Difference between revisions of "Examples of Communication Systems/Further Developments of the GSM"

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==High Speed Circuit–Switched Data (HSCSD)==   
 
==High Speed Circuit–Switched Data (HSCSD)==   
 
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[[File:P_ID1235__Bei_T_3_5_S3_v1.png|right|frame|Bündelung mehrerer Zeitschlitze bei HSCSD]]
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[[File:P_ID1235__Bei_T_3_5_S3_v1.png|right|frame|"Bundling of multiple timeslots in HSCSD"]]
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Durch den 1999 eingeführten GSM–Datenübertragungsstandard&nbsp; $\rm High \ Speed \ Circuit–Switched \ Data$&nbsp; (HSCSD) konnte durch eine verbesserte Kanalcodierung die Nutzdatenrate pro Verbindung von&nbsp; $9.6 \ \rm kbit/s$&nbsp; auf&nbsp; $14.4 \ \rm kbit/s$&nbsp; erhöht werden, wenn es die Übertragungsbedingungen erlaubten.  
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The GSM data transmission standard&nbsp; $\rm High \ Speed \ Circuit-Switched \ Data$&nbsp; (HSCSD), introduced in 1999, allowed the user data rate per connection to be increased from&nbsp; $9.6 \rm kbit/s$&nbsp; to&nbsp; $14.4 \rm kbit/s$&nbsp; when transmission conditions permitted.  
  
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Durch die Bündelung mehrerer benachbarter Zeitschlitze konnte die Datenrate noch weiter gesteigert werden.  
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By bundling several adjacent time slots, the data rate could be increased even further.  
  
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Die Datenrate hängt davon ab, wie viele Kanäle der Netzbetreiber für die Bündelung zur Verfügung stellt bzw. wie viele Kanäle das HSCSD–Handy verarbeiten kann.
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The data rate depends on how many channels the network operator provides for bundling or how many channels the HSCSD cell phone can process.
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
  
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Die Grafik erklärt das Prinzip der Bündelung mehrerer Zeitschlitze:
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The graphic explains the principle of bundling multiple timeslots:
  
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*Jeder der acht physikalischen Kanäle (Zeitschlitze) eines Rahmens bietet maximal&nbsp; $14.4 \ \rm kbit/s$&nbsp; für die Datenkommunikation. HSCSD ermöglicht eine Kanalbündelung durch die Kombination mehrerer Zeitschlitze, wie sie auch bei ISDN verwendet wird. Man spricht in diesem Zusammenhang von&nbsp; ''Multislot Capability''.
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*Each of the eight physical channels (timeslots) in a frame provides a maximum&nbsp; $14.4 \rm kbit/s$&nbsp; for data communication. HSCSD enables channel bundling by combining multiple timeslots, as is also used in ISDN. This is referred to as&nbsp; ''multislot capability''.
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*Durch das Zusammenschalten aller acht Kanäle ergäben sich somit&nbsp; $\rm 8 · 14.4 \ kbit/s = 115.2 \ kbit/s$. Da jedoch die Verbindung zwischen dem&nbsp; ''Base Station Controller''&nbsp; (BSC) und dem&nbsp; ''Mobile Switching Center''&nbsp; (MSC) auf&nbsp; $64 \ \rm kbit/s$&nbsp; begrenzt ist, beschränkt man sich auf die Bündelung von vier Zeitschlitzen, woraus sich die maximale Übertragungsrate zu&nbsp; $57.6 \ \rm kbit/s$&nbsp; ergibt.
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*By interconnecting all eight channels, this would result in&nbsp; $\rm 8 - 14.4 \ kbit/s = 115.2 \ kbit/s$. However, since the connection between the&nbsp; ''Base Station Controller''&nbsp; (BSC) and the&nbsp; ''Mobile Switching Center''&nbsp; (MSC) is limited to&nbsp; $64 \rm kbit/s$&nbsp;, one is limited to bundling four time slots, resulting in a maximum transmission rate of&nbsp; $57.6 \rm kbit/s$&nbsp;.
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*Ein Vorteil der HSCSD–Technik gegenüber dem paketorientierten GPRS (siehe nächste Seite) ist die leitungsorientierte Datenübertragung. Dies ist insbesondere für Anwendungen von Vorteil, die gleichmäßige Bandbreiten benötigen, da hier der Übertragungskanal mit niemandem geteilt werden muss. Beispiele hierfür sind die Video– und die Bildübertragung.
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*An advantage of HSCSD technology over packet-oriented GPRS (see next page) is the line-oriented data transmission. This is particularly advantageous for applications that require uniform bandwidths, since here the transmission channel does not have to be shared with anyone. Examples include video and image transmission.
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*Nachteilig sind allerdings die höheren Übertragungskosten durch die Belegung mehrerer Kanäle. Diese Kanäle stehen somit für andere Mobilfunkteilnehmer nicht mehr zu Verfügung. In einer Funkzelle mit hoher Kanalauslastung kann es deshalb passieren, dass die Bündelung mehrerer Kanäle vom Netzbetreiber unterbunden wird.
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*However, the higher transmission costs due to the occupancy of multiple channels are disadvantageous. These channels are therefore no longer available to other mobile subscribers. In a radio cell with high channel utilization, it can therefore happen that the bundling of multiple channels is prevented by the network operator.
  
