frequency bands of  $\text{5 MHz}$  bandwidth each, in which both uplink and downlink data are to be transmitted using time division multiplexing.

  • The frequencies between  $\text{1900 MHz}$  and  $\text{1920 MHz}$  (four channels) and between  $\text{2020 MHz}$  and  $\text{2025 MHz}$  (one channel) are reserved for TDD.
  • The band between  $\text{2010 MHz}$  and  $\text{2020 MHz}$  has not been licensed yet and is therefore not used in Germany either.


Full duplex


In order to separate the two transmission directions uplink and downlink, two different operating modes are supported in UMTS. A distinction is made between:

  • UMTS Terrestrial Radio Access Frequency Division Duplex  (UTRA-FDD),
  • UMTS Terrestrial Radio Access Time Division Duplex  (UTRA-TDD).


The main difference between these two modes can be seen in the physical layer of the protocol stack. The two methods differ in both their duplex and multiple access methods.

UTRA-FDD mode in UMTS

In  $\rm UTRA-FDD$ mode - as shown in the above graphic - the uplink and downlink data are transmitted simultaneously on different but corresponding paired frequency blocks at  $\text{5 MHz}$  each. It should be noted that:

  • Data from different subscribers is transmitted and received on the same frequency band.
  • The use of different CDMA spreading codes enables the separation of the respective subscriber data.
  • The  TDMA method  is also used to realize periodic functions such as power control.
  • The  FDMA method  can be used in addition to CDMA and TDMA if the network operator has more than one frequency channel.


FDD mode is used only in Europe and mostly only for symmetrical services whose bandwidth requirements in the uplink and downlink are approximately the same. This is the case for voice communications or video telephony, for example.


In $TRA-TDD$ mode, uplink and downlink data are transmitted in the same frequency band. In this case, uplink and downlink are separated in time, as shown in the following diagram. Furthermore:

  • The switching point (Switching Point) can be flexibly selected depending on the data volume ratio between uplink and downlink.
  • In TDD mode, the subscribers are identified both by the spreading code  (as in FDD)  and by the time slot.
  • If the network operator has several frequency channels, FDMA can be used in addition to CDMA and TDMA, as with FDD.
UTRA TDD mode in UMTS

TDD mode is not currently used in Europe and, once introduced, will mainly be used for asymmetric services (for example:   downloads or surfing the Internet) where the data volumes of downlink and uplink differ significantly.


Properties of the UMTS radio channel


In the UMTS radio channel, in addition to interference from other subscribers and noise, a number of unpredictable, interfering and distorting effects occur, which also change over time.

Due to reflections as well as scattering and diffraction from objects, the transmitted signal experiences multipath scattering.

Scenario with multipath scattering
  • The signal reaches the receiver not only via the direct path, but via several paths with different propagation times and different attenuation.
  • The multipath scattering is influenced by the environment, but additionally also by a possible movement of the subscriber, as indicated in the graph by the movement speed  $v$ .


The  path loss goes back to propagation properties of electromagnetic waves - see page  "Common Path Loss Model"  in the book "Mobile Communication". For the study of this attenuation phenomenon, we assume a simplified path loss model. This states:

  • The received power of a radio signal decreases with distance  $d$  by  $d^{-γ}$, where  $γ$  is a medium-dependent constant of the radio propagation wave.
  • Accounting for constructive or destructive ground reflections, the constant  $γ$  below the  "break point"  $d_0$  takes values between  $2$  and  $3$  .
  • Above this characteristic point, the reflection effects increase and the propagation constant  $γ$  grows to values between  $3.5$  and  $4$ .


File:EN At T 4 1 S2 path.png
Path loss (attenuation) as a function of distance

$\text{Example 1:}$  Shown on the right is the path loss (in dB) as a function of distance  $d$. In this example, the constant  $α_0 = 10^{-5}$  $($also  $50 \ \rm dB)$  is set and the break point is at  $d_0 = \ \rm 100 \ m$.

  • In the left-hand range  $(d \ll d_0)$  $γ \approx 2$ holds.
  • For  $d \gg d_0$  on the other hand  $γ \approx 4$.
  • In the region around  $d = d_0$  the propagation constant increases continuously from  $γ = 2$  to  $γ = 4$ .


