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Steffen Buchner Andreas Stahlhofen. UMTS-Technologie. Gliederung (1). Releases Release 99-Architektur Code Division Multiple Access Mobilitätsmanagement Handover Location Update / Location Area. Gliederung (2). Verbindungsabläufe Packet Switched vs. Circuit Switched - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
UMTS-Technologie
Steffen BuchnerAndreas Stahlhofen
UMTS-Technologie 2
Gliederung (1)
Releases Release 99-Architektur Code Division Multiple Access Mobilitätsmanagement
Handover Location Update / Location Area
UMTS-Technologie 3
Gliederung (2)
Verbindungsabläufe Packet Switched vs. Circuit Switched Initialisierungsprozess
RRC Connection Setup Prozedur Mobile Originated Voice Call
UMTS-Technologie 4
Releases
Entwicklung von UMTS:
Release 99 (Jahr 1999) Release 4..7 Release 8 (~ Dezember 2008)
UMTS-Technologie 5
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)
UMTS-Technologie 6
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
UMTS-Technologie 7
Release 99 - Architektur
Node-B
UMTS-Technologie 8
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)
UMTS-Technologie 10
Release 99 - Architektur
Gateway Mobile Switching Center- Spezielle Variante des MSC- Bietet Interfaces zu verschiedenen Netzwerken, z.B. dem ISDN oder PSTN
UMTS-Technologie 11
Release 99 - Architektur
Home Location RegisterSpeichert:
- Userdaten- Zugehörige Rechte- Benutzerstandorte
UMTS-Technologie 12
Release 99 - Architektur
Serving GPRS Support Node- Verbunden mit anderen SGSNs- Vermittlungsstelle für Datenverbindungen- Für paketvermittelnde Verbindungen zuständig- Routing von Paketen
UMTS-Technologie 13
Release 99 - Architektur
Gateway GPRS Support Node- Verbunden mit Gateways zu anderen Netzwerken- Firewall
UMTS-Technologie 14
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
UMTS-Technologie 15
Beispiel zu CDMA
UMTS-Technologie 16
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“
UMTS-Technologie 17
Moblitätsmanagement
Handover UE hat Gespräch
Location Update
(Cell Reselection) UE inaktiv
UMTS-Technologie 18
Handover
Die drei wichtigsten Arten Hard Handover Soft Handover Softer Handover
Weitere Inter-MSC Handover Intersystem Handover (3G -> 2G) …
UMTS-Technologie 19
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
UMTS-Technologie 20
Soft Handover
Gleichzeitige Kommunikation mit mehreren Node-Bs Keine Unterbrechung Aufteilung der Daten auf die Node-Bs durch den RNC
Verbraucht mehr Ressourcen
UMTS-Technologie 21
Softer Handover
Spezialfall des Soft Handovers Übertragung parallel über verschiedene Sektoren des
Node-Bs möglich
UMTS-Technologie 22
Beispiel zu Soft Handover
Verschiedene RNCs CN darf nichts
mitbekommen
S-RNC: Serving RNC D-RNC: Drift RNC
UMTS-Technologie 23
Moblitätsmanagement
Handover UE hat Gespräch
Location Update
(Cell Reselection) UE inaktiv
UMTS-Technologie 24
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
UMTS-Technologie 25
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)
UMTS-Technologie 26
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
UMTS-Technologie 28
Packet Switched vs. Curcuit Switched
Packet Switched:
Übertragung in einem dezentralen
und vermaschten Netzwerk
Daten werden in einzelne
Pakete unterteilt
Quelle: www.netplanet.org
UMTS-Technologie 29
Initialisierungsprozess
Vor Übertragung der Nutzdaten Kontakt mit Netzwerk
herstellen RRC Connection Setup Prozedur
Verbindungswunsch mitteilen
leitungsvermittelt (CS) paketvermittelt (PS)
Authentifizierung
UMTS-Technologie 30
Initialisierungsprozess RRC Connection Setup Prozedur
Wird beim ersten Netzwerkzugriff durchgeführt
Stellt die erste Verbindung zwischen Endgerät und dem Netzwerk her
UMTS-Technologie 31
InitialisierungsprozessRRC Connection Setup Prozedur
UMTS-Technologie 31
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
UMTS-Technologie 34
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
UMTS-Technologie 36
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
UMTS-Technologie 45
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