09.09.2003
10 Zellensuche und Übertragungsverfahren

10.1 Das Zellsuchverfahren

In den letzten Kapiteln haben wir das UMTS-Kodierungsverfahren kennen gelernt. Wichtig für das Verständnis ist, dass jede Funksendequelle mit einem Scramblingcode kodiert werden muss, da dieser Probleme mit der Asynchronität sehr gut abschatten kann (Kapitel 7 und 8). Das bedeutet nun aber auch, dass jede Bodenstation ihr Sendesignal mit einem Scramblingcode kodieren muss. Dabei steht, wie wir im letzten Kapitel erfahren haben, jeder Zelle ein Set von Scramblingcodes zur Verfügung. Jedes Set besitzt einen primären und 15 sekundäre Codes. Die benachbarten Zellen müssen natürlich andere Sets mit anderen Codes verwenden, damit sich die Sendesignale der verschiedenen Bodenstationen nicht vermischen können. Jetzt stellt sich nur die Frage: Woher kennt das Handy den Scramblingcode, wenn es neu eingeschaltet wird? Informationen der Bodenstation können noch nicht abgehört werden, da kein Scramblingcode zur Dekodierung zur Verfügung steht. Genau dafür dient die folgende Prozedur der Zellsuche.

10.2 Die Zellensuche

Beim Einschalten des Handys in einer Mobilfunkzelle muss das Handy als erstes den Scramblingcode der Zelle herausfinden, damit es die Zelleninformationen abhören kann, die für den Funktionsbetrieb notwendig sind. Zuerst müssen wir aber noch eine weitere Definition der Scramblingcodes betrachten. Wir wissen ja, dass es im Downlink insgesamt 512 verschiedene primäre Scramblingcodes gibt. Nun werden diese 512 Codes nochmals in 64 Gruppen unterteilt. Jede Gruppe besteht somit aus 8 definierten primären Scramblingcodes.

Die Abbildung unten zeigt die Abfolge, wie das Handy bei der Codesuche vorgeht:



Abbildung 1: Suche nach dem Scramblingcode der Zelle (Zellenidentität)


Schritt 1
Als erstes wird der primäre Synchronisations-Kanal (P-SCH) ausgewertet. Der P-SCH ist für alle Zellen gleich geartet ohne aufmultiplizierten Zellen-Scramblingcode. Der P-SCH dient nur dazu, dass das Handy sich auf die Zeitschlitze der Bodenstation aufsynchronisieren kann. Das Handy ist jetzt also Zeitschlitzsynchron, aber noch nicht Rahmensynchron.

Schritt 2
Im zweiten Schritt wird der sekundäre Synchronisations-Kanal ausgewertet (S-SCH). Der S-SCH strahlt mit jedem Zeitschlitz eine Symbolfolge aus. Dabei steht der Bodenstation 16 verschieden definierte Symbolfolgen zur Verfügung. Je nachdem wie diese 16 Symbole in den Zeitschlitzen angeordnet sind, kann das Handy daraus ableiten, zu welcher Gruppe der Zellen-Scramblingcode gehört. Das schaut folgendermaßen aus:



Empfängt das Handy momentan mit seiner Zeitschlitzsynchronität z.B. die Symbol-Sequenz 8, 6, 5, 2, 5, so weiß es sofort anhand der Tabelle von oben, dass der primäre Scramblingcode zur Gruppe 4 gehört und dass die Rahmensynchronität um 4 Zeitschlitze korrigiert werden muss, da die Sequenz (8,6,5,2,5) bereits bei Zeitschlitz 5 beginnt und nicht wie angenommen bei Zeitschlitz 1 (5-1=4 » Zeitrahmen beginnt um 4 Zeitschlitze früher!). Damit haben wir einerseits Rahmensynchronität als auch die Gruppennummer unseres Zellencodes eruiert.

Schritt 3
Mit der Gruppennummer kennen wir jetzt 8 Scramblingcodes, von denen einer unser richtiger Zellencode ist. Jetzt wird als nächstes der bereits gescrambelte Pilotkanal (CPICH - Common Pilot Channel) der Zelle ausgewertet, indem alle 8 Scramblingcodes nach dem Prinzip "Versuch und Irrtum" ausprobiert werden. Beim richtigen Code erkennt im Handy eine Korrelator-Schaltung, dass es fündig geworden ist.

Schritt 4
Jetzt kennen wir also endlich den Zellen-Scramblingcode und können die gescrambelten Zelleninformationskanäle auswerten (BCH - Broadcast CHannel).

