Einführung in HSDPA und HSUPA

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1 Einführung in HSDPA und HSUPA Dario Linsky Philipps-Universität Marburg, Mathematik und Informatik AG Verteilte Systeme Seminar»Mobile Geräte«13. Februar 2011 Zusammenfassung In dieser Seminararbeit werden grundlegende Konzepte der Datenübertragung in mobilen Funknetzwerken beschrieben. Der Fokus liegt dabei auf aktuellen Technologien (UMTS, HSDPA und HSUPA). Zum besseren Verständnis wird auch auf allgemeine Grundlagen aktueller Mobilfunknetze eingegangen. I. EINLEITUNG Mit der zunehmenden Verbreitung von mobilen Endgeräten und der ständig steigenden Leistung von Smartphones gewinnt auch die Übertragung von multimedialen Inhalten über Funknetzwerke eine größere Bedeutung. Heutige Techniken erreichen flächendeckend mit ADSL-Verbindungen vergleichbare Datenraten. Mobilfunknetze erfahren eine vergleichbare Entwicklung und Nutzung wie klassische Telefonnetze, jedoch mit einer Verschiebung um etwa fünf Jahre [1]. Dieses Paper beschreibt die technischen Entwicklungen im Bereich der mobilen Breitbandverbindungen in den letzten Jahren. Dabei haben besonders die durch das»3gpp«(3g Partnership Project) standardisierten Entwicklungen zu UMTS seit 2005 mit HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) und HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) effiziente Ergänzungen zum klassischen GSM-Standard hervorgebracht. Diese drahtlosen Hochgeschwindigkeits-Netze werden zusammen unter dem Sammelbegriff High-Speed Packet Access (HSPA) verallgemeinert. Im ersten Teil dieses Papers gehe ich auf die Struktur des bisher verwendeten GSM-Netzes für Telefonie ein, da dieses eine wichtige Grundlage für die weitere Entwicklung darstellt. Anschließend untersuche ich allgemeine Ansätze zur Übertragung von binären Daten auf Grundlage dieses Netzes und gehe schließlich auf die weitere Entwicklung von UMTS und den damit verbundenen HSPA-Standards ein. II. GSM ALS MOBILES TELEFONNETZ Klassische, drahtgebundene Telefonnetze basieren auf einer matrixartigen Gitterstruktur. Beim Aufbau einer Verbindung zwischen zwei Teilnehmern T i wird durch den Netzbetreiber eine Leitung vermittelt. Dazu werden innerhalb des Gitters dynamisch neue Knoten erzeugt. Eine vermittelte Leitung bleibt für die gesamte Dauer des Gesprächs erhalten. Da bei klassischen Netzen die Standorte der Teilnehmer an physische Endpunkte gebunden sind, steht die Position des Teilnehmers jederzeit fest. A. Entwicklung und Verbreitung von GSM In den 1980er Jahren waren Mobilfunknetze mit analoger Modulation von Sprachsignalen gängig, wie beispielsweise das in Deutschland bis dahin verbreitete C-Netz mit etwa einer Million Teilnehmer. Seit Beginn der 1990er Jahre hat sich dagegen das von vorne herein als digitales System ausgelegte GSM (Global System for Mobile Communications) behauptet. Zunächst für Europa geplant, wird das System heute weltweit eingesetzt, alleine in Deutschland mit mehr als 65 Millionen Teilnehmern [1]. In GSM wurden zunächst die Konzepte der drahtgebundenen Telefonnetze übernommen. Die Knoten des Netzes sind dabei durch fest positionierte Zugangspunkte gegeben. Genau wie vorhergehende Telefonnetze war auch GSM von Anfang an auf die Übertragung von Sprache ausgelegt. Die akustischen Signale werden, wie bei ISDN, bereits im Endgerät digitalisiert und in Form von PCM-Worten (Pulse Code Modulation) mit einer Länge von je 8 Bit codiert. Wegen der engen Bandbreite der für Menschen wahrnehmbaren Töne schien eine Abtastung mit 8 khz zunächst als absolut ausreichend. B. Base Station Subsystem Innerhalb Europas waren für GSM ursprünglich Frequenzen aus dem Bereich zwischen 935 und 960 MHz im Downlink sowie 890 und 915 MHz im Uplink vorgesehen. Diese jeweiligen Bänder von 25 MHz werden in 125 Kanäle mit je 200 khz Bandbreite eingeteilt. Später wurde die Bandbreite für den europäischen Betrieb auf die Bereiche zwischen 1710 und 1785 MHz (Uplink) bzw und 1880 MHz (Downlink) erweitert. Dadurch entstehen 375 zusätzliche Kanäle, die wiederum Kanal Uplink Downlink (in MHz) (in MHz) GSM 900 (Primär) GSM 900 (Erweitert) GSM GSM 1900 (US/CA) GSM 850 (US/CA) GSM-R Tabelle I FREQUENZEN UND KANÄLE IN GSM-NETZEN. über eine jeweilige Bandbreite von 200 khz verfügen. In

