MOBILFUNKNETZE. Dr. Imre Varga Siemens AG ICM MP

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1 MOBILFUNKNETZE Dr. Imre Varga Siemens AG ICM MP

2 Index Introduction Evolution Generations in Mobile Telephony Classification and Cellularity System Architecture of GSM QoS in UMTS GSM Networks UMTS Networks IP Multimedia Subsystem (IMS)

3 Business Opportunity: Mobile Multimedia Applications Content & Services Information n Virtual shopping n Video on demand n Real-time MM broadcast (MBMS) n Multimedia document transfer n Application sharing tools n Maintenance of factory equipment Mobile Multi Media n n n n n Communication (AV-streaming) Video mail Interactive video services (e.g.surveillance) Booking services (e.g. hotel, theatre) MultiMedia mailbox MM search engine (e.g. music search) n Video telephony n Video conferences n MultiMedia Messaging (e.g. electronic postcard) n Chats n Multi-User games Mobilfunknetze Dr. Imre Varga Siemens AG ICM MP Siemens, 2004

4 Why is Wireless Data Still a Small Market? Lack of killer application Unsuitable terminal devices Lack of standard air interfaces and services Lack of universal coverage Poor performance of wireless WANs due to low bit rates, high latencies, and high error rates of existing wide-area wireless air interfaces However, business factors high pricing and cost: offering voice service more lucrative spectrum shortage This situation will change! Voice services generate small revenue for the operators Data services are on the meter

5 WWW + Mobile Telephony = Mobile Access to Information Mobile Telephone Users Internet Users

6 Tendencies in Wireless Systems Wireless data still a small but rapidly growing market WLAN is rapidly growing (802.11b, a) Support for data in 2.5G and 3G wireless Mobile multimedia Location-based services Push-to-talk Generation of mobile phones is different from generation of radio access technologies 2G of mobile telephony is speech conversation and SMS 3G will be the new set of widely accepted applications Mobile broadband IS the future, the when and how are open

7 UMTS im Vergleich zu anderen Übertragungssystemen

8 UMTS-Applikationen entwickeln sich aus Internet-Applikationen

9 Ausblick auf UMTS-Entwicklung

10 Mobile Telephony Standards Evolution

11 GSM and IS-136 Evolution

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13 Wireless vs. Wireline Advantages Constant connection Access to up-to-date information Minimum installation issues Freedom to roaming Scalability No cables Extensibility e.g remote areas with satellite Disadvantages Careful planning of network essential Environment generally hostile Security Safety Spectrum licenses Poor data rates Cost (domain dependant)

14 Low Power & Energy-awareness Battery capacity is a problem Typical laptop: 30% display, 30% CPU, 30% rest wireless communication and multimedia processing incur significant power overhead Low power circuits, architectures, protocols Power management Right power at the right place at the right time Battery technology has historically improved at a very slow pace NiCd improved by x2 over 30 years! require breakthroughs in chemistry

15 Challenges in Mobile and Wireless Computing Portable, energy-efficient devices End-to-end quality of service Seamless operation under context changes Context-aware operation Secure operation Sophisticated services for simple clients

16 Index Introduction Evolution Generations in Mobile Telephony Classification and Cellularity System Architecture of GSM QoS in UMTS GSM Networks UMTS Networks IP Multimedia Subsystem (IMS)

17 Progress of the Mobile Communication The first generation cellular mobile communications:(1980 ) Technology: FDMA and Analog Technology. Systems: AMPS(USA), NMT-900(Sweden), HCMTS(Japan) Disadvantages: Only lower Frequency available, same Frequency band Inference, poor Security. Advantages: convenience for communication The second generation cellular mobile communications:(1992) Technology: TDMA, TDMA hybrid FDMA Systems: DAMPS(USA, IS-54), GSM Advantages: Higher Frequency available, good Security, higher Capacity, good speech QoS CDMA (Qualcomm) Systems: CDMA(IS-95) Advantages: Higher Frequency available, good Security, Soft Capacity, Higher Capacity, Speech Activity Technology, Diversity Technology. Disadvantages: Focusing on Speech Service, lower rate Service, the Capacity does still not satisfy the ever-growing demand, no Multimedia Service and no higher rate Service

18 Progress of the Mobile Communication The third generation 3G: ( ) High mobile velocity( km/hour); less than 100km/hour(GSM) To carry out the global wandering tour; District and Country(GSM) Support Multimedia Service, especially Internet Service, 144kb/s(Outdoor and higher velocity ), 384kb/s(from Outdoor to indoor, lower velocity), 2Mb/s(indoor); Speech of QoS and other services kbs/s(GSM, lower velocity) Convenience for transition and evolvement or innovation, compatibility with networks Highest spectrum availability, higher QoS, Speech Recognition Technology, lower Cost, higher Security Advantage technologies such as Adversity transmitting and receiving, Multipath Combining, Turbo Code, Channel Estimation, SIR measurement and TPC, Space-time technology, Multiuser Detection and Interference Cancellation, Beamforming and Smart Antennas, Soft handoff The 3G s aim is to implement truly anybody at any place to communicate with anyone at any time

