09.09.2003
7 Der Prozessgewinn

Wie bereits im 6. Kapitel angekündigt, wollen wir Ihnen in diesem Kapitel der UMTS-Grundlagen Schwächen des UMTS-Verfahrens aufzeigen. Natürlich werden wir auch verdeutlichen, wie diese für ein funktionierendes Mobilfunknetz beseitigt werden können.

7.1 Leistungsaspekte von UMTS

In den letzten beiden Kapiteln wurde das orthogonale Kodieren und Dekodieren mit dem Channelization-Code erklärt. Diese Kodierung ist notwendig, um einerseits mehrere Teilnehmersignale über ein und dasselbe Übertragungsmedium transportieren zu können, und andererseits die diversen Signale breitbandig mit 5 MHz relativ störsicher zu übertragen. Dabei verwenden Signale geringerer Datenraten größere Spreizfaktoren, womit auch gleichzeitig ein größerer Prozessgewinn verknüpft ist. Ein größerer Prozessgewinn erlaubt wiederum, dass das Signal mit geringerer Leistung über die Luftschnittstelle gesendet werden kann.

Da jede Bodenfunkstation nur eine beschränkte Gesamtsendeleistung hat (typischerweise 20 W), wird die Zellkapazität unter anderem auch durch die maximal verfügbare Leistung bestimmt. Ein "langsameres" Signal verwendet also einen größeren Spreizfaktor und hat damit einen größeren mathematischen Prozessgewinn. Es verbraucht daher auch weniger der Zellengesamtleistung bzw. Zellenkapazität.



Abbildung 1: Leistungsaufteilung zwischen den Teilnehmern


Das Bild oben zeigt dieses "Leistungs-Sharing" vereinfacht. Fünf Teilnehmer teilen sich die Zellenleistung, wobei der rote Teilnehmer prozentual (hier etwa 40%) den größten Teil der Leistung beansprucht und somit auch am meisten von der Zellenkapazität benötigt. Der lilafarbende Teilnehmer hingegen belegt nur etwa 5% der Gesamtleistung. Augenscheinlich lässt sich bereits erkennen, dass der rote Teilnehmer eine wesentlich höhere Datenrate haben wird als der gelbe oder gar lilafarbende Teilnehmer.

Fazit ist, dass sich beim WCDMA-Multiplexverfahren alle Teilnehmer die Zellenleistung miteinander teilen müssen. Je größer die Datenrate, umso mehr wird von der Zellenleistung benötigt. Andererseits benötigt ein Teilnehmer auch eine größere Sendeleistung, je weiter er von der Funkbodenstation entfernt ist. Für die Zellkapazität wäre die schlechtest mögliche Situation, dass sich ein Teilnehmer mit hoher Datenrate sehr weit von der Bodenstation entfernt befindet, da in diesem Fall zwei Mechanismen zum Tragen kommen, die einen höheren Leistungsbedarf erfordern - hohe Datenrate und große Distanz zur Bodenstation. Genau das ist auch der Grund, warum Makrozellen eine geringere Maximaldatenrate (144 kbit/s) bieten als Mikrozellen (384 kbit/s). Die Makrozellen sind um einiges größer als die Mikrozellen und somit kann auch der mögliche Abstand Teilnehmer-Bodenstation größer sein. Pikozellen würden sogar Datenraten bis zu 2 Mbit/s erlauben - sie erlauben auch nur eine maximale Ausdehnung von ca. 50 Metern.

7.2 Beste Verbindungseigenschaften

Eine sehr attraktive Netzeigenschaft von UMTS, die im GSM nicht zur Verfügung steht, können wir jetzt verstehen. Nehmen wir an, ein Teilnehmer befindet sich am Zellrand und ist bereits so weit von der Basisstation entfernt, dass das Handy die Leistung nicht mehr nachregeln kann, um die große Distanz zur Basisstation zu kompensieren, da die Kapazität des Handyakkus sehr beschränkt ist. Ein UMTS-Handy kann je nach Klasse eine maximale Sendeleistung von 0,5W bis 1W haben. Beim analogen Mobilfunknetz der ersten Generation zog das die Konsequenz nach sich, dass die Verbindung immer schlechter wurde, was sich durch Rauschen und Knackgeräusche bemerkbar machte. Man konnte jedoch meistens immer noch etwas von einem Gespräch verstehen, da die Funkverbindung nicht abgerissen ist. Nur die Gesprächsqualität war bereits sehr schlecht. Bei GSM als typischer Vertreter der zweiten Mobilfunkgeneration schaut es in dieser Situation noch viel schlechter aus. Da GSM ein digitaler Funkstandard ist, bricht die Verbindung gnadenlos ab, sobald ein gewisses Leistungsniveau nicht mehr gehalten werden kann. Ist ein Handover in die nächste Zelle nicht möglich, da diese bereits voll belegt ist und keine Ressourcen mehr frei hat, verliert der Teilnehmer bei GSM die Verbindung.