 
 
 
 
 
==General Packet Radio Service (GPRS)== 
 
==General Packet Radio Service (GPRS)== 
 
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Mit der GSM–Erweiterung&nbsp; $\rm General \ Packet \ Radio \ Service$&nbsp; (GPRS) wurde 2000 erstmals eine paketorientierte Datenübertragung ermöglicht. GPRS unterstützt sehr viele Protokolle (Internet Protocol, X.25, Datex–P, usw.) und erlaubt dem Mobilfunkteilnehmer, mit fremden Datennetzen (Internet oder firmeninternen Intranets) zu kommunizieren. GPRS war ein wichtiger Zwischenschritt in der Evolution der zellularen Mobilfunknetze in Richtung dritter Generation und hin zum mobilen Internet.
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With the GSM extension&nbsp; $\rm General \ Packet \ Radio \ Service$&nbsp; (GPRS), packet-oriented data transmission was made possible for the first time in 2000. GPRS supports a large number of protocols (Internet Protocol, X.25, Datex-P, etc.) and allows mobile subscribers to communicate with external data networks (the Internet or internal company intranets). GPRS was an important intermediate step in the evolution of cellular mobile networks towards third generation and towards the mobile Internet.
  
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Ein GPRS–Benutzer profitiert von kürzeren Zugriffzeiten und der höheren Datenrate $($bis&nbsp; $21.4 \ \rm kbit/s)$&nbsp; gegenüber dem herkömmlichen GSM&nbsp; $(9.6 \ \rm kbit/s)$&nbsp; und HSCSD&nbsp; $(14.4 \ \rm kbit/s)$. Die Gebühren ergeben sich bei GPRS nicht aus der Verbindungsdauer, sondern aus der tatsächlich übertragenen Datenmenge. Deshalb muss nicht (wie bei HSCSD) ein Funkkanal dauerhaft für einen Benutzer reserviert werden.
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A GPRS user benefits from shorter access times and the higher data rate $($to&nbsp; $21.4 \ \rm kbit/s)$&nbsp; compared to conventional GSM&nbsp; $(9.6 \ \rm kbit/s)$&nbsp; and HSCSD&nbsp; $(14.4 \ \rm kbit/s)$. With GPRS, the charges are not based on the connection duration, but on the actual amount of data transferred. Therefore, a radio channel does not have to be permanently reserved for a user (as is the case with HSCSD).
  
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[[File:EN_Bei_T_3_5_S3.png|right|frame|GPRS–Systemarchitektur]]
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[[File:EN_Bei_T_3_5_S3.png|right|frame|GPRS system architecture]]
  
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Zur Einführung von GPRS waren einige Modifikationen und Ergänzungen im GSM–Netz notwendig, die in der Grafik „GPRS–Systemarchitektur” aus&nbsp; [BVE99]<ref name ='BVE99'>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.</ref>&nbsp; zusammengefasst sind:  
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To introduce GPRS, some modifications and additions to the GSM network were necessary, as shown in the graphic "GPRS System Architecture" from&nbsp; [BVE99]<ref name ='BVE99'>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, pp. 2-14.</ref>&nbsp; summarized are:  
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*Blaue Linien beschreiben Nutz– und Signalisierungsdaten.  
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*Blue lines describe payload and signaling data.  
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*Die orange–gepunkteten Verbindungen kennzeichnen Signalisierungsdaten.
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*The orange dotted connections denote signaling data.
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*'''Gb''', '''Gc''', '''Gd''', usw. geben Schnittstellen von GPRS an.  
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*'''Gb''', '''Gc''', '''Gd''', etc. indicate interfaces of GPRS.  
  
  
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Zur Integration von GPRS in die bestehende GSM–Systemarchitektur wird diese um eine neue Klasse von Netzknoten erweitert.  
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To integrate GPRS into the existing GSM system architecture, a new class of network nodes is added to it.  
  
