Difference between revisions of "Examples of Communication Systems/UMTS Network Architecture"

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{{Header
 
|Untermenü=UMTS – Universal Mobile Telecommunications System
 
|Untermenü=UMTS – Universal Mobile Telecommunications System
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|Nächste Seite=Telecommunications Aspects of UMTS
 
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==Basiseinheiten der Systemarchitektur ==
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==Basic units of the system architecture ==
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<br>
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In the architecture of UMTS networks,&nbsp; a distinction is made between four basic logical units.&nbsp; The interaction of these units enables the operation of the entire network.
  
Bei der Architektur von UMTS–Netzen unterscheidet man vier grundlegende logische Einheiten. Die Interaktion dieser Einheiten ermöglicht das Bedienen und das Betreiben des Gesamtnetzes.
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In the graphic you can see:
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[[File:EN_Bei_T_4_2_S1_v1.png|right|frame|Basic units of UMTS system architecture<br><br><br><br><br><br><br><br>]]
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*$\rm Universal \ Subscriber \ Identity \ Module \ (USIM)$&nbsp;  <br>The USIM is a removable chip card that contains radio information and information for unique identification and authentication of the subscriber.&nbsp; It differs from the conventional SIM card in that it has enhanced security features,&nbsp; larger memory capacity,&nbsp; and an integrated microprocessor that is used to run programs.
  
Man unterscheidet:
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*$\rm Mobile \ Equipment \ (ME)$&nbsp; &ndash; Equipped with a USIM card,&nbsp; the UMTS terminal provides both the radio interface for data transmission and the user controls.&nbsp; It differs from the common GSM mobile station in that it offers enhanced functionality,&nbsp; multimedia applications,&nbsp; and more complex and diverse services.&nbsp; Often,&nbsp; the designations&nbsp; "User Equipment"&nbsp; $\rm (UE)$&nbsp; and&nbsp; "Terminal Equipment"&nbsp; $\rm (TE)$&nbsp; can also be found.
*'''Universal Subscriber Identity Module (USIM)''' – Das USIM ist eine entnehmbare IC–Karte, die Funkinformationen und Informationen zur eindeutigen Identifizierung und Authentifizierung des Teilnehmers enthält. Sie unterscheidet sich von der herkömmlichen SIM–Karte durch erweiterte Sicherheitsfunktionen, größere Speicherkapazität und einen integrierten Mikroprozessor, der zur Ausführung von Programmen dient.
 
*'''Mobile Equipment (ME)''' – Ausgestattet mit einer USIM–Karte stellt das UMTS–Endgerät sowohl die Funkschnittstelle für die Datenübertragung als auch die Bedienelemente für die Benutzer bereit. Es unterscheidet sich von der gängigen GSM–Mobilstation durch eine erweiterte Funktionalität, Multimedia–Anwendungen sowie komplexere und vielfältigere Dienste. Vielfach finden sich auch die Bezeichnungen ''User Equipment'' (UE) und ''Terminal Equipment'' (TE).
 
*'''Radio Access Network (RAN)''' – Darunter versteht man die Festnetzinfrastruktur von UMTS, die für die Funkübertragung und die damit verbundenen Aufgaben zuständig ist. Das RAN enthält die Basisstationen (''Node B'') und die Kontrollknoten (''Radio Network Controller'' – RNC), die das RAN und das ''Core Network'' verbinden.
 
*'''Core Network (CN)''' – Dieses stellt das Weitverkehrsnetz dar und ist für den Datentransport verantwortlich. Es enthält Vermittlungseinrichtungen (SGSN, GGSN) zu externen Netzen und Datenbanken zur Mobilitäts– und Teilnehmerverwaltung (HLR, VLR). Das Core Network enthält auch die Netzmanagement–Einrichtungen (''Operation and Maintenance Center'' – OMC), die zur Verwaltung des Gesamtnetzes erforderlich sind.
 
  
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*$\rm Radio \ Access \ Network \ (RAN)$&nbsp; &ndash; This refers to the fixed network infrastructure of UMTS, which is responsible for radio transmission and related tasks. The RAN contains the base stations and the control nodes that connect the RAN and the&nbsp; "Core Network".
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*$\rm Core \ Network \ (CN)$&nbsp; &ndash; This represents the wide area network and is responsible for data transport.&nbsp; It contains switching facilities&nbsp; $\rm (SGSN, GGSN)$&nbsp; to external networks and databases for mobility and subscriber management&nbsp;s $\rm (HLR,\ VLR)$.&nbsp; The&nbsp; core network&nbsp; also contains the&nbsp; "operation and maintenance center"&nbsp; $\rm (OMC)$&nbsp; required to manage the overall network.
 
 
 
 
==Domänen und Schnittstellen ==  
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==Domains and interfaces ==  
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<br>
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The units of the UMTS network listed  in the last section are grouped into so-called&nbsp; '''&raquo;domains&laquo;'''.&nbsp; This refers to functional blocks that serve to standardize and study the functional units and interfaces within the UMTS network.
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[[File:EN_Bei_T_4_2_S2_v1.png|right|frame|Basic units of the UMTS system architecture]]
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Two main categories of domains are distinguished, viz.
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*the&nbsp; "User Equipment Domain",&nbsp; and
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*the&nbsp; "Infrastructure Domain".
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&rArr; &nbsp; The&nbsp; '''&raquo;User Equipment Domain&laquo;'''&nbsp; contains all functions that enable access to the UMTS network,&nbsp; such as encryption functions for the transmission of data via the radio interface.&nbsp; One can divide this domain into two domains:
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#the&nbsp; "USIM Domain"&nbsp; &ndash; the SIM card is a part of this domain;
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#the&nbsp; "Mobile Equipment Domain"&nbsp; &ndash; it contains all the functions that a terminal device has.
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These two domains are connected via the&nbsp; "Cu interface"&nbsp; which includes the electrical and physical specifications as well as the protocol stack between the USIM card and the terminal device.&nbsp; This allows USIM cards from different network operators to operate with all terminal devices.
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Another important interface is the&nbsp; "Uu interface",&nbsp; which establishes the radio link between the mobile station and the&nbsp; infrastructure domain''&nbsp;.
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&rArr; &nbsp; The&nbsp; '''&raquo;Infrastructure  Domain&laquo;'''&nbsp; is divided into the following two domains:
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#The&nbsp; "Access Network Domain"&nbsp; groups all base stations &ndash;  in UMTS called&nbsp; "Node B"&nbsp; &ndash; and the functions of the&nbsp; "Radio Access Network"&nbsp; $\rm (RAN)$.
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#The&nbsp; "Core Network Domain"&nbsp; is responsible for the most error-free transmission and transport of user data.
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These two domains are connected via an&nbsp; "Iu interface".&nbsp; This interface is responsible for data switching between the access  and the  core network and is the separation between transport layer and radio network layer.
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The&nbsp; "Core Network Domain"&nbsp; can in turn be divided into three sub-domains:
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#The&nbsp; "Serving Network"&nbsp; contains all functions and information necessary to access the UMTS network.
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#The&nbsp; "Home Network"&nbsp; contains all functionalities that are performed in the home network of a&nbsp; $($foreign$)$&nbsp; subscriber.
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#The&nbsp; "Transit Network"&nbsp; &ndash; this only takes effect if database queries are to be performed in the subscriber's home network and the&nbsp; "Serving Network"&nbsp; is not directly connected to the&nbsp; "Home Network".
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== Access level architecture ==
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<br>
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UMTS networks support both&nbsp; "circuit-switching"&nbsp; and&nbsp; "packet-switching".
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{{BlaueBox|TEXT= 
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$\text{Distinctive features:}$&nbsp;
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*In&nbsp; '''&raquo;Circuit Switching&laquo;'''&nbsp; $\rm (CS)$,&nbsp; the radio channel is assigned to the two communication partners for the entire duration of the connection until all information has been transmitted.&nbsp; Only then the channel is released.
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*In&nbsp; '''&raquo;Packet Switching&laquo;'''&nbsp; $\rm (PS)$,&nbsp; the participants cannot use the channel exclusively,&nbsp; but the data stream is divided in the transmitter into small data packets &ndash; each with the destination address in the header &ndash; and only then sent.&nbsp; The channel is shared by several participants}}
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The two modes can also be recognized in the access level of the UMTS network in the core network&nbsp; $\rm (CN)$,&nbsp; which is shown in the graph.
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[[File:EN_Bei_T_4_2_S3_v1.png|right|frame|Structural design of a UMTS network <br><br><br><br><br><br>]]
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The access layer can be divided into two main blocks:
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&rArr; &nbsp; The&nbsp; '''&raquo;UMTS Terrestrial Radio Access Network&laquo;'''&nbsp;  $\rm (UTRAN)$&nbsp; ensures radio transmission of data between the transport layer and the radio network layer.
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The UTRAN includes the base stations and the control nodes, whose functions are mentioned below:
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*A&nbsp; "Node B"&nbsp; &ndash; as a UMTS base station is usually called &ndash;&nbsp; includes the antenna equipment as well as the CDMA receiver and is directly connected to the radio interfaces of the mobile equipment.&nbsp; Its tasks include data rate adaptation,&nbsp; data and channel encoding or decoding,&nbsp; interleaving,&nbsp; and modulation or demodulation. Each base station can power one or more cells.
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*The&nbsp; "Radio Network Controller"&nbsp; $\rm (RNC)$base station is responsible for controlling the base stations.&nbsp; Likewise,&nbsp; within the cells,&nbsp; it is responsible for call acceptance control,&nbsp; encryption and decryption,&nbsp; ATM switching,&nbsp; channel assignment, handover and power control.
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&rArr; &nbsp; The&nbsp; '''&raquo;Core  Network&laquo;'''&nbsp;  $\rm (UTRAN)$&nbsp; is responsible for switching the data  within the UMTS network&nbsp; $($both,&nbsp; circuit-switched&nbsp; and &nbsp;packet-switched$)$&nbsp;.
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For this purpose,&nbsp; it contains at&nbsp; <u>circuit-switched transmission</u>&nbsp; the following hardware and software components:
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#The&nbsp; "Mobile Services Switching Center"&nbsp; $\rm (MSC)$&nbsp; is responsible for call routing,&nbsp; localization,&nbsp; authentication,&nbsp; handover and data encryption.
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#The&nbsp; "Home Location Register"&nbsp; $\rm (HLR)$&nbsp; contains all subscriber data;&nbsp; tariff model,&nbsp; telephone number,&nbsp; authorizations and keys,&nbsp; ...
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#The&nbsp; "Visitor Location Register"&nbsp; $\rm (VLR)$&nbsp; contains information about locally registered users and copies of records from its HLR.&nbsp; This data is dynamic.
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 +
In&nbsp; <u>circuit-switched transmission</u>&nbsp; there are the following facilities or registers:
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#The&nbsp; "Serving GPRS Support Node"&nbsp; $\rm (SGSN)$&nbsp;  is responsible for routing and authentication instead of MSC and VLR and keeps a local copy of the user information.
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#The&nbsp; "Gateway GPRS Support Node" $\rm (GGSN)$&nbsp; there are transitions to other packet data networks such as the Internet.&nbsp; <br>Incoming packets are filtered by an integrated firewall and forwarded to the appropriate SGSN.
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#The&nbsp; "GPRS Register"&nbsp; $\rm (GR)$&nbsp; is part of the  HLR and contains additional information needed for packet-switched transmission.
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== Physical channels  ==
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<br>
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Physical channels are used for communication on the physical level of the radio interface and are processed within a base station&nbsp; $($"Node B"$)$.&nbsp; A distinction is made between&nbsp; "dedicated physical channels"&nbsp; and&nbsp; "shared physical channels".
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[[File:EN_Bei_T_4_2_S4a_v1.png|right|frame|Construction of the dedicated physical channels]]
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[[File:EN_Bei_T_4_2_S4b.png|right|frame|Shared channels in UMTS]]
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The&nbsp; '''&raquo;dedicated physical channels&laquo;'''&nbsp; are permanently assigned to individual communication partners.&nbsp; These include:
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#Dedicated Physical Data Channel&nbsp; $($'''DPDCH'''$)$&nbsp; &ndash; This is a unidirectional uplink channel that transports payload and signaling data from higher layers.
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#Dedicated Physical Control Channel&nbsp; $($'''DPCCH'''$)$&nbsp; &ndash; This control channel contains physical layer information for transmission control,&nbsp; line control commands,&nbsp; and transport format indicators,&nbsp; ...
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#Dedicated Physical Channel&nbsp; $($'''DPCH'''$)$&nbsp; &ndash; This channel includes the&nbsp; '''DPDCH'''&nbsp; and the&nbsp; '''DPCCH'''&nbsp; in the downlink and has a length of&nbsp; $2560$&nbsp; chips.
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The diagram shows the structural design of the&nbsp; '''DPDCH'''&nbsp; (blue),&nbsp; of the&nbsp; '''DPCCH'''&nbsp; (red)&nbsp; as well as the enveloping&nbsp; '''DPCH'''&nbsp; (black).
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*In the&nbsp; '''DPCH''',&nbsp; $15 \cdot 2560 = 38400$&nbsp; chips are transmitted in&nbsp; $10 \ \rm ms$,&nbsp;  resulting in the chip rate&nbsp; $3.84 \ \rm Mchip/s$.
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*The user data in the&nbsp; '''DPDCH'''&nbsp; is split and per time slot are transmitted&nbsp; $($depending on the spreading factor&nbsp; $J)$&nbsp;  between&nbsp; $10$&nbsp; bits&nbsp; $($if&nbsp; $J = 256)$&nbsp; and&nbsp; $640$&nbsp;bits&nbsp; $($if&nbsp; $J = 4)$.
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*In the&nbsp; '''DPCCH''',&nbsp; ten control bits are transmitted uniformly per time slot.
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The table lists the&nbsp;  '''&raquo;shared physical channels&laquo;'''&nbsp; by all participants.&nbsp; The following describes the characteristics of some selected channels:
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#The&nbsp; '''CCPCH'''&nbsp; is a downlink channel with two subchannels:&nbsp; The&nbsp; "P-CCPCH"&nbsp; contains data necessary for operation within a radio cell,&nbsp; while the&nbsp; "S-CCPCH"&nbsp; contains data responsible for the paging procedure and for the transport of control data.
 +
#The&nbsp; '''PDSCH'''&nbsp; and the&nbsp; '''PUSCH'''&nbsp; are shared channels that can transport both payload and control data.&nbsp; The first is solely responsible for the downlink,&nbsp; the second for the uplink.
 +
#The&nbsp; '''PRACH'''&nbsp; controls the message transmission of the random access channel&nbsp; '''RACH''',&nbsp; while the&nbsp; '''PCPCH'''&nbsp; is responsible for transporting data packets using the CDMA/CDM method.
  