19 1G - Characteristics Analogue transmission technology Pioneered semiconductor and microprocessor technology Network access: Frequency Division Multiple Access (FDMA) Subdivides the available spectrum into a number of frequency slots Each user is assigned a separate frequency. Focus on voice, data services almost non-existent Incompatible standards Different frequencies and signaling International roaming impossible Inefficient use of the radio spectrum No 3rd party applications World s first operational cellular system: Tokyo, 1979, NTT Advanced Mobile Phone System (AMPS): USA, 1982; FCC mandates it Nordic Mobile Telephone (NMT-450); Sweden, 1982; roaming

20 Solution to broaden the scope: 2G Digital techniques rather than analogue Increased flexibility error control compression More efficient use of available bandwidth Increased compatibility with the fixed component of the PSTN Increased quality of service Possibility of wireless data services

21 2G - GSM Global System for Mobile Communication (GSM) Conceived in 1982 Deployed in 1992 in Europe European Telecommunications Standards Institute (ETSI) Most successful 2G system 863 million users in 197 countries

22 2G - D-AMPS Digital Advanced Mobile Phone Service (DAMPS) Also called IS-54 (Interim Standard 54) 1991 Dual mode terminals ensuring backward compatibility IS-136 introduced in 1996 Telecommunications Industry Association (TIA) TR-45 Committee

23 2G - IS-95 Interim Standard 95 (IS-95) Also called cdmaone USA, 1993 Qualcomm Inc. Pioneered the use of the network access technique CDMA

24 2G - PDC Personal Digital Cellular (PDC) 1991 Japan Two modes Full-rate Half-rate 12% of global digital subscriptions in 1999.

25 2G - Network Access Technique Time Division Multiple Access (TDMA) Users share a frequency band by multiplexing their transmissions in time In practice.. Available spectrum is divided into frequency channels (recall FDMA!) Each frequency channel is further subdivided into cyclic timeslots (1,2,3,1,2,3,1,2,3 ) A call is assigned a time slot

26 2G - Services Depends on Network standard Operator policies Improved standard telephony (speech) Basic wireless data at 9.6 kb/sec Short Message Service (SMS) Supplementary Services Call forwarding Call barring

27 2G - 3G Transition Driver? Higher data bandwidth requirement anticipated subscriber demand for audio/video streaming other multimedia services collaborative services location services Mobile Multimedia Possibility of third party applications being developed

28 Circuit Switching (CS) vs. Packet Switching (PS) Circuit Switched.. A dedicated channel is established for the duration of a call Packet Switched A message is subdivided into packets which are sent individually and may follow different routes to their destination. The packets are then used to reassemble the original message.

29 3G - Migration Strategies Migrate straight to 3G This approach is being take by some operators in Japan (PDC) andthe USA (IS-95) Migrate incrementally to 3G Operators progressively and incrementally incorporate a number of technologies into their networks This approach is taken by operators in both Europe and the USA This strategy is sometimes referred to as 2.5G

30 2.5G - HSCSD (GSM) High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) Uses existing GSM infrastructure and interface Data rates of up to 57.6 kb/s ( kb/s) Inefficient for certain types of application

31 2.5G - GPRS (GSM) General Packet Radio Service (GPRS) Introduces packet switching to GSM Always-on Uses multiple timeslots (channels) 14.4 kb/s per channel Maximum of kb/s Dynamic resource allocation Supports IP Billing per KB, NOT per sec.

32 2.5G - EDGE (GSM) Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) Maximum 384 kb/s 8 Phase Shift Keying (8PSK) Send more bits down the line 3 fold increase over GSM Two classes of handset: Class A (EDGE only on downlink) Class B ( EDGE on uplink and downlink)

33 2.5G - D-AMPS (IS-136+) Two phase migration path IS-136+ Integrate GPRS Note: packet switching already supported by Cellular Digital Packet Data (CDPD)! IS-136 High Speed Outdoor Integrate EDGE Subscribers can roam between IS-136HS and GSM networks supporting EDGE

34 2.5G - IS-95B (IS-95) Enhanced version of IS-95 Already supports packet switching (CDPD) Maximum of (8 14.4kb/s) Realistically 28.8 kb/s to 57.6 kb/s on downlink 14.4 kb/s on uplink

35 2.5G - Services Standard data services that can use packet switching: WWW browsing File downloading e.g. MP3 (=MPEG-1 Layer 3) Multimedia Messaging Service (MMS)

36 3G Data Rates A data rate of 144 kb/s for users moving quickly e.g. moving vehicles; A data rate of 384 kb/s for pedestrians; A data rate of 2 Mb/s in a low mobility or office environment.