2 2 SEMINAR»MOBILE GERÄTE«Deutschland wird zusätzlich ein angepasster Standard GSM-R für den Bahnfunk verwendet. Außerhalb Europas haben sich zusätzlich Frequenzen im 1900 MHz-Band, später auch 850 MHz, etabliert. Aus diesem Grund können kanadische oder US-amerikanische GSM-Netze nur mit Tri- bzw. Quad-Band-Geräten genutzt werden. Für die Luftschnittstelle wird eine Verbindung zwischen den jeweiligen Endgeräten (Mobile Stations, MS), bestehend aus GSM-fähigem Gerät und SIM-Karte, und Base Transceiver Stations (BTS) hergestellt. Diese Antennen haben eine Reichweite von bis zu 35 km [1] und versorgen innerhalb dieser Funkzellen eine Vielzahl von Netzteilnehmern gleichzeitig. In Gebieten mit höherer Bevölkerungs- oder Nutzungsdichte werden die Basisstationen jedoch mit einem Zellradius von 3 bis 4 km (in Wohngebieten) oder sogar nur wenigen hundert Metern (in Innenstädten) eingesetzt. Das Base Switching MS MS MS Abbildung 1. BTS BSC Base Station Subsystem Aufbau des Access Network bei GSM. Core Network Center verwaltet mehrere angeschlossene BTS und verbindet diese schließlich mit dem Core Network (vgl. Abbildung 1). Wegen der radialen Ausbreitung von Funkwellen können zwischen benachbarten Funkzellen Signale überlagert werden, was zu Interferenz führt. Um diesen Effekt zu vermeiden, werden in benachbarten Zellen unterschiedliche Frequenzen verwendet. In Abbildung 2 sind beispielsweise die BTS A Abbildung 2. C D E A Überlappung von Zellen führt zu Interferenzen. und B auf unterschiedliche Betriebsfrequenzen eingestellt. Zwischen BTS A und E entsteht keine Interferenz, daher dürfen diese beiden auf denselben Frequenzen funken. Auf der GSM-Luftschnittstelle (Air Interface) werden die Teilnehmer durch Frequenz- und Zeitmultiplexing direkt angesprochen. Pro 200 khz-abschnitt im Träger sind zunächst acht Teilnehmer möglich. Zur Steigerung der Teilnehmerzahlen wird die radiale Abstrahlung der elektromagnetischen Wellen jeweils in drei Sektoren unterteilt, sodass jeder Sektor einen Winkel von 120 abdeckt, wie in Abbildung 2 gezeigt. Da sich die Sektoren einer BTS nicht gegenseitig überlagern, sind sie üblicherweise auf dieselbe Frequenz eingestellt. Auf diese Weise kann die Anzahl der Teilnehmer in einer BTS auf 30 B erhöht werden. Da in der Praxis selten alle Teilnehmer zur gleichen Zeit aktiv sind, sind bis zu 1800 Teilnehmer möglich. Beim Zeitmultiplexverfahren (Time Division Multiple Access, TDMA) werden jeweils 4,615 ms lange Frames übertragen. Jeder dieser Frames wird in 8 Timeslot-Intervalle, so genannte Bursts [1], zu jeweils 577 µs zerlegt. Der Aufbau dieser normalen Bursts sowie die zyklische Wiederholung der Framesequenz ist in Abbildung 3 zu sehen. Zusätzlich gibt es noch weitere Arten von Bursts, die hier jedoch nicht näher behandelt werden [2]. Durch die BTS wird einzelnen Benutzern jeweils ein Frame aus der Sequenz als Kanal zugeordnet. Sendet ein Benutzer über die gleiche, vermittelte Leitung weitere Informationen, geschieht dies in den Folgezyklen immer in demselben Intervall. Da sich die elektromagnetischen Wellen mit einer Guard Time TDMA-Frame (4,615 ms) Tail Data S Training Sequence 156,25 Bit S Data Tail Burst (577 µs) Guard Time Abbildung 3. Timeslots und Aufbau von normalen GSM-Bursts (vgl. [1]). endlichen Geschwindigkeit ausbreiten, werden Verzögerungen aufgrund von geometrischer Entfernung zwischen Teilnehmern durch die Guard Time eliminiert. Die beiden Tail-Felder enthalten je eine 3 Bit lange Start- bzw. Stop-Sequenz. Mit jedem Burst werden 114 Bits an Nutzdaten in den beiden Data-Feldern übertragen. Diese Daten sind verschlüsselt und mit einer Kanalcodierung zur Fehlererkennung versehen. Die beiden S-Flags geben Auskunft darüber, ob es sich bei dem empfangenen Burst um tatsächliche Nutzdaten oder eine Signalisierung handelt. Die Training Sequence innerhalb des Bursts enthält ein festgelegtes Muster von 26 Bits und dient zur Synchronisation und Fehlerkorrektur. C. Network Subsystem Das gesamte GSM-Netzwerk besteht aus mehreren Abschnitten. Auf der Benutzerseite steht dabei die Endgeräte, beispielsweise in Form von Smartphones. Wie in klassischen Telefonnetzen gibt es eine Vielzahl von Vermittlungsstellen, die so genannten Mobile Switching Center (MSC) [1]. Die Aufgabe dieser Vermittlungsstellen ist es, beim Aufbau von Verbindungen direkte Kanäle zwischen Teilnehmern zu vergeben. Im GSM-Standard sind verschiedene Dienste definiert, die durch jeden Netzanbieter implementiert werden. Zusätzlich gibt weitere Dienste, die einzeln für Teilnehmer hinzu geschaltet werden können.