Die auf der letzten Seite aufgeführten Einheiten des UMTS–Netzes werden in so genannte Domänen (englisch: ''Domains'') zusammengefasst. Darunter versteht man Funktionsblöcke, die zur Standardisierung und zur Untersuchung der funktionalen Einheiten und Schnittstellen innerhalb des UMTS–Netzes dienen.
 
  
Man unterscheidet zwei Hauptkategorien von Domänen, nämlich
 
*die ''User Equipment Domain'', und
 
*die ''Infrastructure Domain''.
 
  
Die '''User Equipment Domain''' enthält alle Funktionen, die einen Zugang zum UMTS–Netz ermöglichen, wie zum Beispiel Verschlüsselungsfunktionen für die Übertragung der Daten über die Funkschnittstelle. Man kann diese Domäne in zwei Domänen unterteilen:
+
The following channels are responsible for the control and synchronization of the overall system:
*die '''USIM Domain''' – die SIM–Karte ist ein Teil dieser Domäne;
+
#The&nbsp; '''CPICH'''&nbsp; determines the affiliation of the mobile  to a base station.
*die '''Mobile Equipment Domain''' enthält alle Funktionen, über die ein Endgerät verfügt.
+
#The&nbsp; '''SCH'''&nbsp; is used for cell search and synchronization of the mobile station.
 +
#The&nbsp; '''AICH'''&nbsp; checks and determines the availability of the system.
 +
#The&nbsp; '''PICH'''&nbsp; is responsible for paging during subscriber localization.
 +
  
Diese beiden Domänen sind über die '''Cu–Schnittstelle'' verbunden. Diese umfasst die elektrischen und physikalischen Spezifikationen sowie den Protokollstapel zwischen USIM–Karte und Endgerät. Dadurch können USIM–Karten verschiedener Netzbetreiber mit allen Endgeräten betrieben werden.
 
  
Eine weitere wichtige Schnittstelle ist die '''Uu–Schnittstelle''', die die Radioverbindung zwischen der Mobilstation und der auf der nächsten Seite beschriebenen ''Infrastructure Domain'' herstellt.
+
==Logical channels  ==
 +
<br>
 +
The logical channels are located in the&nbsp; $\rm MAC$&nbsp; $($"Medium Access Control"$)$&nbsp; reference layer and are identified by the type of  the transmitted data.  
  
Die '''Infrastructure Domain''' gliedert sich in die zwei folgenden Domänen:
+
[[File:EN_Bei_T_4_2_S5.png|right|frame|Logical channels in UMTS]]
*Die '''Access Network Domain''' fasst alle Basisstationen – die bei UMTS „Node B” genannt werden – und die Funktionen des ''Radio Access Networks'' (RAN) zusammen.
+
The logical channels compiled in the table can be divided into two classes,&nbsp; namely.
*Die '''Core Network Domain''' ist für die möglichst fehlerfreie Übermittlung und den Transport der Nutzerdaten verantwortlich.
 
  
Diese beiden Domänen sind über eine '''Iu–Schnittstelle''' verbunden. Diese ist für die Datenvermittlung zwischen dem ''Access Network'' und dem ''Core Network'' verantwortlich und stellt die Trennung zwischen der Transportebene und der Funknetzebene dar.
+
:*&nbsp;'''&raquo;Control Channels&laquo;''' $($ending with&nbsp; "CCH"$)$:
 +
:#Control information&nbsp; $($"BCCH"$)$&nbsp; as well as paging information&nbsp; $($"PCCH"$)$&nbsp; are transported via the control channels.
 +
:#Subscriber-specific signaling data&nbsp; $($"DCCH"$)$&nbsp; or transport information can also be exchanged between subscriber devices and the UTRAN&nbsp; $($"CCCH"$)$&nbsp; over this.  
  
Die ''Core Network Domain'' kann wiederum in drei Unterdomänen unterteilt werden:
 
*Die ''Serving Network Domain'' enthält alle Funktionen und Informationen, die für den Zugang zum UMTS–Netz nötig sind.
 
*Die ''Home Network Domain'' enthält alle Funktionalitäten, die im Heimatnetz eines (fremden) Teilnehmers durchgeführt werden.
 
*Die ''Transit Network Domain'' ist ein so genanntes Transitnetz. Dieses wird nur dann wirksam, wenn Datenbankabfragen im Heimatnetz des Teilnehmers durchzuführen sind und das ''Serving Network'' nicht direkt mit dem ''Home Network'' verbunden ist.
 
  
 +
:*&nbsp;'''&raquo;Traffic Channels&laquo;''' $($ending with&nbsp; "TCH"$)$:
 +
:#Subscriber information is exchanged over the traffic channels.
 +
:#While the&nbsp; "DTCH"&nbsp; can be assigned individually to a mobile subscriber for user data transport,&nbsp; a&nbsp;  "CTCH"&nbsp;&nbsp; is predominantly assigned to all or to a predefined subscriber group.
 +
<br clear=all>
 +
== Transport channels  ==
 +
<br>
 +
Transport channels are located in the physical layer of the&nbsp;  [https://en.wikipedia.org/wiki/OSI_model "ISO/OSI layer model"].&nbsp; They
 +
*are characterized by the parameters of the data transmission&nbsp; $($e.g. the data rate$)$,
  
== Architektur der Zugangsebene ==
+
*ensure the desired requirements regarding error protection mechanisms,&nbsp; and
  
UMTS–Netze unterstützen sowohl eine Leitungs– als auch eine Paketvermittlung:
+
*determine the type of data transmission &ndash; the&nbsp; "how",&nbsp; so to speak.
*Bei der '''Leitungsvermittlung''' (englisch: ''Circuit Switching'', CS) wird der Funkkanal während der gesamten Dauer der Verbindung den beiden Kommunikationspartnern so lange zugewiesen, bis alle Informationen übertragen wurden. Erst danach wird der Kanal freigegeben.
 