Will ein Teilnehmer einen Dienst vom UMTS-Netzbetreiber in Anspruch nehmen wie z.B. telefonieren, so wird dem Handy für die Kommunikation die dafür notwendigen Spreizcodes für den Uplink und den Downlink sowie der Teilnehmer-Scramblingcode für den Uplink über einen bekannten Kanal mitgeteilt. Auf welchen Kanälen, also Codes, man welche Informationen bekommt, wird im Broadcast Channel mitgeteilt.

10.3 Die Zellatmung

Ein weiterer interessanter Effekt von WCDMA-Zellen ist, dass die Größe der Zellen nicht fest definiert ist. Die Zellgröße hängt nämlich von der Anzahl der Teilnehmer bzw. der in der Zelle aktiven Dienste ab. Je mehr Leistung von den Teilnehmern in der Zelle verbraucht wird, umso kleiner wird der Wirkbereich der Zelle. Das hängt damit zusammen, dass durch mehr gesendete Leistung auch die Reststörungen durch die Quasiorthogonalität des Scramblingcodes größer wird (siehe Kapitel 8). Damit die Teilnehmersignale trotzdem "verständlich" bleiben müssen die Handys mit entsprechend höherer Leistung senden, damit ihr Nutzsignal sich von den Reststörungen abheben kann. Dadurch dass die Handys jetzt aber mehr Leistung verbrauchen, um die Störungen zu kompensieren, bleibt weniger Leistungsreserve über, um damit größere Distanzen zwischen Handy und Bodenstation leistungsmäßig auszugleichen. Wie wir ja wissen, braucht das Handy umso mehr Leistung, je weiter es sich von der Bodenstation befindet.

Die Konsequenz davon ist, dass in verkehrsstarken Zeiten die versorgbare Zelle kleiner wird und z.B. in den Nachtstunden mit geringer Teilnehmerkapazität die Zellen deutlich größer werden. Bei der Planung der Zellgröße muss also beachtet werden, dass in starken Verkehrszeiten die geschrumpften Zellen keine Versorgungslücken zurücklassen, wie folgende zwei Abbildungen veranschaulichen:



Abbildung 2: Grosse Zellen bei geringer Teilnehmerkapazität


Die Abbildung 2 zeigt noch die heile Funkzellen-Welt, wo sich alle Zellen überlappen und es noch keine Gebiete gibt, die nicht versorgt werden können. Anders schaut das in der nächsten Abbildung aus, mit einem hohen Verkehrsaufkommen.



Abbildung 3: Kleine Zellen bei großer Teilnehmerkapazität mit Versorgungslücken


Die beiden oberen Bilder zeigen, dass jede Node B drei Zellen (rot, gelb, blau) versorgt. Diese Zellen ziehen sich sukzessive zurück, wenn ein größeres Leistungsaufkommen in der Zelle auftritt. Im Extremfall könnten sie sich so weit zusammenziehen, dass es Stellen gibt, die nicht mehr versorgt werden, da es kein Überlappungsgebiet zwischen benachbarten Zellen mehr gibt. Die Funknetzplanung muss also solche Situationen berücksichtigen und die Sendeantennen so nah zueinander anordnen bzw. aufstellen, dass auch im schlimmsten Fall, also stärksten Verkehrsaufkommen, noch ein Überlappungsgebiet bestehen bleibt. Eine Animation, die diesen Vorgang noch näher veranschaulicht, ist zu finden unter: http://www.umtslink.at/UMTS/zellatmung.htm.

10.4 Das 4PSK-Modulationsverfahren

Für die Funkübertragung wäre als letztes noch die Modulation der Signale zu erwähnen. Jedes Modulationsverfahren hat im wesentlichen zwei Aufgaben zu erfüllen:

1.Frequenzverschiebung auf die Übertragungsfrequenz
2.Erfüllung einer bestimmten Übertragungscharakteristik

Zu Punkt 1
Um eine Signal um eine bestimmte Frequenz fo zu verschieben, bedient man sich folgender Eigenschaft:



Abbildung 4: Frequenzverschiebung von Nutzsignalen um fo


Hier wird das zu modulierende Nutzsignal (blau) mit einer Cosinus-Funktion multipliziert, wobei die Cosinus-Funktion mit jener Frequenz schwingt, um die das blaue Nutzsignal verschoben werden soll, wie folgende Abbildungen zeigen:



Abbildung 5: Nutsignal im Frequenzbereich vor der Modulation (blau)



