Aufgabe 3.8: General Packet Radio Service

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Schaubild "General Packet Radio Service"

In der  $\rm GSM–Phase \ 2+$  wurde zur Verbesserung der Datendienste die GSM–Erweiterung  $\rm GPRS$ (General Packet Radio Service) entwickelt und standardisiert. Diese

  • unterstützt mehrere Übertragungsprotokolle,
  • bietet paketorientierte Datenübertragung an,
  • erlaubt es Nutzer, mit fremden Datennetzen (zum Beispiel:  dem  Internet) zu kommunizieren.


Ein GPRS–Mobilfunkteilnehmer profitiert von kürzeren Zugriffszeiten und der höheren Datenrate gegenüber der Datenübertragung im herkömmlichen GSM oder bei HSCSD, das ebenfalls in der Phase  $2+$  entstanden ist.

Vor der Einführung von GPRS waren einige Modifikationen und Ergänzungen im GSM–Netz notwendig:

  • Um GPRS–Anwendungen in die bestehende GSM–Systemarchitektur integrieren zu können, mussten  Serving GPRS Support Nodes  (SGSN) und  Gateway GPRS Support Nodes  (GGSN) implementiert werden (siehe Grafik).
  • Bei GPRS können bis zu acht Zeitschlitze miteinander kombiniert werden („Multislot Capability”). Außerdem sind vier Codierschemata mit unterschiedlichen Datenraten definiert, die als  $\rm CS–1$  $($mit  $9.05 \ \rm kbit/s)$, ... , $\rm CS–4$ $($mit  $21.4 \ \rm kbit/s$) bezeichnet werden.
  • Zur Faltungscodierung wird ein Code der Rate  $1/2$  benutzt, der die  $294$  Bit auf  $588$  Bit verdoppelt. Durch die Punktierung von  $132$  Bit kommt man schließlich zu Bursts der Länge  $456$  Bit. Unter Berücksichtigung der Rahmendauer von  $20 \ \rm ms$  resultiert daraus die Bitrate  $22.8 \ \rm kbit/s$.
  • Ein GPRS–Handy führt beim Einschalten als erstes eine so genannte „Cell Selection” durch. Wird dabei ein Frequenzkanal mit GPRS–Daten gefunden, dann kann auf die GPRS–Dienste je nach Handyklasse zugegriffen werden.
  • Man unterscheidet zwischen drei Klassen von Endgeräten. Ein Handy der Klasse  $\rm C$  muss manuell auf GPRS-Dienste umgestellt werden. Dagegen geschieht die Umschaltung zwischen GPRS und GSM bei Klasse  $\rm A$  und  $\rm B$  automatisch und dynamisch.



Hinweise:

  • Die obige Grafik ist dem nachfolgend genannten Artikel entnommen. Wir bedanken uns bei den Autoren für die Freigabe:
Bettstetter, C.; Vögel, H.J.; Eberspächer, J.: GSM Phase 2+ General Packet Radio Service GPRS: Architecture, Protocols, and Air Interface.
In: IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 2 (1999) No. 3, S. 2-14.


Fragebogen

1

Wie kann die GPRS–Datenübertragung charakterisiert werden?

leitungsvermittelt,
paketvermittelt,
durchschaltevermittelt.

2

Welche Netzknoten waren zur Integration von GPRS in die bestehende GSM–Systemarchitektur erforderlich?

GGSN,
GMSC,
SGSN,
SMSS.

3

Wie können die GPRS–Dienste eingestellt werden?

Durch Durchführung der Prozedur „Cell Selection”.
Die Umschaltung hängt von der Handy-Klasse ab.
Alle Handys schalten dynamisch zwischen GSM und GPRS um.

4

Welche Vorteile bietet GPRS gegenüber GSM?

Bei GPRS kann man bis zu acht Zeitschlitze kombinieren.
Der physikalische Kanal bleibt für die Rufdauer reserviert.
Uplink und Downlink werden separat zugewiesen.

5

Wie groß ist theoretisch die maximale GPRS–Bitrate?

$R_{\rm Brutto} \ = \ $

$ \ \rm kbit/s$

6

Wie groß ist die resultierende GPRS–Coderate (Faltungscode + Punktierung)?

$R_{\rm C}\hspace{0.05cm}' \ = \ $

7

Wie groß ist die Netto-Datenrate eines einzelnen GPRS–Benutzers?

$R_{\rm Netto} \ = \ $

$ \ \rm kbit/s$


Musterlösung

(1)  Richtig ist der Lösungsvorschlage 2:

Mit „GPRS” wurde erstmals eine paketorientierte Datenübertragung realisiert.


(2)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 1 und 3:

  • Zur Integration von GPRS musste die bestehende GSM–Systemarchitektur um GPRS Support Nodes (GSN) erweitert werden.
  • Man unterscheidet zwischen Gateway GSN (GGSN) und Serving GSN (SGSN), die miteinander über ein IP–basiertes GPRS–Backbone–Netz kommunizieren.
  • SGSN ist für das Mobilitätsmanagement zuständig und übernimmt für die Paketdatendienste eine ähnliche Funktion wie das Mobile Switching Center (MSC) für die verbindungsorientierte Sprachübertragung.
  • GGSN ist dagegen die Schnittstelle zu den unterstützten fremden paketorientierten Datennetzen.


(3)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 1 und 2:

  • Ein GPRS–Handy führt beim Einschalten als erstes eine „Cell Selection” durch, indem es nach einem Frequenzkanal mit GPRS–Daten sucht.
  • Ein Handy der Klasse  $\rm C$  muss man danach manuell auf GPRS–Dienste umstellen. Eine automatische und dynamische Umschaltung zwischen GPRS und GSM ist nur bei einem Handy der Klasse  $\rm A$  oder  $\rm B$  möglich.


(4)  Richtig sind die Antworten 1 und 3:

  • Bei GPRS können bis zu acht Zeitschlitze miteinander kombiniert werden (Multislot Capability).
  • Der Uplink und der Downlink werden separat zugewiesen und die physikalischen Kanäle werden nur für die Dauer der Übertragung von Datenpaketen reserviert und anschließend wieder freigegeben.


(5)  Bei GPRS können bis zu acht Zeitschlitze kombiniert werden.

  • Mit dem Codierschema $\rm CS–4$, das allerdings nur bei sehr gutem Kanal angewendet wird, beträgt die Datenrate pro Zeitschlitz $21.4 \ \rm kbit/s$.
  • Damit kann man eine maximale Bruttodatenrate von $21.4 \ {\rm kbit/s} \cdot 8 \hspace{0.15cm}\underline{ = 171.2 \ \rm kbit/s}$ erreichen.


(6)  Zur Faltungscodierung wird ein Code mit der Coderate $R_{\rm C} = 1/2$ benutzt. Dieser verdoppelt $294$ Bit auf $588$ Bit.

  • Danach werden $132$ Bits punktiert, so dass schließlich ein Codewort der Länge $456$ Bit.
  • Damit ergibt sich eine resultierende Coderate von Faltungscode inklusive Punktierung von etwa $R_{\rm C}\hspace{0.05cm}' = 294/456 \hspace{0.15cm}\underline{ = 0.644} \approx 2/3$.


(7)  Die Netto–Datenrate eines GPRS–Benutzers ist genau die gleiche wie die Netto–Datenrate eines GSM–Benutzers.

  • Diese beträgt $456 \ {\rm Bit}/20 \ \rm ms$ pro Sprachrahmen   ⇒   $R_{\rm Netto} \underline{= 22.8 \ \rm kbit/s}$.