UMTS sistemi ve protokol verimliliğinin belirlenmesi

Abstract

UMTS Sistemi ve Protokol Verimliliğinin Belirlenmesi ÖZET Kablosuz mobil haberleşme alanındaki gelişmelerde en büyük etken, çoklu-ortam içeriğinin, İnternet'in ve kablosuz mobil cihazların birbirine yakınsaması olmuştur. İnternet tabanlı bilgi hizmetlerinin giderek artan popülaritesi, İnternet'teki veri trafiğinin gün geçtikçe artmasına neden olmuş ve buna paralel olarak mobil haberleşmenin hızlı bir biçimde gelişmesi, çoklu-ortam yeteneklerinin mobil haberleşme için de sağlanabilmesi yönünde istekler doğurmuştur. Birinci ve ikinci nesil mobil haberleşme sistemlerinin, sahip oldukları bazı sınırlamalar nedeniyle bu istekleri karşılamakta yetersiz kalması ve paket veri haberleşmesini etkin olarak destekleyememesi yeni arayışlara neden olmuştur. Halen kullanmakta olduğumuz ikinci nesil mobil haberleşme sistemleri, kullanıcılarına sayısal ses haberleşmesi ile devre bağlaşmasına dayanan düşük ve orta hızlı veri haberleşmesi hizmetleri sunmaktadır. Günümüzde dünya üzerinde en yaygın olarak kullanılan ikinci nesil hücresel haberleşme sistemi GSM sistemidir. GSM sistemi esas olarak sayısal, kablosuz telefon haberleşmesi için geliştirildiğinden, kullanıcıların yukarıda sözü edilen yeni gereksinimlerini karşılamakta yetersiz kalmaktadır. GSM sistemi, mobil hücresel haberleşme ile Internet hizmetleri ve çoklu-ortam uygulamaları arasındaki yakınsamanın sonucunda oluşan kısa vadeli piyasa gereksinimlerini karşılayabilmek için sürekli geliştirilmektedir. Bu geliştirmeler sonucunda, 2.5'inci sistemler olarak adlandırılan sistemler oluşturulmuştur. 2.5'inci nesil sistemlere en iyi örnek olarak, Genel Paket Radyo Hizmeti (General Packet Radio Service - GPRS) verilebilir. Devre bağlaşması tekniğini kullanan GSM, ses haberleşmesi için gerekli hizmet kalitesini sağlarken, GSM'in paket veri haberleşmesi yeteneklerini arttırmak için geliştirilen GPRS, İnternet şebekesi ile yapılan paket veri haberleşmesi için paketlerin etkin bir biçimde taşınmasına hizmet eder. GSM altyapısının üzerine geliştirilen GPRS gibi 2.5'inci nesil sistemler yüksek hızlı veri haberleşmesi gerektiren hizmetleri ancak belirli bir seviyeye kadar etkin olarak destekleyebilmektedir. Tüm bu sınırlamalar ve mobil haberleşme kullanıcılarının sistemden beklentilerinin giderek artması sonucunda, bu gereksinimleri verimli bir biçimde karşılayabilecek üçüncü nesil mobil haberleşme sistemlerinin geliştirilmesi ihtiyacı doğmuştur. Kendisinden önceki 2. ve 2.5'inci nesil sistemlerin tüm kısıtlamalarım ortadan kaldırmayı hedefleyen üçüncü nesil sistemler, dünya çapında IMT-2000, Avrupa'da da UMTS adı ile bilinmektedir. UMTS sistemi kullanıcılarına, 2.5'inci nesil sistemler tarafından sağlanan veri hızlarından çok daha yüksek veri hızlarım daha verimli olarak sağlayabilme yeteneğindedir. Üçüncü nesil mobil haberleşme sistemlerinin temel amacı, kullanıcılarına İnternet tabanlı ve çoklu-ortam hizmetlerini hızlı ve verimli bir biçimde verebilmektir. XVIÜçüncü nesil sistemler tarafından sağlanacak hizmetler, birinci ve ikinci nesil sistemler tarafından sağlanan ses ağırlıklı hizmetler ile karşılaştırıldığında, veri ağırlıklı hizmetler olarak karakterize edilebilir. Bu hizmetler, kullanıcıya çoklu- ortam yetenekleri kazandıracaktır. Bir başka deyişle kullanıcıya veri, müzik, grafiksel resimler ve gerçek zamanlı video gibi çeşitli hizmetler eş zamanlı olarak sağlanabilecektir. UMTS, kullanıcılarına çoklu-ortam haberleşmesi, İnternet erişimi ve hareketli-hareketsiz resim transferi için gerekli hizmet kalitesini sağlayabilmek amacıyla yüksek bit hızlarını destekleyebilmelidir. Internet erişimi gibi bazı veri hizmetleri, baz istasyondan mobil istasyona olan iletimde (aşağı bağlantı) daha fazla kapasite gerektirir. Veri