3 EINFÜHRUNG IN HSDPA UND HSUPA 3 Zur Verwaltung der Teilnehmer wird durch die Betreiber eine zentrale Datenbank, das so genannte Home Location Register (HLR) vorgehalten. In dieser Datenbank werden sämtliche für die Versorgung des jeweiligen Teilnehmers notwendigen Informationen gesammelt. In den Vermittlungszentren, an denen sich das Endgerät eines Teilnehmers anmeldet, wird kurzfristig eine temporäre Kopie dieser Daten, das Visitor Location Register (VLR), übertragen. Auf diese Weise kann durch das MSC eine lokale Verwaltung der jeweils aktuell aktiven Teilnehmer durchführen. Nach dem Standard kann das VLR eine eigenständige Instanz sein, wird durch die Mobilfunkbetreiber jedoch häufig in die MSC integriert [1]. Innerhalb des Kernnetzes, wie in Abbildung 6 gezeigt, gibt es zwischen der MSC und den Datenregistern (HLR, EIR, AC) ausschließlich Signalisierungsleitungen. Jedes Gerät ist eindeutig über die IMEI (International Mobile Equipment Identity) identifizierbar und kann im Falle eines Verlustes oder Diebstahls über das EIR (Equipment Identity Register) lokalisiert werden. Das Authentication Center (AC) dient zur Anmeldung von Endgeräten am GSM-Netz. D. Mobilität innerhalb des Netzes Im Gegensatz zu drahtgebundenen Telefonnetzen ist die geographische Position der Teilnehmer in Mobilfunknetzen nicht exakt bekannt. Für die Vermittlung ist dem Betreiber nur die Position der BTS bekannt, innerhalb deren Versorgungsgebiet der Teilnehmer sich aufhält. Durch die Mobilität ist es den Teilnehmern möglich, jederzeit die Funkzelle, und somit auch die BTS, zu wechseln. Allgemein werden mehrere Base Transceiver Stations zu einer Location Area zusammen gefasst. Die jeweiligen BTS innerhalb dieser Location Area senden an alle verbundenen Teilnehmer durch Broadcastnachrichten ihren Zellen- sowie Location-Code. Falls nun eine Verbindung zu einem Teilnehmer aufgebaut werden soll, wird durch das Kernnetzwerk zunächst die Location Area ID ermittelt. Innerhalb dieser Location Area beginnen sämtliche Base Transceiver Stations eine Suche nach dem Teilnehmer. Erst im Anschluss an dieses Paging wird die tatsächliche Leitung durch den Netzbetreiber vermittelt. Neben diesem Verfahren, den Standort eines Teilnehmers zu wechseln, solange durch das Netzwerk keine dedizierte Leitung vermittelt ist, nennt man Location Update. Daneben gibt es noch die Möglichkeit, dass das Netzwerk einen Teilnehmer während einer aktiven Verbindung neu lokalisieren muss oder dass sich die Verbindungsqualität soweit verschlechter, dass ein Transfer auf eine benachbarte Zelle notwendig ist. Diesen Prozess bezeichnet man als Handover und man unterscheidet dabei mehrere mögliche Fälle. Beim Intra-BSC-Handover bewegt sich das Endgerät innerhalb des Versorgungsbereichs derselben BSC, es wird lediglich die BTS gewechselt. Bei einem Inter-BSC-Handover wird das Verfahren nicht durch die aktuelle BSC vorgenommen, da zwischen den BSC keine direkten Signalverbindungen existiert. Das Verfahren wird in diesem Fall durch das zuständige MSC vorgenommen. Noch aufwändiger ist ein Inter- MSC-Handover, da hierzu Datenbanken aus dem Kernnetz zu Hilfe genommen werden müssen [1]. Da das Endgerät nicht für die Durchführung eines Handovers verantwortlich ist, unterscheiden sich die verschiedenen Fälle aus Sicht des Endgerätes nicht. E. Kanalstruktur Über das Zeitmultiplexing werden logische Kanäle definiert, auf denen Nutz- oder Signalisierungsdaten übertragen werden können. Jeweils die ersten beiden Bursts einer Sequenz sind vom System für allgemeine Signalisierungskanäle reserviert, die übrigen sechs sind frei für Nutzdaten verwendbar. Man unterscheidet zwischen dedizierten Kanälen für einzelne Teilnehmer und Common Channels für mehrere Teilnehmer. Auf dem dedizierten Nutzdatenkanal (Traffic Channel, TCH) können die Daten Sprache oder digitale Daten aus leitungsvermittelnden Diensten mit 14,4 bzw. 9,6 kbit/s übertragen werden [1]. Daneben existieren für einzelne Teilnehmer noch dedizierte Kontrollkanäle, mit denen z.b. Handover- Signalisierungen realisiert werden können. Im Fall eines Handovers benötigt die BSC Informationen über die Signalqualität eines Endgerätes. Diese wird für den Downlink über den SACCH (Slow Associated Control Channel) durch das Endgerät mitgeteilt; die Uplink-Signalqualität wird durch das BTS gemessen [1]. Mit diesen Informationen entscheidet die BSC, in welche neue Zelle die Verbindung übertragen wird. In der neuen Zelle wird anschließend ein neuer TCH für das Endgerät aufgebaut und über einen FACCH (Fast Associated Control Channel) ein Handover-Signal an das Endgerät gesendet. Das Endgerät reagiert darauf, indem es seine Betriebsfrequenz anpasst und vier Bursts mit Handover Access-Signalen an das neue BTS sendet. Das BSC baut nun noch den TCH in der alten Funkzelle ab und informiert das MSC über das vollständig durchgeführte Handover. Der Ablauf eines Intra-BSC-Handovers ist in Abbildung 4 zu sehen. III. GPRS UND EDGE Im Gegensatz zu leitungsvermittelnden Netzen hat sich für die Übertragung rein digitaler Informationen eine Paketorientierung durchgesetzt. Diese wird im Mobilfunkbereich durch das General Packet Radio Service (GPRS) als Erweiterung zu GSM implementiert. Ziel der Erweiterung war es, die bereits bestehenden Knoten aus dem GSM-Netz weiter zu verwenden. Durch die paketorientierte Übertragung ist es beim Aufrufen von Inhalten nicht mehr nötig, eine für den Benutzer dedizierte Leitung zu vermitteln, die dauerhaft aufrecht erhalten bleibt. Stattdessen wird nur während der aktiven Übertragung von Paketen ein (physischer) Kanal genutzt. Wenn keine Pakete übertragen werden, wird die physische Leitung für andere Benutzer freigegeben, innerhalb des Kernnetzes aber eine logische Leitung weiter aufrecht erhalten. Falls zu einem späteren Zeitpunkt erneut Pakete übertragen werden müssen, wird durch die BTS die physische Verbindung wieder aufgenommen. Auf diese Weise lassen sich durch die Paketvermittlung Bandbreite und, auf Seite des Benutzers, Kosten sparen, da nur die tatsächlich übertragenen Pakete abgerechnet werden.