37 3G - Network Access Technique Code Division Multiple Access (CDMA) Signal is modulated with high bandwidth spreading waveforms called signature waveforms or codes. Subscribers may submit at the same frequency and time but signal separation is facilitated via the signature waveform In contrast to TDMA More robust Less susceptible to fading & interference

38 Example: 3G Services (UMTS) Universal Mobile Telephone System (UMTS) Four classes of services Conversational Class Voice, video telephony,video gaming Streaming Class multimedia, video on demand, webcast Interactive Class WWW browsing, database access, online gaming Background Class , SMS, file downloading

39 Index Introduction Evolution Generations in Mobile Telephony Classification and Cellularity System Architecture of GSM QoS in UMTS GSM Networks UMTS Networks IP Multimedia Subsystem (IMS)

40 Klassifikation von Mobilfunksystemen (1) Unter Mobilfunk versteht man die Funkübertragung zwischen zwei Stationen, von denen mindestens eine in Bewegung ist. Mobilität: Teminal Mobility: Teilnehmer ist drahtlos am Netz angeschlossen und kann sich mit seinem Endgerät (Terminal) auch während einer Verbindung relativ frei bewegen. Der Grad der Bewegung hängt von der Art des Mobilfunknetzes ab. User Mobility (persönliche Mobilität): ortsunabhängige Nutzung von Telekommunikationsnetzen aller Art. Nach seiner Identifizierung kann der Nutzer die selben Dienste wie zuhause verwenden.

41 Klassifikation von Mobilfunksystemen (2) Art der mobilen Station Landmobilfunk (z.b. Kfz-Funk, Bahnfunk) Seefunk (maritimer Funk, z.b. INMARSAT) Flugfunk (aeronautischer Funk) Amateurfunk (Kurzwelle, 2m, 70cm, 23cm) Art der festen (Basis-) Station terrestrischer Funk (z.b. Feststationauf einem Mast) Satellitenfunk (Feststationauf einem umlaufenden oder stationären Satelliten, z.b. LEO (low earth orbiting) Satelliten) Art der Übertragungstechnik analoge (z.b. C-Netz) oder digitale Übertragung (z.b. GSM) Weitere Klassifikation z.b. nach Art der Dienste, Art der Funkfrequenzen

42 Frequenzen im Telefonie-Mobilfunk

43 Zellularitätsprinzip: Hintergrund Nur relativ kleine Anzahl von Gesprächskanälen auf Grund der begrenzten Frequenzbänder ist verfügbar (z.b. im GSM System 25 MHz Bandbreite mit maximal 125 Frequenzkanälen mit 200 khz Trägerbandbreite; mit Zeitmultiplex theoretisch 1000 Kanäle (=Nutzer) möglich) Um hohe Teilnehmerzahlen (bis zu mehreren Millionen) erreichen zu können, müssen die zur Verfügung stehenden Frequenzen räumlich mehrfach genutzt werden (spatial frequency reuse) Entwicklung der Zellulartechnik zur Erzielung einer deutlichen Verbesserung der Frequenzökonomie

44 Zellularitätsprinzip (1) Das abzudeckende Gebiet wird in Zellen (einzelne Funkzonen) aufgeteilt (zur Vereinfachung der Darstellung Modellierung als Hexagone mit Basisstationim Zentrum) Jede Zelle i erhält eine Untermenge von Frequenzkanälen fbi aus der verfügbaren Menge zugewiesen. Keine zwei benachbarten Zellen dürfen die selben Frequenzen verwenden, da sonst starke Gleichkanalstörungenzu erwarten sind.

45 Zellularitätsprinzip (2) Erst im Abstand D (Frequenzwiederholabstand) wird eine Frequenz aus dem Bündel fbi erneut verwendet, d.h. Zellen im Abstand D zur Zelle i erhalten jeweils eine oder auch alle Frequenzen aus dem Bündel fbi der Zelle i zugewiesen. Ist D genügend groß, sind die Gleichkanalstörungen klein genug um die Übertragungsqualität nicht zu sehr zu beeinträchtigen.

46 Zellularitätsprinzip (3) Beim Übergang einer Verbindung von einer Zelle zur nächsten erfolgt ein automatischer Kanal-/Frequenzwechsel(Handover) Die räumliche Wiederverwendung der Frequenzen erfolgt regelmäßig, d.h. systematisch, so, daß jede Zelle mit dem Frequenzbündel fbi (oder einer Frequenz daraus) ihre nächstennachbarnmit gleichenfrequenzenerst wieder im Abstand D sieht Das hat eine Gruppierung der Zellen zur Folge, die sogenannte Clusterbildung Ein Cluster kann alle Frequenzen eines Mobilfunksystems besitzen. Innerhalb eines Clusters wird keine Frequenz mehrfach verwendet. Je größer ein Cluster, desto größer wird der Frequenzwiederholabstand und der Signal-Störabstand. Gleichzeitig sinkt jedoch die Zahl der möglichen Teilnehmer. In der Realität besitzen Zellen aufgrund variierender Ausbreitungsbedingungen sehr unregelmäßige Formen und Größen.