*Bei der '''Paketvermittlung''' (englisch: ''Packet Switching'', PS) können die Teilnehmer den Kanal nicht exklusiv nutzen, sondern der Datenstrom wird im Sender in kleine Datenpakete – jeweils mit der Zieladresse im Header versehen – aufgeteilt, und erst danach versendet. Der Kanal wird von mehreren Teilnehmern gemeinsam benutzt.
 
  
Diese beiden Modi erkennt man auch in der Architektur der Zugangsebene des UMTS–Netzes im ''Core Network'' (CN) wieder, die in der nachfolgenden Grafik dargestellt ist.
 
  
Die Zugangsebene kann man in zwei Hauptblöcke unterteilen. Man unterscheidet bei UMTS:
+
Two classes of transport channels are distinguished,&nbsp; namely&nbsp; "dedicated transport channels"&nbsp; and&nbsp; "shared transport channels".
*Das '''UMTS Terrestrial Radio Access Network''' (UTRAN) sichert die Funkübertragung von Daten zwischen der Transportebene und der Funknetzebene.
 
*Das '''Core Network''' (CN) ist für die Vermittlung der Daten (sowohl ''circuit-switched'' als auch ''packet-switched'') innerhalb des UMTS–Netzes zuständig.
 
  
Auf der nächsten Seite werden die Aufgaben von UTRAN und ''Core Network'' noch genauer erläutert.
+
The class of&nbsp; '''&raquo;dedicated  transport channels&laquo;'''&nbsp; $\rm (DTCH)$:
 +
#This class includes the&nbsp; "dedicated channels"&nbsp; $($"DCH"$)$,&nbsp; which are permanently assigned to participants.
 +
#DCH&nbsp; transports both user data and control data&nbsp; $($handover data,&nbsp; measurement data, ...$)$&nbsp; to the higher layers,&nbsp; where they are then interpreted and processed.
  
  
Das '''UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN)''' sichert die Funkübertragung von Daten zwischen der Transportebene und der Funknetzebene. Zum UTRAN gehören die Basisstationen und die Kontrollknoten, deren Funktionen nachfolgend genannt werden:
+
The&nbsp; '''&raquo;common  transport channels&laquo;'''&nbsp; $\rm (CTCH)$&nbsp; include,&nbsp; for example:
*Ein '''Node B''' – wie eine UMTS–Basisstation meist genannt wird – umfasst die Antennenanlage sowie den CDMA–Empfänger und ist unmittelbar mit den ME–Funkschnittstellen verbunden. Zu seinen Aufgaben gehören die Datenratenanpassung, Daten– und Kanal(de)codierung, Interleaving sowie Modulation bzw. Demodulation. Jeder Node B kann eine oder mehrere Zellen versorgen.
+
#The&nbsp; "Broadcast Channel"&nbsp; $($"BCH"$)$&nbsp; is a downlink channel that distributes network operator-specific radio cell data to the subscribers.&nbsp; It is characterized by its relatively high power and low data rate&nbsp; $($only&nbsp; $\text{3.4 kbit/s)}$,&nbsp; in order to provide all users with the most error-free reception and high process gain.
*Der '''Radio Network Controller''' (RNC) ist für die Steuerung der Basisstationen verantwortlich. Ebenso ist er innerhalb der Zellen zuständig für die Rufannahmesteuerung, Verschlüsselung und Entschlüsselung, ATM–Vermittlung, Kanalzuweisung, Handover und Leistungssteuerung.
+
#The&nbsp; "Forward Access Channel"&nbsp; $($"FACH"$)$&nbsp; is a downlink channel,&nbsp; responsible for transporting control data.&nbsp; <br>A cell may contain several FACH channels,&nbsp; one of which must have a low data rate to allow all users to evaluate its data.
 +
#The&nbsp; "Random Access Channel"&nbsp; $($"RACH"$)$&nbsp; is a unidirectional uplink channel.&nbsp; The subscriber can use it to express the desire to establish a radio link.&nbsp; <br>It can also be used to transmit small amounts of data.
 +
#The&nbsp; "Common Packet Channel"&nbsp; $($"CPCH"$)$&nbsp; is a unidirectional uplink data channel for packet-oriented services and an extension of the RACH channel.
 +
#The&nbsp; "Paging Channel"&nbsp; $($"PCH"$)$&nbsp; is a unidirectional downlink channel for locating a subscriber with data for the paging procedure.
  
Das '''Core Network (CN)''' übernimmt die Vermittlung der Daten innerhalb des UMTS–Netzes. Dazu enthält es bei ''Leitungsvermittlung'' folgende Hardware– und Softwarekomponenten:
 
*Das '''Mobile Services Switching Center'' (MSC) ist zuständig für das Routing von Gesprächen, Lokalisierung, Authentifizierung, das Handover und die Verschlüsselung von Teilnehmerdaten.
 
*Das '''Home Location Register'' (HLR) enthält alle Teilnehmerdaten wie zum Beispiel Tarifmodell, Telefonnummer sowie die zugehörigen dienstspezifischen Berechtigungen und Schlüssel.
 
*Das '''Visitor Location Register''' (VLR) enthält Ortsinformationen über lokal registrierte Nutzer und Kopien der Datensätze aus dessen HLR. Diese Daten sind dynamisch: Sobald der Teilnehmer seinen Aufenthaltsort ändert, werden diese Informationen verändert.
 
  
Bei ''paketvermittelter Übertragung'' gibt es folgende Einrichtungen bzw. Register:
+
{{GraueBox|TEXT=
*Der '''Serving GPRS Support Node''' (SGSN) ist anstelle von MSC und VLR für Routing und Authentifizierung zuständig und hält eine lokale Kopie der Teilnehmerinformationen gespeichert.
+
[[File:EN_Bei_T_4_2_S6aaa.png|right|frame|Connection setup for UMTS]]
*Am '''Gateway GPRS Support Node''' (GGSN) gibt es Übergänge zu anderen Paketdatennetzen wie zum Beispiel dem Internet. Eingetroffene Pakete werden durch eine integrierte Firewall gefiltert und an den entsprechenden SGSN weitergeleitet.
+
$\text{Example 1:}$&nbsp;
*Das '''GPRS Register''' (GR) ist Teil des ''Home Location Register'' (HLR) und enthält zusätzliche Teilnehmerinformationen, die für die paketvermittelte Übertragung benötigt werden.
+
This diagram is intended to explain the interaction between the transport channels &nbsp;"RACH"&nbsp; and &nbsp;"FACH"&nbsp; with the logical channels &nbsp;"CCCH"&nbsp; and &nbsp;"DCCH"&nbsp; in a simple call setup.
  
 +
Some explanations of this diagram:
  
== Physikalische Kanäle ==
+
*A mobile equipment&nbsp;$\rm (ME)$&nbsp; expresses a request for a connection setup.
  
Physikalische Kanäle dienen der Kommunikation auf der physikalischen Ebene der Funkschnittstelle und werden innerhalb einer Basisstation (''Node B'') verarbeitet. Dabei unterscheidet man zwischen den ''dedizierten physikalischen Kanälen'' und ''gemeinsam genutzten physikalischen Kanälen''.
+
*First,&nbsp; using the logical channel&nbsp; '''CCCH'''&nbsp; and the transport channel&nbsp; '''RACH'''&nbsp; a connection request is then sent via the UTRAN to the&nbsp; radio network controller''&nbsp; $\rm (RNC)$.
  
Die '''dedizierten physikalischen Kanäle''' werden einzelnen Kommunikationspartnern fest zugewiesen. Zu diesen gehören:
+
*For this purpose,&nbsp; the&nbsp; '''RRC''' protocol&nbsp; $($"Radio Resource Control"$)$&nbsp; is used,&nbsp; which has the task of providing signaling between the subscriber and UTRAN/RNC.
*''Dedicated Physical Data Channel'' '''(DPDCH)''' – Dabei handelt es sich um einen unidirektionalen Uplink–Kanal, der Nutz– und Signalisierungsdaten aus höheren Schichten transportiert.
 
*''Dedicated Physical Control Channel'' '''(DPCCH)''' – Dieser Kontrollkanal enthält Informationen der physikalischen Schicht für die Steuerung der Übertragung, Leitungssteuerungs–Kommandos und Transportformat–Indikatoren, um nur einige Beispiele zu nennen.
 
*''Dedicated Physical Channel'' '''(DPCH)''' – Dieser Kanal umfasst den DPDCH und den DPCCH im Downlink und hat eine Länge von 2560 Chips.
 
  
Die Grafik zeigt den strukturellen Aufbau des DPDCH (blau), des DPCCH (rot) sowie des einhüllenden DPCH. Im DPCH werden in 10 ms genau 15 · 2560 = 38400 Chips übertragen, woraus sich für die Chiprate 3.84 Mchip/s ergibt.
+
*The&nbsp; "Radio Network Controller"&nbsp; $\rm (RNC)$&nbsp; responds to this request via the transport channel&nbsp; '''FACH'''.&nbsp; Thereby the necessary control data for the connection setup is sent to the subscriber.
  
Die Nutzdaten im DPDCH werden aufgesplittet und pro Zeitschlitz werden – je nach Spreizfaktor J – zwischen 10 ( $J$ = 256 ) und 640 ( $J$ = 4 ) Bit übertragen. Im DPCCH werden einheitlich pro Zeitschlitz zehn Kontrollbits übertragen.
+
*Only then the connection is actually established using the logical channel&nbsp; '''DCCH'''&nbsp; }}.
  
In der Tabelle sind die von allen Teilnehmern '''gemeinsam genutzten''' physikalischen Kanäle aufgelistet.
 
  
Im Folgenden werden die Eigenschaften einiger ausgewählter Kanäle beschrieben:
+
==Communication within the ISO/OSI layer model== 
*Der '''CCPCH''' ist ein Downlink–Kanal mit zwei Unterkanälen. Der P–CCPCH beinhaltet Daten, die für den Betrieb innerhalb einer Funkzelle notwendig sind, während der S–CCPCH Daten enthält, die für die Paging–Prozedur und für den Transport von Kontrolldaten verantwortlich sind.
+
<br>
*Der '''PDSCH''' und der '''PUSCH''' sind gemeinsam genutzte Kanäle, die sowohl Nutzdaten als auch Kontrolldaten transportieren können. Der erste ist allein für den Downlink zuständig, der zweite für den Uplink.
+
Communication between the different layers of the ISO/OSI model is ensured by the logical, physical and transport channels presented in the last sections.  
*CPICH, SCH, AICH und PICH sind gemeinsam genutzte Kanäle, die für die Steuerung und Synchronisierung des Gesamtsystems verantwortlich sind. '''CPICH''' ermittelt die Zugehörigkeit der Mobilstation zu einer Basisstation, '''SCH''' dient zur Zellsuche und Synchronisation der Mobilstation.
 