trafiğinin asimetrik olmasına neden olan bu türden gereksinimlerin, kablosuz veri haberleşmesi trafiğinin artmasına paralel olarak gelecek yıllarda daha yoğun olması beklenmektedir. Bu nedenle UMTS, asimetrik veri trafiğini de verimli biçimde destekleyebilecek bir sistem olmalıdır. İkinci nesil sistemlerden üçüncü nesil sistemlere geçiş için, ikinci nesil sistemlerin üçüncü nesil sistemlere doğru evrimleşerek geliştirilmesi fikri ağır basmaktadır. İkinci nesil sistemler üzerine geliştirilen ve paket veri haberleşmesi yetenekleri yüksek olan GPRS gibi 2.5'inci nesil sistemler, bu evrimleşmenin günümüzdeki en somut kanıtlarıdır. Mevcut altyapının korunabilmesi için, tamamıyla yeni bir hava arabağdaşımı teknolojisine sahip olan UMTS şebekesi varolan şebekenin yerini almayacak, GSM' den UMTS 'e doğru olan gelişim adım adım olacaktır. Bir tür evrimleşme olarak nitelendirilebilecek bu strateji ile, operatörlerin daha önceden ikinci nesil sistemler için yaptıkları yatırımın korunarak, ikinci nesil sistemlerden üçüncü nesil sistemlere geçişteki maliyetin en aza indirgenmesi hedeflenmiştir. GSM'in UMTS'e doğru çekirdek şebeke ve sağlanan hizmetler bakımından evrimleşme yoluyla geliştirilmesi, yeni ihtiyaçların karşılanması için ise tamamıyla yeni bir hava arabağdaşımı geliştirilmesi planlanmıştır. Bu nedenle bu tezde, çekirdek şebekeden çok, tamamıyla yeni bir teknolojiye sahip olan UMTS hava arabağdaşımı ve bu arabağdaşım üzerinde bulunan protokollerin incelenmesi hedeflenmiştir. Sonuç olarak GSM radyo alt sistemi ve UMTS, aynı şebeke altyapısına sahip, birbirinden farklı fakat birbirlerini tamamlayan erişim sistemleri olarak görev yapacaktır. UMTS tarafından sağlanacak yeni hizmetler için tamamıyla yeni bir hava arabağdaşımı gerektiğinden, bu arabağdaşım için yeni protokoller tasarlanmalıdır. Bu bakımdan, UMTS hava arabağdaşımı protokolleri, kendisinden önceki sistemlerin hava arabağdaşımı protokollerinden farklıdır. GSM sistemi üzerine geliştirilen GPRS gibi 2.5'inci nesil sistemler, GSM sistemi ile aynı hava arabağdaşımı, dolayısıyla benzer protokolleri kullanmaktadır. Bu bakımdan, bu tezde ağırlıkla UMTS hava arabağdaşımı ve bu arabağdaşım üzerindeki yeni protokoller üzerinde durulmuştur. Avrupa'da, UMTS standartlarının oluşturulmasına ilişkin ayrıntılı çalışmalar, 3. Nesil Ortaklık Projesi'ne (3rd Generation Partnership Project - 3GPP) devredilene kadar ETSI tarafından sürdürülmüştür. Standartlaştırma konusundaki teknik çalışmalar 1999 yılının başında 3GPP'ye devredilmiştir. Mobil haberleşme tarihinde ilk olarak dünyanın tüm bölgelerindeki teknoloji geliştiren kuruluşlar 3GPP çatısı altında işbirliği yaparak, üçüncü nesil kablosuz haberleşme için küresel standartlar belirlemekte ve bu süreç halen devam etmektedir. Bu sayede, günümüzde dünyanın farklı bölgelerinde kullanılan sistem standartları arasındaki uyumsuzluk sorununun getirdiği kısıtlamalar ve dezavantajlar da ortadan kaldırılmış olacaktır. XVII1992 yılındaki Dünya Radyo Konferansı (WRC) toplantısında, üçüncü nesil sistemler için, ikinci nesil sistemlerin frekans bantlarına ek olarak 2 GHz frekans bandı civarında küresel anlamda toplam 230 MHz'lik bir frekans spektrumunun tahsis edilmesi kararlaştırılmıştır. Bu 230 MHz'lik spektrumun 170 MHz'i küresel karasal kullanım için, 60 MHz'i ise uydusal kullanım için ayrılmıştır. Buradan, üçüncü nesil sistemlerin hem karasal hem de uyduları kullanan bileşenlere sahip olduğu anlaşılabilir. UMTS Karasal Radyo Erişimi (UTRA), birbirlerini tamamlayan ve farklı ortamlarda belirli avantajlara sahip olan FDD ve TDD modlarmdan oluşmaktadır. UTRA FDD, kamusal makro ve mikro hücresel ortamlar için, UTRA TDD ise kamusal mikro ve piko hücresel ortamlar için daha uygun olan modlardır. UTRA için, tüm frekans spektrumunun