Mobile Kommunikation/Gemeinsamkeiten von GSM und UMTS

1. Mobile Kommunikation
2. Mobilfunksysteme der 2. und 3. Generation – eine Übersicht
3. Gemeinsamkeiten von GSM und UMTS

• Vorherige Seite
• Nächste Seite

• Vorherige Seite
• Nächste Seite

Zellulare Architektur

Charakteristisch für GSM und UMTS gleichermaßen ist die zellulare Netzstruktur, die man häufig durch Hexagone annähert (linke Grafik). Die Farben weiß, gelb und blau deuten unterschiedliche Frequenzen an (hier: Reuse–Faktor 3), wodurch Interzellinterferenzen vermieden werden. Die rechte Grafik zeigt ein realistischeres Layout mit nicht hexagonalen und auch unterschiedlich großen Zellen, je nach erwarteter Teilnehmerdichte und Geländetopologie. Die Basisstation liegt auch nicht immer in der Zellenmitte.

Beim GSM–D–Netz (f_T = 900 MHz) wird der Zellenradius mit maximal 35 km angegeben. Beim E–Netz ist der maximale Radius wegen der größeren Trägerfrequenz (1.8 GHz) halb so groß. Im UMTS–Netz (f_T ≈ 2 GHz) gibt es verschiedene Typen von Funkzellen – siehe Grafik im Buch 9:

• Makrozellen decken das komplette Versorgungsgebiet ab und folgen dem klassischen Design. Sowohl Überlappungen als auch „Löcher” zwischen den Zellen sollen minimiert werden. Eine Makrozelle hat meist viele Makro–Nachbarn: Bei exakt hexagonalen Zellen sechs, in Realität einige mehr. Die Basisstationen arbeiten mit hoher Leistung (20–40W), sind sehr hoch aufgehängt und verwenden sektorisierte Antennen. In dünn besiedelten Regionen haben Makrozellen Durchmesser bis zu einigen Kilometern. In Innenstädten werden aber auch die Makrozellen zur Kapazitätssteigerung sehr klein gehalten, oft nur mit wenigen Hundert Meter Durchmesser.
  

• Mikrozellen decken einen kleinen Teil einer Makrozelle ab und dienen in erster Linie zur lokalen Kapazitätssteigerung (Ausleuchtung von Löchern). Sie haben meist nur einen Makro–Nachbarn, können aber auch andere Micro/Pico/Femto–Nachbarn haben. Die Leistung ist mit 5–10W etwas niedriger und die Geräte sind kleiner als in einer Makrozelle. Die meist nicht sektorisierten Antennen müssen aber ebenfalls ausreichend hoch (an Mast oder Hauswand) positioniert werden.
  

• Pikozellen versorgen kleine Gebiete (d ≈ 100 m) mit sehr hohem Datenaufkommen (z.B.: Flughäfen, Einkaufszentren, Stadien). Sie erlauben höhere Datenraten, allerdings zu Lasten der Bewegungsgeschwindigkeit. Die Geräte einer Pikozelle sind deutlich kleiner als in einer Mikrozelle und arbeiten mit kleinerer Leistung (1–5W), sind aber flexibler bei der Montage.
  

• Femtozellen werden oft privat und unkoordiniert administriert (Beispiel: WLAN Access Point), teilweise mit privatem Backhaul (eigene DSL–Leitung). Man spricht auch von einer „Home Base Station”. Sie werden „Indoor” betrieben und arbeiten mit sehr geringer Leistung (< 1W).
  

Interferenzleistung und Zellatmung

Benutzen mehrere Teilnehmer den gleichen Frequenzkanal, so kann es zu Interferenzen und damit zu einem sehr niedrigen Träger–zu–Interferenzabstand (englisch: Carrier–to–Interference Ratio, CIR) kommen, wodurch die Übertragungsqualität erheblich beeinträchtigt wird. Gravierend ist das Problem bei UMTS, das auf dem Vielfachzugriffsverfahren CDMA (Code Division Multiple Access) basiert, da hier alle Teilnehmer den gleichen Frequenzkanal nutzen.

Man unterscheidet entsprechend der Grafik zwischen zwei Arten von Interferenzen:

• Intrazellinterferenz entsteht durch die Verwendung des gleichen Frequenzkanals von mehreren Teilnehmern innerhalb der gleichen Zelle. Im obigen Beispiel ergibt sich dieser Fall für f₁ = f₂.
  

• Dagegen kommt es zu Interzellinterferenz, wenn Teilnehmer benachbarter Zellen die gleiche Frequenz nutzen, im dargestellten Szenario beispielsweise dann, wenn f₃ = f₄ gilt.
  