*Der '''AICH''' überprüft und ermittelt die Verfügbarkeit des Systems, während der '''PICH''' für den Funkruf bei der Teilnehmerlokalisierung zuständig ist.
 
*Der '''PRACH''' kontrolliert die Übertragung von Nachrichten des Zufallszugriffkanals '''RACH''', während der '''PCPCH''' für den Transport von Datenpaketen nach dem CDMA/CD–Verfahren zuständig ist.
 
  
 +
[[File:EN_Bei_T_4_2_S7a_87.png|right|frame|Physical,&nbsp; logical and transport channels in UMTS]]
 +
The graph on the right shows the structure for both,&nbsp; the uplink and downlink directions.
  
==Logische Kanäle  ==
+
To guarantee functionality and data exchange within the overall model,&nbsp; these must be mapped to each other according to the graph:
 +
*First,&nbsp; the logical channel is mapped to the transport channel,
  
Die logischen Kanäle befinden sich in der MAC–Referenzschicht und werden durch den Typ der übertragenen Daten gekennzeichnet. MAC steht hierbei für ''Medium Access Control''.
+
*then the mapping of the transport channel to the physical channel.
  
Die in der Tabelle zusammengestellten logischen Kanäle lassen sich in zwei Klassen unterteilen, nämlich in die Kontrollkanäle (''Control Channels'') und die Verkehrskanäle (''Traffic Channels''):
 
*Über die '''Kontrollkanäle''' (mit der Endung '''CCH''') werden sowohl Kontrollinformationen (BCCH) als auch Paging–Informationen (PCCH) transportiert. Es können aber auch teilnehmerspezifische Signalisierungsdaten (DCCH) oder Transportinformationen zwischen den Teilnehmergeräten und dem UTRAN (CCCH) ausgetauscht werden.
 
*Dagegen werden über die '''Verkehrskanäle''' Teilnehmerinformationen ausgetauscht. Während der DTCH einem mobilen Teilnehmer zum Nutzdatentransport individuell zugewiesen werden kann, wird ein CTCH vorwiegend an alle oder an eine vordefinierte Gruppe von Teilnehmern vergeben.
 
  
 
== Transportkanäle  ==
 
  
Transportkanäle befinden sich in der physikalischen Schicht des ISO/OSI–Schichtenmodells. Sie
+
[[File:EN_Bei_T_4_2_S7b_88.png|left|frame|Excerpt from the ISO/OSI layer model]]
*werden durch die Parameter der Datenübertragung (z.B. die Datenrate) gekennzeichnet,
+
<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>
*gewährleisten die gewünschten Anforderungen bezüglich der Fehlerschutzmechanismen,
+
The lower&nbsp; (left)&nbsp; graphic is intended to give an overall view of the structure of the three lowest layers of the ISO/OSI model and to convey the interactions of the different channel types.
*legen die Art der Datenübertragung – so zu sagen das „WIE” – fest.
+
<br clear=all>
 +
== Cellular architecture of UMTS ==
 +
<br>
 +
To enable a nationwide network with low transmission power and sufficient frequency economy,&nbsp; radio cells are also set up in UMTS,&nbsp; as in GSM.  
 +
*The radio cells in the UMTS network&nbsp; $($carrier frequency&nbsp; $\text{2 GHz)}$&nbsp; are significantly smaller than in GSM&nbsp; $($carrier frequency&nbsp; $\text{900 MHz)}$,  
  
Man unterscheidet zwei Klassen von Transportkanälen, nämlich dedizierte und gemeinsam genutzte Transportkanäle.
+
*since the range of radio signals decreases with increasing frequency for the same transmission power.
 +
[[File:EN_Bei_T_4_2_S8.png|right|frame|Cell structure in UMTS]]
  
Zur Klasse der '''dedizierten Transportkanäle''' (''Dedicated Transport Channels'' – DTCH) gehören die '''Dedicated Channels''' (DCH), die einem Teilnehmer fest zugewiesen werden. Ein DCH transportiert sowohl Nutzdaten als auch Kontrolldaten (Handover–Daten, Messdaten, ...) an die höheren Schichten, in denen sie dann interpretiert und verarbeitet werden.
 
  
Zu den '''gemeinsam genutzten Transportkanälen''' (''Common Transport Channels'' – CTCH) gehören beispielsweise:
+
The graph shows the&nbsp; '''cell structure'''&nbsp; of UMTS. One recognizes from it a hierarchical structure and three types of radio cells:
*Der ''Broadcast Channel'' ('''BCH''') ist ein Downlink–Kanal, der netzbetreiberspezifische Daten der Funkzelle (zum Beispiel ''Access Random Codes'' zur Signalisierung eines Verbindungsaufbaus) an die Teilnehmer verteilt. Charakteristisch ist seine relativ hohe Leistung und niedrige Datenrate (nur 3.4 kbit/s), um allen Nutzern einen möglichst fehlerfreien Empfang und hohen Prozessgewinn zu ermöglichen.
 
*Der ''Forward Access Channel'' ('''FACH''') ist ein Downlink–Kanal, zuständig für den Transport von Kontrolldaten. Eine Zelle kann mehrere FACH–Kanäle enthalten, wobei einer der Kanäle eine niedrige Datenrate aufweisen muss, um allen Nutzern die Auswertung seiner Daten zu ermöglichen.
 
*Der ''Random Access Channel'' ('''RACH''') ist ein unidirektionaler Uplink–Kanal. Der Teilnehmer kann damit den Wunsch äußern, eine Funkverbindung aufbauen zu wollen. Außerdem können auch kleine Datenmengen übertragen werden.
 
*Der ''Common Packet Channel'' ('''CPCH''') ist ein unidirektionaler Uplink–Datenkanal, der für paketorientierte Dienste ausgelegt ist und eine Erweiterung des RACH–Kanals darstellt.
 
*Der ''Paging Channel'' ('''PCH''') ist ein unidirektionaler Downlink–Kanal zur Lokalisierung eines Teilnehmers mit Daten für die Paging–Prozedur.
 
  
+
*'''&raquo;Macrocells&laquo;'''&nbsp; are the largest cells with a diameter of four to six kilometers.
{{Beispiel}}
+
#&nbsp;They allow relatively fast movements.
Die Grafik soll die Interaktion zwischen den Transportkanälen RACH und FACH mit den logischen Kanälen CCCH und DCCH bei einem einfachen Verbindungsaufbau erläutern.
+
#&nbsp;For example,&nbsp; a movement speed up to&nbsp; $500\ \rm km/h$&nbsp; is allowed if the data rate is&nbsp; $144 \ \rm kbit/s$.
 +
#&nbsp;A macrocell can potentially overlay a large number of microcells and picocells.
  
Einige Erklärungen zu diesem Schaubild:
+
*'''&raquo;Microcells&laquo;'''&nbsp; are much smaller than macrocells at one to two kilometers in diameter.
*Ein mobiler Teilnehmer (ME) äußert den Wunsch für einen Verbindungsaufbau. Als erstes wird dann mit Hilfe des logischen Kanals  ⇒  '''CCCH''' und des Transportkanals  ⇒  '''RACH''' eine Verbindungsanfrage über den UTRAN an den ''Radio Network Controller'' (RNC) gesendet.
+
#&nbsp;They allow higher data rates up to&nbsp; $384 \rm kbit/s$,&nbsp; but only slower movement speeds.  
*Hierzu wird das '''RRC'''–Protokoll (''Radio Resource Control'') verwendet, das die Aufgabe hat, die Signalisierung zwischen dem Teilnehmer und UTRAN/RNC zu gewährleisten.
+
#&nbsp;For example,&nbsp; at the maximum data rate,&nbsp; the maximum allowed speed is only&nbsp; $120\ \rm km/h$.  
*Der RNC antwortet auf diese Anfrage über den Transportkanal  ⇒  '''FACH'''. Dabei werden dem Teilnehmer die nötigen Kontrolldaten für den Verbindungsaufbau übersendet.
+
#&nbsp;A microcell overlays none,&nbsp; one,&nbsp; or a plurality of picocells.
*Die Verbindung wird mit Hilfe des logischen Kanals  ⇒  '''DCCH''' tatsächlich aufgebaut.
 
  
{{end}}
+
*'''&raquo;Picocells&laquo;'''&nbsp; serve only very small areas about&nbsp; $100$&nbsp; meters in diameter,&nbsp; but very high data volumes.
 +
#&nbsp;They are used in high density locations such as airports,&nbsp; stadiums,&nbsp; and so on.
 +
#&nbsp;Data rates up to&nbsp; $2\ \rm Mbit/s$&nbsp; are theoretically allowed.
 +
<br clear=all>
 +
Since UMTS uses as multiple access method&nbsp; [[Modulation_Methods/Tasks_and_Classification#FDMA.2C_TDMA.2C_and_CDMA|"Code Division Multiple Access"]]&nbsp; $\rm (CDMA)$,&nbsp; all subscribers use the same frequency channel.
 +
*This results in a relatively high interference power and a very low carrier-to-interference ratio&nbsp; $\rm (CIR)$.
  
 +
*This is at least significantly smaller than for&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_GSM|"GSM"]],&nbsp; which is based on FDMA and TDMA.
  
==Kommunikation innerhalb des ISO/OSI–Schichtenmodells== 
+
*A low CIR can significantly impair transmission quality,&nbsp; namely when signals from different subscribers destructively overlap,&nbsp; resulting in information loss.
  
Die Kommunikation zwischen den verschiedenen Schichten des ISO/OSI–Modells wird durch die auf den letzten Seiten vorgestellten logischen, physikalischen und Transport–Kanäle sichergestellt. Um die Funktionsfähigkeit und den Datenaustausch innerhalb des Gesamtmodells zu garantieren, müssen diese entsprechend der folgenden Grafik aufeinander abgebildet werden:
 
*Zunächst erfolgt die Abbildung des logischen Kanals auf den Transportkanal,
 
*danach die Abbildung des Transportkanals auf einen physikalischen Kanal.
 