4 4 SEMINAR»MOBILE GERÄTE«MS Alte BTS Neue BTS BSC MSC Chan. Act. Begin Handover Handover Access Handover Access Handover Access Handover Access Chan. Act. ACK Begin Handover Endgerät (MS) wechselt in den Versorgungsbereich der neuen BTS. Establish Indication Unnumbered ACK BSC leitet Verbindung auf neue Zelle Channel Release um. Channel Release ACK Handover Compl. Abbildung 4. Nachrichtenfluss beim Intra-BSC-Handover [1]. In der Theorie kann ein paketorientiertes Verfahren wie GPRS unter Ausnutzung der leitungsvermittelnden Struktur des GSM-Netzes Datenraten von bis zu 170 kbit/s erreichen. Effektiv wird jedoch nur eine Datenrate von etwa 50 kbit/s erreicht und damit ist GPRS vergleichbar mit der Geschwindigkeit analoger Modems aus dem Festnetz. A. Timeslot-Nutzung bei GPRS GPRS ordnet den Teilnehmern Zeitintervalle für die Übertragung von Daten zu und basiert so ebenfalls auf einer Art von Leitungsvermittlung. Im Gegensatz zu GSM erfolgt die Zuweisung von Timeslots hier aber flexibler. Bei GPRS erhalten die Endgeräte einen Packet Data Traffic Channel (PDTCH), der aus vier Bursts besteht und einen logischen Kanal definiert. Über diesen Kanal werden Nutzdaten sowohl im Downlink wie auch im Uplink übertragen. Zusätzlich gibt es einen Packet Associated Control Channel (PACCH), auf dem, ebenfalls bidirektional, Signalisierungsnachrichten ausgetauscht werden. Auch ist es möglich, das Zeitmultiplex-Verfahren so zu nutzen, dass GSM und GPRS parallel im gleichen Kanal genutzt werden können. Dazu werden die Timeslots 0 und 1 für ein GSM-/GPRS-Signalisierungssignal genutzt. Die Slots 2 und 7 enthalten übliche GSM-Nutzdaten, dazwischen befinden sich Bursts mit GPRS-Paketdaten. TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 SIG SIG TCH PDTCH PDTCH PDTCH PDTCH TCH Signalisierung GSM GPRS GSM Abbildung 5. Parallele Nutzung von GSM und GPRS innerhalb einer Sequenz (vgl. [1]). B. Ergänzung des Network Subsystems Während der MSC aus dem klassischen GSM-Kernnetz die Aufgabe der Leitungsvermittlung übernimmt, wurde für den GPRS-Standard die dazu analoge Paketvermittlung durch den SGSN (Serving GPRS Support Node) hinzugefügt. Die vermittelten Pakete werden über den Gateway GPRS Support Node (GGSN) in das Internet geroutet. Zur Verwaltung der Mobilität greifen diese beiden neuen Knoten im Kernnetz durch Signalisierungsleitungen auf die Instanzen von EIR, HLR und Authentication Center zu. Sowohl SGSN wie auch MSC vermitteln die einzelnen Pakete zwischen dem externen Gateway und dem BSC, der aus der lokalen VLR ausgelesen werden kann. Da das Kernnetz Access Network MSC SGSN GMSC EIR HLR AC GGSN Core Network ISDN Abbildung 6. Network Subsystem für GSM und GPRS (s. [3]). IP X.25 die Paketvermittlung auf übliche Internetdienste routet, ist das GPRS-Netz vollständig kompatibel zum IP-Protokoll. Im Schema des Kernnetzes aus Abbildung 6 sind die gestrichelten Linien ausschließlich Signalisierungsleitungen. Über die durchgezogenen Leitungen können an dieser Stelle Signalisierungen oder Nutzdaten ausgetauscht werden. C. Steigerung der Übertragungsrate durch EDGE Die Beschränkungen von GPRS wurden mit der Ergänzung durch EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) überwunden. Dazu wurde ein anderes Modulationsverfahren, basierend auf dem 8PSK-Prinzip (8 Phase Shift Keying), eingesetzt. Die Phase des übertragenen Signals ist dabei in acht Intervalle unterteilt. Abhängig von der Phasenverschiebung

5 EINFÜHRUNG IN HSDPA UND HSUPA 5 können damit mehrere Bits zugleich codiert werden. Da somit die Anzahl der Bits pro Übertragungsschritt von 1 auf 3 erhöht wurde, lässt sich eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit von etwa 60 kbit/s auf einem Timeslot erreichen [1]. IV. WEITERENTWICKLUNG ZU UMTS Mit UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) plante das 3GPP (3rd Generation Partnership Project), die Übertragungsgeschwindigkeiten beim Datentransfer über die Limitierungen von GSM hinaus zu erhöhen. Analog zur Entwicklung ADSL-Leitungen im Festnetz erreicht UMTS zunächst Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 384 kbit/s im Downlink. Die Entwicklung des Standards erfolgt in mehreren Stufen, die als Releases bezeichnet werden. Die bereits bestehende Infrastruktur des GSM-Netzes wurde weitgehend übernommen und der UMTS-Standard dahingehend entwickelt, diese Infrastruktur hauptsächlich durch Software-Updates nutzen zu können. Allerdings wurde die Nomenklatur der Netzknoten verändert: Die Base Transceiver Stations aus dem GSM-Netz werden bei UMTS als Node- B, der Base Station Controller (BSC) als Radio Network Controller (RNC) sowie die Endgeräte statt Mobile Station