UMTS basics

Version 1.0 / 22.03.2001 T.O.P. BusinessInteractive GmbH 1(29)

Dokumentation

Modul 4: Netzwerkarchitektur


4. Netzwerkarchitektur.............................................................................................................3

4.1 UMTS Netzwerkarchitektur ...............................................................................................3

4.2 UMTS Core Network (1/2) ..................................................................................................4

4.3 Funktionen des Core Network..........................................................................................6

4.3.1 Connection Management (1/2) ......................................................................................74.3.2 Session Management ....................................................................................................94.3.3 Mobility Management (1/2) ..........................................................................................10

4.4 Funktionaler Aufbau des Core Network (Phase 1).......................................................13

4.5 Universal Terrestrial Radio Access Network................................................................14

4.6 Funktionaler Aufbau des UTRAN ...................................................................................15

4.7 Funktionen des UTRAN ...................................................................................................16

4.7.1 Radio Resource Control...............................................................................................174.7.2 Admission Control........................................................................................................184.7.3 Congestion Control.......................................................................................................194.7.4 Code Allocation ............................................................................................................204.7.5 Power Control (1/4) ......................................................................................................214.7.6 Handover Control (1/4).................................................................................................254.7.7 Macrodiversity ..............................................................................................................29


4. Netzwerkarchitektur

4.1 UMTS Netzwerkarchitektur

Die UMTS Netzwerkarchitektur besteht aus dem Core Network (CN) und dem UniversalTerrestrial Radio Access Network (UTRAN). Die Schnittstelle zwischen Core Network undUTRAN wird mit Iu bezeichnet.

Das Core Network (CN) ist für das Schalten von Verbindungen im UMTS-Netz zuständig.Dagegen stellt das UTRAN die Luftschnittstelle Uu zum Endgerät zur Verfügung.

Werfen wir nun einen genaueren Blick auf das Core Network


4.2 UMTS Core Network (1/2)

Das Core Network besteht aus 3 Domains oder Bereichen:

• der Circuit-Switched Domain• der Register and Service Domain

und

• der Packet-Switched Domain .


4.2 UMTS Core Network (2/2)

Die Circuit-Switched Domain ist eine modifizierte Version des Network Switching Subsystem(NSS), das wir schon von GSM her kennen. Sie ist leitungsvermittelt und besteht aus demMobile Services Switching Center (MSC), das für UMTS angepasst ist, sowie dem VisitorLocation Register (VLR).

Die Register Domain besteht aus dem Home Location Register (HLR), dem EquipmentIdentity Register (EIR) und dem Authentication Center (AuC). Diese Register werden auch inGSM eingesetzt.

Die Service Domain besteht aus dem Intelligenten Netz (IN) und anderen Dienste-Entwicklungsplattformen.

Die Packet Switched Domain ist ein packetvermittelndes Netz, das auf der aktuellen GPRS-Architektur aufbaut.


4.3 Funktionen des Core Network

Das Core Network stellt folgende Funktionen bereit:

• Das Connection Management (CM), das die Trägerdienste und die Prozeduren fürleitungsvermittelte Verbindungen zur Verfügung stellt.

• Das Session Management (SM), das für den Aufbau, die Überwachung und den Abbaueiner paketvermittelten Verbindung zuständig ist.

• Und das Mobility Management (MM), mit dem der Aufenthaltsort eines Endgeräts zurHerstellung von Verbindungen festgestellt werden kann.


4.3.1 Connection Management (1/2)

Das Connection Management (CM) deckt folgende Funktionen ab:

Abhängig von den verschiedenen Diensten, bietet das Bearer Management jede Art vonDatenübertragung.

Diese Dienste können Real Time services (RT), d.h. Echtzeitdienste mit einer festenVerzögerungszeit und regelmäßigen Bitrate, oder Non-Real Time services (NRT), d.h.Nichtechtzeitdienste mit einer variablen Verzögerungszeit sein.

Echtzeitdienste erfordern eine feste Bitrate, die typischerweise leitungsvermittelt realisiertwird.

Die Verbindung zwischen dem Endgerät und dem Core Network (CN) heißt Radio AccessBearer (RAB).