  
Die Grafik zeigt die Struktur für Aufwärtsrichtung (Uplink) und Abwärtsrichtung (Downlink).
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{There are two types of interference:}$&nbsp;
  
Die untere Darstellung soll einen Gesamtüberblick über die Struktur der drei untersten Schichten des ISO/OSI–Modells geben und die Interaktionen der verschiedenen Kanalarten vermitteln.
+
*'''&raquo;Intracell interference&laquo;'''&nbsp; occurs when multiple subscribers within the same cell use the same frequency channel.
 +
 
 +
*'''&raquo;Intercell interference&laquo;'''&nbsp; occurs when subscribers of different cells use the same frequency channel}}.
 +
 
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:EN Mob T 3 2 S2a.png|right|frame|To illustrate intra- and intercellular interference|class=fit]] 
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp;
 +
The graph illustrates both types of cell interference:
 +
 
 +
*In the left cell,&nbsp; there is&nbsp; "intracell interference"&nbsp; when the two frequencies&nbsp; $f_1$&nbsp; and&nbsp; $f_2$&nbsp; are identical.
 +
 
 +
*In contrast,&nbsp; there is&nbsp; "intercell interference"&nbsp; when the same frequencies are used in the right radio cells&nbsp; $(f_3 = f_4)$.  
  
  
 
== Zellulare Architektur von UMTS  ==
 
  
Um ein flächendeckendes Netz mit geringer Sendeleistung und ausreichender Frequenzökonomie zu ermöglichen, werden auch bei UMTS wie bei GSM Funkzellen eingerichtet. Die Funkzellen sind im UMTS–Netz (Trägerfrequenz um 2 GHz) deutlich kleiner als bei GSM (Trägerfrequenz um 900 MHz), da bei gleicher Sendeleistung die Reichweite von Funksignalen mit steigender Frequenz abnimmt.
 
  
Die Grafik zeigt die '''Zellenstruktur''' von UMTS. Man erkennt daraus einen hierarchischen Aufbau und drei Typen von Funkzellen:
 
*'''Makrozellen''' sind mit 4 bis 6 Kilometer Durchmesser die größten Zellen. Sie erlauben relativ schnelle Bewegungungen. Beispielsweise ist eine Bewegungsgeschwindigkeit bis zu maximal 500 km/h zulässig, wenn die Datenrate 144 kbit/s beträgt. Eine Makrozelle kann möglicherweise eine Vielzahl von Mikro– und Pikozellen überlagern.
 
*'''Mikrozellen''' sind mit 1 bis 2 km deutlich kleiner als Makrozellen. Sie erlauben wesentlich höhere Datenraten bis 384 kbit/s, dafür aber nur langsamere Bewegungsgeschwindigkeiten. Zum Beispiel ist bei der Datenrate 384 kbit/s die maximal zulässige Geschwindigkeit 120 km/h. Eine Mikrozelle überlagert keine, eine oder eine Vielzahl von Pikozellen.
 
*'''Pikozellen''' versorgen nur sehr kleine Gebiete mit etwa 100 Meter Durchmesser, aber sehr hohem Datenaufkommen. Sie werden in hochverdichteten Orten wie zum Beispiel Flughäfen, Stadien, usw. eingesetzt. Zulässig sind theoretisch Datenraten bis 2 Mbit/s.
 
  
Da UMTS als Vielfachzugriffsverfahren ''Code Division Multiple Access'' (CDMA) verwendet, benutzen alle Teilnehmer den gleichen Frequenzkanal. Dies resultiert in einer relativ hohen '''Interferenzleistung''' und einem sehr niedrigen Träger–zu–Interferenz–Abstand (englisch: ''Carrier–to–Interference Ratio'', CIR). Dieses ist zumindest deutlich kleiner als bei GSM, das auf FDMA und TDMA basiert.
+
&rArr; &nbsp; Intracell interference is usually more severe than intercell interference
 +
*because of the close spacing of intracell interferers,  
  
Ein niedriges CIR kann die Übertragungsqualität erheblich beeinträchtigen, nämlich dann, wenn sich die Signale unterschiedlicher Teilnehmer destruktiv überlagern, was zu Informationsverlust führt.
+
*that is,&nbsp; it causes a much smaller&nbsp; "'carrier-to-interference ratio"&nbsp; $\rm (CIR)$.}}
  
Man unterscheidet zwei Arten von Interferenzen:
+
== What is cell breathing? ==
*'''Intrazellinterferenz''' entsteht durch die Verwendung des gleichen Frequenzkanals von mehreren Teilnehmern innerhalb der gleichen Zelle.
+
<br>
*Dagegen kann es zu '''Interzellinterferenz''' kommen, wenn Teilnehmer verschiedener Zellen den gleichen Frequenzkanal benutzen.
+
In order to limit the influence of the interference power on the transmission quality,&nbsp; the so-called&nbsp; '''&raquo;cell breathing&laquo;'''&nbsp; is used in UMTS.&nbsp; This can be described as follows:
 +
*If the number of active subscribers and thus the current interference power increases,&nbsp; the cell radius is reduced.
  
 +
*Since fewer subscribers are now transmitting in the cell,&nbsp; the interfering influence of intracell interference is thus also reduced.
  
{{Beispiel}}
+
*The less loaded neighboring cell then steps in to supply the subscribers standing at the edge of a busy cell.
Die Grafik veranschaulicht beide Arten der Zellinterferenz. In der linken Zelle kommt es zu ''Intrazellinterferenzen'', wenn die beiden Frequenzen $f_1$ und $f_2$ identisch sind.
 
  
Dagegen gibt es ''Interzellinterferenz'', wenn in den beiden rechten Funkzellen gleiche Frequenzen verwendet werden $(f_3 = f_4)$. Intrazellinterferenzen sind wegen des geringen Abstands der Intrazellstörer meistens gravierender als Interzellinterferenzen, das heißt, sie bewirken ein deutlich kleineres CIR.
+
*For the supply of the users at the edge of a busy cell,&nbsp; a less busy neighboring cell steps in.
  
{{end}}
 
  
 +
&nbsp; &rArr; &nbsp; An alternative to&nbsp; "cell breathing"&nbsp; is to reduce the total transmitted power within the cell,&nbsp; which,&nbsp; however, also means a reduction in the transmission quality.
  
Um den Einfluss der Interferenzleistung auf die Übertragungsqualität zu begrenzen, wird bei UMTS die so genannte '''Zellatmung''' eingesetzt. Diese lässt sich wie folgt beschreiben:
+
{{GraueBox|TEXT= 
*Nimmt die Anzahl der aktiven Teilnehmer und damit die aktuelle Interferenzleistung zu, so wird der Zellenradius verkleinert.
+
$\text{Example 3:}$&nbsp;
*Da nun weniger Teilnehmer in der Zelle senden, wird damit auch der störende Einfluss der Zellinterferenz geringer.
+
In the graph,&nbsp; we can see that the number of active subscribers&nbsp; $($per unit area$)$&nbsp; in the coverage area increases from left to right.
*Für die Versorgung der am Rande einer ausgelasteten Zelle stehenden Teilnehmer springt dann die weniger belastete Nachbarzelle ein.
 
  
Eine Alternative zur Zellatmung ist, dass man die Gesamtsendeleistung innerhalb der Zelle verringert, was allerdings eine Reduzierung der Sende– und damit auch der Empfangsqualität bedeutet.
+
[[File:EN_Bei_T_4_2_S8b.png|right|frame|To illustrate&nbsp; "cell breathing"&nbsp; in UMTS]]
  
{{Beispiel}}
+
*If one leaves the cell size the same,&nbsp; there are more active subscribers in the cell than before and accordingly the quality decreases significantly due to intracell interference.
In der Grafik erkennt man, dass die Anzahl der aktiven Teilnehmer im Versorgungsgebiet von links nach rechts zunimmt.
 
  
*Lässt man die Zellengröße gleich, so gibt es in der Zelle mehr aktive Teilnehmer als vorher und dementsprechend nimmt die Qualität aufgrund der Intrazellinterferenzen deutlich ab.
 
*Verkleinert man dagegen die Zellengröße im gleichen Maße, wie die Teilnehmerzahl zunimmt, so sind in einer Zelle nicht mehr Teilnehmer aktiv als vorher und die Qualität bleibt erhalten.
 
  
{{end}}
+
*If,&nbsp; on the other hand,&nbsp; the cell size is reduced to the same extent as the number of subscribers increases,&nbsp; there are no more active subscribers in a cell than before&nbsp; $($according to this sketch:&nbsp; seven$)$&nbsp; and the quality remains&nbsp; $($approximately$)$&nbsp; the same}}.
  
  
 
==Handover in UMTS ==  
 
==Handover in UMTS ==  
 +
<br>
 +
In order to make the transition between different cells appear as uninterrupted as possible for mobile subscribers,&nbsp; a handover is used for circuit-switched UMTS services &ndash; as with GSM.&nbsp; A distinction is made between two types in UMTS:
 +
*'''&raquo;Hard  Handover&laquo;''': &nbsp; Here the connection is switched hard to another node B at a certain point in time.&nbsp; This type of handover happens in the time division duplex mode&nbsp; $\rm (TDD)$&nbsp; during the switchover between transmitter and receiver.
 +
 +
*'''&raquo;Soft  Handover&laquo;''': &nbsp; In this process,&nbsp; a mobile can communicate simultaneously with up to three base stations.&nbsp; The handover of a subscriber from one node B to another takes place gradually until the subscriber finally leaves this area.&nbsp; In this context,&nbsp; one speaks of&nbsp; "macrodiversity".
 +
 +
 +
The downlink data&nbsp;
 +
*is split in the&nbsp; radio network controller&nbsp; $\rm (RNC)$,&nbsp;
 +
* broadcast over the participating base stations,&nbsp; and
 +
*reassembled in the mobile station&nbsp; $($"Rake processing"$)$.
 +
 +
 +
However,&nbsp; in the&nbsp; uplink:&nbsp;
 +
*The transmitted data is received by all participating base stations.
 +
*The soft combining of the data takes place in the radio network controller&nbsp; $\rm  (RNC)$.
 +
*This then forwards the data to the&nbsp; core network&nbsp; $\rm (CN)$.
  
Um den Übergang zwischen verschiedenen Zellen für Mobilfunkteilnehmer möglichst unterbrechungsfrei erscheinen zu lassen, wird bei leitungsvermittelten UMTS–Diensten – wie auch bei GSM – ein Handover eingesetzt. Man unterscheidet bei UMTS zwei Arten:
 
*'''Hard Handover''' – Hierbei wird zu einem bestimmten Zeitpunkt die Verbindung hart zu einem anderen ''Node B'' umgeschaltet. Diese Art von Handover geschieht im TDD–Modus während des Umschaltens zwischen Sender und Empfänger.
 