  
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Die zusätzlichen GPRS–Komponenten – in der Grafik durch rote Kreise hervorgehoben – werden hier nur stichpunktartig erklärt:
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The additional GPRS components - highlighted by red circles in the diagram - are explained here only in bullet points:
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*Die&nbsp; '''GPRS Support Nodes'''&nbsp; (GSN) sind für die Übertragung und die Verkehrslenkung&nbsp; (''Routing'')&nbsp; der Datenpakete zwischen den Mobilstationen und den externen paketvermittelten Datennetzen verantwortlich. Hierbei unterscheidet man zwischen SGSN und GGSN, die miteinander über ein IP–basiertes GPRS–Backbone–Netz kommunizieren.
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*The&nbsp; '''GPRS Support Nodes'''&nbsp; (GSN) are responsible for the transmission and traffic routing&nbsp; (''routing'')&nbsp; of data packets between the mobile stations and the external packet-switched data networks. Here, a distinction is made between SGSN and GGSN, which communicate with each other via an IP-based GPRS backbone network.
−
*Der&nbsp; '''Serving GPRS Support Node'''&nbsp; (SGSN) ist für das Mobilitätsmanagement zuständig und übernimmt für die Paketdatendienste eine ähnliche Funktion wie das&nbsp; ''Mobile Switching Center''&nbsp; (MSC) für die verbindungsorientierten Sprachsignale.
+
*The&nbsp; '''Serving GPRS Support Node'''&nbsp; (SGSN) is responsible for mobility management and performs a similar function for packet data services as the&nbsp; '''Mobile Switching Center'''&nbsp; (MSC) does for connection-oriented voice signals.
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*Der&nbsp; '''Gateway GPRS Support Node'''&nbsp; (GGSN) ist die Schnittstelle zu fremden paketorientierten Datennetzen. Er konvertiert die vom SGSN kommenden GPRS–Pakete in das entsprechende Protokoll&nbsp; (IP, X.25, ...)&nbsp; und sendet diese an das&nbsp; '''Packet Data Network'''&nbsp; (PDN) aus.
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*The&nbsp; '''Gateway GPRS Support Node'''&nbsp; (GGSN) is the interface to foreign packet-oriented data networks. It converts the GPRS packets coming from the SGSN into the appropriate protocol&nbsp; (IP, X.25, ...)&nbsp; and sends them out to the&nbsp; '''Packet Data Network'''&nbsp; (PDN).
  
  
  
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'''GPRS–Luftschnittstelle''' 
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'''GPRS air interface''' 
  
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Ein GPRS–Handy führt beim Einschalten als erstes die Prozedur „Cell Selection” durch, indem es nach einem Frequenzkanal mit GPRS–Daten sucht. Wurde ein solcher Kanal gefunden, so muss je nach Handyklasse das Handy manuell auf GPRS–Dienste eingestellt werden oder es kann automatisch und dynamisch zwischen GPRS und GSM umschalten. Man unterscheidet:
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When a GPRS cell phone is switched on, it first performs the "Cell Selection" procedure by searching for a frequency channel with GPRS data. If such a channel has been found, then depending on the cell phone class, the cell phone must be manually set to GPRS services or it can automatically and dynamically switch between GPRS and GSM. A distinction is made between:
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*Geräte der Klasse&nbsp; $\rm A$&nbsp; können GPRS–Datendienste und GSM–Übertragungsdienste gleichzeitig übernehmen; die Kanalressourcen werden parallel paket– und durchschaltevermittelt überwacht.
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*Class&nbsp; $\rm A$&nbsp; devices can handle GPRS data services and GSM transmission services simultaneously; channel resources are monitored in parallel in a packet-switched and circuit-switched manner.
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*Bei Klasse&nbsp; $\rm B$&nbsp; werden die Signalisierungskanäle von GSM und GPRS gleichzeitig überwacht, solange kein Dienst durchgestellt ist. Der parallele GSM/GPRS–Betrieb ist aber nicht möglich.
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*In class&nbsp; $\rm B$&nbsp; the signaling channels of GSM and GPRS are monitored simultaneously as long as no service is switched through. However, parallel GSM/GPRS operation is not possible.
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*In der Klasse&nbsp; $\rm C$&nbsp; muss sich der Teilnehmer vorher entscheiden, ob er das Handy für GSM oder GPRS nutzen möchte, da Signalisierungskanäle nicht mehr simultan überwacht werden können.
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*In class&nbsp; $\rm C$&nbsp; the subscriber must decide beforehand whether to use the mobile for GSM or GPRS, since signaling channels can no longer be monitored simultaneously.
  