Bei UMTS schaut dieser Sachverhalt - dank WCDMA - ganz anders aus. Telefoniert der Teilnehmer z.B. mit einem C128-Codekanal (also auch mit Prozessgewinn 128), was einer Datenrate von 12,2 kbit/s entspricht (entspricht bei GSM einem EFR-Sprachkanal), und ist die Entfernung so groß, dass das Handy nicht mehr mit dem Akku nachregeln (z.B. maximal 0,5W) kann, so besteht die Möglichkeit, die Sprachkompression zu vergrößern, indem ein anderer Sprachcodec verwendet wird. Die Sprachkompressionsraten von 4,75 kbit/s bis 7,95 kbit/s benötigen bei der Spreizung nur mehr einen C256-Code. Wechselt man die Sprachkompression jetzt von 12,2 kbit/s auf z.B. 7,95 kbit/s, so ändert sich auch der Prozessgewinn von 128 auf 256, wodurch sich die empfangbare Leistung von der Bodenstation mathematisch um den Faktor 2 vergrößert. Das Teilnehmersignal ist also für die Bodenstation durch den größeren Prozessgewinn wieder einwandfrei verständlich. Dazu muss noch gesagt werden, dass das Sprachkompressionsverfahren (AMR) von UMTS sehr hochwertig ist. Eine UMTS-Sprachkompression auf 7,95 kbit/s hat eine bessere Sprachqualität als eine GSM-Standard-Sprachkompression mit 13 kbit/s! Durch die Vergrößerung des Prozessgewinns um den Faktor 2, vergrößert sich die Reichweite der Zelle um ca. 41 Prozent:



Abbildung 2: Zellvergrößerung durch Änderung des Spreizfaktors


7.3 Der Scramblingcode

Bisher haben wir den Channelization-Code nur von seiner positiven Seite betrachtet. Es gibt jedoch zwei Probleme, die wir bisher vernachlässigt haben.

Problem 1
Bisher haben wir nur die Teilnehmer einer einzigen Zelle durch den Channelization-Code des Codebaums zusammengefasst, um sie auf dem gemeinsam genutzten Frequenzpaket zu übertragen. Was ist aber, wenn alle Codes in unserer betrachteten Zelle bereits vergeben sind? Was macht die Nachbarzelle, wenn der Codebaum bereits von unserer Zelle "ausgebeutet" wurde? Es muss irgendwie gewährleistet werden, dass jede Zelle einen Codebaum zur Verfügung hat.

Problem 2
Betrachten wir uns das Bild unten, das zwei Teilnehmer in einer Zelle zeigt, die gegenüber der Basisstation um 78 Meter unterschiedliche Entfernung haben. Der nähere blaue Teilnehmer verwendet den C4,2-Code und der weiter entferntere rote Teilnehmer verwendet den C4,4-Code. 78 Meter ist jene Strecke, die in 0,26us zurückgelegt wird. Wobei 0,26us genau die Zeitdauer eines Chips ist (1/3.840.000 Sekunden).



Abbildung 3: Asynchronität im Uplink


Für den Empfang bei der Bodenstation, hat diese Konstellation die Konsequenz, dass das blaue Signal von Teilnehmer A um genau 0,26us früher ankommt als das rote Signal von Teilnehmer B, da der Teilnehmer B um 78m weiter entfernt ist, was einer zeitlichen Verzögerung von 0,26us - also einem Chip - entspricht. Aus Sicht der Bodenstation schauen die Codes dieser zwei Signale folgender Maßen aus:



Abbildung 4: Asynchroner Empfang bei der Bodenstation


Wie man unschwer aus der oberen Abbildung erkennen kann, schaut die Kodierung der zwei Signale für die Bodenstation identisch aus. Die Bodenstation kann die zwei Signale nicht mehr voneinander trennen, sie bleiben somit vermischt und erhält so eine Art "Konferenzschaltung". Die zwei Codes sind bei asynchroner Lage nicht mehr orthogonal. In der Realität würden die zwei vermischten Signale durch die Datenverschlüsselung gegenseitig unbrauchbar machen - Beide Kanäle würden abbrechen.

Dieses Problem der Asynchronität gibt es aber nur im Uplink, nicht aber im Downlink. Im Downlink gibt es nur eine einzige Quelle, die somit alle Einzelsignale synchron zueinander aussendet. Im Uplink gibt es in der Zelle mehrere Quellen (die Teilnehmer), die bei UMTS nicht synchron zueinander sind und damit auch nicht mehr 100% orthogonal. Einige CDMA-Netze (nicht UMTS!) synchronisieren deswegen alle Teilnehmer zueinander auf. Was aber macht UMTS?

Wie die zwei Probleme oben gezeigt haben, muss hier etwas geschehen. Aus diesem Grund wird bei UMTS eine zweite Codeklasse eingeführt - der Scramblingcode. Der Scramblingcode ist ebenfalls eine orthogonale Codeklasse, hat aber den entscheidenden Vorteil, dass die verschiedenen Codes zueinander auch noch dann "fast" orthogonal bleiben, wenn sie zueinander asynchron sind - also verschoben wie in Abbildung 4. Dieses "fast" ist sehr wichtig zu beachten, da dies für die Leistungsbilanz noch entscheidende Konsequenzen haben wird. Der Scramblingcode besteht fix aus 38.400 Chips und dient nur zur orthogonalen Kodierung, nicht aber zur Bandspreizung und daher auch nicht für den Prozessgewinn.

Im Downlink wird der Scramblingcode zur orthogonalen Kodierung der einzelnen Zellen verwendet. Jede Zelle bekommt als Identität also einen eigenen Satz von Scramblingcodes. Es gibt insgesamt 512 Sätze mit je 16 Codes. Jeder Satz hat genau einen primären und 15 sekundäre Scramblingcodes.

Im Uplink wird der Scramblingcode zur orthogonalen Kodierung der einzelnen Teilnehmer einer Zelle benutzt. Da der Scramblingcode auch bei asynchroner Zeitlage "nahezu" orthogonal bleibt, kann die Bodenstation die asynchronen Teilnehmersignale wieder voneinander trennen. Insgesamt gibt es über 16 Millionen verschiedene Scramblingcodes für den Uplink.

© Rudolf Riemer, http://www.umtslink.at

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