47 Zellularitätsprinzip: Clusterbildung

48 Index Introduction Evolution Generations in Mobile Telephony Classification and Cellularity System Architecture of GSM QoS in UMTS GSM Networks UMTS Networks IP Multimedia Subsystem (IMS)

49 Systemarchitektur am Beispiel GSM GSM Funknetz (Base Station Subsystem, BSS) GSM Mobilvermittlungsnetz (Switching and Management Subsystem, SMSS) GSM Netzüberwachung und Wartung (Operation and Maintenance Subsystem, OMSS)

50 GSM Funknetz Q

51 Systemarchitektur am Beispiel GSM Mobile Station (MS) Gerät, das vom Teilnehmer für den Dienstzugang genutzt wird besitzt Gerätekennung IMEI (International Mobile Station Equipment Identity), die eine Art Seriennummer für das Gerät darstellt, die den Netzbetreibern zur Verfügung gestellt wird (s. EIR); ermöglicht z.b. Verfolgung/Sperrung gestohlener Geräte Funknetz (Base Station Subsytem, BSS) BTS (Base Transceiver Station): stellt in einer Zelle Funkkanäle zur Verfügung; enthält relativ wenige Komponenten zur Signalverarbeitung (z.b. Fehlerschutzprotokolle (Kanalcodierung), Sicherungsprotokoll für die Signalisierung) BSC (Base Station Controller): Koordination mehrerer BTS; enthält im wesentlichen die Steuerungs- und Protokollintelligenz des BSS (z.b. ist BSC verantwortlich für Handover)

52 Systemarchitektur am Beispiel GSM GSM Funknetz (Base Station Subsystem, BSS) GSM Mobilvermittlungsnetz (Switching and Management Subsystem, SMSS) GSM Netzüberwachung und Wartung (Operation and Maintenance Subsystem, OMSS)

53 GSM Mobilvermittlungsnetz

54 Mobilvermittlungsnetz (SMSS) MSC (Mobile Switching Center): Vermittlungsknoten (z.b. Wegesuche, Signalwegeschaltung, Dienstmerkmalsbearbeitung); berücksichtigt Zuteilung und Verwaltung von Funkresourcen und die Teilnehmermobilität; deshalb Funktionen für Aufenthaltsregistrierung von Teilnehmern und für Handover; mehrere MSC möglich, die jeweils für eine Service Area zuständig sind HLR (Home Location Register): Enthält Teilnehmerinformationen (z.b. Berechtigungen und abonnierte Dienste) und Lokalisierungsund Wegesuchinformationen VLR (Visitor Location Register): Enthält Auszüge der HLR-Daten sowie Daten, die eine Lokalisierung innerhalb des vom VLR verwalteten Bereichs ermöglichen; bei Einbuchung erfolgt Abgleich der Daten mit HLR des Teilnehmers + Update des Aufenthaltsorts

55 Systemarchitektur am Beispiel GSM GSM Funknetz (Base Station Subsystem, BSS) GSM Mobilvermittlungsnetz (Switching and Management Subsystem, SMSS) GSM Netzüberwachung und Wartung (Operation and Maintenance Subsystem, OMSS)

56 GSM Netzüberwachung und Wartung (OMSS)

57 Operation and Maintenance Subsystem (OMSS) OMC (Operation and Maintenance Center): Überwachung, Steuerung und Wartung des laufenden Netzbetriebes; Verwaltung und kommerzieller Betrieb (Teilnehmer, Endgeräte, Abrechnung, Statistik); Sicherheitsmanagement; Netzkonfiguration; Wartungsarbeiten NMC (Network Management Center): Netzkontrolle kann in einem oder mehreren Netzwerk-Management- Zentren (NMC) zentralisiert werden; NMC sind den OMCs übergeordnet AUC (Authentication Center): Vertrauliche Daten und Schlüssel zur Benutzerauthentifizierung (z.b. zur Autorisierung des Dienstzugangs) EIR (Equipment Identity Register): enthält in mehreren Listen die elektronischen Zulassungsnummern von Mobiltelefonen (z.b. Sperrung von gestohlenen Geräten)

58 Index Introduction Evolution Generations in Mobile Telephony Classification and Cellularity System Architecture of GSM QoS in UMTS GSM Networks UMTS Networks IP Multimedia Subsystem (IMS)

59 Quality-of-Service (QoS) Motivation Internet BEST EFFORT Mobile IP Network Guaranteed Quality-of Service

60 Quality-of-Service (QoS, Dienstgüte) Parameter Dienstpriorität (Priority) gibt den Vorrang an, den ein Dienst gegenüber einem anderen aufweist; bei starker Auslastung können dann z.b. Verbindungen niedriger Priorität verworfen werden Zuverlässigkeit (Reliability) kann sich auf die Restbitfehlerrate, die Wahrscheinlichkeitenfür verlorengegangene, doppelt oder in falscher Reihenfolge ankommende Pakete/Blöcke sowie für Pakete/Blöcke, die verfälscht werden ohne das der Fehler erkannt wird, beziehen Verzögerung bezieht sich auf den max. Wert für die mittlere Verzögerung (Mean Delay) und auf die Verzögerung, die in 95% der Fälle unterschritten wird (95% Delay); die Verzögerung beinhaltet sämtliche Laufzeiten auf der Luftschnittstelle und im Backbone des Netzes, d.h. zwischen zwei MS bzw. einer MS und dem Übergangspunkt in ein externes Netz Durchsatz (Throughput) bezieht sich auf die pro Zeiteinheit (s) max. übertragbare Datenmenge (Peak Bit Rate) und die im Mittel übertragbare Datenmenge (Mean Bit Rate) Für jede Kommunikationsverbindung können QoS Profile (Kombination bestimmter QoS Parameter) ausgehandelt werden. Neben der Datenmenge ist das QoS Profil maßgeblich bestimmend für die Abrechnung.

