Difference between revisions of "Mobile Communications/Similarities Between GSM and UMTS"

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== Zellulare Architektur ==
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== Cellular architecture ==
 
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Charakteristisch für GSM und UMTS gleichermaßen ist die zellulare Netzstruktur, die man häufig durch Hexagone annähert (linke Grafik). Die Farben weiß, gelb und blau deuten unterschiedliche Frequenzen an (hier: Reuse&ndash;Faktor 3), wodurch Interzellinterferenzen vermieden werden. Die rechte Grafik zeigt ein realistischeres Layout mit nicht hexagonalen und auch unterschiedlich großen Zellen, je nach erwarteter Teilnehmerdichte und Geländetopologie. Die Basisstation liegt auch nicht immer in der Zellenmitte.<br>
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[[File:EN_Mob_T_3_2_S1.png|right|frame| Cellular network structure, idealized (left) and realistic (right)|class=fit]]
  
[[File:P ID2197 Mob T 3 2 S1 v2.png| Zellulare Netzstruktur|class=fit]]<br>
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A characteristic feature of GSM and UMTS is the cellular network structure, which is often approximated by hexagons&nbsp; (see left graphic on the right):  
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*The colors white, yellow and blue indicate different frequencies&nbsp; $($here: &nbsp;Reuse factor &nbsp;$3)$, thus avoiding intercell interference.
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*The graphic on the right shows a more realistic layout with non&ndash;hexagonal and also differently sized cells, depending on expected participant density and terrain topology.&nbsp; The base station is also not always located in the center of the cell.<br>
  
Beim GSM&ndash;D&ndash;Netz (<i>f</i><sub>T</sub> = 900 MHz) wird der Zellenradius mit maximal 35 km angegeben. Beim E&ndash;Netz ist der  maximale Radius wegen der größeren Trägerfrequenz (1.8 GHz) halb so groß. Im UMTS&ndash;Netz (<i>f</i><sub>T</sub> &asymp;  2 GHz) gibt es  verschiedene Typen von Funkzellen &ndash; siehe [http://en.lntwww.de/Beispiele_von_Nachrichtensystemen/UMTS%E2%80%93Netzarchitektur#Zellulare_Architektur_von_UMTS Grafik] im Buch 9:
 
  
*Makrozellen decken das komplette Versorgungsgebiet ab und folgen dem klassischen Design. Sowohl Überlappungen als auch &bdquo;Löcher&rdquo; zwischen den Zellen sollen minimiert werden. Eine Makrozelle hat meist viele Makro&ndash;Nachbarn: Bei exakt hexagonalen Zellen sechs, in Realität einige mehr. Die Basisstationen arbeiten mit hoher Leistung (20&ndash;40W), sind sehr hoch aufgehängt und verwenden sektorisierte Antennen. In dünn besiedelten Regionen haben Makrozellen Durchmesser bis zu einigen Kilometern. In Innenstädten werden aber auch die Makrozellen zur Kapazitätssteigerung sehr klein gehalten, oft nur mit wenigen Hundert Meter Durchmesser.<br>
+
With the&nbsp; "GSM&ndash;D" net&nbsp; $(f_{\rm T} = 900 \ \ \rm MHz)$&nbsp; the cell radius is specified with maximum &nbsp;$\text{35 km}$&nbsp;.&nbsp; In the&nbsp; "GSM&ndash;E"&nbsp; net, the maximum radius is only half as large because of the larger carrier frequency &nbsp;$(1800 \ \ \rm MHz)$.&nbsp;
  
*Mikrozellen decken einen kleinen Teil einer Makrozelle ab und dienen in erster Linie zur lokalen Kapazitätssteigerung (Ausleuchtung von Löchern). Sie haben meist nur einen Makro&ndash;Nachbarn, können aber auch andere Micro/Pico/Femto&ndash;Nachbarn haben. Die Leistung ist mit 5&ndash;10W etwas niedriger und die Geräte sind kleiner als in einer Makrozelle. Die meist nicht sektorisierten Antennen müssen aber ebenfalls ausreichend hoch  (an Mast oder Hauswand) positioniert werden.<br>
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[[File:EN_Bei_T_4_2_S8.png|80px|left|frame|Cell structure in UMTS|class=fit]]
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<br><br><br><br><br>
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In the UMTS network&nbsp; $(f_{\rm T} \approx 2 \ \rm GHz)$&nbsp; there are different types of radio cells:
  
