Entwicklung 2G – 3G UMTS und IMT-2000 IMT

Entwicklung 2G – 3G
Übertragungsrate
Kommunikationsdienste
und -netze
Kapitel 5:
Dritte und vierte
Mobilfunkgeneration
UTRA
1.920 kb/s
GSM
9,6 kb/s
HSCSD
115 kb/s
(8*14,4)
2. Generation
HSDPA
14.400 kb/s
EDGE
553 kb/s
(8*69,2)
GPRS
171 kb/s
(8*21,4)
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
UMTS und IMT-2000
„
UMTS
UWC-136, cdma2000, WP-CDMA
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) von ETSI
Š UMTS
„
„
z
z
„
„
IMT-2000
Core Network
ITU-T
UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access)
Erweiterungen von GSM
z
EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution): GSM bis zu 384 kbit/s
CAMEL (Customized Application for Mobile Enhanced Logic)
VHE (virtual Home Environment)
z
z
IMT-DS
(Direct Spread)
IMT-2000
Radio Access
UTRA FDD
ITU-R
(WCDMA)
min. 144 kbit/s auf dem Land (Ziel: 384 kbit/s)
min. 384 kbit/s in den Vorstädten (Ziel: 512 kbit/s)
bis zu 2 Mbit/s innerstädtisch
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
Schnittstelle
zum Übergang zwischen Netzwerken
GSM
(MAP)
ANSI-41
(IS-634)
IP-Netze
freie Zuordnung
von Core Network zu Radio Access
passt zur GMM (Global Multimedia Mobility) Initiative von ETSI
Anforderungen
z
153
IMT-2000 Familie
Š Vorschläge für IMT-2000 (International Mobile Telecommunications)
„
t
3. Generation
2,5. Generation
154
IMT-TC
IMT-MC
IMT-SC
IMT-FT
(Time Code)
(Multi Carrier)
(Single Carrier)
(Freq. Time)
UTRA TDD
(TD-CDMA)
cdma2000
PP2
UWC-136
(EDGE)
DECT
ETSI
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
155
Ergebnis Frequenzvergabe für
UMTS am 18.8.2000
Geplante Aufteilung der
Frequenzen
Š UTRA-FDD:
„
„
„
„
Uplink 1920-1980 MHz
Downlink 2110-2170 MHz
Duplexabstand 190 MHz
12 Kanäle zu je 5 MHz
Š UTRA-TDD:
„
„
Summe:
Summe: 99,3682
99,3682 Mrd.
Mrd. DM
DM
„
Š Abdeckung:
„
„
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
1900-1920 MHz,
2010-2025 MHz;
je 5 MHz Kanäle
25% in der Bevölkerung bis 12/2003,
50% bis 12/2005
156
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
UMTS Bereiche und
Schnittstellen I
UMTS Architektur
Home
Network
Domain
Š UTRAN (UTRA Network)
„
„
„
Mobilität auf Zellenebene
Radio Network Subsystem (RNS)
Kapselung der funkspezifischen Abläufe
USIM
Domain
Š UE (User Equipment)
Š CN (Core Network)
„
„
Cu
Mobile
Equipment
Domain
Uu
Access
Network
Domain
Iu
Zu
Serving
Network
Domain
Yu
Transit
Network
Domain
Core Network Domain
Handover zwischen Systemen
Location Management falls keine dedizierte Verbindung zwischen
UE und UTRAN besteht
Uu
UE
UE
157
„
Infrastructure Domain
Einem Benutzer zugeordnet, um auf UMTS Dienste zuzugreifen
Š Infrastructure Domain
Iu
UTRAN
UTRAN
User Equipment Domain
Š User Equipment Domain
CN
CN
„
„
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
158
Geteilt für alle Benutzer
Bietet den zugelassenen Benutzern UMTS Dienste an
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
159
UMTS Bereiche und
Schnittstellen II
UTRAN Architektur
RNS
Š User Services Identity Module (USIM)
„
„
Funktionen zur Verschlüsselung und eindeutigen Authentisierung des Benutzers
Auf der SIM untergebracht
UE1
Iub
Node B
Iu
Š Mobile Equipment Domain
„
„
RNC
Funktionen zur Funkübertragung
Teilnehmerschnittstelle zur Realisierung von Ende-zu-Ende-Verbindungen
UE2
Š Access Network Domain
„
Node
NodeBB
Š Core Network Domain
Funktionen, die unabhängig vom Zugangsnetz sind
„
Serving Network Domain
„
Home Network Domain
z
z
Iur
Node B
Iub
Node B