Das Core Network initiiert den Aufbau, die Modifizierung, die Überwachung und den Abbaudes RABs.

Das UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) führt diese Funktionen aus.


4.3.1 Connection Management (2/2)

Das Call Control (CC) definiert die Verfahren für den Aufbau, die Überwachung und denAbbau der ankommenden und abgehenden Verbindungen in der Circuit-Switched Domain(z.B. im MSC).

Die Zusatzdienste (Supplementary Services) sind nicht notwendig, um eine Verbindungherzustellen. Sie stehen in direktem Zusammenhang mit einer Verbindung und machen dieNutzung des Netzes komfortabler. Call forwarding (Anrufweiterleitung) und Voice Mail Box(Anrufbeantworter) sind typische Zusatzdienste.

Der Kurznachrichtendienst (Short Message Service) ist ebenfalls eine Aufgabe des CoreNetwork und funktioniert wie bei GSM.


4.3.2 Session Management

Das Session Management definiert den Aufbau, die Überwachung und den Abbau einerpaketvermittelten Verbindung. Dafür werden die Informationen benutzt, die im PDP Contextdefiniert sind - wie z.B die Dienstgüte.

Der PDP Context kann sich in 2 verschiedenen Zuständen befinden:

• PDP Context Inactive• PDP Context Active

In einem PDP Context Inactive Zustand ist keine PDP-Adresse aktiviert. Das heißt dasEndgerät ist nicht erreichbar.

Durch einen erfolgreichen PDP Context Activation Request gelangt das Endgerät in denZustand PDP Context Active. Das Endgerät bekommt hierbei eine PDP-Adressezugewiesen. In diesem Zustand ist das Endgerät erreichbar und die Routing- undAufenthaltsinformationen werden aktualisiert, wenn das Endgerät seinen Aufenthaltsortwechselt.

Im Zustand PDP Context Active kann der bestehende PDP Context modifiziert werden. Zudem bestehenden PDP Context können auch weitere PDP Contexte aktiviert werden.

In den inaktiven Zustand kann das Endgerät durch einen Packet Data Detach oder nachDeaktivierung des letzten PDP Contextes wechseln.


4.3.3 Mobility Management (1/2)

Über das Mobility Management lässt sich ein Endgerät lokalisieren, und es kann eineVerbindung hergestellt werden.

Im leitungsvermittelten Core Network (CN) gibt es 3 Zustände, in denen sich das Endgerätbefinden kann:

• DetachedDas Endgerät ist ausgeschaltet.

• IdleEs gibt noch keine Verbindung, aber eine Signalisierungsverbindung kann bei Bedarfaktiviert werden.

• ConnectedEs gibt eine laufende Verbindung.

Der Aufenthaltsort des Endgeräts ist in der Register Domain (HLR und VLR) gespeichert undmuss aktualisiert werden, wenn das Endgerät im Idle Mode seinen Aufenthaltsort (LocationArea) wechselt. Dieser Vorgang wird Location Update genannt.

Wechselt das Endgerät bei einer laufenden Verbindung den Aufenthaltsort, kann dieVerbindung von einer anderen Zelle übernommen werden. Dieser Vorgang wird über dieQualität der Funkverbindung definiert und heißt Handover. Der Handover gehört zum RadioResource Management im UTRAN.


4.3.3 Mobility Management (2/2)

Im paketvermittelten Core Network (CN) gibt es 3 Zustände in denen sich das Endgerätbefinden kann:

• Idle• Ready• Standby

Das Endgerät befindet sich zunächst im Leerlauf, Idle State genannt. Es ist nicht im Packet-Switched Core Network eingebucht. Um in den Ready State zu gelangen, muss eineEinbuchung in das Netz erfolgen, hier GPRS Attach genannt. Das Endgerät ist zu diesemZeitpunkt im Netz bekannt und kann Daten versenden und empfangen. In diesem Zustandwerden auch Zellen- und Routingbereichsaktualisierungen durchgeführt.

Werden für eine gewisse Zeit (durch Timer einstellbar) keine Daten übertragen, so wechseltdas Endgerät in den Standby State. Dies kann auch vom Netz erzwungen werden. In diesemZustand führt das Endgerät nur noch Aktualisierungen des Routingbereichs (Routing AreaUpdate) durch.