*Pikozellen versorgen kleine Gebiete  (<i>d</i> &asymp; 100 m) mit sehr hohem Datenaufkommen (z.B.: Flughäfen, Einkaufszentren, Stadien). Sie erlauben höhere Datenraten, allerdings zu Lasten der Bewegungsgeschwindigkeit. Die Geräte einer Pikozelle sind deutlich kleiner als in einer Mikrozelle und arbeiten mit kleinerer Leistung (1&ndash;5W), sind aber flexibler bei der Montage.<br>
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*&raquo;'''Macro cells'''&laquo;&nbsp; cover the complete coverage area and follow the classic design. Both overlaps and "holes" between cells should be minimized.&nbsp; A macro cell usually has many macro&ndash;neighbours: &nbsp; For exactly hexagonal cells six, in reality some more or less.&nbsp; The base stations work with high power&nbsp; $\text{(20 to 40 W)}$, are suspended at a great height and use sectorized antennas.&nbsp; In sparsely populated regions, macro cells have diameters of up to several kilometers.&nbsp; In city centres, however, macro cells are kept compact to increase capacity, often only a few hundred metres in diameter.<br>
  
*Femtozellen werden oft privat und unkoordiniert administriert (Beispiel: <i>WLAN Access Point</i>), teilweise mit privatem Backhaul (eigene DSL&ndash;Leitung). Man spricht auch von einer &bdquo;Home Base Station&rdquo;. Sie werden &bdquo;Indoor&rdquo; betrieben und arbeiten mit sehr geringer Leistung (< 1W).<br>
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*&raquo;'''Microcells'''&laquo;&nbsp; cover a small part of a macrocell and are primarily used to increase local capacity&nbsp; $($illumination of dead spots$)$.&nbsp; They usually have only one macro&ndash;neighbor, but can also have other micro/pico/femto&ndash;neighbors.&nbsp; The power is somewhat lower&nbsp; $\text{(5 to 10 W)}$&nbsp; and the devices are smaller than in a macro cell.&nbsp; However, the antennas, most of which are not sectorized, also have to be positioned sufficiently high (on a mast or house wall).<br>
  
== Interferenzleistung und Zellatmung ==
+
*&raquo;'''Picocells'''&laquo;&nbsp; supply small areas&nbsp; $(d \approx 100 \ \rm m)$&nbsp; with very high data volume&nbsp; $($examples: &nbsp; airports, shopping centres, stadiums$)$.&nbsp; They allow higher data rates, but at the expense of the speed of movement.&nbsp; The devices of a picocell are significantly smaller than those in a microcell and operate with lower power&nbsp;  $\text{(1 to 5 W)}$, but are more flexible in assembly.<br>
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*&raquo;'''Femtocells'''&laquo;&nbsp; are often administered privately and uncoordinated&nbsp; $($example: &nbsp; WLAN access point$)$, sometimes with private backhaul $($own DSL line$)$.&nbsp; One also speaks of a "Home Base Station".&nbsp; They are operating "Indoor" and work with low power&nbsp; $\text{(< 1 W)}$ .<br>
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== Interference power and cell breathing ==
 
