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UMTS-Technologie

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

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Presentation Transcript

  1. Steffen Buchner Andreas Stahlhofen UMTS-Technologie UMTS-Technologie

  2. UMTS-Technologie Gliederung (1) • Releases • Release 99-Architektur • Code Division Multiple Access • Mobilitätsmanagement • Handover • Location Update / Location Area

  3. UMTS-Technologie Gliederung (2) • Verbindungsabläufe • Packet Switched vs. Circuit Switched • Initialisierungsprozess • RRC Connection Setup Prozedur • Mobile Originated Voice Call

  4. UMTS-Technologie Releases • Entwicklung von UMTS: • Release 99 (Jahr 1999) • Release 4..7 • Release 8 (~ Dezember 2008)

  5. UMTS-Technologie Release 99 - Architektur 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) User Equipment (Handy) - Verarbeitung der Radiosignale - Verbindungsauf- und abbau - Empfangsqualität benachbarter Zellen versenden  Handover - Verschlüsselung - Enthält USIM

  6. UMTS-Technologie 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

  7. UMTS-Technologie Release 99 - Architektur Node-B

  8. UMTS-Technologie Release 99 - Architektur Radio Network Controller - Steuert mehrere Node-Bs an - entscheidet u.a. über Handover - Verschlüsselung

  9. UMTS-Technologie 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)

  10. UMTS-Technologie Release 99 - Architektur Gateway Mobile Switching Center - Spezielle Variante des MSC - Bietet Interfaces zu verschiedenen Netzwerken, z.B. dem ISDN oder PSTN

  11. UMTS-Technologie Release 99 - Architektur Home Location Register Speichert: - Userdaten - Zugehörige Rechte - Benutzerstandorte

  12. UMTS-Technologie Release 99 - Architektur Serving GPRS Support Node - Verbunden mit anderen SGSNs - Vermittlungsstelle für Datenverbindungen - Für paketvermittelnde Verbindungen zuständig - Routing von Paketen

  13. UMTS-Technologie Release 99 - Architektur Gateway GPRS Support Node - Verbunden mit Gateways zu anderen Netzwerken - Firewall

  14. UMTS-Technologie 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

  15. UMTS-Technologie Beispiel zu CDMA

  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. UMTS-Technologie Handover • Die drei wichtigsten Arten • Hard Handover • Soft Handover • Softer Handover • Weitere • Inter-MSC Handover • Intersystem Handover (3G -> 2G) • …

  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. UMTS-Technologie 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

  25. UMTS-Technologie 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)

  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. UMTS-Technologie Initialisierungsprozess • Vor Übertragung der Nutzdaten Kontakt mit Netzwerk herstellen  RRC Connection Setup Prozedur • Verbindungswunsch mitteilen • leitungsvermittelt (CS) • paketvermittelt (PS) • Authentifizierung

  30. UMTS-Technologie Initialisierungsprozess RRC Connection Setup Prozedur • Wird beim ersten Netzwerkzugriff durchgeführt • Stellt die erste Verbindung zwischen Endgerät und dem Netzwerk her

  31. UMTS-Technologie InitialisierungsprozessRRC Connection Setup Prozedur UE Node-B RNC Präambel (höhere Leistung) Präambel Response UMTS-Technologie 31

  32. UMTS-Technologie InitialisierungsprozessRRC Connection Setup Prozedur UE Node-B RNC Connection Setup Request Connection Setup Request Connection Setup Complete Connection Setup Complete Reservierung der entsprechenden Übertragungskanäle Connection Setup Connection Setup UMTS-Technologie 32

  33. UMTS-Technologie InitialisierungsprozessAuthentifizierung UE S-RNC MSC CM Service Request SCCP CR Security Mode Complete Security Mode Complete CM Service Request Authentication Response SCCP CC Authentication Request Security Mode Command Security Mode Cmd UMTS-Technologie 33

  34. UMTS-Technologie Mobile Originated Voice Call • Verbindung zum Netzwerk wurde nun erfolgreich erstellt • Der ausgehende Anruf kann nun eingeleitet werden und die Sprachdaten übertragen werden

  35. UMTS-Technologie Mobile Originated Voice Call UE S-RNC MSC RAB Assignment Complete CC Setup CC Setup Radio Ressource Allocation Gesprächsaufbau zu Gesprächspartner CC Alerting CC Connect CC Proceeding RAB Assignment Request UMTS-Technologie 35

  36. UMTS-Technologie 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

  37. UMTS-Technologie Fazit (2) Contras: • Hohe Kosten im Gegensatz zu kabelgebundenen Anschlüssen • Bei erschwinglichen Tarifen nur begrenztes Datenvolumen

  38. UMTS-Technologie Ende des Vortrags Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

  39. UMTS-Technologie 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“

  40. UMTS-Technologie 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

  41. UMTS-Technologie 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]

  42. UMTS-Technologie UTRA(N) • UTRA = UMTS Terrestrial Radio Access • UTRAN = UMTS Terrestrial Radio Access Network

  43. UMTS-Technologie 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)

  44. UMTS-Technologie Typen von Handover

  45. UMTS-Technologie Typen von Handover (2)

  46. UMTS-Technologie Release 4 - Architektur

  47. UMTS-Technologie Release 5 - Architektur

  48. UMTS-Technologie KanalstrukturUnterscheidung von Daten • Aufteilung in „Planes“ (Ebenen, Stufen) • User-Plane • Nutzdaten • Control Plane • Signalisierungsdaten

  49. UMTS-Technologie 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

  50. UMTS-Technologie KanalstrukturKanalschichten • Logische Kanäle • Transportkanäle • Physikalische Kanäle • Vergleiche: OSI-Modell

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