  
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Um die GSM–Funkschnittstelle auf den paketorientierten GPRS–Betrieb umstellen zu können, mussten die logischen Kanäle erweitert werden. Logische GPRS–Kanäle erkennt man an einem vorangestellten „P”, das die paketorientierte Betriebsart indiziert. Fast für alle logischen GSM–Kanäle gibt es das entsprechende GPRS–Äquivalent:
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To be able to switch the GSM radio interface to packet-oriented GPRS operation, the logical channels had to be extended. Logical GPRS channels can be recognized by a preceding "P", which indicates the packet-oriented operating mode. Almost for all logical GSM channels there is the corresponding GPRS equivalent:
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*Der&nbsp; ''Packet Data Traffic Channel''&nbsp; (PDTCH) wird bei GPRS als&nbsp; '''Verkehrskanal'''&nbsp; für den Nutzdatentransfer verwendet. Der entsprechende GSM–Kanal heißt TCH.
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*The&nbsp; ''Packet Data Traffic Channel''&nbsp; (PDTCH) is used in GPRS as&nbsp; '''traffic channel'''&nbsp; for user data transfer. The corresponding GSM channel is called TCH.
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*Die&nbsp; '''Signalisierungskanäle'''&nbsp; werden wie bei GSM in den&nbsp; ''Packet Broadcast Control Channel''&nbsp; (PBCCH), den&nbsp; ''Packet Common Control Channel''&nbsp; (PCCCH) und den&nbsp; ''Packet Dedicated Control Channel''&nbsp; (PDCCH) unterteilt.
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*The&nbsp; '''signaling channels'''&nbsp; are divided into the&nbsp; '''Packet Broadcast Control Channel'''&nbsp; (PBCCH), the&nbsp; ''Packet Common Control Channel'''&nbsp; (PCCCH), and the&nbsp; ''Packet Dedicated Control Channel'''&nbsp; (PDCCH), as in GSM.
  
  
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GPRS ermöglicht den Teilnehmern, Daten mit öffentlichen Datennetzen auszutauschen und verwendet dazu wie GSM die GMSK-Modulation und die FDMA/TDMA–Kombination mit acht Zeitschlitzen pro TDMA-Rahmen. Es ergeben sich folgende Unterschiede:
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GPRS allows subscribers to exchange data with public data networks and, like GSM, uses GMSK modulation and the FDMA/TDMA combination with eight time slots per TDMA frame. The differences are as follows:
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*Im GSM–Standard wird jeder aktiven Mobilstation genau ein Zeitschlitz eines TDMA–Rahmens zugewiesen. Dieser physikalische Kanal ist für die gesamte Dauer eines Rufes sowohl im Uplink als auch im Downlink für die Mobilstation reserviert.
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*In the GSM standard, each active mobile station is assigned exactly one time slot of a TDMA frame. This physical channel is reserved for the mobile station for the entire duration of a call, both in the uplink and in the downlink.
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*Bei GPRS können zur Ratensteigerung bis zu acht Zeitschlitze kombiniert werden. Außerdem werden Up– und Downlink separat zugewiesen. Die physikalischen Kanäle werden nur für die Dauer der Übertragung von Datenpaketen reserviert und anschließend wieder frei gegeben.
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*In GPRS, up to eight time slots can be combined for rate enhancement. In addition, uplink and downlink are allocated separately. The physical channels are reserved only for the duration of the transmission of data packets and then released again.
  
  
 
   
 
   
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'''GPRS–Kanalcodierung'''
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'''GPRS channel coding'''
  
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Im Gegensatz zum herkömmlichen GSM $($mit der Datenrate&nbsp; $9.6 \ \rm kbit/s)$&nbsp; sind bei GPRS vier mögliche&nbsp; ''Codierschemata''&nbsp; definiert, die je nach Empfangsqualität genutzt werden können:
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In contrast to conventional GSM $($with the data rate&nbsp; $9.6 \ \rm kbit/s)$&nbsp; four possible&nbsp; ''coding schemes''&nbsp; are defined for GPRS, which can be used depending on the reception quality:
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*Codierschema 1 $(\rm CS–1)$&nbsp; mit&nbsp; $9.05 \ \rm kbit/s$&nbsp; (181 Bit pro 20 ms),
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*Coding scheme 1 $(\rm CS-1)$&nbsp; with&nbsp; $9.05 \rm kbit/s$&nbsp; (181 bits per 20 ms),
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*Codierschema 2 $(\rm CS–2)$&nbsp; mit&nbsp; $13.4 \ \rm kbit/s$&nbsp; (268 Bit pro 20 ms),
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*Coding scheme 2 $(\rm CS-2)$&nbsp; with&nbsp; $13.4 \rm kbit/s$&nbsp; (268 bits per 20 ms),
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*Codierschema 3 $(\rm CS–3)$&nbsp; mit&nbsp; $15.6 \ \rm kbit/s$&nbsp; (312 Bit pro 20 ms),
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*Coding scheme 3 $(\rm CS-3)$&nbsp; with&nbsp; $15.6 \rm kbit/s$&nbsp; (312 bits per 20 ms),
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*Codierschema 4 $(\rm CS–4)$&nbsp; mit&nbsp; $21.4 \ \rm kbit/s$&nbsp; (428 Bit pro 20 ms).
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*Coding scheme 4 $(\rm CS-4)$&nbsp; with&nbsp; $21.4 \rm kbit/s$&nbsp; (428 bits per 20 ms).
  