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<br>
Benutzen mehrere Teilnehmer den gleichen Frequenzkanal, so kann es zu Interferenzen und damit zu einem sehr niedrigen Träger&ndash;zu&ndash;Interferenzabstand (englisch: <i>Carrier&ndash;to&ndash;Interference Ratio</i>, CIR) kommen, wodurch die Übertragungsqualität erheblich beeinträchtigt wird. Gravierend ist das Problem bei UMTS, das auf dem Vielfachzugriffsverfahren [http://en.lntwww.de/Modulationsverfahren/Aufgaben_und_Klassifizierung#FDMA.2C_TDMA_und_CDMA_.281.29 CDMA] (<i>Code Division Multiple Access</i>) basiert, da hier alle Teilnehmer den gleichen Frequenzkanal nutzen.<br>
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If several subscribers use the same frequency channel, interference may occur and thus a very low carrier&ndash;to&ndash;interference ratio&nbsp; $\rm (CIR)$,&nbsp; which considerably impairs the transmission quality.&nbsp; The problem is serious in the case of UMTS, which is based on the multiple access method&nbsp; [[Modulation_Methods/Tasks_and_Classification#FDMA.2C_TDMA.2C_and_CDMA| $\text{CDMA}$]]&nbsp; ("Code Division Multiple Access"), since here all participants use the same frequency channel.<br>
  
[[File:P ID2198 Mob T 3 2 S2 v1.png|Intra– und Interzellinterferenz|class=fit]]<br>
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[[File:EN Mob T 3 2 S2a.png|right|frame|To illustrate intra- and intercellular interference|class=fit]]
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A distinction is made between two types of interference according to the graphic:
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*&raquo;'''Intracell interference'''&laquo;&nbsp; occurs when the same frequency channel is used by several users within the same cell.&nbsp; In the shown  example, this case arises for&nbsp; $f_1 = f_2$.<br>
  
Man unterscheidet entsprechend der Grafik zwischen zwei Arten von Interferenzen:
+
*&raquo;'''Intercell interference'''&laquo; &nbsp; occurs when users of neighboring cells use the same frequency, in the scenario shown, for example, when&nbsp; $f_3 = f_4$&nbsp; applies.
*Intrazellinterferenz entsteht durch die Verwendung des gleichen Frequenzkanals von mehreren Teilnehmern innerhalb der gleichen Zelle. Im obigen Beispiel ergibt sich dieser Fall für <i>f</i><sub>1</sub> = <i>f</i><sub>2</sub>.<br>
 
  
*Dagegen kommt es zu Interzellinterferenz, wenn Teilnehmer benachbarter Zellen die gleiche Frequenz nutzen, im dargestellten Szenario beispielsweise dann, wenn <i>f</i><sub>3</sub> = <i>f</i><sub>4</sub> gilt.<br><br>
 
  
Sowohl Intra&ndash; als auch Interzellinterferenz führen zu einer Minderung der Übertragungsqualität. Bei Interzellinterferenz (gleicher Frequenzkanal in benachbarten Zellen) lässt sich der störende Einfluss der Interferenzleistung auf die Übertragungsqualität begrenzen durch
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Both intracell and intercell interference lead to a reduction in transmission quality.&nbsp; In the case of intercell interference (same frequency channel in adjacent cells), the disturbing influence of the interference power on the transmission quality can be limited by
*[http://en.lntwww.de/Beispiele_von_Nachrichtensystemen/UMTS%E2%80%93Netzarchitektur#Zellulare_Architektur_von_UMTS Zellatmung:] Nimmt bei UMTS die Anzahl der aktiven Teilnehmer signifikant zu, so wird der Zellenradius und damit auch die aktuelle Interferenzleistung verkleinert. Für die Versorgung der Teilnehmer am Rande einer ausgelasteten Zelle springt eine weniger belastete Nachbarzelle ein.<br>
 
  
*[http://en.lntwww.de/Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Nachrichtentechnische_Aspekte_von_UMTS#Leistung_und_Leistungsregelung_in_UMTS Leistungsregelung:] Überschreitet die Gesamtinterferenzleistung innerhalb einer Funkzelle einen vorgegebenen Grenzwert, so wird die Sendeleistung aller Teilnehmer entsprechend herabgesetzt, was aber ebenfalls  eine schlechtere Übertragungsqualität zur Folge hat.<br><br>
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*[[Examples_of_Communication_Systems/UMTS_Network_Architecture#What_is_cell_breathing.3F| $\text{Cell breathing}$]]: &nbsp; If the number of active users increases significantly with UMTS, the cell radius and thus the current interference power is reduced.&nbsp; For the supply of the users at the edge of a busy cell, a less busy neighboring cell steps in.<br>
  