61 QoS Parameter in UMTS (3GPP TS ) 4 verschiedene QoS Klassen: conversational class streaming class interactive class background class Hauptunterschied zwischen den Klassen ist die Delay Sensitivität Conversational und Streaming Klassen für Real-Time Traffic Interactive und Background Klassen ausgelegt für traditionelle Internet Applications wie WWW, , Telnet, FTP und News Aufgrund geringerer Delay Requirements niedrigere Fehlerraten (Kanalcodierung und Retransmissions) Interactive Applications sind höher priorisiert, d.h. Background Applications benutzen Resourcen nur dann, wenn diese nicht von Background Applications benötigen werden

62 QoS Parameter in UMTS (3GPP TS ) Traffic class Conversational class conversational RT Streaming class streaming RT Interactive class Interactive best effort Background Background best effort Fundamental characteristics Example of the application -Preserve time relation (variation) between information entities of the stream Conversational pattern (stringent and low delay ) - voice -Preserve time relation (variation) between information entities of the stream - Video streaming -Request response pattern -Preserve payload content - Web browsing -Destination is not expecting the data within a certain time -Preserve payload content - Background download of s

63 QoS Parameter Value Ranges for UTRAN Traffic class Maximum bitrate (kbps) Conversational class <= (1) (2) Streaming class <= (1) (2) Interactive class <= overhead (2) (3) Background class <= overhead (2) (3) Delivery order Yes/No Yes/No Yes/No Yes/No Maximum SDU size (octets) <=1 500 or (4) <=1 500 or (4) <=1 500 or (4) <=1 500 or (4) SDU format information (5) (5) Delivery of erroneous SDUs Yes/No/- Yes/No/- Yes/No/- Yes/No/- Residual BER 5*10-2, 10-2, 5*10-3, 10-3, 10-4, 10-5, *10-2, 10-2, 5*10-3, 10-3, 10-4, 10-5, *10-3, 10-5, 6*10-8 (6) 4*10-3, 10-5, 6*10-8 (6) SDU error ratio 10-2, 7*10-3, 10-3, 10-4, , 10-2, 7*10-3, 10-3, 10-4, , 10-4, , 10-4, 10-6 Transfer delay (ms) 80 maximum value 250 maximum value Guaranteed bit rate (kbps) <= (1) (2) <= (1) (2) Traffic handling priority 1,2,3 Allocation/Retention priority 1,2,3 1,2,3 1,2,3 1,2,3 Source statistic descriptor Speech/unknown Speech/unknown

64 QoS Parameter Value Ranges for UTRAN Notes: 1) Bitrate of kbps requires that UTRAN operates in transparent RLC protocol mode, in this case the overhead from layer 2 protocols is negligible. 2) The granularity of the bit rate attributes shall be studied. Although the UMTS network has capability to support a large number of different bitrate values, the number of possible values shall be limited not to unnecessarily increase the complexity of for example terminals, charging and interworking functions. Exact list of supported values shall be defined together with S1, N1, N3 and R2. 3) Impact from layer 2 protocols on maximum bitrate in nontransparent RLC protocol mode shall be estimated. 4) In case of PDP type = PPP, maximum SDU size is 1502 octets. In other cases, maximum SDU size is 1500 octets. 5) Definition of possible values of exact SDU sizes for which UTRAN can support transparent RLC protocol mode, is the task of RAN WG3. 6) Values are derived from CRC lengths of 8, 16 and 24 bits on layer 1.

65 Index Introduction Evolution Generations in Mobile Telephony Classification and Cellularity System Architecture of GSM QoS in UMTS GSM Networks UMTS Networks IP Multimedia Subsystem (IMS)

66 GSM Mobilfunknetze

67 GSM Mobilfunknetze

68 GSM Mobilfunknetze

69 GSM Mobilfunknetze

70 GSM Mobilfunknetze

71 GSM Mobilfunknetze

72 GSM Mobilfunknetze

73 GSM Mobilfunknetze

74 GPRS GPRS extension of GSM to provide mobile Internet access Higher bandwidth achieved by Usage of multiple channels (PDCHs) Coding schemes with higher data rate Better usage of bandwidth by packet switching

75 GSM Mobilfunknetze

76 Index Introduction Evolution Generations in Mobile Telephony Classification and Cellularity System Architecture of GSM QoS in UMTS GSM Networks UMTS Networks IP Multimedia Subsystem (IMS)

77 UMTS Mobilfunknetze Entwurfsziel ist die Unterstützung einer breiten Palette von Applikationen und sowohl schmal- als auch breitbandiger Datendiensten mit dem Fokus auf mobiler, paketvermittelter Datenübertragung basierend auf der IP-Technolgie des Internets, ab 3GPP Rel5 mit garantierter QoS im IMS Strategisch besonders wichtig ist die Fähigkeit zur effizienten Bereitstellung mobiler Internetdienste UMTS soll dem Teilnehmer ähnliche Leistungsdaten wie das Festnetz bereitstellen und die Entwicklung neuer Multimedia- Applikationen stimulieren Aufsetzen auf vorhandene Infrastrukur durch Multi-Mode Terminals, die z.b. GSM 900/1800 unterstützen Globale Mobilität durch Inter-Network-Roaming