  
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Die kleinstmögliche Datenrate ist somit&nbsp; $9.05 \ \rm kbit/s$&nbsp; ($\rm CS–1$, ein Zeitschlitz), die maximale beträgt derzeit (2007)&nbsp; $171.2 \ \rm kbit/s$&nbsp; ($\rm CS–4$, acht Zeitschlitze). Diese theoretische Geschwindigkeit wird in der Praxis jedoch nicht erreicht, da die meisten aktuellen GPRS–Handys nur maximal eine Netto–Datenrate von&nbsp; $13.4 \ \rm kbit/s$&nbsp; ($\rm CS–2$) unterstützen. Die Grafik und die nachfolgenden Erklärungen beziehen sich auf diese Kombination.
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The smallest possible data rate is thus&nbsp; $9.05 \rm kbit/s$&nbsp; ($\rm CS-1$, one time slot), the maximum is currently (2007)&nbsp; $171.2 \rm kbit/s$&nbsp; ($\rm CS-4$, eight time slots). However, this theoretical speed is not achieved in practice, since most current GPRS phones only support a maximum net data rate of&nbsp; $13.4 \rm kbit/s$&nbsp; ($\rm CS-2$). The graphic and the following explanations refer to this combination.
  
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[[File:EN_Bei_T_3_5_S5a_v3.png|center|frame|Zur Kanalcodierung bei GPRS]]
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[[File:EN_Bei_T_3_5_S5a_v3.png|center|frame|For channel coding in GPRS]]
  
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*Die&nbsp; $268$&nbsp; Informationsbit werden zunächst durch sechs vorcodierte Bit des&nbsp; ''Uplink State Flags''&nbsp; (USF), &nbsp;$16$&nbsp; Paritätsbit der so genannten&nbsp; ''Block Check Sequence''&nbsp; (BCS) und vier Tailbits&nbsp; $(0000)$&nbsp; ergänzt. Letztere sind für die Terminierung der Faltungscodes notwendig.
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*The&nbsp; $268$&nbsp; information bits are first supplemented by six precoded bits of the&nbsp; ''Uplink State Flag''&nbsp; (USF), &nbsp;$16$&nbsp; parity bit of the so-called&nbsp; ''Block Check Sequence''&nbsp; (BCS) and four tail bits&nbsp; $(0000)$&nbsp;. The latter are necessary for the termination of the convolutional codes.
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*Zur Kanalcodierung wird der von GSM bekannte Faltungscode der Coderate&nbsp; $R_{\rm C} = 1/2$&nbsp; benutzt. Durch diesen werden die insgesamt&nbsp; $294$ Bit&nbsp; auf&nbsp; $588$&nbsp; Bit verdoppelt und somit ausreichend gegen Übertragungsfehler geschützt.
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*For channel coding, the convolutional code of code rate&nbsp; $R_{\rm C} = 1/2$&nbsp; known from GSM is used. By this the total&nbsp; $294$ bits&nbsp; are doubled to&nbsp; $588$&nbsp; bits and thus sufficiently protected against transmission errors.
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*Anschließend werden&nbsp; $132$&nbsp; dieser&nbsp; $588$&nbsp; Bit punktiert, so dass daraus schließlich ein Codewort der Länge&nbsp; $456$&nbsp; Bit $($Bitrate&nbsp; $22.8 \ \rm kbit/s)$&nbsp; resultiert. Damit ergibt sich eine resultierende Coderate (von Faltungscoder inklusive Punktierung) von&nbsp; $294/456 ≈ 65\%$.
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*Followed by&nbsp; $132$&nbsp; of these&nbsp; $588$&nbsp; bits are punctured, so that finally a codeword of length&nbsp; $456$&nbsp; bit $($bitrate&nbsp; $22.8 \ \rm kbit/s)$&nbsp; results. This gives a resulting code rate (from convolutional encoders including puncturing) of&nbsp; $294/456 ≈ 65\%$.
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*Nach der Kanalcodierung werden die Codewörter einem Blockinterleaver der Tiefe&nbsp; $4$&nbsp; zugeführt. Das Interleavingschema ist für alle vier Codierschemata identisch.
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*After channel coding, the codewords are fed to a block interleaver of depth&nbsp; $4$&nbsp;. The interleaving scheme is identical for all four coding schemes.
 
   
 
   
 
 
 
 

Revision as of 23:48, 21 January 2023

  1. Examples of Communication Systems
  2. GSM – Global System for Mobile Communications
  3. Further Developments of the GSM


The different generations of the GSM


GSM was originally designed and developed as a pan-European mobile communications network, primarily for telephone calls and fax. Data transmission at a constant low data rate was secondary. The GSM standard was further developed in various phases after its presentation. This enabled new services.