Netz, das den gegenwärtig den Zugang realisiert
RNC
RNC:
RNC: Radio
Radio Network
Network Controller
Controller
RNS:
RNS: Radio
Radio Network
Network Subsystem
Subsystem
Node
NodeBB
Funktionen, die unabhängig vom aktuellen Aufenthaltsort des Benutzers dort zur
Verfügung stehen
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
CN
UE3
Zugangsnetzabhängige Funktionen
„
Š UTRAN besteht aus
mehreren RNS
Š Node B kann FDD, TDD
oder beides unterstützen
Š RNC ist verantwortlich für
Handover-Entscheidungen,
die der Signalisierung zum
UE bedürfen
Š Zelle bietet FDD oder TDD
RNS
160
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
UTRAN Funktionen
161
UMTS FDD Rahmenstruktur
Superrahmen
Š
Š
Š
Š
Š
Š
Š
Š
Š
Š
Š
Š
Š
Š
Š
720 ms
Zugangskontrolle (Admission Control)
Congestion Control
System Information Broadcasting
Verschlüsselung auf dem Funkkanal
Handover
SRNS-Verlagerung
Konfiguration des Funknetzes
Funkkanalmessungen
Makrodiversität (Macro Diversity)
Funkträgersteuerung
Funkbetriebsmittelverwaltung
Datenübertragung auf der Funkschnittstelle
Leistungssteuerung (FDD- und TDD-Modus)
Kanalkodierung
Zugriffssteuerung
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
0
1
2
...
69
70
71
12
13
14
Rahmen
10 ms
0
1
2
...
Zeitschlitz
666,7 µs
Pilot
TFCI
FBI
TPC
uplink DPCCH
2560 chips, 10 bits
666,7 µs
uplink DPDCH
Daten
2560 chips, 10*2k bits (k = 0...6)
666,7 µs
Daten1 TPC TFCI Daten2 Pilot
DPDCH
162
DPCCH DPDCH DPCCH
2560 chips, 10*2k bits (k = 0...7)
W-CDMA
Š 1920-1980 MHz uplink
Š 2110-2170 MHz downlink
Š chipping rate: 3,840 Mchip/s
Š soft handover
Š Lokalisierung der MS
(ca. 20 m Genauigkeit)
Š komplexe Leistungssteuerung
(1600 power control
cycles/s)
FBI: Feedback Information
TPC: Transmit Power Control
downlink DPCH TFCI: Transport Format Combination Indicator
DPCCH: Dedicated Physical Control Channel
DPDCH: Dedicated Physical Data Channel
DPCH: Dedicated Physical Channel
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
163
UMTS TDD Rahmenstruktur
Core Network
Rahmen
10 ms
0
1
2
...
12
13
Š Das Kernnetz (Core Network, CN) und damit auch die IuSchnittstelle sind logisch in zwei Bereiche geteilt:
Š Circuit Switched Domain (CSD)
14
Zeitschlitz
666,7 µs
Daten
1104 chips
Midample
256 chips
Daten
GP
1104 chips
„
traffic burst
„
GP: Schutzzeit
96 chips
2560 chips
„
W-TDMA/CDMA
Š 2560 chips per slot
Š symmetrische oder asymmetrische
slot-Zuweisung auf up/downlink
Š genaue Synchronisation benötigt
Š einfache Leistungskontrolle
(100-800 power control cycles/s)
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
„
Leitungsvermittelter Dienst inkl. Signalisierung
Ressourcenreservierung beim Verbindungsaufbau
GSM-Komponenten (MSC, GMSC, VLR)
IuCS
Š Packet Switched Domain (PSD)
„
„
GPRS-Komponenten (SGSN, GGSN)
IuPS
164
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
Core Network: Aufbau
Core Network: Protokolle
UTRAN
BTS
Abis
BSS
BSC
Node
BTS B
Iu
MSC
B
GMSC
IuCS
F
D
Node B
Node B
Gf
Iub
RNS
PSTN
RNS
SGSN
IuPS
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
GMSC
PSDN/
ISDN
GGSN
PDN (X.25),
Internet (IP)
C
HLR
Gr
RNS
Gc
Schicht 3: IP
RNC
GSM-CS
backbone
HLR
EIR
Node B
VLR
VLR
MSC
165
Gn
GGSN
Schicht 2: ATM
Gp
CN
166
Schicht 1: PDH,
SDH, SONET
SGSN
GPRS backbone (IP)
SS 7
CN
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
167
Mobilitätsunterstützung:
Handover
Mobilitätsunterstützung:
Macro diversity
Š Von/zu anderen Systemen (z.B. UMTS nach GSM)
Š RNS zu dem Verbindung besteht wird als SRNS (Serving RNS)
bezeichnet.