78 Mobilfunknetze: Evolution

79 Standardization 3GPP: 3rd Generation Partnership Project ETSI (Europe) ANSI T1 (US) ARIB (Japan) TTC (Japan) 3rd Generation Partnership Project 3GPP TTA (Korea) CWTS (China) since 5/99 Observer (Canada) since 5/99 Market Representation Partners: 3G.IP, GSA, GSM Association, IPv6, MWIF, UMTS Forum, UWCC

80 3GPP Organization Focus 3GPP Plenary Strategic Impact Wideness of Scope Technical Specification Groups Working Groups Sub Working, Drafting, and adhoc Groups Detailed Level of Expertise Implementation Level

81 Goals of Standardization in 3GPP Production of globally applicable Technical Specifications (TS) and Technical Reports (TR) for a 3rd Generation Mobile System based on evolved GSM core networks and the radio access technologies that they support (i.e., Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) both Frequency Division Duplex (FDD) and Time Division Duplex (TDD) modes) Maintenance and development of the Global System for Mobile communication (GSM) Technical Specifications (TS) and Technical Reports (TR) including evolved radio access technologies (e.g. General Packet Radio Service (GPRS) and Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE))

82 3GPP UMTS Meilensteine

83 UMTS-Entwicklung Meilensteine für UMTS in Europa: Oktober 1997: Festlegung des UMTS Core Band Frühjahr 1998: ETSI friert erste grundlegende UMTS Parameter ein 2001: Beginn erster Feldversuche UMTS/IMT : Start kommerzieller UMTS/IMT-2000 Netze Mit UMTS soll das bisher bekannte Serviceangebot in der Mobilkommunikationerheblich erweitert und verbessert werden, z.b.: Communication services (Video telephony, Videoconferencing, Speech response and recognition, Personal location) Business information (Mobile office, Narrowcast business TV,Virtual workgroups) Entertainment (Audio on demand (as an alternative to CDs, tapes or radio), Games on demand, Video clips, Virtual sightseeing) Public information services (Browsing the WWW, Interactive shopping) Erwartete Nutzer in Europa für das Jahr 2010 (inkl. bestehender Netze) 260 Millionen (66% Sättigung), davonallein 90 Millionen Nutzer von Multimedia-Anwendungen Verkehrsaufkommen je Nutzer: mehr als 40 Mbyte/Monat

84 UMTS General Architecture

85 UMTS Architektur

86 UMTS Architektur

87 UTRAN Architecture UTRAN is a set of Radio Network Subsystems (RNS) connected to the Core Network through the Iu RNS consists of Radio Network Controller (RNC) and one or more Node Bs. (Node B is a logical node for radio transmission/reception to/from UE) Node B is connected to the RNC through the Iub interface.

88 UMTS Architektur R99

89 UMTS Luftschnittstelle (UTRA, Uu Interface) Kombinationzweier Technologien Wideband-CDMA (W-CDMA) for paired spectrum bands (auch in Japan (ARIB)) TD-CDMA for unpaired bands ( 2 Modi: Wideband TDD und Narrowband TDD (v.a. China)) in einem Standard mit dem Ziel eine optimale Lösung für alle Serviceszenarien und Arbeitsumgebungenzur Verfügung zu stellen In allen Umgebungen soll mindestens eine Übertragungsrate von 144 kbit/s zur Verfügunggestellt werden können Für bedingt mobile Applikationen (stationäre Mobilität) in makro- und mikrozellularer Umgebung soll die Übertragungsrate bei 384 kbit/s liegen In mikro- und pikozellularer Umgebung soll für paketorientierte Übertragung sogar bis zu 2 Mbit/s verfügbar sein

90 UMTS Luftschnittstelle (UTRA, Uu Interface) Release R5 spezifiziert High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) Enhanced DL Shared Channel für höhere Datenraten und höheren Durchsatz HSDPA beinhaltet; fast scheduling at NodeB adaptive modulation and coding (AMC) with channel quality feedback (CQI) from the UE higher order modulation (16 QAM; later 64 QAM) improved HARQ (n channel SAW type III) HSDPA ist ausgelegt für Bursty Packet Traffic mit einer starken Asymmetrie ( Internet applications) Deployment Scenario: indoor and low-mobility HSDPA ermöglicht paketorientierte Übertragung mit Bitraten von mehr als 10 Mbit/s (!) Unterstützung von Location Services (LCS) mit hoher Auflösung/Genauigkeit (Interworking mit GPS)

91 UMTS Frequenzen für Europa

92 UMTS Luftschnittstelle (UTRAN) Frequenzbereich (Europa): MHz (Uplink) und MHz (Downlink) für FDD Modus MHz und MHz für TDD Modus Kanal-Bandbreite: 5 MHz Chiprate: 3.84 Mchip/s Spreizverfahren: Direct Sequence CDMA Spreizcodes: Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF) Codes (Spreizfaktor: 4-256, Baumstruktur); Multi-Code Übertragung möglich Scrambling: Goldsequenzen für Zelltrennung (Downlink) und Nutzertrennung (Uplink) (keine zusätzliche Bandbreitenerweiterung durch Scrambling) Rahmenlänge: 10ms (Srambling jeweils über einen Rahmen ( chips); ein Rahmen besteht aus 15 Slots (2560 Chips) Modulationsverfahren: kohärentes QPSK (ab Release R5 auch 16 QAM) Kanalcodierung: Faltungscodes, parallel verkettete Faltungscodes (Turbo- Codes)