The different generations of the GSM

The graph from  [EVB01][1]  shows the further developments of GSM:

  • The  $\rm GSM$ system described so far in the third main chapter is limited to the first two generations. The  $\rm phase \ 1$  included only basic teleservices and a few additional services that could be offered on a mandatory basis by all network operators at that time when GSM was launched in 1991.
  • The standardization of the $\rm phase \ 2$  in the years from 1995 to 1997 already included the first further developments of the GSM standard. As a result, the additional services known from  "ISDN"  were also gradually made available for GSM and supplemented by some new features, such as call waiting  or hold  (Hold).
  • In the years 1997-2000, new data services with higher data rates were developed, such as.
"High Speed Circuit-Switched Data"  (HSCSD),
"General Packet Radio Service"  (GPRS), and
"Enhanced Data Rates for GSM Evolution"  (EDGE).

These newer data services are classified as part of the $\rm phase \ 2+$  (or Generation 2.5) and are highlighted in green in the graphic.

  • The third generation of mobile communications includes  "UMTS"  (Universal Mobile Telecommunications System). This standard enabled significantly higher data transmission rates than were possible with the GSM standard. It is discussed in detail in the fourth main chapter of this book. In the graphic above, this third-generation system is highlighted in red.


The innovations of the  $\rm phase \ 2+$  affect almost all aspects of GSM, from radio transmission to call control. The new data services made possible by this are explained in more detail on the following pages.


High Speed Circuit–Switched Data (HSCSD)


"Bundling of multiple timeslots in HSCSD"

The GSM data transmission standard  $\rm High \ Speed \ Circuit-Switched \ Data$  (HSCSD), introduced in 1999, allowed the user data rate per connection to be increased from  $9.6 \rm kbit/s$  to  $14.4 \rm kbit/s$  when transmission conditions permitted.

By bundling several adjacent time slots, the data rate could be increased even further.

The data rate depends on how many channels the network operator provides for bundling or how many channels the HSCSD cell phone can process.

The graphic explains the principle of bundling multiple timeslots:

  • Each of the eight physical channels (timeslots) in a frame provides a maximum  $14.4 \rm kbit/s$  for data communication. HSCSD enables channel bundling by combining multiple timeslots, as is also used in ISDN. This is referred to as  multislot capability.
  • By interconnecting all eight channels, this would result in  $\rm 8 - 14.4 \ kbit/s = 115.2 \ kbit/s$. However, since the connection between the  Base Station Controller  (BSC) and the  Mobile Switching Center  (MSC) is limited to  $64 \rm kbit/s$ , one is limited to bundling four time slots, resulting in a maximum transmission rate of  $57.6 \rm kbit/s$ .
  • An advantage of HSCSD technology over packet-oriented GPRS (see next page) is the line-oriented data transmission. This is particularly advantageous for applications that require uniform bandwidths, since here the transmission channel does not have to be shared with anyone. Examples include video and image transmission.
  • However, the higher transmission costs due to the occupancy of multiple channels are disadvantageous. These channels are therefore no longer available to other mobile subscribers. In a radio cell with high channel utilization, it can therefore happen that the bundling of multiple channels is prevented by the network operator.


General Packet Radio Service (GPRS)


With the GSM extension  $\rm General \ Packet \ Radio \ Service$  (GPRS), packet-oriented data transmission was made possible for the first time in 2000. GPRS supports a large number of protocols (Internet Protocol, X.25, Datex-P, etc.) and allows mobile subscribers to communicate with external data networks (the Internet or internal company intranets). GPRS was an important intermediate step in the evolution of cellular mobile networks towards third generation and towards the mobile Internet.

A GPRS user benefits from shorter access times and the higher data rate $($to  $21.4 \ \rm kbit/s)$  compared to conventional GSM  $(9.6 \ \rm kbit/s)$  and HSCSD  $(14.4 \ \rm kbit/s)$. With GPRS, the charges are not based on the connection duration, but on the actual amount of data transferred. Therefore, a radio channel does not have to be permanently reserved for a user (as is the case with HSCSD).

GPRS system architecture

To introduce GPRS, some modifications and additions to the GSM network were necessary, as shown in the graphic "GPRS System Architecture" from  [BVE99][2]  summarized are:

  • Blue lines describe payload and signaling data.
  • The orange dotted connections denote signaling data.
  • Gb, Gc, Gd, etc. indicate interfaces of GPRS.


To integrate GPRS into the existing GSM system architecture, a new class of network nodes is added to it.