Dagegen muss bei Intrazellinterferenz jeder Nutzer indivuell geregelt werden, zum Beispiel durch eine Reduzierung von Sendeleistung und/oder Datenrate.
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*[[Examples_of_Communication_Systems/Telecommunications_Aspects_of_UMTS#Power_and_power_control_in_UMTS| $\text{Power control}$]]: &nbsp;If the total interference power within a radio cell exceeds a specified limit, the transmission power of all users is reduced accordingly, but this also results in poorer transmission quality.<br><br>
  
== Near–Far–Effekt und Leistungsregelung (1) ==
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In contrast, in the case of intracell interference, each user must be regulated individually, for example by reducing transmission power and/or data rate.
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== Near-Far effect ==
 
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Der Near&ndash;Far&ndash;Effekt ist ausschließlich ein Problem des Uplinks, also der Übertragung von mobilen Teilnehmern zu einer Basisstation. Wir betrachten ein Szenario mit zwei unterschiedlich weit von der Basisstation (Node B) entfernten Nutzern entsprechend der folgenden Grafik.<br>
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The Near&ndash;Far effect is exclusively a problem of the uplink, i.e. the transmission of mobile users to a base station.&nbsp;  We consider a scenario with two users at different distances from the base station&nbsp; ("Node B")&nbsp; according to the following graphic.<br>
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[[File:EN_Mob_T_3_2_S3.png|right|frame|Scenarios for the Near-Far effect|class=fit]]
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*If both mobile stations transmit with the same power, the received power of the red user &nbsp;$\rm A$&nbsp; at the base station is significantly lower than that of the blue user &nbsp;$\rm B$&nbsp; due to the path loss (left scenario).&nbsp; In large macro cells the difference can be up to&nbsp; $\text{100 dB}$.&nbsp; This way the red signal is largely hidden by the blue one.<br>
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*You can largely avoid the Near&ndash;Far effect if the more distant user &nbsp;$\rm A$&nbsp; transmits with higher power than user &nbsp;$\rm B$, as indicated in the right scenario.&nbsp; At the base station the received power of both mobile stations is then (almost) equal.<br><br>
  
[[File:P ID2498 Mob T 3 2 S3b neu v3.png|Szenarien zum Near–Far–Effekt|class=fit]]<br>
+
<i>Note:</i> &nbsp; In an idealized system&nbsp; $($one&ndash;way channel, ideal A/D converters, completely linear amplifiers$)$&nbsp; the transmitted data of the users are orthogonal to each other and one could detect the users individually even with very different received powers.&nbsp;
  
*Senden beide Mobilstationen mit gleicher Leistung, so ist die Empfangsleistung des roten Nutzers A an der Basisstation aufgrund des Pfadverlustes deutlich kleiner als die des blauen Nutzers B (linkes Szenario). In großen Makrozellen kann der Unterschied bis zu 100 dB ausmachen. Dadurch wird das rote Signal weitgehend durch das blaue verdeckt.<br>
+
This statement is valid for GSM due to the multiple access methods FDMA and TDMA, but also for UMTS (CDMA) and for the 4G system LTE (TDMA/OFDMA).<br>
  
*Man kann den Near&ndash;Far&ndash;Effekt weitgehend vermeiden, wenn der weiter entfernte Nutzer A mit höherer Leistung sendet als Nutzer B, wie im rechten Szenario angedeutet. An der Basisstation ist dann die Empfangsleistung beider Mobilstationen gleich.<br><br>
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In reality, however, orthogonality is not always given due to the following reasons:
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*different received paths &nbsp; &#8658; &nbsp; multipath channel,<br>
  
<i>Anmerkung:</i> Bei einem idealisierten System (Einwegekanal, ideale A/D&ndash;Wandler, vollständig lineare Verstärker) sind die übertragenen Daten der Nutzer orthogonal zueinander und man könnte die Nutzer auch bei sehr unterschiedlichen Empfangsleistungen einzeln detektieren. Diese Aussage gilt für GSM aufgrund der Mehrfachzugriffsverfahren  FDMA und TDMA, aber auch für UMTS (CDMA) und für das 4G&ndash;System LTE (TDMA/OFDMA).<br>
+
*not ideal properties of spreading and scrambling codes with CDMA,<br>
  