Abbildung 6: Moduliertes frequenzverschobenes Signal (grün) im Frequenzbereich


Zu Punkt 2
Das 4-PSK Modulationsverfahren (Phase Shift Keying) hat zwei Vorteile. Einerseits ist es sehr unempfindlich gegenüber Dämpfungen bei der Funkausbreitung und andererseits erlaubt es gegenüber einem herkömmlichen Modulationsverfahren doppelt soviel an Information zu übertragen. Um dies zu gewährleisten, stehen für die Übertragung 4 Symbole zur Verfügung (daher auch der Name 4 PSK), die ich hier A, B, C, D nenne. Jetzt kann man diesen 4 Symbolen bzw. Zuständen jeweils zwei Bits zuordnen:

A: 00
B: 01
C: 10
D: 11

Ein Bitstrom [01101000101111010101] wird in einen Symbolstrom umgewandelt, indem immer zwei Bits zu einer Gruppe zusammengefasst werden:

Bitstrom01101000101111010101
SymbolstromBCCBCDDBBB


Aus der klassischen Digitaltechnik sind wir ja bereits den Umgang mit zwei Symbolen gewohnt: A=0, B=1.

Der Hit an der 4PSK-Modulation ist, dass jetzt mit jedem übertragenen Symbol gleichzeitig zwei Bits übertragen werden. Die Übertragungskapazität hat sich also verdoppelt, da die 5MHz-Bandbreite 3,84 Millionen Symbole pro Sekunde übertragen lässt. Wie ist das möglich? Dabei kommt wieder eine orthogonale Kodierung ins Spiel. Wie wir unter Punkt 1 bereits gesehen haben, müssen wir für die Frequenzverschiebung das Signal mit der Cosinus-Funktion multiplizieren. Praktischerweise gibt es eine orthogonale Funktion dazu, nämlich die Sinus-Funktion. Wie vielleicht bekannt ist, unterscheiden sich die Sinus- und die Cosinus-Funktion nur durch eine Phasenverschiebung von 90o. Das beste daran ist aber, dass beide Funktionen zueinander orthogonal sind, sofern der Empfänger einen Tiefpassfilter verwendet (lässt nur tiefer-frequente Signalanteile durch). Schauen wir uns zuerst die orthogonale Kodierung im Sender an:



Abbildung 7: orthogonaler Modulator (Sender)


Wie wir bereits beim Channelization-Code und auch beim Scrambling-Code gesehen haben, kann man die addierten Signale wieder auseinander bringen, indem man die orthogonalen Codes (cos, sin) auch beim Empfänger verwendet:



Abbildung 8: orthogonaler Demodulator (Empfänger)


Man sieht an der Abbildung oben, dass wiederum das gleiche Schema zur orthogonalen Dekodierung verwendet wird - nur ein Tiefpass (TP) wurde noch zugefügt.

Beim Downlink weist der Sender der Bodenstation für jedes Symbol das erste Bit der Gruppe dem oberen Zweig und das zweite Bit dem unteren Zweig zu. Der Bitstrom wird also in zwei Ströme auftgeteilt:



Abbildung 9: Parallelisierung des Bitstroms


Die Abbildung oben zeigt, wie der Bitstrom in zwei Ströme aufgeteilt wird, wobei jeder neue Zweig nur mehr die halbe Datenrate aufweist. Hätte man zuvor z.B. einen C4-Code (960kbit/s) gebraucht, so ist jetzt nur mehr ein C8-Code notwendig, da sich die Datenrate jeweils auf 480kbit/s reduziert hat. Dabei kann für oben und unten der selbe C8-Code verwendet werden, da beide Datenströme durch die orthogonalen Sinus- bzw. Cosinus-Funktionen kodiert werden. Der Spreizfaktor spreizt die jeweiligen Bitraten auf 3,84Mchip/s. Da jetzt aber zwei Datenströme gleichzeitig übertragen werden können, also zwei mal 3,84Mchip/s, und jeweils zwei Bit zu einem Symbol zusammengefasst werden spricht man von einer Symbolrate von 3,84Msymbols/sec.

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

1 UMTS stellt sich vor2 Vorteile, Frequenzen und Standards3 Wie wird ein UMTS-Netz aufgebaut?4 Internationales Konzept und Dienste5 Ein interessantes Verfahren: WCDMA-Codemultiplexing6 Die Entschlüsselung: WCDMA-Dekodierung7 Der Prozessgewinn8 Quasi-Orthogonalität9 UMTS-Leistungsregulierung10 Zellensuche und Übertragungsverfahren11 UTRAN-Funktionen12 Das UMTS-Vermittlungsnetz

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