93 UMTS Luftschnittstelle Mögliche Übertragungsraten für R99 (Auswahl, einschl. Kanalcodierung): Sprache (AMR Codec): 16 kbit/s (circuit switched) Simple Messages: 14 kbit/s (packet switched) Switched Data: 14 kbit/s (circuit switched) Medium Multimedia: 384 kbit/s (packet switched) High Multimedia: 2 Mbit/s (packet switched) High Interactive Multimedia: 128 kbit/s (circuit switched) Verbesserungen im Vergleich zu GSM: hervorragende Eignung für Multimedia-Übertragung durch hohe Datenraten und mobile IP verbesserte Übertragungsqualität durch Reduzierung der Empfindlichkeit gegenüber Fading, kohärente Detektionim Uplink, sehr schnelle Leistungsregelung, leistungsstarke Kanalcodierungsverfahren, Signale mit niedrigen Pegeln sind besser detektierbar (Æ höhere Zellkapazitäten, GSM 1800 Zellen sind wiederverwendbar)

94 CDMA-2000 Qualcomm, Motorola, Lucent, Nortel Smallest bandwidth: 3*1.25Mhz Technology: DS-CDMA and multicarrier Working type: FDD Chip rate: /3.686Mcps Length of frame: 10/20/30ms Synchronous : Synchronous and asynchronous Modulation: QPSK/BPSK Channel structure of the inverse link: Pilot/Control Channel code: Convolutional coding+turbo coding Enhanced technique: Multiuser detection(o)/smart Antennas(O) Handoff: Soft handoff(is-95) TPC: TPC(1800) Forward and inverse Detection: Pilot assistant Speech code: Variant rate

95 TD-SCDMA, TD-CDMA DATANG, HUAWEI, ZHONGXIN,( Nortel) Smallest bandwidth: 1.25Mhz Technology: TDMA and multicarrier Working type: TDD Chip rate: *Mcps Length of frame: 10/20/30ms Synchronous : Synchronous and synchronous Modulation: QPSK/BPSK Channel structure of the inverse link: Dedicated/Pilot/Dedicated Channel code: Convolutional coding+turbo coding(o) Key technology: Joint detection, Smart Antennas Handoff: Soft handoff(?) TPC: * Forward and inverse Detection: Pilot assistant Speech code: Variant rate

96 Key Technologies 1, Auto Frequency Control(AFC), Acquisition or Cell Searching, Chip Tracking, Auto Gain Control(AGC), Multipath Searching, Root Cosine Filters Design, Transmit Diversity, Mobile Location, Speech coding. Linear Power Amplifier(LPA), Adaptive Echo Cancellation. 2, Channel Model Simulation 3, Channel Estimation 4, Channel Code, especially Turbo Code 5, Diversity receiver and RAKE combiner 6, Multiuser Detection and Interference Cancellation 7, Joint Detection 8, Smart antennas 9, SIR measurement and TPC 10, Soft handoffs in CDMA Mobile systems *11, Multimedia Communications in 3G *12, Speech recognition technology in 3G *13, Security algorithms *14, Route technology and Packet access

97 CDMA Principles Orthogonalization by codes Each circuit is assigned a unique randomized code sequence. In FH, the code generates frequency hops. In DS, the code generates a noiselike high bit rate signal that spreads the spectrum of the information signal. No hard limit on number of circuits/carrier. For symbol duration < average delay spread, adaptive equalization is required (adaptive equalization may allow up to 10-fold increase in data rate). Use of rake receiver can minimize adverse effects of multipath

98 Selection of DS-CDMA for 3G Advantages over FDMA and TDMA: Soft handover Exploitation of multipath fading through Rake combining Capacity improvement through cell sectorization Widespread use in 2G systems Ease of capacity expansion without frequency planning problems Automatically trades off between capacity and coverage Extended coverage for asymmetric data traffic (more DL data than UL) UL is limited by UE power Less UL interference than DL

99 Prinzip der Direct Sequence (DS) CDMA Übertragung

100 CDMA: Code Division Multiple Access

101 CDMA: Spreading and Despreading

102 CDMA: Despreading mit dem falschen Spreizcode

103 CDMA System Capacity System Capacity Let N = No. of users (comm. paths) on channel W = Channel bandwidth used = 3.84 MHz R = Data rate W/R = Processing gain N 0 = Thermal noise + noise generated by other CDMA users (incl. those in adj. cells) V = Voice activity factor F = Frequency reuse = 0.67 (no freq. planning required) if all radios are synchronized. G = Gain from sectionalizing cells Example: Let R = 12.2 kb/s x 3, E b /N 0 = 7 db = 5, G = 3 x 0.67 = 2, V = 0.35, then N = 80 However, this result is reduced by three factors: Soft Handoff (30%) Pwr. Contr. Limitations to 0.8 Set-up Ch. Allowance to 0.97 These factors reduce result to 36 N W R = / Eb / N 0 FG V

