UMTS-Technologie

UMTS-Technologie

Steffen BuchnerAndreas Stahlhofen

UMTS-Technologie 2

Gliederung (1)

Releases Release 99-Architektur Code Division Multiple Access Mobilitätsmanagement

Handover Location Update / Location Area

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Gliederung (2)

Verbindungsabläufe Packet Switched vs. Circuit Switched Initialisierungsprozess

RRC Connection Setup Prozedur Mobile Originated Voice Call

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Releases

Entwicklung von UMTS:

Release 99 (Jahr 1999) Release 4..7 Release 8 (~ Dezember 2008)

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Release 99 - Architektur

User Equipment (Handy)- Verarbeitung der Radiosignale - Verbindungsauf- und abbau- Empfangsqualität benachbarter Zellen versenden Handover- Verschlüsselung- Enthält USIM

UMTS Subscriber Identity Modul - Speichert die International Mobile Subscriber Identity

- Speichert den K ( UMTS-Sicherheit)- kann kleine Programme ausführen (Homezone)- Applikation auf einer UICC (Universal Integrated Curcuit Card)

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Release 99 - Architektur

Node-B- Bildet mit dem RNC das UMTS Terrestrial Radio Access Network- Versorgt einen oder mehrere Sektoren- Steuert Funkübertragung (CDMA)- Sendet dem RNC regelmäßig Messungen (Verbindungsqualität + Interferenz)

Handover- Name: eigentlich nur vorläufig

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Release 99 - Architektur

Node-B

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Release 99 - Architektur

Radio Network Controller- Steuert mehrere Node-Bs an- entscheidet u.a. über Handover- Verschlüsselung

UMTS-Technologie 9

Release 99 - Architektur

Mobile Switching Center- Verbunden mit anderen MSCs- Vermittlungsstelle für Sprachverbindungen- Beteiligt an der Registration eines Teilnehmers beim Einschalten- Steuert Verbindungsaufbau zwischen Teilnehmern- Weiterleiten von SMS- Release 4:

MSC Call Server (Signalisierungen) und Media Gateway (Nutzdaten)

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Release 99 - Architektur

Gateway Mobile Switching Center- Spezielle Variante des MSC- Bietet Interfaces zu verschiedenen Netzwerken, z.B. dem ISDN oder PSTN

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Release 99 - Architektur

Home Location RegisterSpeichert:

- Userdaten- Zugehörige Rechte- Benutzerstandorte

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Release 99 - Architektur

Serving GPRS Support Node- Verbunden mit anderen SGSNs- Vermittlungsstelle für Datenverbindungen- Für paketvermittelnde Verbindungen zuständig- Routing von Paketen

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Release 99 - Architektur

Gateway GPRS Support Node- Verbunden mit Gateways zu anderen Netzwerken- Firewall

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Code Division Multiple Access

Übertragungsverfahren auf der Funkschnittstelle Alle Endgeräte und alle Node-Bs benutzen dieselbe

Frequenz Jedes Endgerät bekommt eine eigene „Stimme“

(Spreizcode) Überlagerung der Streams und Zerlegung Unterschiedliche Datenraten durch unterschiedlich

lange Spreizcodes möglich

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Beispiel zu CDMA

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Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF) - Codebaum

Jeder Vektor wird in zwei orthogonale Vektoren aufgespalten

Wenn Spreizcode verwendet wurde, können abgeleitete Spreizcodes nicht mehr verwendet werden„Unterschiedliche Datenraten durch

unterschiedlich lange Spreizcodes möglich“

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Moblitätsmanagement

Handover UE hat Gespräch

Location Update

(Cell Reselection) UE inaktiv

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Handover

Die drei wichtigsten Arten Hard Handover Soft Handover Softer Handover

Weitere Inter-MSC Handover Intersystem Handover (3G -> 2G) …

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Hard Handover

Findet auch in GSM Verwendung Harte Umschaltung zu bestimmtem Zeitpunkt Netz bereitet neue Zelle vor und sendet Befehl zum

Wechseln (inkl. Frequenz, Scrambling-Code usw.) Ca. 100 ms Unterbrechung

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Soft Handover

Gleichzeitige Kommunikation mit mehreren Node-Bs Keine Unterbrechung Aufteilung der Daten auf die Node-Bs durch den RNC