In der Realität ist jedoch die Orthogonalität aufgrund folgender Ursachen nicht immer gegeben:
+
*asynchrony of users in the time domain&nbsp; (basic path delay)&nbsp; and in the frequency domain&nbsp; (non&ndash;ideal oscillators and Doppler shift due to user mobility).<br><br>
*verschiedene Empfangspfade &nbsp;&#8658;&nbsp; Mehrwegekanal,<br>
 
  
*nicht ideale Eigenschaften der Spreiz&ndash; und Scramblingcodes bei CDMA,<br>
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Consequently, the users are no longer orthogonal to each other and the signal-to-noise ratio of the user to be detected is not arbitrarily high compared to other users:
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*For GSM and LTE one can assume signal&ndash;to&ndash;noise ratios of&nbsp; $\text{25 dB}$&nbsp; and more,
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*for CDMA only approx.&nbsp; $\text{15 dB}$&nbsp;,  
 +
*for high rate data transmission rather less.<br>
  
*Asynchronität der Nutzer im Zeitbereich (Grundlaufzeit der Pfade) und im Frequenzbereich (nicht ideale Oszillatoren und Dopplerverschiebung aufgrund der Mobilität der Nutzer).<br><br>
+
== Power control ==
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<br>
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To avoid the Near&ndash;Far effect according to the right graph in the last section, however, a sufficiently good power control is required.&nbsp; It should be noted here:
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*For all systems&nbsp; (GSM, UMTS and LTE), a dynamic range at the base station of&nbsp; $\text{80 dB}$&nbsp; must be assumed, whereby the changes with respect to path loss and shading occur rather slowly and for this a regulation in the seconds range around &nbsp; $&plusmn;\text{5 dB}$&nbsp; is sufficient.<br>
  
Folglich sind die Nutzer nicht mehr orthogonal zueinander und der Störabstand des zu detektierenden Nutzers gegenüber den anderen Teilnehmern ist nicht beliebig hoch. Bei GSM und LTE kann man von Störabständen von  25 dB und mehr ausgehen, bei CDMA jedoch nur von ca. 15 dB, bei hochratiger Datenübertragung eher noch etwas weniger.<br>
+
*For GSM and LTE, a regulation in the range of seconds is sufficient, since the signal&ndash;to&ndash;noise ratio between a user and the other users is more than &nbsp; $\text{25 dB}$&nbsp; due to the good properties of FDMA/OFDMA.&nbsp; Very fast fluctuations of the "Fast Fading"&nbsp; $($Dynamic range between&nbsp; $\text{10 and 20 dB})$&nbsp; do not have to be compensated.<br>
  
== Near–Far–Effekt und Leistungsregelung (2) ==
+
*With UMTS, on the other hand, fast fading must also be compensated, since the signal&ndash;to&ndash;noise ratio between users is less than the fluctuations of fast fading.&nbsp; For UMTS, "Fast Power Control"&nbsp; was specified, whereby the transmission power can be changed every&nbsp; $\text{0.67 ms}$&nbsp; by &nbsp; $&plusmn;\text{1 dB}$&nbsp;, with an initial delay of&nbsp; $\text{2 ms}$&nbsp;.
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*Otherwise, if a user changes from very bad to rather good fading conditions during fast fading within about&nbsp; $\text{10 ms}$&nbsp; the base station would suddenly receive more power by&nbsp; $\text{10 to 20 dB}$.&nbsp; All other users in the cell would be extremely disturbed by this.<br><br>
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As already mentioned, the Near&ndash;Far effect and thus also the power control is exclusively an uplink problem.&nbsp; For the downlink a sophisticated power control is less essential.
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* If, however, the users near the base station are supplied with a lower power, the intercell interference is also reduced.
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*This means: &nbsp; All other users in the cell under consideration are then less affected by traffic to the nearby user.<br>
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== Various handover strategies ==
 