Š RNS das zusätzliche Ressourcen bereitstellt (z.B. für Soft-Handover)
wird als DRNS (Drift RNS) bezeichnet
Š Ende-zu-Ende Verbindungen zwischen UE und CN nur über Iu am
SRNS
„
„
„
Wechsel des SRNS führt zum Wechsel der Iu
Initiiert durch SRNS
gesteuert durch RNC und CN
UE
„
Node B
Node B
Iur
DRNS
„
gleichzeitiges Empfangen der Daten
des UE an verschiedenen Node B
Wiedergewinnung des Datenstroms
im Node B, SRNC oder DRNC
Š downlink
SRNS
UE
Š Senden des gleichen Datenstroms
über verschiedene physikalische
Kanäle
Š ermöglicht soft-handover
Š nur im FDD-Modus
Š uplink
CN
SRNC
Iu
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
„
„
168
Zellatmung
CN
gleichzeitiges Senden der Daten in
unterschiedlichen Zellen
unterschiedliche Spreizcodes in
verschiedenen Zellen
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
169
Zellatmung: Beispiel
Š GSM
„
„
Endgerät erhält volle Leistung der Basisstation
Anzahl eingebuchter Endgeräte hat keinen Einfluss auf die Zellgröße
Š UMTS
„
„
„
Zellgröße ist eng korreliert mit der Kapazität der Zelle
Kapazität ist bestimmt durch den Signal-Rausch-Abstand
Rauschen entsteht durch vorhandene Interferenz
z
z
anderer Zellen
anderer Teilnehmer
„
Interferenz erhöht das Rauschen
Endgeräte an der Zellgrenze können das Signal (aufgrund der
Sendeleistungsbeschränkung) nicht weiter verstärken
Ö keine Kommunikation möglich
Beschränkung der Teilnehmeranzahl notwendig
„
Zellatmung erschwert die Netzwerkplanung erheblich
„
„
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
170
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
171
Dienste
Virtual Home Environment
Š Virtual Home Environment (VHE)
Š Datenübertragung, Service Profile
„
Service-Profile
Bandbreite
High Interactive MM
Transportmodus
128 kBit/s leitungsv.
High MM
2 Mbit/s paketv.
Medium MM
384 kBit/s leitungsv.
Switched Data
14,4 kBit/s leitungsv.
Simple Messaging
14,4 kBit/s paketv.
Sprache
bidirektional, Bildtelefon
nicht flächendeckend, max. 6 km/h
„
asymmetrisch, MM, downloads
„
SMS-Nachfolger, E-Mail
16 kBit/s leitungsv.