Verbraucht mehr Ressourcen

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Softer Handover

Spezialfall des Soft Handovers Übertragung parallel über verschiedene Sektoren des

Node-Bs möglich

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Beispiel zu Soft Handover

Verschiedene RNCs CN darf nichts

mitbekommen

S-RNC: Serving RNC D-RNC: Drift RNC

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Moblitätsmanagement

Handover UE hat Gespräch

Location Update

(Cell Reselection) UE inaktiv

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Location Update / Location Area

Teile des Netzwerkes sind in „location areas“ zusammengefasst (mehrere Node-Bs)

Die location area eines Benutzers muss bekannt sein Jede location area hat einen Location Area Index (LAI) Endgerät überprüft diese und reagiert:

Aktualisierung bei Änderung Periodic Location Update

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Location Update / Location Area (2)

Beim Verbindungsaufbau CN -> UE: Ausrufen des UE in allen Zellen der location area UE antwortet Weitere Kommunikation nur über dessen Node-B

Große oder kleine location Area? Groß: Seltenes Verlassen der location area Klein: Beim paging (Ausrufen) wird nur an wenige Endgeräte

gesendet Antwort: CS groß (nicht jedes mal Aufbau), PS klein (viele

kleine Pakete)

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UMTS-Technologie 27

Packet Switched vs. Curcuit Switched

Curcuit Switched:

Ein exklusiver Nachrichtenkanal

zwischen Sender und Empfänger

Daten werden als Ganzes übertragen

Anwendungsbeispiel: Telefongespräch

Quelle: www.netplanet.org

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Packet Switched vs. Curcuit Switched

Packet Switched:

Übertragung in einem dezentralen

und vermaschten Netzwerk

Daten werden in einzelne

Pakete unterteilt

Quelle: www.netplanet.org

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Initialisierungsprozess

Vor Übertragung der Nutzdaten Kontakt mit Netzwerk

herstellen RRC Connection Setup Prozedur

Verbindungswunsch mitteilen

leitungsvermittelt (CS) paketvermittelt (PS)

Authentifizierung

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Initialisierungsprozess RRC Connection Setup Prozedur

Wird beim ersten Netzwerkzugriff durchgeführt

Stellt die erste Verbindung zwischen Endgerät und dem Netzwerk her

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InitialisierungsprozessRRC Connection Setup Prozedur

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UE Node-B RNC

Präambel

Präambel (höhere Leistung)

Response

UMTS-Technologie 32UMTS-Technologie 32

UE Node-B RNC

Connection Setup Request

Connection Setup Request

Reservierung der entsprechenden Übertragungskanäle

Connection Setup Connection Setup

Connection Setup Complete

Connection Setup Complete

InitialisierungsprozessRRC Connection Setup Prozedur

UMTS-Technologie 33UMTS-Technologie 33

InitialisierungsprozessAuthentifizierung

UE S-RNC MSC

CM Service RequestSCCP CR

SCCP CC

CM Service Request

Authentication Request

Authentication Response

Security Mode CommandSecurity Mode Cmd

Security Mode Complete Security Mode Complete

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Mobile Originated Voice Call

Verbindung zum Netzwerk wurde nun erfolgreich erstellt

Der ausgehende Anruf kann nun eingeleitet werden

und die Sprachdaten übertragen werden

UMTS-Technologie 35UMTS-Technologie 35

Mobile Originated Voice Call

UE S-RNC MSC

CC Setup

CC Proceeding

RAB Assignment Request

Radio Ressource Allocation

RAB Assignment Complete

CC Alerting

CC Connect

CC Setup

Gesprächsaufbau zu Gesprächspartner

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Fazit

Pros: Großer Fortschritt zu GSM und GPRS

CDMA: Node-Bs und UEs auf einer Frequenz Dadurch kaum noch Verzögerungen (keine

Ressourcenzuteilung) Einfachere Zellplanung

Keine Unterbrechung bei Zellwechsel und Soft-Handover

Erhöhte Bandbreite

UMTS-Technologie 37

Fazit (2)

Contras:

Hohe Kosten im Gegensatz zu kabelgebundenen Anschlüssen

Bei erschwinglichen Tarifen nur begrenztes Datenvolumen

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Ende des Vortrags

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

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Quellen

[1] 3GPP. About 3GPP. http://www.3gpp.org/about-3gpp. Abgerufen am 10.11.2008

[2] Martin Sauter. Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme. Vieweg Verlag, 2008, 3. erweiterte Auflage. Seiten 178f