Werden in diesem Zustand Daten zum Endgerät hin oder von ihm aus gesendet, so wechseltes automatisch in den Ready State.

Die Abmeldung des Endgeräts aus dem Netz nennt man GPRS Detach. Es befindet sichanschließend wieder im Leerlauf-Modus, ist also nicht mehr im GPRS-Netz eingebucht.

Als weitere Möglichkeit des Wechsels zwischen den verschiedenen Betriebsarten kann esauch direkt vom Standby State in den Idle State gelangen, und zwar bei Ablauf eines


anderen Timers. Durch das Kommando „Löschen“ besteht außerdem die Möglichkeit, vomStandby- oder Ready State in den Idle State zu gelangen.


4.4 Funktionaler Aufbau des Core Network (Phase 1)

In der ersten Phase von UMTS werden im leitungsvermittelten Core Network modifizierteNetzelemente des GSM-Netzes eingesetzt.

Für das paketvermittelte Core Network wird das GPRS-Netz eingesetzt, das aus denNetzelementen Gateway GPRS Support Node und einem für UMTS modifizierten ServingGPRS Support Node besteht.


4.5 Universal Terrestrial Radio Access Network

Das UTRAN ist dem Base Station Subsystem (BSS) im GSM-Netz ähnlich und besteht ausden Netzelementen, die für das Radio Resource Management zuständig sind.

Das UTRAN besteht aus mehreren Radio Network Subsystems (RNS), die mit dem CoreNetwork durch die Iu Schnittstelle verbunden sind. Jedes RNS verwaltet die Ressourcenaller seiner Verbindungen.

Das RNS besteht aus einem Radio Network Controller (RNC), dem GSM Base StationController (BSC) ähnlich, und aus einem oder mehreren sogenannten Node Bs, die mit derBase Station (BS) in GSM vergleichbar sind.

Das RNC steht mit dem Node B durch die Iub-Schnittstelle in Verbindung.


4.6 Funktionaler Aufbau des UTRAN

Es gibt ein Serving RNS (SRNS) für die Verbindung zwischen dem Endgerät und dem CoreNetwork.

Das Endgerät kann aber auch mit weiteren RNS in Verbindung stehen, falls weitereFunkressourcen, z.B. für den Soft Handover, benötigt werden. Das RNS wird dann als DriftRadio Network Subsystem (DRNS) bezeichnet. Die Zusammenführung (Combining) derDaten sowie der Signalisierung zwischen den Radio Network Controllern erfolgt über die Iur-Schnittstelle.

Da die Iub-, Iur- und Iu-Schnittstellen große Kapazitäten benötigen, wird der sehrleistungsfähige Asynchronous Transfer Mode (ATM) als Übertragungsprotokoll verwendet.


4.7 Funktionen des UTRAN

Folgende Funktionen stellt das UTRAN zur Verfügung:

• Radio Resource Control• Zugangskontrolle (Admission Control)• Überlast-Abwehr (Congestion Control)• Codezuweisung (Code Allocation)• Sendeleistungskontrolle (Power Control)• Handover Control• Macrodiversity


4.7.1 Radio Resource Control

Das Radio Resource Control, d.h. die Verwaltung und Freigabe von Funkbetriebsmitteln, isteine Funktion des Radio Network Controllers.

Beim Aufbau eines Mobile Originated Call (MOC) leitet das Endgerät die Funkverbindungein. Nachdem der Radio Network Controller die notwendigen Ressourcen zur Verfügunggestellt hat, wird dies dem dem Endgerät mitgeteilt.

Im Falle eines Mobile Terminated Call (MTC) wird die Verbindung durch ein Paging, einenFunkruf eingeleitet. Diese Funktion gehört zum Mobility Management.

Das Radio Resource Control wird unter anderem dann benötigt, wenn Betriebsmittel fürMacrodiversity oder zur Verbesserung der Güte des Trägerdienstes bereit gestellt werdenmüssen.