  

Sowohl Intra– als auch Interzellinterferenz führen zu einer Minderung der Übertragungsqualität. Bei Interzellinterferenz (gleicher Frequenzkanal in benachbarten Zellen) lässt sich der störende Einfluss der Interferenzleistung auf die Übertragungsqualität begrenzen durch

• Zellatmung: Nimmt bei UMTS die Anzahl der aktiven Teilnehmer signifikant zu, so wird der Zellenradius und damit auch die aktuelle Interferenzleistung verkleinert. Für die Versorgung der Teilnehmer am Rande einer ausgelasteten Zelle springt eine weniger belastete Nachbarzelle ein.
  

• Leistungsregelung: Überschreitet die Gesamtinterferenzleistung innerhalb einer Funkzelle einen vorgegebenen Grenzwert, so wird die Sendeleistung aller Teilnehmer entsprechend herabgesetzt, was aber ebenfalls eine schlechtere Übertragungsqualität zur Folge hat.
  
  

Dagegen muss bei Intrazellinterferenz jeder Nutzer indivuell geregelt werden, zum Beispiel durch eine Reduzierung von Sendeleistung und/oder Datenrate.

Near–Far–Effekt und Leistungsregelung (1)

Der Near–Far–Effekt ist ausschließlich ein Problem des Uplinks, also der Übertragung von mobilen Teilnehmern zu einer Basisstation. Wir betrachten ein Szenario mit zwei unterschiedlich weit von der Basisstation (Node B) entfernten Nutzern entsprechend der folgenden Grafik.

• Senden beide Mobilstationen mit gleicher Leistung, so ist die Empfangsleistung des roten Nutzers A an der Basisstation aufgrund des Pfadverlustes deutlich kleiner als die des blauen Nutzers B (linkes Szenario). In großen Makrozellen kann der Unterschied bis zu 100 dB ausmachen. Dadurch wird das rote Signal weitgehend durch das blaue verdeckt.
  

• Man kann den Near–Far–Effekt weitgehend vermeiden, wenn der weiter entfernte Nutzer A mit höherer Leistung sendet als Nutzer B, wie im rechten Szenario angedeutet. An der Basisstation ist dann die Empfangsleistung beider Mobilstationen gleich.
  
  

Anmerkung: Bei einem idealisierten System (Einwegekanal, ideale A/D–Wandler, vollständig lineare Verstärker) sind die übertragenen Daten der Nutzer orthogonal zueinander und man könnte die Nutzer auch bei sehr unterschiedlichen Empfangsleistungen einzeln detektieren. Diese Aussage gilt für GSM aufgrund der Mehrfachzugriffsverfahren FDMA und TDMA, aber auch für UMTS (CDMA) und für das 4G–System LTE (TDMA/OFDMA).

In der Realität ist jedoch die Orthogonalität aufgrund folgender Ursachen nicht immer gegeben:

• verschiedene Empfangspfade  ⇒  Mehrwegekanal,
  

• nicht ideale Eigenschaften der Spreiz– und Scramblingcodes bei CDMA,
  

• Asynchronität der Nutzer im Zeitbereich (Grundlaufzeit der Pfade) und im Frequenzbereich (nicht ideale Oszillatoren und Dopplerverschiebung aufgrund der Mobilität der Nutzer).
  
  

Folglich sind die Nutzer nicht mehr orthogonal zueinander und der Störabstand des zu detektierenden Nutzers gegenüber den anderen Teilnehmern ist nicht beliebig hoch. Bei GSM und LTE kann man von Störabständen von <nobr>25 dB</nobr> und mehr ausgehen, bei CDMA jedoch nur von ca. 15 dB, bei hochratiger Datenübertragung eher noch etwas weniger.

Near–Far–Effekt und Leistungsregelung (2)

Um den Near–Far–Effekt entsprechend der rechten Grafik zu vermeiden, ist allerdings eine ausreichend gute Leistungsregelung erforderlich.

Hierzu ist anzumerken:

• Bei allen Systemen (GSM, UMTS und LTE) muss von einem Dynamikbereich an der Basisstation von 80 dB ausgegangen werden, wobei die Änderungen bezüglich Pfadverlust und Abschattung eher langsam erfolgen und für diese eine Regelung im Sekundenbereich um ±5 dB ausreicht.
  