[3] Peter Seidenberg, Bernhard Walke, Marc Peter Althoff. UMTS – The Fundamentals. John Wiley & Sons, 2003. Zuerst veröffentlich unter dem Titel „UMTS – Ein Kurs“

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Zusatzfolien

Definition von UMTS / 3G / 3GPP Begriffsunterscheidung UTRA(N) Unterschied zwischen UTRA-TDD und UTRA-FDD Die restlichen Typen von Handover Vergleich Release 99 - und Release 4 - Architektur Vergleich Release 4 - und Release 5 - Architektur UMTS - Kanalstruktur Near-Far-Effekt / Zellatmung

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UMTS / 3G / 3GPP

Universal Mobile Telecommunications System Teil der 3. Generation

1G: Analog Mobile Phone Service (AMPS) 1981 2G: GSM, GPRS

Entwickelt vom 3rd Generation Partnership Project „[…] produce Technical Specifications and Technical

Reports for a 3G Mobile System […]“ [1]

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UTRA(N)

UTRA = UMTS Terrestrial Radio Access UTRAN = UMTS Terrestrial Radio Access

Network

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UTRA-TDD und UTRA-FDD

UTRA-TDD (Time Division Duplex): Up- und Downlink auf einer Frequenz Übertragung innerhalb von Zeitschlitzen Beliebige Unterteilung in Uplink- und Downlink-

Zeitschlitze UTRA-FDD (Frequency Division Duplex):

Up- und Downlink in Frequenzpaaren (eine Frequenz für Uplink, eine für Downlink)

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Typen von Handover

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Typen von Handover (2)

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Release 4 - Architektur

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Release 5 - Architektur

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KanalstrukturUnterscheidung von Daten

Aufteilung in „Planes“ (Ebenen, Stufen) User-Plane

Nutzdaten Control Plane

Signalisierungsdaten

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KanalstrukturKanalarten

Dedicated Channels Dediziert für einen Benutzer

Common Channels Alle Endgeräte einer Zelle empfangen die übertragenen

Daten Auch für Nutzdatenübertragung

Shared Channels Wird nur von aufgeforderten Endgeräten abgehört Beispiel: Downlink Shared Channel:

Kontrolldaten oder Nutzdaten von RNCs

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KanalstrukturKanalschichten

Logische Kanäle Transportkanäle Physikalische Kanäle

Vergleiche: OSI-Modell

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KanalstrukturKanalschichten

Logische Kanäle „Beschreiben unterschiedliche Informationsflüsse

wie User- und Signalisierungsdaten. Logische Kanäle enthalten keine Informationen über die Charakteristiken des Übertragungskanals.“ [2]

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KanalstrukturKanalschichten

Logische Kanäle Transportkanäle

„Bereiten die Datenpakete von logischen Kanälen für die Übertragung über die Luftschnittstelle vor. Außerdem wird hier festgelegt, welche Kanalkodierungsverfahren (z.B. Fehlerkorrekturverfahren) in der physikalischen Schicht anzuwenden sind.“ [2]

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KanalstrukturKanalschichten

Logische Kanäle Transportkanäle Physikalische Kanäle

„Beschreiben, wie Daten aus Transportkanälen tatsächlich physikalisch übertragen werden und führen die Kanalkodierung bzw. Dekodierung durch.“ [2]

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Near-Far-Effekt / Zellatmung

CDMA: Mehrere Teilnehmer senden auf einer Frequenz Interferenzen unter Teilnehmern

Near-Far-Effect Signal schwächt sich ab auf dem Weg zum Sendeturm Auch bei kleinen Positionsveränderungen (hinter Mauer)

Schnelle Leistungsregelung erforderlich (1500 mal / Sekunde) GSM: Im Sekundenbereich wegen weniger Interferenz

Weiter entfernt = stärker senden

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Near-Far-Effekt / Zellatmung (2)

Durch mehr Teilnehmer wird die Zelle kleiner

Sendet mit maximaler Leistung wegen Interferenz und Entfernung

Neuer Teilnehmer würde Interferenz erhöhen Verbindung zum rechten Teilnehmer bricht ab

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Überschrift

Stichpunkt Unterpunkt

Unterunterpunkt Unterunterunterpunkt

Stichpunkt