verimli olarak kullanılabilmesi sadece FDD ve TDD modlannm birlikte kullanılması sayesinde mümkün olmaktadır. Ortak bir UTRA standardı oluşturmak için iki teknoloji birleştirilmiştir. Bu teknolojiler FDD modu için geniş bantlı CDMA (WCDMA), TDD modu için ise zaman bölmeli CDMA (TD-CDMA) teknikleridir. Yüksek hızlı veri haberleşmesi ve çoklu-ortam haberleşmesini verimli biçimde desteklemeyi hedefleyen UMTS protokollerinin, İnternet'te veri iletimi için kullanılan farklı boyutlardaki paketleri daha önceki sistemlere göre hangi etkinlikle ve ne ölçüde işleyebildiği, sistem verimliliği açısından önemli bir kriterdir. Bu tezde, UMTS sisteminin yukarıda sözü edilen yüksek hızlı veri iletimi gereksinimlerini karşılayabilmek amacıyla, kendisinden önceki sistemlere göre protokol verimliliği bakımından daha iyi olup olmadığının incelenmesi amaçlanmaktadır. Bu amaçla, öncelikle UMTS sistemi ile GSM ve GPRS sistemleri hava arabağdaşımları, veri hızlan, şebeke mimarisi ve taşıma kanalları yönünden birbirleri ile karşılaştırılmaktadır. Böylelikle, hangi sistemin hangi amaca yönelik geliştirildiği ve üçüncü nesil sistemlerin geliştirilmesine neden gereksinim duyulduğu, bu sayede ne gibi yemlikler ve avantajların sağlandığı açıklanmaktadır. Daha sonra, UMTS veri bağlantı katmam üzerindeki protokoller ayrıntıları ile incelenerek bu protokollerin işlevleri ve bu protokoller üzerinden veri akışının nasıl sağlandığı belirtilmektedir. UMTS ve GPRS sistemlerinin veri bağlantı katmam olan 2. katmanında bulunan protokollerin verimliliklerinin karşılaştırılması için hava arabağdaşımı üzerinden iletilmek üzere, farklı hizmetlere ilişkin farklı büyüklüklerdeki İP paketleri seçilmiştir. Her bir sistem için, bu paketlerin aldıkları ek yük miktarları standartlarda tanımlanan protokol tanımlamalarına göre hesaplanarak her bir sisteme ilişkin 2. katman protokol verimlilikleri elde edilmektedir. Bu amacı gerçekleştirebilmek için, GPRS protokol yığınında bulunan protokollerin özellikleri ve işlevleri de açıklanmaktadır. Böylelikle, UMTS ve GPRS sistemlerinin farklı hizmetlere ilişkin veri paketlerini hava arabağdaşımı üzerinden ne derecede verimli olarak iletebildikleri incelenerek, bu sistemlerin birbirlerine göre daha iyi olup olmadıklarının cevabı 2. katman protokolleri seviyesinde araştırılmaktadır. XV111

UMTS System and Determining Protocol Efficiency SUMMARY The driving force behind the developments in wireless communications has proven to be the convergence of multimedia content, the Internet, and wireless mobile devices. The increasing popularity of Internet based data services results in rapid increase of the Internet data traffic, paralleling the explosive growth of mobile communications, which encouraged the quest for extending multimedia capabilities to mobile communications. Some inherent limitations of the first and second generation mobile communication systems, such as the lack of packet data communication support, deterred the use of them in this area, so the search continues for new systems. The current second generation mobile telecommunication systems provide digital voice communications and also data services based mainly on circuit-switched low to medium rate data communications. Currently, the GSM system is the most widely used second generation cellular communication system worldwide. GSM system was designed primarily for mobile digital telephony, hence it is inadequate to support users' new requirements as discussed above. As a result of the convergence between mobile cellular communications, Internet services and multimedia applications, the GSM system has been continually developing to meet the short term market requirements. Therefore, systems which have been termed as 2.5 generation have been developed. General Packet Radio Service (GPRS) can be given as one example for 2.5 generation mobile systems. GSM is based on classical circuit-switching technology and ensures the required voice service quality, whereas GPRS, which was developed to expand the packet data communication capabilities of the GSM system, maintains efficient packet transport for best-effort data communication with the Internet. 