• Bei GSM und LTE ist eine Regelung im Sekundenbereich ausreichend, da der Störabstand des zu detektierenden Nutzers zu den anderen Nutzern aufgrund der guten Eigenschaften von FDMA/OFDMA 25 dB und mehr ist. Sehr schnelle Schwankungen des Fast–Fadings (Dynamikbereich zwischen 10 dB und 20 dB) müssen nicht ausgeglichen werden.
  

• Bei UMTS muss dagegen auch das Fast-Fading zu kompensiert werden, da der Störabstand der Nutzer zueinander geringer ist als die Schwankungen des Fast–Fadings. Für UMTS spezifiziert wurde Fast Power Control, wodurch die Sendeleistung alle 0.67 ms mit einer initialen Verzögerung von 2 ms um ±<nobr>1 dB</nobr> verändert werden kann.
  

• Andernfalls würde die Basisstation von einem Nutzer, der bei Fast–Fading innerhalb von etwa 10 ms von sehr schlechten auf eher gute Fadingbedingungen wechselt, plötzlich um 10 bis 20 dB mehr Leistung empfangen. Alle anderen Nutzer in der Zelle würden dadurch extrem gestört.
  
  

Wie bereits erwähnt ist der Near–Far–Effekt ausschließlich ein Problem des Uplinks. Für den Downlink ist eine ausgeklügelte Leistungsregelung weniger essentiell. Versorgt man aber die Nutzer nahe der Basisstation mit einer geringeren Leistung, so verringert sich dadurch auch die Interzellinterferenz. Das heißt, alle anderen Nutzer in der betrachteten Zelle werden durch den Datenverkehr zu dem nahen Nutzer weniger beeinträchtigt.

Verschiedene Handover–Strategien

Ein zweites Problem neben dem Near–Far–Effekt tritt auf, wenn ein Mobilfunkteilnehmer von einer Zelle in eine andere wechselt. Um den Übergang zwischen verschiedenen Zellen für die Nutzer als möglichst unterbrechungsfrei erscheinen zu lassen, wird bei leitungsvermittelten UMTS–Diensten und bei GSM ein Handover, eingesetzt. Man unterscheidet zwei Arten:

• Hard Handover: Hierbei wird zu einem bestimmten Zeitpunkt die Verbindung schlagartig von der aktuellen Basisstation zu einer anderen Basisstation umgeleitet.
  

• Soft Handover: Die Übergabe eines Teilnehmers von einer Basisstation zu einer anderen erfolgt allmählich, bis dieser die erste Zelle endgültig verlassen hat. Durch die Kombination mehrerer Links – bei UMTS bis zu drei – lässt sich sogar ein Diversitätsgewinn erzielen.
  
  

: Die untere Grafik zeigt ein Downlink–Szenarien, wobei eine Mobilstation an gewissen Orten sein Signal von zwei verschiedenen Basisstationen (BS1 und BS2) empfangen kann. Bei Hard Handover wertet die Mobilstation an Punkt A nur das Signal von BS1 aus und an Punkt C nur das Signal von BS2. Die Umschaltung erfolgt schlagartig, wenn sich der Teilnehmer am Punkt B befindet.

Verwendet man Soft Handover und Soft Combining, so profitiert die Mobilstation von beiden Signalen. An jedem Ort (A, B, C) erhöht sich die Empfangsleistung, und es ergibt sich so ein vom Kanal–SNR abhängiger Diversitätsgewinn und zusätzlich ein Kohärenzgewinn von 3 dB.

Die gleichen Aussagen lassen sich auch auf das rechte Szenario übertragen, bei der die Basisstation mit gerichteten Antennen in drei Sektoren abstrahlt. Hierbei ist angenommen, dass der Abstrahlwinkel etwas größer ist als 120°, wovon in der Praxis ausgegangen werden kann.

Im UMTS–Downlink werden die Daten im Radio Network Controller (RNC) gesplittet, über verschiedene Basisstationen ausgestrahlt und in der Mobilstation wieder zusammengesetzt (Rake Processing). Im Uplink werden 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. Man unterscheidet hierbei:

Softer Handover: Ein Node B empfängt das Signal eines Teilnehmers über zwei Sektoren und macht Soft Combining. Es gibt einen Diversitätsgewinn sowie einen Kohärenzgewinn von 3 dB.

Intra–RNC Handover: Zwei Node Bs decodieren das Signal, machen einen CRC–Check und melden ihr Ergebnis an den RNC (oder melden einen CRC–Fehler). Meldet nur ein Node B einen CRC–Fehler, so werden die Daten des anderen verwendet. – Hier gibt es keinen Kohärenzgewinn und der Diversitätsgewinn ist geringer als bei Softer Handover.