The additional GPRS components - highlighted by red circles in the diagram - are explained here only in bullet points:

  • The  GPRS Support Nodes  (GSN) are responsible for the transmission and traffic routing  (routing)  of data packets between the mobile stations and the external packet-switched data networks. Here, a distinction is made between SGSN and GGSN, which communicate with each other via an IP-based GPRS backbone network.
  • The  Serving GPRS Support Node  (SGSN) is responsible for mobility management and performs a similar function for packet data services as the  Mobile Switching Center  (MSC) does for connection-oriented voice signals.
  • The  Gateway GPRS Support Node  (GGSN) is the interface to foreign packet-oriented data networks. It converts the GPRS packets coming from the SGSN into the appropriate protocol  (IP, X.25, ...)  and sends them out to the  Packet Data Network  (PDN).


GPRS air interface

When a GPRS cell phone is switched on, it first performs the "Cell Selection" procedure by searching for a frequency channel with GPRS data. If such a channel has been found, then depending on the cell phone class, the cell phone must be manually set to GPRS services or it can automatically and dynamically switch between GPRS and GSM. A distinction is made between:

  • Class  $\rm A$  devices can handle GPRS data services and GSM transmission services simultaneously; channel resources are monitored in parallel in a packet-switched and circuit-switched manner.
  • In class  $\rm B$  the signaling channels of GSM and GPRS are monitored simultaneously as long as no service is switched through. However, parallel GSM/GPRS operation is not possible.
  • In class  $\rm C$  the subscriber must decide beforehand whether to use the mobile for GSM or GPRS, since signaling channels can no longer be monitored simultaneously.


To be able to switch the GSM radio interface to packet-oriented GPRS operation, the logical channels had to be extended. Logical GPRS channels can be recognized by a preceding "P", which indicates the packet-oriented operating mode. Almost for all logical GSM channels there is the corresponding GPRS equivalent:

  • The  Packet Data Traffic Channel  (PDTCH) is used in GPRS as  traffic channel  for user data transfer. The corresponding GSM channel is called TCH.
  • The  signaling channels  are divided into the  Packet Broadcast Control Channel  (PBCCH), the  Packet Common Control Channel  (PCCCH), and the  Packet Dedicated Control Channel  (PDCCH), as in GSM.


GPRS allows subscribers to exchange data with public data networks and, like GSM, uses GMSK modulation and the FDMA/TDMA combination with eight time slots per TDMA frame. The differences are as follows:

  • In the GSM standard, each active mobile station is assigned exactly one time slot of a TDMA frame. This physical channel is reserved for the mobile station for the entire duration of a call, both in the uplink and in the downlink.
  • In GPRS, up to eight time slots can be combined for rate enhancement. In addition, uplink and downlink are allocated separately. The physical channels are reserved only for the duration of the transmission of data packets and then released again.


GPRS channel coding

In contrast to conventional GSM $($with the data rate  $9.6 \ \rm kbit/s)$  four possible  coding schemes  are defined for GPRS, which can be used depending on the reception quality:

  • Coding scheme 1 $(\rm CS-1)$  with  $9.05 \rm kbit/s$  (181 bits per 20 ms),
  • Coding scheme 2 $(\rm CS-2)$  with  $13.4 \rm kbit/s$  (268 bits per 20 ms),
  • Coding scheme 3 $(\rm CS-3)$  with  $15.6 \rm kbit/s$  (312 bits per 20 ms),
  • Coding scheme 4 $(\rm CS-4)$  with  $21.4 \rm kbit/s$  (428 bits per 20 ms).


The smallest possible data rate is thus  $9.05 \rm kbit/s$  ($\rm CS-1$, one time slot), the maximum is currently (2007)  $171.2 \rm kbit/s$  ($\rm CS-4$, eight time slots). However, this theoretical speed is not achieved in practice, since most current GPRS phones only support a maximum net data rate of  $13.4 \rm kbit/s$  ($\rm CS-2$). The graphic and the following explanations refer to this combination.

For channel coding in GPRS
  • The  $268$  information bits are first supplemented by six precoded bits of the  Uplink State Flag  (USF),  $16$  parity bit of the so-called  Block Check Sequence  (BCS) and four tail bits  $(0000)$ . The latter are necessary for the termination of the convolutional codes.
  • For channel coding, the convolutional code of code rate  $R_{\rm C} = 1/2$  known from GSM is used. By this the total  $294$ bits  are doubled to  $588$  bits and thus sufficiently protected against transmission errors.
  • Followed by  $132$  of these  $588$  bits are punctured, so that finally a codeword of length  $456$  bit $($bitrate  $22.8 \ \rm kbit/s)$  results. This gives a resulting code rate (from convolutional encoders including puncturing) of  $294/456 ≈ 65\%$.
  • After channel coding, the codewords are fed to a block interleaver of depth  $4$ . The interleaving scheme is identical for all four coding schemes.