<br>
 
<br>
Um den Near&ndash;Far&ndash;Effekt entsprechend der rechten Grafik zu vermeiden, ist allerdings eine ausreichend gute Leistungsregelung erforderlich.<br>
+
A second problem besides the Near&ndash;Far effect occurs when a mobile user switches from one cell to another.&nbsp; In order to make the transition between different cells appear as uninterrupted as possible to the user, a so&ndash;called&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/UMTS Network Architecture#Handover_in_UMTS| &raquo;$\text{Handover}$]]&laquo;&nbsp; is used for circuit&ndash;switched UMTS services and for GSM.&nbsp; A distinction is made between two types:
 +
*&raquo;'''Hard Handover'''&laquo;: &nbsp; Here, at a certain point in time the connection is suddenly redirected from the current base station to another base station.<br>
  
[[File:P ID2513 Mob T 3 2 S3b neu v3.png|Szenarien zum Near–Far–Effekt|class=fit]]<br>
+
*&raquo;'''Soft Handover'''&laquo;: &nbsp; The handover of a user from one base station to another is gradual until the user has finally left the first cell.&nbsp; By combining several links, in UMTS up to three, even a diversity gain can be achieved.<br><br>
  
Hierzu ist anzumerken:
+
{{GraueBox|TEXT= 
*Bei allen Systemen (GSM, UMTS und LTE) muss von einem Dynamikbereich an der Basisstation von 80 dB ausgegangen werden, wobei die Änderungen bezüglich Pfadverlust und Abschattung eher langsam erfolgen und für diese eine Regelung im Sekundenbereich um &plusmn;5&nbsp;dB ausreicht.<br>
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; The graphic shows a downlink scenario where a mobile station can receive its signal from two different base stations&nbsp; $(\rm BS1$&nbsp; and&nbsp; $\rm BS2)$&nbsp; at certain locations.
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[[File:EN_Mob_T_3_2_S3b_v2.png|right|frame|Handover scenarios for the downlink|class=fit]]
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*For&nbsp; "Hard Handover"&nbsp; the mobile station  at point&nbsp; $\rm A$&nbsp; only evaluates the signal from&nbsp; $\rm BS1$&nbsp; and at point&nbsp; $\rm C$&nbsp; only the signal from&nbsp; $\rm BS2$.&nbsp; Switchover is performed immediately when the user is at point&nbsp; $\rm B$.
  
*Bei GSM und LTE ist eine Regelung im Sekundenbereich ausreichend, da der Störabstand des zu detektierenden Nutzers zu den anderen Nutzern aufgrund der guten Eigenschaften von FDMA/OFDMA 25 dB und mehr ist. Sehr schnelle Schwankungen des Fast&ndash;Fadings (Dynamikbereich zwischen 10 dB und 20 dB) müssen nicht ausgeglichen werden.<br>
+
*If you use&nbsp; "Soft Handover"&nbsp; and&nbsp; "Soft Combining", the mobile station benefits from both signals.  
 +
#At any location&nbsp; $(\rm A, \ B, \ C)$&nbsp; the received power increases.&nbsp;
 +
#This results in a diversity gain depending on the channel SNR,
 +
#and additionally in a coherence gain of&nbsp; $\text{3 dB}$.
 +
  
*Bei UMTS muss dagegen auch das Fast-Fading zu kompensiert werden, da der Störabstand der Nutzer zueinander geringer ist als die Schwankungen des Fast&ndash;Fadings. Für UMTS spezifiziert wurde <i>Fast Power Control</i>, wodurch die Sendeleistung alle 0.67 ms mit einer initialen Verzögerung von 2 ms um &plusmn;1 dB verändert werden kann.<br>
+
These statements can also be applied to the right-hand scenario, in which the base station radiates with directional antennas in three sectors.&nbsp; Here it is assumed that the radiation angle is somewhat larger than&nbsp; $120^\circ$, which can be assumed in practice.}}<br>
  
*Andernfalls würde die Basisstation von einem Nutzer, der bei Fast&ndash;Fading innerhalb von etwa 10 ms von sehr schlechten auf eher gute Fadingbedingungen wechselt, plötzlich um 10 bis 20 dB mehr Leistung empfangen. Alle anderen Nutzer in der Zelle würden dadurch extrem gestört.<br><br>
+
In the&nbsp; "UMTS downlink"&nbsp; the data is split in the "Radio Network Controller"&nbsp; $\rm (RNC)$, broadcast via different base stations and reassembled in the mobile station ("Rake Processing").  
  