4.7.2 Admission Control

Das Admission Control dient zur Vermeidung von Überlastsituationen im Funknetz.Basierend auf Messungen der Interferenz und der Lastsituation der jeweiligen Zelleentscheidet das RNC, ob die Verbindungswünsche weiterer Teilnehmer akzeptiert werden.

Durch jede neue Verbindung zu einem Endgerät wird ein Teil der zur Verfügung stehendenRessourcen verbraucht. Falls keine Ressourcen mehr zur Verfügung stehen, verweigert dasRNC dem neuen Endgerät den Zugriff auf das Netz.


4.7.3 Congestion Control

Sollten die in einer Zelle aktiven Teilnehmer Überlastsituationen hervorrufen, stellt dasCongestion Control Funktionen bereit, mit denen das System wieder schnell in einen stabilenund steuerbaren Zustand zurückgeführt wird.

Dafür können beispielsweise folgende Aktionen durchgeführt werden:

• Erzwungener Handover zu einem anderen Node B

• Erzwungener Handover zu GSM, falls möglich

• Reduzierung der Datenrate einzelner Teilnehmer

• Gesteuerter Abbruch von laufenden Verbindungen


4.7.4 Code Allocation

Für die Code Allocation, die Zuteilung der Codes zu den jeweiligenVerbindungen, ist derRadio Network Controller zuständig. Der RNC hat jederzeit den Überblick über die Codes,die in seinen angeschlossenen Node Bs gerade verwendet werden. Die Codes müsseninnerhalb einer Zelle und ihrer Nachbarzellen eindeutig sein.


4.7.5 Power Control (1/4)

Das Power Control ist im UMTS-Netz aus folgenden Gründen sehr wichtig:

• In UMTS werden in der aktuellen und in den Nachbarzellen die selben Frequenzenbenutzt.

• Durch unnötig hohe Sendeleistungen erhöht sich der Interferenzpegel in der Zelle, unddadurch sinkt die Kapazität des Netzes. Weitere Infomationen finden Sie im Modul 5.

Wenn zwei unterschiedlich weit entfernte Endgeräte mit der gleichen Leistung senden, sowird das nahe Endgerät das schwache Signal des weiter entfernten Endgerätes überdecken.Dieses Problem wird auch Near-Far-Problem genannt.

Es ist also eine Aufgabe des Power Control, die Sendeleistung so anzupassen, dass dieempfangenen Signale mit gerade noch ausreichenden Pegel empfangen werden können. InUMTS gibt es aus diesem Grund 3 unterschiedliche Arten von Power Control:

• Open Loop Power Control• Closed Loop Power Control und• Outer Loop Power Control



Open Loop Power Control

Der Node B sendet über bestimmte Kanäle Informationen über die Sendeleistung, die einEndgerät für den Erstzugriff in seiner Zelle verwenden muss.

Da in CDMA-Systemen jeder Teilnehmer eine Quelle für Störungen der anderenVerbindungen darstellt (siehe Modul 5), muss die Sendeleistung beim Erstzugriff auf dasNetz so gering wie möglich sein. Einen Zugriff aufs Netz mit maximaler Sendeleistung wie inGSM würde die Performance des UMTS-Netzes zu sehr beeinträchtigen.



Closed Loop Power Control

Ist die Verbindung hergestellt, übernimmt der Node B das Power Control. Basierend auf demSignal-to-Interference Ratio (SIR) und der empfangenen Leistung weist der Node B dasEndgerät an, seine Übertragungsleistung anzupassen. Dies geschieht alle 0,667 msec. ImVergleich dazu wird die Leistung in GSM-Netzen nur alle 480 ms geregelt.



Outer Loop Power Control

Beim Outer Loop Power Control passt der RNC den Target SIR Wert im Node B an.Grundlage für die Anpassung ist eine gleichmäßige Qualität der Übertragung mit einerbestimmten Ziel Bit Error Rate oder Frame Error Rate.

Warum sollte aber der Ziel SIR Wert angepasst werden?

Die ständige Kontrolle des Ziel-SIR einer Zelle ist enorm wichtig, da in CDMA-Systemen dasSIR entscheidend für die Netz-Performance ist. Ein abnehmendes SIR äußert sich z.B. durchdas Schrumpfen der Zelle oder einer Verminderung der Kapazität.