*'''Soft Handover''' – Dabei kann ein Mobiltelefon mit bis zu drei Basisstationen kommunizieren. Die Übergabe eines Teilnehmers von einem Node B zu einem anderen erfolgt allmählich, bis der Teilnehmer diesen Bereich verlässt. Man spricht in diesem Zusammenhang von ''Makrodiversität''.
 
  
Die ''Downlink–Daten'' werden im ''Radio Network Controller'' (RNC) aufgeteilt (''Splitting''), über die beteiligten ''Node Bs'' ausgestrahlt und in der Mobilstation wieder zusammengesetzt (''Rake Processing'').
+
A distinction is made between three special cases of&nbsp; "soft handover":
 +
*With&nbsp; '''&raquo;Softer Handover&laquo;'''&nbsp; a subscriber is supplied via different paths of the same base station.
 +
 +
*on the other hand,&nbsp; '''&raquo;Intra-RNC Handover&laquo;'''&nbsp; involves supplying the subscribers via two different base stations connected to the same RNC.&nbsp; The&nbsp; combining and splitting&nbsp; of the data takes place in the common RNC.
  
Im ''Uplink'' werden hingegen die gesendeten Daten von allen beteiligten Basisstationen empfangen. Die Zusammenlegung der Daten (''Soft Combining'') findet im RNC statt. Dieser leitet anschließend die Daten an das ''Core Network'' (CN) weiter.
+
*'''&raquo;Inter-RNC Handover&laquo;'''&nbsp; is present,&nbsp; if the subscriber is in an area managed by two adjacent&nbsp; radio network controllers: 
 +
:#The first RNC &nbsp; &rArr; &nbsp; "Serving RNC"&nbsp; $\rm (SRNC)$&nbsp; handles communications with the&nbsp; core network&nbsp; and is responsible for&nbsp; "Combining and Splitting".
 +
:#The second RNC&nbsp; &rArr; &nbsp; "Drift RNC"&nbsp; $\rm (GRNC)$&nbsp; handles communications with the&nbsp; SRNC&nbsp; and with the node B&nbsp; it manages.
  
Man unterscheidet bei '''Soft Handover''' drei Sonderfälle:
+
{{GraueBox|TEXT=
Bei Softer Handover wird ein Teilnehmer über verschiedene Pfade der gleichen Basisstation ''Node B'' versorgt. Dagegen geschieht bei '''Intra–RNC Handover''' die Versorgung der Teilnehmer über zwei verschiedene Basisstationen, die an denselben RNC angeschlossen sind. Das ''Combining und Splitting'' der Daten findet in dem gemeinsamen RNC statt.
+
[[File:P_ID1524__Bei_T_4_1_S10.png|right|frame|To illustrate different handover strategies;&nbsp; the letters mark different vehicle positions]]
 +
$\text{Example 4:}$&nbsp;
 +
We assume the following scenario:&nbsp;  The vehicle starts at&nbsp; $\rm A$,&nbsp; moves to the right,&nbsp; and passes various base stations,&nbsp; each connected to a&nbsp; radio network controller&nbsp; $\rm (RNC)$.&nbsp;
  
Befindet sich der Teilnehmer in einem Gebiet, das von zwei benachbarten ''Radio Network Controllern'' verwaltet wird, so liegt '''Inter–RNC Handover''' vor. Der erste RNC, den man auch als ''Serving RNC'' (SRNC) bezeichnet, übernimmt die Kommunikation mit dem ''Core Network'' und ist für ''Combining und Splitting'' verantwortlich. Der zweite RNC – der so genannte ''Drift RNC'' (DRNC) – übernimmt die Kommunikation mit dem SRNC und mit dem von ihm verwalteten ''Node B''.
+
# At positions&nbsp; $\rm A$,&nbsp; $\rm C$,&nbsp; $\rm E$,&nbsp; $\rm G$,&nbsp; $\rm I$,&nbsp;  $\rm K$:&nbsp; There is always only one RNC connection &nbsp; <br>&rArr; &nbsp; no handover.<br><br>
 +
#For&nbsp; $\rm B$,&nbsp; $\rm F$,&nbsp;  $\rm J$:&nbsp; the vehicle is in contact with two base stations of the same RNC &nbsp; <br>&rArr; &nbsp; "intra-RNC handover".<br><br>
 +
#For&nbsp; $\rm D$&nbsp; and&nbsp; $\rm H$: &nbsp; The vehicle is in contact with two base stations of two RNCs &nbsp; <br>&rArr; &nbsp; "inter-RNC handover".
 +
::However,&nbsp; (3)&nbsp; requires that the coordination of the two RNCs through the&nbsp; core network&nbsp;is functioning. Otherwise: &nbsp; "hard handover".}}
  
  
{{Beispiel}}
+
==IP core networks ==
Die nachfolgende Flash–Animation soll dieses Szenario verdeutlichen. Man erkennt
+
<br>
 +
UMTS Release 5 introduced,&nbsp; among other things,&nbsp; '''&raquo;IP Core Networks&laquo;'''.  
  
*Hard Handover bei '''H''',
+
#In this case,&nbsp; both the user data and the control data are transmitted over an internal IP network.
*Inter–RNC Handover bei  grüner Markierung '''D''',
+
#This means that both circuit-switched services and packet-switched services are provided on the basis of IP protocols.
*Intra–RNC Handover bei  blauen Marken: '''B, F, J''',
 
*nur eine RNC–Verbindung bei '''A, C, E, G, I, K'''.
 
  
START der Animation
+
[[File:EN_Bei_T_4_2_S10.png|right|frame|Network architecture of UMTS &ndash; Release 5]]
  
{{end}}
+
The graph shows this network architecture in schematic form.&nbsp; Compared with the original UMTS network architecture&nbsp; $($Release 99$)$,&nbsp; the following nodes have been added to the network:
 +
*The&nbsp; '''&raquo;Media Gateway&laquo;'''&nbsp; $\rm (MGW)$&nbsp; is responsible for recovering voice packets converted to&nbsp; "'voice-over-IP"&nbsp; $\rm (VoIP)$&nbsp;  into conventional voice data.
  
 +
*The&nbsp; '''&raquo;Home Subscriber Server&laquo;'''&nbsp; $\rm (HSS)$&nbsp;  combines the registers&nbsp; "HLR"&nbsp; and&nbsp; "VLR"&nbsp; known from&nbsp; UMTS Release 99.
  
==IP–basierte Netze ==
+
*The&nbsp; '''&raquo;Call State Control Function&laquo;'''&nbsp; $\rm (CSCF)$&nbsp; node is responsible for the overall control of the IP network in&nbsp; UMTS Release 5&nbsp; and establishes the communication between CSCF node and subscriber via the&nbsp; "session initiation protocol"&nbsp; $\rm (SIP)$.
  
Mit dem UMTS Release 5 wurden unter Anderem '''IP–basierte Netze''' (''IP Core Networks'') eingeführt. Dabei werden sowohl Nutzdaten als auch Kontrolldaten über ein internes IP–Netz übertragen. Das bedeutet, dass sowohl leitungsvermittelte Dienste als auch paketvermittelte Dienste auf der Basis von IP–Protokollen erbracht werden.
 
  
Die Grafik zeigt die Netzarchitektur von UMTS Release 5 in schematischer Weise. Im Vergleich zur ursprünglichen UMTS–Netzarchitektur (Release 99) wurde das Netz um folgende Knoten ergänzt:
+
Major&nbsp; '''advantages'''&nbsp; of IP networks are:
*Das '''Media Gateway (MGW)''' ist für die Wiedergewinnung der in ''Voice–over–IP'' (VoIP) konvertierten Sprachpakete in herkömmliche Sprachdaten verantwortlich.
+
#A forward-looking alternative to the previous design,
*Der '''Home Subscriber Server (HSS)''' fasst die aus dem ''UMTS Release 99'' bekannten Register HLR und VLR zusammen.
+
#a low-cost routing technology &nbsp; ⇒ &nbsp; large savings in switching equipment,
*Der '''Call State Control Function (CSCF)'''–Knoten ist für die gesamte Steuerung des IP–Netzes in ''UMTS Release 5'' zuständig und stellt zudem die Kommunikation zwischen CSCF–Knoten und Teilnehmer über das ''Session Initiation Protokoll'' (SIP) her.
+
#great flexibility in the introduction of new services,&nbsp; and
 +
#an ease of implementation of network monitoring techniques.
  
Es spricht vieles für den Einsatz einer solchen IP–basierten Netzarchitektur, da diese eine Reihe von Verbesserungen bereitstellt. Wesentliche '''Vorteile''' von IP–Netzen sind:
 
*eine zukunftsweisende Alternative zur jetzigen Auslegung,
 
*eine preiswerte Routing–Technologie  ⇒  große Einsparungen bei der Vermittlungstechnik,
 
*große Flexibilität bei der Einführung neuer Dienste, und
 
*eine leichte Implementierung von Netzüberwachungstechniken.
 
  
Entscheidende '''Nachteile''' dieser Architektur sind derzeit (2011) allerdings auch:
+
However,&nbsp; crucial&nbsp; '''disadvantages'''&nbsp; of this architecture&nbsp; $($ in 2011$)$&nbsp; include:
*die mühsame Integration der Infrastruktur der zweiten Mobilfunkgeneration,
+
#The cumbersome integration of second generation cellular infrastructure,
*die Notwendigkeit von Übergangsknoten zur Konvertierung der Daten in sog. Gateways,
+
#the need for transition nodes to convert the data in so-called gateways,&nbsp; and
*das Fehlen eines eindeutigen und zuverlässigen Sicherheitskonzeptes.
+
#the lack of a clear and reliable security concept.
  
  
==Aufgaben zu Kapitel 4.2 ==
+
==Exercises for the chapter ==
[[Aufgaben:4.3_UMTS–Zugangsebene|Aufgabe 4.3: UMTS–Zugangsebene]]
+
<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise_4.3:_UMTS_Access_Level|Exercise 4.3: UMTS Access Level]]
  
[[Aufgaben:4.4_Zellulare_UMTS-Architektur|Aufgabe 4.4: Zellulare UMTS-Architektur]]
+
[[Aufgaben:Exercise_4.4:_Cellular_UMTS_Architecture|Exercise 4.4: Cellular UMTS Architecture]]
  
  
  
 
{{Display}}
 
{{Display}}

Latest revision as of 19:13, 25 March 2023


Basic units of the system architecture


In the architecture of UMTS networks,  a distinction is made between four basic logical units.  The interaction of these units enables the operation of the entire network.