„
ermöglicht dem Benutzer den Zugriff auf
personalisierte Dienste unabhängig vom Standort,
dem Zugangsnetzwerk und dem Endgerät
Netzwerkbetreiber kann Dienste anbieten, die keine
Änderungen an den Netzwerken erfordern
Dienstanbieter erhält Komponenten, die die Erstellung
von Anwendungen erlaubt, die sich an das Netzwerk
und das Endgerät anpassen
Integration bestehender IN-Dienste
4.77.1
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
Terminal
Mobilität
172
Einordnung: Zukunft
Mobilfunknetze
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
173
UMTS - Handys
MBS
schnell
UMTS
mobil
GSM DECT
langsam
portabel
fest
SAMBA
MEDIAN
WAND
ISDN
10 kbit/s
B-ISDN
2 Mbit/s
20 Mbit/s
30 Mbit/s
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
150 Mbit/s
174
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
175
Mobilfunksysteme
der 4. Generation
„Multinetwork”
Dienste
Dienste und
und
Anwendungen
Anwendungen
Š Zentraler Fokus: mobiler Zugang zu den breitbandigen FestnetzMultimediadiensten
Š Beispiele hierfür
„
„
von der europäischen Kommission initiierte Forschungsprojekte im
Rahmen des Advanced Communication Technologies and Services
(ACTS) Programms
das Integrated Broadband Mobile Systems (IBMS) Projekt im Rahmen
von ATMmobil des Bundesministeriums für Bildung und Forschung
(BMBF)
IP-basiertes
Multinetwork
3G
3G
Š Entwicklungsziele sind u.a. die Nutzbarmachung des mmWellenspektrums und flexible Datenraten von 2 Mbps bis zu 155
Mbps
Š Schlüsseltechnologie Mehrträgerverfahren Orthogonal Frequency
Division Multiplex (OFDM)
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
3G
3G
WANWANBroadcast
Broadcast
WLAN
WLAN
4G
4G
Wireless
Wireless
Bluetooth
PAN
176
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
„Ultrakonnektivität”
z
z
„
Next Generation Mobile
von
z
rein zellularen Netzen
drahtlosen lokalen Netzen
Rundrufmedien
Personal/Mobile
Personal/Mobile
Wireless
Wireless
hin zu
z
z
177
Trends
Š Übergang
„
xDSL,
xDSL, Kabel,
Kabel,
LWL
LWL
nahtloser allgegenwärtiger Konnektivität
„hyperflexible” adaptive Vernetzung
Š Überall und zu jeder Zeit „online”
Š Verteilte Intelligenz
Š Wireless True IP over-the Air Technology
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
PAN
PAN
(Bluetooth)
(Bluetooth)
Local
Local Area/
Area/
Mobile
Mobile Wireless
Wireless
802.11a
802.11a
802.11b
802.11b
WLAN
WLAN
178
4G
4G
(nahtlos)
(nahtlos)
3G
3G
(Daten)
(Daten)
2G
2G
(digital)
(digital)
1G
1G
(zellbasiert)
(zellbasiert)
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
Fixed/Mobile
Fixed/Mobile
Wide
Wide Area
Area
Wireless
Wireless
Multipoint
Multipoint
Wireless
Wireless P2P
P2P
Microwave
Microwave P2P
P2P
Breitband
Breitband LWL
LWL
Breitband-Internet
Breitband-Internet
xDSL
xDSL
Drahtgebundenes
Drahtgebundenes
Internet
Internet
Leitungsvermittelt/
Leitungsvermittelt/
Paketvermittelt
Paketvermittelt
179
Vollständig adaptive
Architektur
Literatur
Anwendung
Š BEREDZIN, R.; BREINIG, R.; TOPP, R.: Next-Generation Wireless
Communications Concepts and Technologies. IEEE Communications
Magazine, Vol. 40, No. 3, S. 108—116, März 2002.
Š BOCHE, H.: Breitbandmobilfunknetze. Heinrich-Hertz-Institut für
Nachrichtentechnik Berlin GmbH, http://www.hhi.de/bm/index.html.
Š KEMPER, F.: Teuer Funken – UMTS vor dem Netzstart. Internet World,
No. 7, S. 44—45, Juli 2003.
Š SCHILLER, J.: Mobilkommunikation, Pearson Studium, 2003, ISBN 3—
8273—7060—4. (Vielen Dank für die Überlassung der Folien)
Š WALKE, B.: On the Importance of WLANs for 3G Cellular Radio to
Become a Success. In Proc. 10th Aachen Symposium on Signal
Theory - Mobile Communications, September 2001, S. 13-24.
Š WALKE, B.: Mobilfunknetze und ihre Protokolle 1, 3. Auflage, B.G.
Teubner, Stuttgart, 2001, ISBN 3—519—26430—7.
Application Discovery and Adaptation
IPvX
MPLS
Ad-Hoc
IS-41/GSM
Ressourcenüberwachung
Sonstige
Link Layer Control
Radio Layer Control
Medium Access Control
WCDMA
CDMA-2000
MC-CDMA
OFDM
GSM
Sonstige
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
Adaptives Ressourcenmanagement
Network Layer
180
KDN / KomNetII - 5. 3G und 4G
181