Enhanced Data Rates for GSM Evolution


Die letzte GSM–Erweiterung  $\rm Enhanced \ Data \ Rates \ for \ GSM–Evolution$  (EDGE) mit dem Ziel, die Datenübertragungsrate in GSM–Netzen zu erhöhen, benutzt neben  Gaussian Minimum Shift Keying  (GMSK) als zusätzliches Modulationsverfahren  8–Phase Shift Keying  (8–PSK):

  • Bei diesem gibt es acht verschiedene Symbole (bei GMSK nur zwei), die sich durch unterschiedliche Phasenlagen bei Vielfachen von  $45^\circ$  unterscheiden.
  • Das bedeutet, dass mit jedem Symbol drei Datenbit übertragen werden können, wodurch die Datenrate im Vergleich zu GPRS um den Faktor  $3$  gesteigert wird.


Mit der Definition von EDGE wird HSCSD zu  Enhanced Circuit Switched Data  (E–CSD) und GPRS zu  Enhanced–GPRS  (E–GPRS). T–mobile ist allerdings der einzige deutsche Netzbetreiber, der derzeit (2007) EDGE in seinem Netz anbietet.

Normal Burst  von EDGE bzw. E–GPRS

Die Grafik zeigt den  Normal Burst  von EDGE bzw. E–GPRS. Man erkennt folgende Unterschiede zum  Normal Burst  bei GSM:

  • Der  Normal Burst  besteht bei EDGE aus  $468.75$  Bit anstelle der  $156.25$  Bit bei GSM, woraus die Verdreifachung der Datenrate ersichtlich ist.
  • Wie bei GSM gibt es zwei  Stealing Flags. Tailbits, Trainingssequenz und  Guard Period  werden jeweils verdreifacht. Damit verbleiben für das Datenfeld  $57 · 3 + 2 = 173$ Bit.
  • Somit werden bei E–GPRS im  Normal Burst  $346$  Bit kanalcodierte Daten  $($Coderate  $R_{\rm C} =1/2)$  pro  $576.9\ \rm µ s$  übertragen, was einer Netto–Datenrate von ca.  $60 \ \rm kbit/s$  entspricht.


Modulation and Coding Schemes bei E–GPRS

Bei E–GPRS gibt es neun vom Betreiber auswählbare  Modulation and Coding Schemes  (MCS), die von den verwendeten Kanalcodier– und Modulationsverfahren abhängen.

Tabelle der  Modulation and Coding Schemes  bei E–GPRS

Die Tabelle zeigt die möglichen Schemata von E–GPRS. Daraus ist zu erkennen:

  • Die ersten vier Schemata verwenden wie GSM/GPRS das Modulationsverfahren GMSK mit einem bit Information pro Kanalzugriff, während bei  $\rm MCS–5$, ... ,  $\rm MCS–9$  eine achtstufige Phasenmodulation (8–PSK) benutzt wird und damit drei bit pro Symbol übertragen werden.
  • Je kleiner die Coderate, desto größer ist die zugesetzte Redundanz und damit die Datensicherheit. Insbesondere zwischen  $\rm MCS–4$  $(R_{\rm C} = 1)$  und  $\rm MCS–5$  $(R_{\rm C} = 0.37)$  nimmt die Coderate wegen der günstigeren Modulationsart trotz höherer Netto–Datenrate signifikant ab (letzte Spalte).
  • Der aufwändigste Modus  $\rm MCS–9$  bietet gemäß der Tabelle eine Datenrate von  $59.2 \ \rm kbit/s$  und erlaubt theoretisch die gleichzeitige Belegung von acht Zeitschlitzen, was eine maximale Netto–Datenrate von  $473.6 \ \rm kbit/s$  bedeuten würde. Allerdings ist dieser Modus  $($mit $R_{\rm C} = 1)$  nur bei extrem guten Bedingungen anwendbar und acht Zeitschlitze stehen auch nur selten zur Verfügung.
  • Mit  $\rm MCS–8$  und sieben Zeitschlitzen kann man immerhin schon  $380.8 \ \rm kbit/s$  erreichen und ist damit in der Größenordnung von  Universal Mobile Telecommunications System  (UMTS), dem bekanntesten Standard der dritten Mobilfunkgeneration, der derzeit  $384 \ \rm kbit/s$  anbietet.
  • EDGE verwendet die gleichen Frequenzen wie GSM, weshalb diese Technik besonders für Betreiber mit bestehender GSM–Infrastruktur interessant ist, die im Jahr 2000 keine der teueren UMTS–Lizenzen erworben haben und trotzdem eine ausreichend hohe Datenrate anbieten wollen.


Das System UMTS wird im nachfolgenden vierten Hauptkapitel eingehend beschrieben.


Aufgabe zum Kapitel


Aufgabe 3.8: General Packet Radio Service

Quellenverzeichnis

  1. ↑ Eberspächer, J.; Vögel, H.J.; Bettstetter, C.: Global System for Mobile Communication. 3rd ed. Stuttgart: Teubner, 2001.
  2. ↑ 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, pp. 2-14.



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