Falls der RNC festellt, dass die Verbindung schlechter wird, wird der Ziel SIR-Wert um einenbestimmten Betrag im Node B angehoben. Um diesen Ziel SIR-Wert zu erreichen wird dasEndgerät seine Leistung schrittweise erhöhen, bis der neue Wert erreicht ist. Imumgekehrten Fall wird der Ziel-SIR Wert um einen bestimmten Betrag gesenkt und dasEndgerät wird seine Leistung herunterfahren.


4.7.6 Handover Control (1/4)

Auch in UMTS gibt es die Möglichkeit, bei schlechter werdender Qualität derFunkübertragung die Verbindung zu wechseln. Dieser Vorgang wird Handover genannt. In UMTS gibt es 2 Arten von Handover:

• Soft Handover (Soft- und Softer Handover)• Hard Handover (Inter-frequency und Inter-System Handover)



Bei einem Soft-Handover ist das Endgerät mit zwei oder mehreren Zellen verbunden, die diegleiche Frequenz benutzen.

Die empfangenen Datenströme werden im Radio Network Controller zusammengeführt.Dabei können die Verbindungen sogar zu unterschiedlichen RNCs gehören. Im umgekehrtenFall dupliziert der RNC die Daten und sendet sie über unterschiedliche Wege zum Endgerät.Durch das Übertragen der Daten über unterschiedliche Wege lässt sich nachempfangsseitigen Zusammenführen eine höhere Qualität erzielen.

Das Endgerät sucht nach benachbarten Zellen, die ihm vom aktiven Node B mitgeteiltwerden. Es speichert in einer Liste die Codes, die die verschiedenen Zellen identifizieren.Während der Verbindung überwacht das Endgerät die Signalpegel angrenzender Zellen undmeldet diese dem aktiven Node B. Basierend auf dem Signalpegel und der Qualität derInformation befiehlt der RNC dem Endgerät, sein Active Set zu ändern. Unter dem "ActiveSet" versteht man die Zellen, mit denen das Endgerät verbunden ist.

Der Softer Handover funktioniert wie der Soft Handover, nur dass sich der Vorgang aufunterschiedliche Sektoren eines Node B bezieht. Die Datenströme können dabei innerhalbdes Node Bs zusammengeführt werden.



Der Hard Handover wird zwischen zwei Zellen ausgeführt, die verschiedeneTrägerfrequenzen benutzen. Dabei sucht das Endgerät nach neuen Trägerfrequenzen, ohnedie laufende Verbindung zu verlieren. Deswegen verfügt das Wideband CDMA im FDDMode über einen Compressed Mode, um weitere Frequenzen zu messen. Der CompressedMode nutzt Lücken in der Verbindung, ohne dabei Daten zu verlieren. Bei Ausführung desHandovers wird ohne Unterbrechung der alte Funkübertragungsweg freigegeben und dieVerbindung durch eine neue Zelle mit neuer Frequenz übernommen.



Da UMTS und Systeme der 2.Generation zusammenarbeiten sollen, ist ein Handoverzwischen den unterschiedlichen Systemen implementiert. Wenn das Endgerät dasAbdeckungsgebiet eines UMTS-Netzes verlässt, oder wenn die Signal-Qualität schlecht wird,wechselt das Endgerät auf eine andere Funktechnik.


4.7.7 Macrodiversity

Die Funktion Macrodiversity erlaubt es dem Endgerät, mit mehreren Zellen verbunden zusein. Das Endgerät empfängt die Daten über unterschiedliche Verbindungen, was dieQualität der Verbindung erhöht.

Von der anderen Seite betrachtet, empfangen mehrere Node Bs den Datenstrom einesEndgeräts. Die empfangenen Datenströme werden dann im Radio Network Controller wiederzusammengesetzt. Durch die Macrodiversity-Funktion kann das Endgerät mit wenigerLeistung senden, da mehrere Pfade zur Verfügung stehen. Somit treten in den einzelnenZellen weniger Störungen auf.

Date post:	06-Aug-2015
Category:	Documents
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