09.09.2003
9 UMTS-Leistungsregulierung

9.1 Leistungssteuerung im UMTS

In Kapitel 8 konnten wir lesen, dass die Teilnehmerkapazität einer UMTS-Zelle durch die Quasiorthogonalität des Scramblingcodes beeinflusst wird, da diese Codeklasse Reststörsignale im dekodierten Nutzsignal zurücklassen, die für die Signalqualität reduzierend wirken. Wie gut die Kapazität einer Zelle nun wirklich ist, hängt nicht nur davon ab, wie viele Teilnehmer in der Zelle sind, sondern auch davon, wie die Teilnehmerdichten in den benachbarten Zellen sind. Ganz allgemein gilt: Jede Sendequelle trägt zur Störleistung bei.

Je weiter die Störquelle in Nachbarzellen entfernt und je geringer die Datenrate allgemein ist, umso wenigerer Störanteile werden produziert. Nach ersten Schätzungen wird man im Durchschnitt in einer Zelle mit ca. 60 Teilnehmergesprächen rechnen können. Zur Zeit fehlen noch die Erfahrungswerte, wie weit die Störüberlagerungen die Kapazität tatsächlich einschränken werden. Die UMTS-Probeläufe, die nach und nach durchgeführt werden, sollen auch diesbezüglich wertvolle Prüfwerte ermitteln.

Am Ende des letzten Kapitel habe ich erwähnt, dass bei einfacher Leistungsregelung ein Aufschaukeleffekt stattfinden kann. Bei asynchronen CDMA-Netzen, wie UMTS, ist ein ausgeklügeltes Leistungsregelsystem von enormer Bedeutung. Es muss die Zellenkapazität so groß wie nur möglich halten und gleichteitig dauerhaft mit einer Minimalleistung arbeiten. Für diese Aufgabe existieren zwei Regulierungsverfahren: Open Loop- und Closed Loop-Leistungsregulierung.

9.2 Open Loop Leistungsregulierung

Dieses Verfahren wird bei der Initialisierung eines Verbindungsaufbaus verwendet,. wenn also ein Mobilteilnehmer jemanden anrufen will. Wird das UMTS-Netz in Kenntnis gesetzt, dass ein Teilnehmer einen Dienst in Anspruch anfordert, so wird als erstes die Open Loop Regulierung durchgeführt, um mit möglichst geringer Leistung, Daten austauschen zu können. Gleichzeitig soll auch ein möglichst geringer Störpegel für andere Teilnehmer erzeugt werden. Dazu wird zuerst die Sendekanalqualität zur Bodenstation vom Handy abgeschätzt, das erfolgt durch die Auswertung eines Pilotsignals (CPICH - Common Pilot Channel), das von jeder Bodenstation ausgestrahlt wird. Das Handy (UE - User Equipment) unternimmt jetzt mit der so abgeschätzten Leistung einen ersten Sendeversuch zur Bodenstation und wartet ab. Kommt kein Antwortsignal von der Bodenstation, so erhöht das Handy die Sendeleistung und übermittelt noch einmal die gleiche Anfrage. Das geht solange (im Bild unten n mal), bis die Bodenstation antwortet, wodurch der momentan korrekte Leistungspegel ermittelt ist.



Abbildung 1: Open Loop Leistungsregelkreis


Der Open Loop-Regelkreis ist nicht sehr effektiv und wird nicht für bereits aufgebaute Verbindungen benutzt - er dient nur zur Initialisierung, damit auch hier nicht mit zu hoher Leistung gesendet wird.

9.3 Closed Loop Leistungskontrolle

Bei bereits aufgebauten Funkkanälen wird ein geschlossener Leistungs-Regelkreis, der Closed Loop-Regelkreis, realisiert. Die Leistungsregulierung besteht aus einem inneren einem äußeren Regelkreis.

Innerer Regelkreis

Der innere Regelkreis findet zwischen Bodenstation (Node B) und Handy 1.500 mal pro Sekunde statt. Dazu wird in jedem Zeitschlitz eine Kontrollinformation für die Leistungsregulierung mitgeschickt. Zur Erinnerung ist hier noch einmal das Zeitformat von UMTS abgebildet, das pro Sekunde aus 100 Zeitrahmen und 1.500 Zeitschlitzen besteht:



Abbildung 2: Zeitformat von UMTS


Dabei sendet die Bodenstationen dem Handy die Information, ob es die Leistung halten, absenken oder anheben soll. Als Entscheidungskriterium für die Node B dienen Referenzwerte, die sie vom RNC (Radio Network Controller) alle 10 ms erhaltet. Das Handy schickt auch in jedem Zeitschlitz der Bodenstation eine Nachricht über die vom Handy empfangene Funkleistung.