als User Equipment (UE) bezeichnet. A. Release 99 In dem 1999 veröffentlichten Release weden neue Technologien im Radionetzwerk spezifiziert. Dabei wurde mit dem UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Network) eine neu entwickelte Zugangsebene gegenüber GSM eingeführt. Das Verfahren des Frequenz- bzw. Zeitmultiplexing hatte in GSM zu einer Einschränkung der maximal erreichbaren Übertragungsrate geführt. Daher wurde dieses durch das Wideband Code Division Multiple Access (W-CDMA) ersetzt. Einzelne Benutzer werden dabei nicht mehr durch Zeitintervalle identifiziert, sondern durch spezielle, individuelle Codes unterschieden. Außerdem wurde die Bandbreite in der Luftschnittstelle erweitert. Innerhalb Europas verwendet UMTS 12 Bänder zwischen 1920 und 1980 MHz (Uplink) bzw. zwischen 2110 und 2170 MHz (Downlink). Jedes dieser Bänder deckt ein Intervall von 5 MHz ab. An der Hardware des bestehenden Kernnetzes gibt es in Release kaum Änderungen. Daher kann GSM auch weiterhin zusammen mit einem UMTS-Netz über die gleiche Infrastruktur verwendet werden. Die UMTS-Zugangsnetze werden an die bereits vorhandenen MSCs angeschlossen. B. Release 4 Im Kernnetzwerk des GSM-Standards wurden Verbindungen über das E1-Interface mit einer Bandbreite von 64 kbit/s übertragen. Dieses Verfahren wurde durch das Release 4 dahingehend geändert, dass die leitungsvermittelnden Dienste des Kernnetzes auf ATM- bzw. IP-Protokolle migriert wurden. Im Zusammenhang damit wurde das Bearer Independent Core Network (BICN) eingeführt [1]. Ziel war es, das leitungsvermittelnde Sprachnetz und das paketorientierte Datennetz zu einem Netz zusammen zu führen. In späteren Releases war vorgesehen, den gesamten Datenverkehr innerhalb des Kernnetzes und an die externen Netze über IP laufen zu lassen [4]. C. Code Division Multiple Access Im Gegensatz zu dem bei GSM eingesetzten Zeit- und Frequenzmultiplexing können bei UMTS alle Teilnehmer gleichzeitig Daten übertragen. Die Identifikation der Teilnehmer wird dabei durch individuelle Codes rekonstruiert, die übertragenen Daten aller anderen Teilnehmer wird als»hintergrundrauschen«wahrgenommen und heraus gefiltert. Der einem Teilnehmer zugewiesene Code zur Identifikation ist orthogonal zu den Codes der anderen Teilnehmer. Übertragen zwei Teilnehmer gleichzeitig ein Signal, werden beide Signale additiv überlagert. Durch die Orthogonalität der Codes beeinflussen sich gleichzeitig übertragene Daten auf demselben Band nicht gegenseitig und können beim Empfänger durch Anwendung des Codes eindeutig rekonstruiert werden [4]. Die bei UMTS verwendeten Codes sind Vektoren von bis zu 512 Bit Länge. Vor der Übertragung der Nutzdaten über die Luftschnittstelle des Endgerätes werden die Daten bitweise mit einem solchen Vektor multipliziert. Durch diese Bandspreizung entstehen für jedes Bit so viele»chips«, wie der Code lang ist, die dann über die Schnittstelle übertragen werden. Bei UMTS beträgt die Übertragungsgeschwindigkeit der Chips auf der Luftschnittstelle konstant 3,84 MChip/s. Zunächst erscheint es wenig sinnvoll, die Anzahl der zu übertragenden Chips auf diese Weise künstlich zu erhöhen. Da die Luftschnittstelle aber ein ungünstiges Übertragungsmedium darstellt, lässt sich mit diesem Verfahren eine zusätzliche Fehlerkompensation umsetzen, was letztlich den Datendurchsatz erhöht. Als Faustregel gilt auch, dass die Länge der (orthogonalen) Code-Vektoren äquivalent zur maximalen Anzahl der gleichzeitig zulässigen Netzteilnehmer ist. Längere Codes (bzw. viele Teilnehmer) bedeuten jedoch auch ein größeres Rauschen, das kompensiert werden muss. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Kollisionen auftreten und die Übertragungsgeschwindigkeit sinkt. Durch die Ausdehnung des Bandes von 200 khz auf 5 MHz wird die Übertragungsgeschwindigkeit für einzelne Teilnehmer gesteigert. Andererseits entsteht durch das zusätzliche Rauschen der anderen Teilnehmer eine weitere Begrenzung der Übertragungsgeschwindigkeit. Dieser kann durch eine Erhöhung der Sendeleistung entgegen gewirkt werden [1]. In Europa ist jedoch die maximale Sendeleistung für mobile Endgeräte auf 250 mw begrenzt. Die Paketorientierung bei GPRS führte dazu, dass den einzelnen Endgeräten für Übertragungen neue Ressourcen (Kanäle) zugewiesen werden müssen. Dadurch entstand häufig eine zusätzliche Latenz, die die Übertragungsgeschwindigkeit ausbremste. UMTS überwindet diese Einschränkungen, da jedem Teilnehmer durch den Code-Vektor ein dauerhafter Kanal zugewiesen werden kann [1]. Für neue Teilnehmer wird die Berechnung der orthogonalen Codes anhand eines OVSF- Baumes (Orthogonal Variable Spreading Factors) vorgenommen.