Frequency– and time–selective fading


An essential property of the mobile radio channel is the so-called   fading . This is caused by time-varying shadowing and by possible movements of the mobile subscriber.

In the book  "Mobile Communications"  this type of signal degradation is discussed in detail.

Here follows only a brief summary. One distinguishes on the one hand:

  • Fast fading or short term fading  with short term drops in received power in the microsecond range,
  • Long term fading - i.e. only slow changes (mostly) in the seconds range.


Fast fading mainly affects systems with large symbol durations, i.e. small bandwidths. However, since the bandwidth of UMTS is much larger than that of GSM, this system is less susceptible to fast fading.

Furthermore, fading can also be classified as follows:

  • Frequency selective fading  is caused by multipath scattering over paths with different delay times. As a result of this fading, different frequency components are attenuated differently by the power transfer function  $|H_{\rm K}(f)|^2$  of the channel.
  • Time selective fading  occurs due to a relative motion between transmitter and receiver. This causes frequency shifts depending on the direction of movement  (towards or away from the transmitter)  which are physically described by the  Doppler effect .


The fading characteristics  "frequency selective"  and  "time selective"  shall now be explained in more detail, in particular it will be explained under which conditions which of these fading types are to be expected. At this point we also refer to the two interactive applets

"multipath propagation and frequency selectivity"  sowie
"to illustrate the Doppler effect".

$\text{Kennzeichen von frequenzselektivem Fading:}$ 

  • Durch den Empfang verschiedener Streukomponenten mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten entsteht eine  Mehrwegeverbreiterung  (englisch:  Delay Spread )  $T_{\rm V}$, definiert als Differenz zwischen maximaler und minimaler Verzögerungszeit. Der Kehrwert hiervon ergibt näherungsweise die Kohärenzbandbreite  $B_{\rm K}$.
  • Man spricht dann von  frequenzselektivem Fading, wenn die Kohärenzbandbreite  $B_{\rm K}$  sehr viel kleiner ist als die Signalbandbreite  $B_{\rm S}$. Als Folge werden verschiedene Frequenzanteile durch den Kanal unterschiedlich gedämpft, woraus lineare Verzerrungen resultieren.


$\text{Kennzeichen von zeitselektivem Fading:}$ 

  • Beim zeitselektiven Fading entsteht eine so genannte  Dopplerverbreiterung  (englisch:  Doppler Spread )  $B_{\rm D}$, die als Differenz zwischen der maximal und der minimal auftretenden Dopplerfrequenz definiert ist.
  • Deren Kehrwert bezeichnet man als die  Korrelationsdauer  $T_{\rm D} = {1}/{B_{\rm D} }$. In manchen Literaturstellen wird diese Größe auch als  Kohärenzzeit  bezeichnet. Bei UMTS tritt immer dann  zeitselektives Fading  auf, wenn die  Korrelationsdauer  $T_{\rm D}$  sehr viel kleiner ist als die Chipdauer  $T_{\rm C}$.


$\text{Beispiel 2:}$  Die linke Grafik verdeutlicht den Unterschied zwischen frequenzselektivem und nicht frequenzselektivem Fading:

Die roten Kurven verdeutlichen frequenzselektives und zeitselektives Fading
  • Dargestellt ist die Leistungsübertragungsfunktion  $\vert H_{\rm K}(f, t)\vert ^2$  des Kanals zu einer festen Zeit  $t$.
  • Während blau nichtfrequenzselektives Fading mit  $-5 \ \rm dB$  eingezeichnet ist, zeigt die rote Kurve in der linken Grafik ein Beispiel von frequenzselektivem Fading.
  • Unterschiedliche Frequenzanteile werden dabei unterschiedlich gedämpft.


Die rechte Grafik zeigt schematisch zeitselektives Fading:

  • Aufgetragen ist hier die Leistungsübertragungsfunktion  $\vert H_{\rm K}(f, t) \vert ^2$  des Kanals für eine feste Frequenz  $f$.
  • Die blaue Kurve gilt für nicht zeitselektives Fading:  Zu jeder Zeit wird das Signal um  $5 \ \rm dB$  gedämpft.