2.5 generation systems based on GSM infrastructure such as GPRS, can support services, which requires high speed data communications efficiently only on a limited basis. As a result of this kind of limitations and growing expects of mobile data users' lead to develop of third generation mobile communication systems which can meet this requirements in an efficient manner. Third generation systems, which aim to eliminate previous second and 2.5 generation systems' limitations, are known as IMT-2000 (International Mobile Telephony) worldwide, and UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) in Europe. UMTS system is capable of supporting very high rate data communications in a much more efficient manner when compared to 2.5 generation systems. The main purpose of third generation mobile systems' are to provide Internet based and multimedia services rapid and effectively. These services can be characterized as being data centric in comparison with the voice centric services provided by the first XIXand second generation mobile systems. These services will acquire multimedia capabilities to the user. In other words, various services like delivery of data, music, graphical images and real-time video can be provided to the user simultaneously. To provide end users with the necessary service quality for multimedia communications, Internet access and video/picture transfer, high bit rates must be supported by UMTS. For certain data services and for Internet access, the transmission from the base station to the mobile station (downlink) will require more capacity than the uplink. It is expected that the demand for such asymmetric traffic, in parallel to the wireless data communication, will increase significantly in the future. Therefore, UMTS must also support asymmetric data traffic efficiently. The idea of evolutional development from second generation systems towards third generation systems has a strong impact. 2.5 generation systems like GPRS, which are based on second generation systems and yet have packet data communication capability, provide concrete support for this evolution. To maintain existing GSM infrastructure, UMTS network, which has completely new air interface technology will not replace existing infrastructure. The change from the GSM to the UMTS will be a gradual one. This evolutionary strategy ensures that conserving the investment of the service providers to second generation systems' and provides for minimum cost in the transition from the second generation to the third generation systems. The GSM system will gradually evolve into the UMTS in the context of the core network and the provided services, whereas there will be a brand new air interface for the new requirements. Therefore, our aim in this thesis has been the examination of this brand new air interface and the protocols thereon. As a result, the GSM radio subsystem and the UMTS will function separately from each other and yet share the same network infrastructure, but the two system will complement each other. Because of the need for a brand new interface, which will provide the new services in UMTS, new protocols must be designed for this new interface. Therefore, UMTS air interface protocols are different from previous systems' air interface protocols. 