6 6 SEMINAR»MOBILE GERÄTE«D. Kanalstrukturen und UTRAN Das UTRAN ist als Zugangsnetzwerk für die Netzteilnehmer ähnlich strukturiert wie bereits im GSM-Netz. Über die Luftschnittstelle verbinden sich die Endgeräte (UE) mit dem jeweils für das aktuelle Versorgungsgebiet zuständigen Node-B. Dieser ist über eine Drahtverbindung an das RNC angekoppelt und stellt somit indirekt eine Verbindung mit dem Kernnetz her (vgl. Abbildung 7). Innerhalb des UTRAN sind die einzelnen RNC untereinander mit Nutz- und Signalisierungsstrecken verknüpft. Zu jedem RNC gehören ein oder mehrere Node-B, die ebenfalls über Nutz- und Signalisierungsstrecken angebunden sind. Das UE UE UE Abbildung 7. Node-B RNC UTRAN Aufbau des Access Network bei UMTS. Core Network von UMTS verwendete Kernnetz war zunächst identisch mit dem GPRS-Kernnetz, wie in Abbildung 6 dargestellt. Da die Zugangsnetze hier jedoch bereits parallel zu denen aus dem klassischen GSM-Netz aufgebaut sind, können gekreuzte Verbindungen zwischen SGSN und BSC bzw. MSC und RNC sowie Verbindungen zwischen SGSN und RNC (für reine Datenverbindungen) bzw. MSC und BSC (für Sprachübertragung) hergestellt werden. Wie auch schon in den Standards zu GSM und GPRS/EDGE basiert UMTS auf Kanälen zur Übertragung von Daten. Zusätzlich werden Shared Channels eingeführt, die den Common Channels ähneln. Diese werden jedoch nur von den UE abgehört, die vom Netzwerk dazu aufgefordert werden. Logische Kanäle dienen zur Unterscheidung der Daten, die schließlich über die Luftschnittstelle übertragen werden sollen. Dabei spielt es keine Rollen, in welcher Form die physikalische Übertragung tatsächlich stattfindet. Über die Transportkanäle werden die zu übertragenden Daten vorbereitet, also z.b. über das MAC-Protokoll in Pakete zerlegt [1]. Hier wird auch bereits die Kanalcodierung festgelegt, die jedoch erst auf einem physikalischen Kanal durchgeführt wird. E. Verbindungs- und Mobilitätsverwaltung Aus Sicht des Kernnetzes kann sich ein Endgerät in einem der Zustände»Detached«(offline),»Idle«(online und für Paging erreichbar) oder»connected«(gerät ist online und nutzt bereits einen DCH-Transportkanal). Beim Umleiten eines Teilnehmers auf eine andere Zelle unterscheidet man bei UMTS zwischen Soft Handover- Verfahren und Hard Handover. Das Hard Handover ähnelt dem Handover-Verfahren, das bereits aus GSM bekannt ist und basiert auf der gemessenen Signalstärke. Dieser Vorgang, bei dem die Verbindung kurzzeitig getrennt wird, dauert in der Regel nur maximal 100 ms. Im Gegensatz dazu wird die Verbindung beim Soft Handover gar nicht unterbrochen [1]: Abhängig von der Signalstärke werden hier während des Zellwechsels die Pakete von mehreren Node-Bs in Reichweite gleichzeitig übertragen. V. UMTS RELEASE 5: HSDPA Die ersten Releases von UMTS versprachen im Downlink Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 2 Mbit/s. Effektiv waren jedoch nur maximal 384 kbit/s erreichbar. Mit dem Release 5 wurde schließlich HSDPA eingeführt, was theoretische Geschwindigkeiten von 14 Mbit/s pro Teilnehmer ermöglichen sollte. Tatsächlich wurden in der Praxis zunächst 2 bis 3 Mbit/s erreicht. System Generation Real Theorie GSM 2G 9,6 kbit/s 14,4 kbit/s GPRS 2.5G 50 kbit/s 170 kbit/s EDGE 2.5G 130 kbit/s 384 kbit/s UMTS 3G 384 kbit/s 2048 kbit/s HSDPA 3.5G 2 Mbit/s 14,4 Mbit/s Tabelle II DOWNLINK-GESCHWINDIGKEITEN IM VERGLEICH [5]. Technologisch wurde HSDPA so entwickelt, dass es parallel zu den klassischen UMTS-Zugangsnetzen eingesetzt werden kann. Netzbetreiber sind damit nicht verpflichtet, sämtliche Node-B-Instanzen zu aktualisieren. In der Praxis werden vor allem in Ballungsgebieten neue Node-B für den Zugang zum HSDPA-Netz eingefügt. A. HSDPA-Kanäle auf der Luftschnittstelle Eine Neuerung von HSDPA besteht in dem High-Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH), dem Transportkanal für Nutzdaten aus dem Internet. Zusätzlich wurde der Kontrollkanal HS-DCCH (High-Speed Downlink Control Channel) eingeführt, um den Transportkanal in seiner Funktionalität zu steuern. [2] Bei üblichen UMTS-Netzen können aufgrund des Code-Multiplexings nur verhältnismäßig wenige Teilnehmer gleichzeitig die volle Bandbreite ausnutzen. Durch den HS- DSCH-Kanal wird diese Anzahl auf bis zu 15 Endgeräte erhöht, da dieser Kanal einen Spreizfaktor von 16 hat [4]. Zusätzlich ist im HSDPA-Standard vorgesehen, dass Endgeräte, die eine gute Empfangsqualität an das Netz zurück melden, häufiger Daten empfangen dürfen. Auf diese Weise werden fehlerhafte Datenübertragungen weitgehend vermieden [6]. Aufgrund der sich verändernden Bedingungen zwischen UE und UTRAN lassen sich fehlerhafte Übertragungen jedoch nicht ganz vermeiden. Um einen Paketverlust zu vermeiden, werden die fehlerhaften Pakete erneut durch das UE angefragt und übertragen. Dadurch ergeben sich variable Verzögerungen, die auf Seite des TCP-Netzwerks kompensiert werden müssen. B. Latenzzeiten und Wiederholungsanforderungen Ein weiteres bisheriges Problem bei der Verwendung von Luft als Übertragungsmedium waren hohe Latenzzeiten, woraus sich eine hohe Verzögerung ergab. Mit HSDPA wurde der Versuch unternommen, diesen Round Trip Delay (RTD) zu reduzieren. Noch bei Release 99 waren Verzögerungszeiten