UMTS–Dienste


Die Einführung von UMTS hat sich unter anderem die Erweiterung und Diversifikation der angebotenen Mobilfunkdienste zum Ziel gesetzt. Ein UMTS–fähiges Endgerät muss zusätzlich zu den klassischen Diensten (Sprachübertragung, Messaging, usw.) eine Reihe komplexerer multimedialer Anwendungen und Funktionen unterstützen.

Man kann diese Dienste – je nach Anwendung – in sechs Hauptkategorien unterteilen:

  • Information :   Internet–Surfen (Info–on–demand), Online–Printmedien,
  • Kommunikation :   Video– und Audiokonferenz, Fax, ISDN, Messaging,
  • Unterhaltung :   Mobile TV, Mobile Radio, Video–on–Demand, Online–Gaming,
  • Geschäftlicher Bereich :   Interaktives Einkaufen, E–Commerce,
  • Technischer Bereich :   Online–Betreuung, Distributionsservice (Sprache und Daten),
  • Medizinischer Bereich :   Telemedizin.


Zusammenstellung und Klassifizierung der UMTS–Dienste

$\text{Beispiel 3:}$  In der Abbildung sind die UMTS–Dienste nach verschiedenen Merkmalen klassifiziert:

  1. nach Datenrate in vertikaler Richtung,
  2. nach Art der Verbindung (bidirektional, unidirektional, Broadcast) in horizontaler Richtung.

Graphik weg!!!


Anmerkungen:

  • Die Höhe eines Kästchens gibt (in etwa) den Bereich für die erforderliche Datenrate an.
  • Die Breite deutet näherungsweise auf den Datenumfang hin.


Security aspects


Die Sicherheitsmerkmale in UMTS–Netzen basieren auf den gleichen Prinzipien wie bei GSM. Allerdings wurden einige GSM–Sicherheitsfunktionen entfernt, ersetzt oder ausgebaut. Dadurch wurden

  • die Verschlüsselungsalgorithmen robuster,
  • die Authentifizierungsalgorithmen strenger und
  • die Kriterien zur Vertraulichkeit eines Teilnehmers enger.


Die wesentlichen von GSM übernommenen Sicherheitsstandards bei UMTS sind:

  1.  Authentifizierung des Teilnehmers,
  2.  Vertraulichkeit der Teilnehmeridentität,
  3.  Verschlüsselung der Funkschnittstelle.


Zusätzlich zu diesen wurden bei UMTS noch weitere Sicherheitsmaßnahmen beachtet:

  1.  Gegenseitige Authentifizierung, um die Nutzung falscher Basisstationen zu vermeiden,
  2.  Verschlüsselung der Verbindung zwischen Basisstation und zugehörigem Kontrollknoten,
  3.  Verschlüsselung und Authentifizierung der Sicherheitsdaten bei der Übertragung,
  4.  Mechanismen zur Aktualisierung der Sicherheitsmerkmale.


Man kann die oben aufgeführten Sicherheitsmaßnahmen entsprechend der Grafik klassifizieren.

Zusammenstellung der Sicherheitsmaßnahmen bei UMTS

Man unterscheidet Sicherheitskonzepte für

  • den sicheren  Netzzugang  (Network Access Security)  für jeden Teilnehmer,
  • die  Netzdomäne  (Network Domain Security)  – ein sicherer Austausch von Kontrolldaten zwischen den Knoten innerhalb der Netzdomäne wird sichergestellt,
  • die  Teilnehmerdomäne  (User Domain Security)  – der Zugang zu den Endgeräten wird sichergestellt,
  • die  Anwendungsdomäne  (Application Domain Security)  – der sichere Austausch zwischen Anwendungen der Teilnehmerendgeräte und der Netzanbieter wird garantiert.


Der UMTS–Teilnehmer kann jederzeit erkennen, welche dieser Sicherheitsmaßnahmen in Betrieb sind und welche davon für bestimmte Dienste benötigt werden. Man spricht in diesem Zusammenhang von Sichtbarkeit und Konfigurierbarkeit der Sicherheit.


Aufgaben zum Kapitel


Aufgabe 4.1: Verschiedene Duplexverfahren bei UMTS

Aufgabe 4.2: Grundlegendes zum UMTS-Funkkanal