Äußerer Regelkreis

Im äußeren Regelkreis berechnet der RNC alle 10 ms und somit pro Zeitrahmen anhand der auftretenden Signalfehlerrate ein neues SIR (Signal to Interference Ration: Nutzsignal zu Störsignal Verhältnis) und überträgt dieses neu berechnete SIR als Referenzwert zur Bodenstation (Node B), die dann im inneren Regelkreis pro Zeitschlitz diesen SIR-Wert realisieren muss. Die Fehlerrate des Nutzsignals muss entsprechend dem gewählten Übertragungsdienst und der dazu passenden Dienstgüte gewählt werden. Sprachdienste erlauben z.B. eine höhere Fehlerrate als E-mail-Übertragungen, da das menschliche Ohr kleine Fehler gar nicht registrieren kann. Sollte bei der Funkübertragung durch irgendwelche Störeinflüsse die Fehlerrate angestiegen sein, so wird dies vom RNC pro Zeitrahmen registriert und ein neues größeres SIR festgesetzt. Innerhalb der nächsten 10 ms (Zeitrahmendauer) regelt die Bodenstation dieses neue SIR 15 mal mit dem Handy aus. Danach berechnet der RNC anhand der Übertragungsresultate wieder ein neues SIR, da ja unter Umständen die Störquelle in der Zelle wieder verschwunden sein könnte. Die folgende Abbildung zeigt den geschlossenen Regelkreis:



Abbildung 3: Closed Loop Leistungsregulierung


Man erkennt also, dass die Leistungsregulierung bei UMTS sehr wichtig ist und 1.500 mal pro Sekunde erfolgt. Das erfordert natürlich eine hohe Rechenleistung der UMTS-Komponenten. Der RNC übernimmt hier unter anderem also auch die Aufgabe, eine bestimmte Dienstgüte aufrecht zu erhalten.

9.4 Kodierung mit dem Scrambing-Code

Wie wir gesehen haben, muss bei UMTS jeder Sendequelle ein eigener Scramblingcode zugewiesen sein, um deren Signale orthogonal kodieren zu können. Im Uplink bekommt jeder Teilnehmer einen eigenen Scramblingcode, im Downlink bekommt jede Bodenstation einen eigenen Scramblingcode zur quasiorthogonalen Kodierung, um asynchrone Probleme bezüglich der Orthogonalität zu vermeiden. Es sei hier nochmals erwähnt, der Scramblingcode dient nicht zur Spreizung der Signale, sondern nur zur Aufrechterhaltung der Orthogonalität! Bei der Kodierung mit dem Scramblingcode wird daher jedes zu kodierende Chip mit jeweils einem Chip des Scramblingcodes multipliziert. Folgendes Bild soll diesen Zusammenhang verdeutlichen:



Abbildung 4: Kodierung mit dem Scramblingcode (rot)


Man erkennt am grünen kodierten Signal, dass der Scramblingcode bei einigen der Eingangschips das Vorzeichen verändert hat, da der Scramblingcode durch die NRZ-Kodierung (siehe Kapitel 5) nur aus den Werten +1 und -1 besteht. Die Ausgangs-Datenrate entspricht natürlich der Eingangs-Datenrate, beide haben eine Rate von 3,84 Mchip/s. Wir wissen, dass der Scramblingcode aus 38.400 Chips besteht, was exakt einer Zeitrahmenlänge von 10 ms entspricht (siehe Abbildung 2 oben). Ist ein Zeitrahmen fertig kodiert, wird der nächste Zeitrahmen mit der gleichen Scramblingfolge kodiert. Für die Dauer eines Zeitrahmens ist auch der Channelizationcode mit seinem entsprechenden Spreizfaktor fest zugewiesen. Erst nach Ablauf eines Zeitrahmens kann man die Datenrate durch einen neuen Spreizfaktor ändern!

9.5 Kodierung im Uplink

Im Uplink erfolgt die Addition der mit dem Scramblingcode orthogonal kodierten Signale durch die Überlagerung der elektromagnetischen Funkwellen in der Luft. Die Node B (Bodenstation) sieht jedenfalls das addierte Summensignal:



Abbildung 5: Kodierungsvorgang im Uplink


Es gibt insgesamt 16,78 Millionen verschiedene Scramblingcodes, die zur Vergabe im Uplink zur Verfügung stehen. Engpässe dürfte es also kaum geben!

9.6 Kodierung im Downlink

Im Downlink sind insgesamt 8.192 verschiedene Scramblingcodes definiert, die in 512 Sets eingeteilt werden. Jedes Set enthält damit genau 16 Scramblingcodes, wobei einer davon als primärer Scramblingcode und die restlichen 15 als sekundäre Scramblingcodes bezeichnet werden. Für uns ist vorrangig der primäre Scramblingcode für die Zellkodierung interessant, da die sekundären eher als Reservecodes zu verstehen sind. Wichtig für uns ist zu wissen, dass es 512 Sets und somit auch 512 primäre Scramblingcodes gibt. Jeder Zelle wird genau ein solches Set zugewiesen und hat damit genau einen primären Scramblingcode zugewiesen, durch den die Zellen sich voneinander orthogonal unterscheiden können. Diese 512 Sets müssen geographisch so im Land verteilt werden, dass benachbarte Zellen niemals den gleichen Set verwenden. Zellen, denen das gleiche Set und damit auch der gleiche Downlink-Scramblingcode zugewiesen ist, müssen möglichst weit voneinander entfernt liegen, damit sie sich gegenseitig nicht durch Signal-Überlagerungen beeinflussen!



Abbildung 6: Kodierungsvorgang im Downlink


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

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