7 EINFÜHRUNG IN HSDPA UND HSUPA 7 zwischen 160 und 200 ms üblich, bei HSDPA konnte diese Zeit auf etwa 70 ms gesenkt werden [1]. Dies war möglich, da mit dem Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) ein Reduktionsmechanismus eingeführt wurde. Dieser ist in der für HSDPA angepassten MAC-Schicht im Protokollstapel implementiert [4]. Da im Gegensatz zum Release 99 die Blockgrößen auf dedizierten Kanälen von 10 auf 2 ms reduziert wurden, können fehlerhafte Pakete schneller erneut angefordert werden [1]. HARQ bietet zwei verschiedene Ansätze für die wiederholte Anforderung fehlerhafter Pakete an: Beim Chase Combining wird eine identische Bitfolge erneut übertragen. Das UE erkennt anhand der vollständigen Wiederholung nun den Fehler und kann diesen korrigieren. Zusätzlich gibt es das Incremental Redundancy, was der ersten Variante zwar stark ähnelt, jedoch wird hierbei nicht die gesamte Bitfolge, sondern nur eine redundante Zusatzinformation übertragen. Mit dieser Redundanz ist es ebenfalls möglich, den Übertragungsfehler zu korrigieren. Besonders beim Incremental Redundancy- Verfahren wird deutlich weniger Bandbreite für die wiederholte Übertragung aufgewendet, weswegen sich dieses Verfahren bei schlechterer Verbindungskapazität eingesetzt [4]. C. Modulation und Codierung In UMTS werden neue Verfahren zur Modulation der Signale zwischen UE und Node-B eingesetzt. Durch die Vierphasenmodulation QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) können zwei Bits pro Schritt übertragen [6]. Dieses Verfahren wurde in HSDPA übernommen, jedoch wird bei besseren Übertragungsbedingungen das neuere Modulationsverfahren 16QAM (16 Level Quadrature Amplitude Modulation) verwendet. Damit lassen sich pro Übertragungsschritt 4 Bit modulieren, wodurch die Übertragungsrate gesteigert werden kann (vgl. Abbildung 8) [1]. Da die Zustände beim 16QAM-Verfahren 01 Abbildung 8. Q (a) QPSK I Q 8 9 B A (b) 16QAM Modulationsverfahren bei HSDPA [4] in Polarkoordinaten. dichter beieinander liegen, ist diese anfälliger für Störungen. Das Zugangsnetz kann bei HSDPA, abhängig von der Übertragungsqualität, zwischen diesen Modulationsverfahren wechseln. Auf diese Weise können zumindest die aus den ersten UMTS-Releases bekannten Übertragungsgeschwindigkeiten gewährleistet werden. Darüber hinaus wird durch einen Channel Quality Index die Güte der Übertragungsqualität beurteilt werden. Anhand dieser Größe entscheidet das Zugangsnetz, wie viele Redundanz-Bits in die übertragenen Informationen eingeflochten werden, um C D F E I eine wiederholte Übertragung weitgehend auszuschließen. Dadurch sinkt bei qualitativ schlechten Übertragungsbedingungen zwar zunächst die effektive Übertragungsrate, jedoch wird somit eine stabile Übertragung ermöglicht [1]. D. Aufbau von HSDPA-Verbindungen Da neben den geteilten Kanälen bei HSDPA auch noch dedizierte Kanäle genutzt werden, ist für den Verbindungsaufbau ein dedizierter GSM-Kanal (DCH) notwendig. Das Endgerät muss sich dazu im Empfangsmodus befinden und ständig die ihm vom UTRAN zugewiesenen Steuerkanäle überwachen. Als erstes wird der zuständige Node-B vom S-RNC über die aufzubauende Verbindung informiert, um die notwendigen Kanäle vorzubereiten, anschließend werden Ressourcen innerhalb des UTRAN allokiert (Radio Link Reconfiguration, RLR). Im nächsten Schritt wird das Endgerät über den Ab- Abbildung 9. UE Node-B S-RNC BW Allocation DATA RLR Prepare RLR Ready RLR Complete Transport Bearer Setup RBR RBR Complete FCC Request FCC Allocate DATA Aufbau einer HSDPA-Verbindung. Incoming User Data schluss der getroffenen Vorbereitungen informiert und kann mit einem Radio Bearer Reconfiguration-Handshake (RBR) dem Netzwerk mitteilen, dass es für den Datentransfer bereit ist. Zwischen S-RNC und Node-B wird nun noch die Flusskontrolle (Flow Control Capacity, FCC) ausgehandelt, um einen Pufferüberlauf zu verhindern. Der Node-B weist dem Endgerät schließlich noch die Bandbreite zu und leitet dann die vom Kernnetz erhaltenen Daten an das Endgerät weiter (vgl. Abbildung 9) [1]. VI. UMTS RELEASE 6: HSUPA Ursprünglich war UMTS so entwickelt worden, dass mobile Endgeräte lediglich als Clients auf Inhalte zugreifen. Daher wurde die Übertragungsgeschwindigkeit zunächst nur im Downlink erhöht. Im Uplink waren bis ins Release 5 selten mehr als 128 kbit/s möglich. Mit HSUPA wurde nun eine überarbeitete Technologie eingeführt, die theoretische Datenraten von bis zu 5,8 Mbit/s ermöglichen sollte. Unter realistischen Praxisbedingungen sind allerdings immer noch 800 kbit/s erreichbar. Im Gegensatz zu HSDPA ist es bei HSUPA nötig, dass die Endgeräte von sich aus Daten senden.