104 CDMA Power Control Motivation for sending only the needed power means: Lower average power Longer battery life Less concern about hazard to user Open loop Based on similarity of loss on uplink and downlink Based on UE s RSS at base. Closed loop Based on errors from Viterbi decoder at base. Closed loop forces deviation from open loop setting UMTS Fast Power Control (1500 Hz)

105 Index Introduction Evolution Generations in Mobile Telephony Classification and Cellularity System Architecture of GSM QoS in UMTS GSM Networks UMTS Networks IP Multimedia Subsystem (IMS)

106 IP Based Multimedia Subsystem (IMS) UMTS IP based Multimedia Applications provide new revenue streams for MNOs IMS provides infrastructure for integrated real-time/data services. IMS benefits IMS provides standardized infrastructure for integrated applications: Standardized interfaces to applications Standardized and secure authentication, authorization, Standardized charging for services QoS control on the bearer plane for services Global roaming and access to home services Without IMS proprietary application islands often non-compatible protocols used higher OAM difficulties for charging, security, QoS

107 R99 UMTS Architecture R 99 Architecture RNC MSC GMSC PSTN UE Node B HLR Internet Activate PDP context request SGSN GGSN Create PDP context request Create PDP context request Activate PDP context request

108 Drawbacks of R99 UMTS Architecture If user PDP address is known in GGSN, other users in external PDP networks may send data (e.g. voice over IP) to this user. However the receiving user only knows the originating PDP address, but not the content. The only possibility to reject the data is by rejecting UMTS bearer establishment No PS domain connection into PSTN No end-to-end QoS negotiation

109 New Features by IMS Enabling packet switched sessions between two or more users Interworking between circuit and packet switched domains End-to-end QoS negotiation Providing Home Environment when roaming Support of different media types

110 Rel5 UMTS Architecture MSC GMSC MGW MGCF T-SGW PSTN UTRAN HSS MRF CSCF Internet SGSN GGSN IMS R-SGW Mobile Network

111 Architectural Considerations (PS Domain) SIP Compression UE Uu Node B Iub RNC Iu-PS SGSN Gn GGSN Air If PDP-Context GTP-Tunnel Go P- CSCF... SIP Sigalling UE, Appl. Server,... PDP-Context GTP-Tunnel Gi User Plane Transparent transport or optionally optimised transmission; Header Compression and/or UEP Payload within GTP (e.g. IP/UDP/RTP/AMR) is transported transparently through SGSN and GGSN Out-of-band (SIP) signalling is also also transported transparently in GTP tunnel (may be encrypted) Only UE knows Codecs

112 IMS Basic Concepts (1) New Network Nodes Call State Control Function (CSCF) - may have proxy(p-), serving (S-) or interrogating (I-) functionality UE Visited Network IM Subsystem P-CSCF Home Network IM Subsystem I-CSCF S-CSCF External Service

113 IMS Basic Concepts (2) New Network Nodes Proxy CSCF (P-CSCF) first contact point adress is discovered by UE following PDP context activation or by using DHCP forwards SIP register request to I-CSCF using home domain name provided by UE

114 IMS Basic Concepts (3) New Network Nodes Interrogating CSCF (I-CSCF) MAIN GOAL: Hiding of network configuration first contact point within an operator network for all connections destined to a subscriber within this network assigns S-CSCF (together with HSS) routes SIP requests from other networks to S-CSCF

115 IMS Basic Concepts (4) New Network Nodes Serving CSCF (S-CSCF) performs session control services for the UE handles registration interacting with service platforms On behalf of the originating endpoint: obtain I-CSCF adress of destination adress forward SIP requests to destination I-CSCF On behalf of the terminating endpoint: forward SIP request to a P-CSCF or I-CSCF

116 IMS Basic Concepts (5) New Network Nodes Home Subscriber Service (HSS) master database substitutes HLR if IMS is implemented among others holds the following information User ID security information user location at inter-system level user profile

117 IMS Basic Concepts (6) New Network Nodes Media Gateway Control Function (MGCF) selects CSCF for incoming calls performs protocol conversion between ISUP (ISDN User Part) and IMS call control protocols Media Gateway (MGW) transport termination point for a defined network terminates bearer from circuit switched networks and media streams from packet network (e.g. RTP streams)

118 IMS Basic Concepts (7) New Network Nodes Roaming Signalling Gateway Function (R-SGW) performs signalling conversion on transport level (e.g. SS7 usedin prerelease 4 networks and IP based transport of signalling) Transport Signalling Gateway (T-SGW) Maps call related signalling from/to PSTN/PLMN on an IP bearer and sends it to/from the MGCF Multimedia Resource Function (MRF) multi-party and multi media conference function

119 IMS Basic Concepts (8) Session Initiation Protocol (SIP) SIP based signalling is used for service control SIP is specified by IETF (RFC 2543) SIP is enhanced for usage in UMTS SIP is located in the user plane SIP uses active PDP context