In the graphic you can see:

Basic units of UMTS system architecture







  • $\rm Universal \ Subscriber \ Identity \ Module \ (USIM)$ 
    The USIM is a removable chip card that contains radio information and information for unique identification and authentication of the subscriber.  It differs from the conventional SIM card in that it has enhanced security features,  larger memory capacity,  and an integrated microprocessor that is used to run programs.
  • $\rm Mobile \ Equipment \ (ME)$  – Equipped with a USIM card,  the UMTS terminal provides both the radio interface for data transmission and the user controls.  It differs from the common GSM mobile station in that it offers enhanced functionality,  multimedia applications,  and more complex and diverse services.  Often,  the designations  "User Equipment"  $\rm (UE)$  and  "Terminal Equipment"  $\rm (TE)$  can also be found.
  • $\rm Radio \ Access \ Network \ (RAN)$  – This refers to the fixed network infrastructure of UMTS, which is responsible for radio transmission and related tasks. The RAN contains the base stations and the control nodes that connect the RAN and the  "Core Network".
  • $\rm Core \ Network \ (CN)$  – This represents the wide area network and is responsible for data transport.  It contains switching facilities  $\rm (SGSN, GGSN)$  to external networks and databases for mobility and subscriber management s $\rm (HLR,\ VLR)$.  The  core network  also contains the  "operation and maintenance center"  $\rm (OMC)$  required to manage the overall network.

Domains and interfaces


The units of the UMTS network listed in the last section are grouped into so-called  »domains«.  This refers to functional blocks that serve to standardize and study the functional units and interfaces within the UMTS network.

Basic units of the UMTS system architecture

Two main categories of domains are distinguished, viz.

  • the  "User Equipment Domain",  and
  • the  "Infrastructure Domain".


⇒   The  »User Equipment Domain«  contains all functions that enable access to the UMTS network,  such as encryption functions for the transmission of data via the radio interface.  One can divide this domain into two domains:

  1. the  "USIM Domain"  – the SIM card is a part of this domain;
  2. the  "Mobile Equipment Domain"  – it contains all the functions that a terminal device has.

These two domains are connected via the  "Cu interface"  which includes the electrical and physical specifications as well as the protocol stack between the USIM card and the terminal device.  This allows USIM cards from different network operators to operate with all terminal devices.

Another important interface is the  "Uu interface",  which establishes the radio link between the mobile station and the  infrastructure domain .


⇒   The  »Infrastructure Domain«  is divided into the following two domains:

  1. The  "Access Network Domain"  groups all base stations – in UMTS called  "Node B"  – and the functions of the  "Radio Access Network"  $\rm (RAN)$.
  2. The  "Core Network Domain"  is responsible for the most error-free transmission and transport of user data.


These two domains are connected via an  "Iu interface".  This interface is responsible for data switching between the access and the core network and is the separation between transport layer and radio network layer.

The  "Core Network Domain"  can in turn be divided into three sub-domains:

  1. The  "Serving Network"  contains all functions and information necessary to access the UMTS network.
  2. The  "Home Network"  contains all functionalities that are performed in the home network of a  $($foreign$)$  subscriber.
  3. The  "Transit Network"  – this only takes effect if database queries are to be performed in the subscriber's home network and the  "Serving Network"  is not directly connected to the  "Home Network".


Access level architecture


UMTS networks support both  "circuit-switching"  and  "packet-switching".

$\text{Distinctive features:}$ 

  • In  »Circuit Switching«  $\rm (CS)$,  the radio channel is assigned to the two communication partners for the entire duration of the connection until all information has been transmitted.  Only then the channel is released.
  • In  »Packet Switching«  $\rm (PS)$,  the participants cannot use the channel exclusively,  but the data stream is divided in the transmitter into small data packets – each with the destination address in the header – and only then sent.  The channel is shared by several participants


The two modes can also be recognized in the access level of the UMTS network in the core network  $\rm (CN)$,  which is shown in the graph.

Structural design of a UMTS network





The access layer can be divided into two main blocks:

⇒   The  »UMTS Terrestrial Radio Access Network«  $\rm (UTRAN)$  ensures radio transmission of data between the transport layer and the radio network layer.

The UTRAN includes the base stations and the control nodes, whose functions are mentioned below:

  • A  "Node B"  – as a UMTS base station is usually called –  includes the antenna equipment as well as the CDMA receiver and is directly connected to the radio interfaces of the mobile equipment.  Its tasks include data rate adaptation,  data and channel encoding or decoding,  interleaving,  and modulation or demodulation. Each base station can power one or more cells.
  • The  "Radio Network Controller"  $\rm (RNC)$base station is responsible for controlling the base stations.  Likewise,  within the cells,  it is responsible for call acceptance control,  encryption and decryption,  ATM switching,  channel assignment, handover and power control.


⇒   The  »Core Network«  $\rm (UTRAN)$  is responsible for switching the data within the UMTS network  $($both,  circuit-switched  and  packet-switched$)$ .

For this purpose,  it contains at  circuit-switched transmission  the following hardware and software components:

  1. The  "Mobile Services Switching Center"  $\rm (MSC)$  is responsible for call routing,  localization,  authentication,  handover and data encryption.
  2. The  "Home Location Register"  $\rm (HLR)$  contains all subscriber data;  tariff model,  telephone number,  authorizations and keys,  ...
  3. The  "Visitor Location Register"  $\rm (VLR)$  contains information about locally registered users and copies of records from its HLR.  This data is dynamic.


In  circuit-switched transmission  there are the following facilities or registers:

  1. The  "Serving GPRS Support Node"  $\rm (SGSN)$  is responsible for routing and authentication instead of MSC and VLR and keeps a local copy of the user information.
  2. The  "Gateway GPRS Support Node" $\rm (GGSN)$  there are transitions to other packet data networks such as the Internet. 
    Incoming packets are filtered by an integrated firewall and forwarded to the appropriate SGSN.
  3. The  "GPRS Register"  $\rm (GR)$  is part of the HLR and contains additional information needed for packet-switched transmission.


Physical channels


Physical channels are used for communication on the physical level of the radio interface and are processed within a base station  $($"Node B"$)$.  A distinction is made between  "dedicated physical channels"  and  "shared physical channels".

Construction of the dedicated physical channels
Shared channels in UMTS


The  »dedicated physical channels«  are permanently assigned to individual communication partners.  These include:

  1. Dedicated Physical Data Channel  $($DPDCH$)$  – This is a unidirectional uplink channel that transports payload and signaling data from higher layers.
  2. Dedicated Physical Control Channel  $($DPCCH$)$  – This control channel contains physical layer information for transmission control,  line control commands,  and transport format indicators,  ...
  3. Dedicated Physical Channel  $($DPCH$)$  – This channel includes the  DPDCH  and the  DPCCH  in the downlink and has a length of  $2560$  chips.


The diagram shows the structural design of the  DPDCH  (blue),  of the  DPCCH  (red)  as well as the enveloping  DPCH  (black).

  • In the  DPCH,  $15 \cdot 2560 = 38400$  chips are transmitted in  $10 \ \rm ms$,  resulting in the chip rate  $3.84 \ \rm Mchip/s$.
  • The user data in the  DPDCH  is split and per time slot are transmitted  $($depending on the spreading factor  $J)$  between  $10$  bits  $($if  $J = 256)$  and  $640$ bits  $($if  $J = 4)$.
  • In the  DPCCH,  ten control bits are transmitted uniformly per time slot.


The table lists the  »shared physical channels«  by all participants.  The following describes the characteristics of some selected channels:

  1. The  CCPCH  is a downlink channel with two subchannels:  The  "P-CCPCH"  contains data necessary for operation within a radio cell,  while the  "S-CCPCH"  contains data responsible for the paging procedure and for the transport of control data.
  2. The  PDSCH  and the  PUSCH  are shared channels that can transport both payload and control data.  The first is solely responsible for the downlink,  the second for the uplink.
  3. The  PRACH  controls the message transmission of the random access channel  RACH,  while the  PCPCH  is responsible for transporting data packets using the CDMA/CDM method.


The following channels are responsible for the control and synchronization of the overall system:

  1. The  CPICH  determines the affiliation of the mobile to a base station.
  2. The  SCH  is used for cell search and synchronization of the mobile station.
  3. The  AICH  checks and determines the availability of the system.
  4. The  PICH  is responsible for paging during subscriber localization.


Logical channels


The logical channels are located in the  $\rm MAC$  $($"Medium Access Control"$)$  reference layer and are identified by the type of the transmitted data.

Logical channels in UMTS

The logical channels compiled in the table can be divided into two classes,  namely.

  •  »Control Channels« $($ending with  "CCH"$)$:
  1. Control information  $($"BCCH"$)$  as well as paging information  $($"PCCH"$)$  are transported via the control channels.
  2. Subscriber-specific signaling data  $($"DCCH"$)$  or transport information can also be exchanged between subscriber devices and the UTRAN  $($"CCCH"$)$  over this.


  •  »Traffic Channels« $($ending with  "TCH"$)$:
  1. Subscriber information is exchanged over the traffic channels.
  2. While the  "DTCH"  can be assigned individually to a mobile subscriber for user data transport,  a  "CTCH"   is predominantly assigned to all or to a predefined subscriber group.


Transport channels


Transport channels are located in the physical layer of the  "ISO/OSI layer model".  They

  • are characterized by the parameters of the data transmission  $($e.g. the data rate$)$,
  • ensure the desired requirements regarding error protection mechanisms,  and
  • determine the type of data transmission – the  "how",  so to speak.


Two classes of transport channels are distinguished,  namely  "dedicated transport channels"  and  "shared transport channels".

The class of  »dedicated transport channels«  $\rm (DTCH)$:

  1. This class includes the  "dedicated channels"  $($"DCH"$)$,  which are permanently assigned to participants.
  2. DCH  transports both user data and control data  $($handover data,  measurement data, ...$)$  to the higher layers,  where they are then interpreted and processed.