2.5 generation systems such as GPRS which are based on GSM system, have the same air interface with GSM, and use similar protocols. Therefore, in this thesis the UMTS air interface and air interface protocols have been concentrated on. In Europe, the detailed UMTS standardization process was carried on by ETSI until transferring this process to the 3rd Generation Partnership Project (3 GPP). Technical standardization process was transferred to the 3 GPP in the beginning of 1999. For the first time in the mobile communications history, all the regions of the world are co-operating in the 3 GPP programme to specify global standards for third generation wireless communications and this process is still going on. Thanks to this, today's barriers between the regions of the world, caused by incompatible standards in today's systems will be overcome. In the World Radio Conference meeting in 1992, in addition to the second generation frequency bands, a total of 230 MHz of spectrum in the 2 GHz band were assigned on a global basis to the third generation systems. This 230 MHz bandwidth is split into two as 170 MHz for global terrestrial use and 60 MHz shared with satellite use. Hereby, it can be inferred that third generation systems include both terrestrial and satellite components. XXThe UMTS Terrestrial Radio Access (UTRA) consist of FDD and TDD modes that complement each other and have specific advantages in different environments. UTRA FDD is well suited for applications in public macro- and microcell environments, UTRA TDD, on the other hand, is advantageous for public micro- and picocell environments. Only the combined deployment of UTRA FDD and TDD enables efficient use of the whole available spectrum. Two technologies are now combined into one common UTRA standard. These technologies are wideband CDMA (WCDMA) for FDD mode and time-division/CDMA (TD-CDMA) for TDD mode. UMTS protocols aim to support high speed data and multimedia communication in an effective manner. On the other hand, the degree of effectiveness of these protocols in processing data packets which are used in Internet data transmission, compared to previous systems is an important criterion concerning the system throughput. In this thesis, the aim was to examine whether the UMTS system is better than previous systems such as GPRS, in the case of high speed data communication applications with respect to protocol efficiency. For this purpose, the UMTS system has been compared to the GSM and GPRS systems with respect to the air interface, data rate, network architecture and transport channels. Hence, the respective aims of each system, the need for the third generation systems and the advantages and advances brought by third generation systems have been clarified. Next, the protocols over the UMTS data link layer have been discussed in detail and the function of these protocols and the data flow over these protocols has been described. Comparison of the effectiveness of the UMTS and GPRS systems' data link layer protocols, which is the second layer of these systems, was made. To accomplish this, IP packets of differing sizes for the different services, which are to be transmitted over the air interface, were chosen. For each system, the overhead added to these packets has been calculated using the protocol definitions and second layer protocol efficiency for the respective system has been obtained. To achieve this goal, the characteristics and the functions of the protocols included in the GPRS protocol stack have also been described in detail. As a result, the efficiency of the UMTS and GPRS systems when transmitting packets over the air interface which belong to different services was examined and also which of these systems outperforms the other when compared with respect to their second layer protocols was studied. XXI