8 8 SEMINAR»MOBILE GERÄTE«System Generation Real Theorie GPRS 2.5G 13,4 kbit/s 26,8 kbit/s EDGE 2.5G 118,4 kbit/s 236,8 kbit/s UMTS 3G 128,4 kbit/s 384 kbit/s HSUPA 3.5G 1,8 Mbit/s 3,6 Mbit/s Tabelle III UPLINK-GESCHWINDIGKEITEN IM VERGLEICH. Da die Sendeleistung bei mobilen Geräten jedoch gegenüber den Node-B stark eingeschränkt ist, kann hier nicht dieselbe Technik verwendet werden [7]. Da bei HSDPA ohnehin bereits ein DCH-Transportkanal für den Uplink von TCP-Acknowledge-Nachrichten geöffnet werden muss, kann HSUPA auf diesem Kanal aufbauen. Eine Erweiterung auf den Enhanced Dedicated Channel (E- DCH) sorgt für höhere Datenraten, verzichtet dabei jedoch auf konstante Bandbreite und konstante Latenz. Da allerdings die Bandbreite für den Uplink steigt, kann die Verzögerungszeit wiederum gesenkt werden [1]. Innerhalb einer Zelle sind die sendenden Endgeräte nicht exakt synchron zueinander, wodurch sich eine Verschiebung der Code-Vektoren zueinander ergibt. Da also nicht mehr nur noch eine Instanz (im Falle von HSDPA der Node-B) für die orthogonale Codierung nach dem CDMA-Verfahren zuständig ist, bedarf es bei HSUPA einer zusätzlichen Synchronisierungssteuerung, um die Orthogonalität der Codes zu garantieren [8]. A. Kanalstruktur und Scheduling Signalisiert ein Endgerät, dass es einen dedizierten Kanal (DCH) nutzen möchte, wird nun geprüft, ob das Endgerät HSUPA (bzw. E-DCH) unterstützt. Ist dies der Fall und ist die Verwendung eines E-DCH aufgrund von Umgebungsbedingungen, wird entsprechend ein E-DCH vergeben, ansonsten ein gewöhnlicher DCH. Der Aufbau des Kanals ist anschließend in beiden Fällen sehr ähnlich [1]. Der Node-B teilt den anfragenden Endgeräten mit, mit welcher Leistung es seine Daten im Uplink übertragen darf [8]. Nach dem Einrichten eines E-DCH sendet das Endgerät über diesen eine (geschätzte) Bandbreitenanforderung an den Node-B. Abhängig von Rauschgehalt, Bandbreitenbedarf konkurrierender Endgeräte und einer Verbindungspriorität weist der Node-B dem Teilnehmer eine entsprechende Bandbreite zu (Absolute Grant) [1]. Diese Art des Schedulings ist besonders für Dienste von Bedeutung, die eine konstante Übertragungsrate und niedrige Latenzen benötigen (z.b. VoIP) [8]. Die Zuweisung kann an einzelne oder mehrere Endgeräte erteilt werden [1]. Ein anderer Ansatz ist das Time Scheduling, bei dem Endgeräte nur innerhalb bestimmter Zeitintervalle Daten übertragen dürfen. Der Datendurchsatz kann mit diesem Verfahren zwar erhöht werden, insgesamt steigt jedoch auch die Latenz [8]. Die Sendeleistung kann hierbei kurzfristig, innerhalb von 2 bzw. 10 ms, geändert werden [1]. Diese beiden Methoden können wahlweise auch miteinander kombiniert werden [8]. B. Modulation Anstelle der bei HSDPA üblichen Kombination aus QPSKund 16QAM-Modulation verwendet das sendende Endgerät eine binäre PSK-Modulation, um Energie zu sparen [8]. Pro Schwingungsintervall kann damit allerdings nur ein einzelnes Bit übertragen werden. Die Phase des Signals wird beim Kippen des Bits um jeweils 180 verschoben. VII. ZUKÜNFTIGE RELEASES Seit der ersten Einführung von HSDPA sind mittlerweile etwa fünf Jahre vergangen. In der dritten Ausbaustufe von HSPA von 2008 sind im Downlink effektive Geschwindigkeiten von bis zu 7,2 Mbit/s und im Uplink 3,6 Mbit/s erreicht. In der 3GPP-Spezifikation»HSPA+ Release 7«ist ein weiteres Upgrade der bisherigen Technologie vorgesehen. HSPA+ (bzw. HSPA Evolution) verspricht Downlink-Raten von 28 Mbit/s sowie Uplink-Raten von bis zu 11 Mbit/s. Statt dem bei HSDPA eingesetzten 16QAM wird das Modulationsverfahren auf 64QAM im Downlink erweitert. Damit stehen pro Übertragungsschritt 6 Bit zur Verfügung, die auf dem Funksignal codiert werden können. Das 16QAM-Verfahren ist auch für den Uplink mit HSPA+ geplant. Darüber hinaus ist mit einer Übertragung auf mehreren Trägern zur gleichen Zeit auch eine Downlink-Steigerung auf (theoretische) 42 Mbit/s (in Release 8) sowie 84 Mbit/s (in Release 9) angekündigt [9]. Zur weiteren Erhöhung des Datendurchsatzes werden Endgeräte bei HSPA+ mit mehreren Antennen ausgestattet. Mit Hilfe dieser»multiple Input, Multiple Output«-Technologie können mehrere Informationseinheiten zeitlich parallel übertragen werden. Dieses Verfahren wird bereits bei Wireless- LAN-Systemen eingesetzt. Der Einsatz von MIMO-Antennen ist jedoch zunächst nur für HSDPA+, also im Downlink, vorgesehen. LITERATUR [1] M. Sauter, Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme. Vieweg, [2] UMTSlink. (2010) Hsdpa basics. [Online]. Available: [3] Elektronikkompendium. (2011) Gsm-systemarchitektur. [Online]. Available: [4] J. Morgenroth, HSDPA. die nächste ausbaustufe von UMTS, [5] J. Korhonen, HSDPA. An Introduction, TTPCom, [6] Elektronikkompendium. (2010) Hsdpa high speed downlink packet access. [Online]. Available: [7]. (2010) Hsupa high speed uplink packet access. [Online]. Available: [8] UMTSlink. (2010) Hsupa basics. [Online]. Available: [9] Elektronikkompendium. (2010) Hspa+ / hspa evolution. [Online]. Available: [10] MAC Protocol Specification, 3GPP, , tr V [11] HSDPA Overall Description; Stage 2, 3GPP, , tr V