The  »common transport channels«  $\rm (CTCH)$  include,  for example:

  1. The  "Broadcast Channel"  $($"BCH"$)$  is a downlink channel that distributes network operator-specific radio cell data to the subscribers.  It is characterized by its relatively high power and low data rate  $($only  $\text{3.4 kbit/s)}$,  in order to provide all users with the most error-free reception and high process gain.
  2. The  "Forward Access Channel"  $($"FACH"$)$  is a downlink channel,  responsible for transporting control data. 
    A cell may contain several FACH channels,  one of which must have a low data rate to allow all users to evaluate its data.
  3. The  "Random Access Channel"  $($"RACH"$)$  is a unidirectional uplink channel.  The subscriber can use it to express the desire to establish a radio link. 
    It can also be used to transmit small amounts of data.
  4. The  "Common Packet Channel"  $($"CPCH"$)$  is a unidirectional uplink data channel for packet-oriented services and an extension of the RACH channel.
  5. The  "Paging Channel"  $($"PCH"$)$  is a unidirectional downlink channel for locating a subscriber with data for the paging procedure.


Connection setup for UMTS

$\text{Example 1:}$  This diagram is intended to explain the interaction between the transport channels  "RACH"  and  "FACH"  with the logical channels  "CCCH"  and  "DCCH"  in a simple call setup.

Some explanations of this diagram:

  • A mobile equipment $\rm (ME)$  expresses a request for a connection setup.
  • First,  using the logical channel  CCCH  and the transport channel  RACH  a connection request is then sent via the UTRAN to the  radio network controller  $\rm (RNC)$.
  • For this purpose,  the  RRC protocol  $($"Radio Resource Control"$)$  is used,  which has the task of providing signaling between the subscriber and UTRAN/RNC.
  • The  "Radio Network Controller"  $\rm (RNC)$  responds to this request via the transport channel  FACH.  Thereby the necessary control data for the connection setup is sent to the subscriber.
  • Only then the connection is actually established using the logical channel  DCCH 

.


Communication within the ISO/OSI layer model


Communication between the different layers of the ISO/OSI model is ensured by the logical, physical and transport channels presented in the last sections.

Physical,  logical and transport channels in UMTS

The graph on the right shows the structure for both,  the uplink and downlink directions.

To guarantee functionality and data exchange within the overall model,  these must be mapped to each other according to the graph:

  • First,  the logical channel is mapped to the transport channel,
  • then the mapping of the transport channel to the physical channel.


Excerpt from the ISO/OSI layer model
















The lower  (left)  graphic is intended to give an overall view of the structure of the three lowest layers of the ISO/OSI model and to convey the interactions of the different channel types.

Cellular architecture of UMTS


To enable a nationwide network with low transmission power and sufficient frequency economy,  radio cells are also set up in UMTS,  as in GSM.

  • The radio cells in the UMTS network  $($carrier frequency  $\text{2 GHz)}$  are significantly smaller than in GSM  $($carrier frequency  $\text{900 MHz)}$,
  • since the range of radio signals decreases with increasing frequency for the same transmission power.
Cell structure in UMTS


The graph shows the  cell structure  of UMTS. One recognizes from it a hierarchical structure and three types of radio cells:

  • »Macrocells«  are the largest cells with a diameter of four to six kilometers.
  1.  They allow relatively fast movements.
  2.  For example,  a movement speed up to  $500\ \rm km/h$  is allowed if the data rate is  $144 \ \rm kbit/s$.
  3.  A macrocell can potentially overlay a large number of microcells and picocells.
  • »Microcells«  are much smaller than macrocells at one to two kilometers in diameter.
  1.  They allow higher data rates up to  $384 \rm kbit/s$,  but only slower movement speeds.
  2.  For example,  at the maximum data rate,  the maximum allowed speed is only  $120\ \rm km/h$.
  3.  A microcell overlays none,  one,  or a plurality of picocells.
  • »Picocells«  serve only very small areas about  $100$  meters in diameter,  but very high data volumes.
  1.  They are used in high density locations such as airports,  stadiums,  and so on.
  2.  Data rates up to  $2\ \rm Mbit/s$  are theoretically allowed.


Since UMTS uses as multiple access method  "Code Division Multiple Access"  $\rm (CDMA)$,  all subscribers use the same frequency channel.

  • This results in a relatively high interference power and a very low carrier-to-interference ratio  $\rm (CIR)$.
  • This is at least significantly smaller than for  "GSM",  which is based on FDMA and TDMA.
  • A low CIR can significantly impair transmission quality,  namely when signals from different subscribers destructively overlap,  resulting in information loss.


$\text{There are two types of interference:}$ 

  • »Intracell interference«  occurs when multiple subscribers within the same cell use the same frequency channel.
  • »Intercell interference«  occurs when subscribers of different cells use the same frequency channel

.

To illustrate intra- and intercellular interference

$\text{Example 2:}$  The graph illustrates both types of cell interference:

  • In the left cell,  there is  "intracell interference"  when the two frequencies  $f_1$  and  $f_2$  are identical.
  • In contrast,  there is  "intercell interference"  when the same frequencies are used in the right radio cells  $(f_3 = f_4)$.



⇒   Intracell interference is usually more severe than intercell interference

  • because of the close spacing of intracell interferers,
  • that is,  it causes a much smaller  "'carrier-to-interference ratio"  $\rm (CIR)$.

What is cell breathing?


In order to limit the influence of the interference power on the transmission quality,  the so-called  »cell breathing«  is used in UMTS.  This can be described as follows:

  • If the number of active subscribers and thus the current interference power increases,  the cell radius is reduced.
  • Since fewer subscribers are now transmitting in the cell,  the interfering influence of intracell interference is thus also reduced.
  • The less loaded neighboring cell then steps in to supply the subscribers standing at the edge of a busy cell.
  • For the supply of the users at the edge of a busy cell,  a less busy neighboring cell steps in.


  ⇒   An alternative to  "cell breathing"  is to reduce the total transmitted power within the cell,  which,  however, also means a reduction in the transmission quality.

$\text{Example 3:}$  In the graph,  we can see that the number of active subscribers  $($per unit area$)$  in the coverage area increases from left to right.

To illustrate  "cell breathing"  in UMTS
  • If one leaves the cell size the same,  there are more active subscribers in the cell than before and accordingly the quality decreases significantly due to intracell interference.


  • If,  on the other hand,  the cell size is reduced to the same extent as the number of subscribers increases,  there are no more active subscribers in a cell than before  $($according to this sketch:  seven$)$  and the quality remains  $($approximately$)$  the same

.


Handover in UMTS


In order to make the transition between different cells appear as uninterrupted as possible for mobile subscribers,  a handover is used for circuit-switched UMTS services – as with GSM.  A distinction is made between two types in UMTS:

  • »Hard Handover«:   Here the connection is switched hard to another node B at a certain point in time.  This type of handover happens in the time division duplex mode  $\rm (TDD)$  during the switchover between transmitter and receiver.
  • »Soft Handover«:   In this process,  a mobile can communicate simultaneously with up to three base stations.  The handover of a subscriber from one node B to another takes place gradually until the subscriber finally leaves this area.  In this context,  one speaks of  "macrodiversity".


The downlink data 

  • is split in the  radio network controller  $\rm (RNC)$, 
  • broadcast over the participating base stations,  and
  • reassembled in the mobile station  $($"Rake processing"$)$.


However,  in the  uplink: 

  • The transmitted data is received by all participating base stations.
  • The soft combining of the data takes place in the radio network controller  $\rm (RNC)$.
  • This then forwards the data to the  core network  $\rm (CN)$.


A distinction is made between three special cases of  "soft handover":

  • With  »Softer Handover«  a subscriber is supplied via different paths of the same base station.
  • on the other hand,  »Intra-RNC Handover«  involves supplying the subscribers via two different base stations connected to the same RNC.  The  combining and splitting  of the data takes place in the common RNC.
  • »Inter-RNC Handover«  is present,  if the subscriber is in an area managed by two adjacent  radio network controllers:
  1. The first RNC   ⇒   "Serving RNC"  $\rm (SRNC)$  handles communications with the  core network  and is responsible for  "Combining and Splitting".
  2. The second RNC  ⇒   "Drift RNC"  $\rm (GRNC)$  handles communications with the  SRNC  and with the node B  it manages.
To illustrate different handover strategies;  the letters mark different vehicle positions

$\text{Example 4:}$  We assume the following scenario:  The vehicle starts at  $\rm A$,  moves to the right,  and passes various base stations,  each connected to a  radio network controller  $\rm (RNC)$. 

  1. At positions  $\rm A$,  $\rm C$,  $\rm E$,  $\rm G$,  $\rm I$,  $\rm K$:  There is always only one RNC connection  
    ⇒   no handover.

  2. For  $\rm B$,  $\rm F$,  $\rm J$:  the vehicle is in contact with two base stations of the same RNC  
    ⇒   "intra-RNC handover".

  3. For  $\rm D$  and  $\rm H$:   The vehicle is in contact with two base stations of two RNCs  
    ⇒   "inter-RNC handover".
However,  (3)  requires that the coordination of the two RNCs through the  core network is functioning. Otherwise:   "hard handover".


IP core networks


UMTS Release 5 introduced,  among other things,  »IP Core Networks«.

  1. In this case,  both the user data and the control data are transmitted over an internal IP network.
  2. This means that both circuit-switched services and packet-switched services are provided on the basis of IP protocols.
Network architecture of UMTS – Release 5

The graph shows this network architecture in schematic form.  Compared with the original UMTS network architecture  $($Release 99$)$,  the following nodes have been added to the network:

  • The  »Media Gateway«  $\rm (MGW)$  is responsible for recovering voice packets converted to  "'voice-over-IP"  $\rm (VoIP)$  into conventional voice data.
  • The  »Home Subscriber Server«  $\rm (HSS)$  combines the registers  "HLR"  and  "VLR"  known from  UMTS Release 99.
  • The  »Call State Control Function«  $\rm (CSCF)$  node is responsible for the overall control of the IP network in  UMTS Release 5  and establishes the communication between CSCF node and subscriber via the  "session initiation protocol"  $\rm (SIP)$.


Major  advantages  of IP networks are:

  1. A forward-looking alternative to the previous design,
  2. a low-cost routing technology   ⇒   large savings in switching equipment,
  3. great flexibility in the introduction of new services,  and
  4. an ease of implementation of network monitoring techniques.


However,  crucial  disadvantages  of this architecture  $($ in 2011$)$  include:

  1. The cumbersome integration of second generation cellular infrastructure,
  2. the need for transition nodes to convert the data in so-called gateways,  and
  3. the lack of a clear and reliable security concept.


Exercises for the chapter


Exercise 4.3: UMTS Access Level

Exercise 4.4: Cellular UMTS Architecture