Wie bereits erwähnt ist der Near&ndash;Far&ndash;Effekt ausschließlich ein Problem des Uplinks. Für den Downlink ist eine ausgeklügelte Leistungsregelung weniger essentiell. Versorgt man aber die Nutzer nahe der Basisstation mit einer geringeren Leistung, so verringert sich dadurch auch die <i>Interzellinterferenz</i>. Das heißt, alle anderen Nutzer in der betrachteten Zelle werden durch den Datenverkehr zu dem nahen Nutzer weniger beeinträchtigt.<br>
+
In the&nbsp; "UMTS uplink"&nbsp; the transmitted data is received by all participating base stations.&nbsp; The data is combined ("Soft Combining") in the RNC. The RNC then forwards the data to the "Core Network"&nbsp; $\rm (CN)$.&nbsp; A distinction is made here:
  
== Verschiedene Handover–Strategien ==
+
*&raquo;<b>Softer Handover</b>&laquo;: &nbsp; A base station receives the signal of a user over two sectors and does "Soft Combining".&nbsp; There is a diversity gain and a coherence gain of&nbsp; $\text{3 dB}$.<br>
<br>
 
Ein zweites Problem neben dem Near&ndash;Far&ndash;Effekt tritt auf, wenn ein Mobilfunkteilnehmer von einer Zelle in eine andere wechselt. Um den Übergang zwischen verschiedenen Zellen für die Nutzer als möglichst unterbrechungsfrei erscheinen zu lassen, wird  bei leitungsvermittelten UMTS&ndash;Diensten und bei GSM ein [http://en.lntwww.de/Beispiele_von_Nachrichtensystemen/UMTS%E2%80%93Netzarchitektur#Handover_in_UMTS Handover,] eingesetzt. Man unterscheidet zwei Arten:
 
*Hard Handover: Hierbei wird zu einem bestimmten Zeitpunkt die Verbindung schlagartig von der aktuellen Basisstation zu einer anderen Basisstation umgeleitet.<br>
 
  
*Soft Handover: Die Übergabe eines Teilnehmers von einer Basisstation zu einer anderen erfolgt allmählich, bis dieser die erste Zelle endgültig verlassen hat. Durch die Kombination mehrerer Links &ndash; bei UMTS bis zu drei &ndash; lässt sich sogar ein Diversitätsgewinn erzielen.<br><br>
+
*&raquo;<b>Intra&ndash;RNC Handover</b>&laquo;: &nbsp; Two base stations decode the signal, make a&nbsp; $\rm CRC$&nbsp; check and report their result to the RNC&nbsp; (or report a CRC error).&nbsp; <br>If only one "Node B"  reports a CRC error, the data of the other is used.&nbsp; Here there is no coherence gain and the diversity gain is less than with "Softer Handover".<br>
  
{{Beispiel}}''':''' Die untere Grafik zeigt ein Downlink&ndash;Szenarien, wobei eine Mobilstation an gewissen Orten sein Signal von zwei verschiedenen Basisstationen (BS1 und BS2) empfangen kann. Bei <i>Hard Handover</i> wertet die Mobilstation an Punkt <b>A</b> nur das Signal von BS1 aus und an Punkt <b>C</b> nur das Signal von BS2. Die Umschaltung erfolgt schlagartig, wenn sich der Teilnehmer am Punkt <b>B</b> befindet.<br>
 
  
[[File:P ID2514 Mob T 3 2 S3b neu v5.png|Handover–Szenarien|class=fit]]<br>
+
== Typical mobile radio transmission system==
 +
<br>
 +
Now some components of mobile radio systems, which are necessary for both GSM and UMTS, will be explained.
  
Verwendet man  <i>Soft Handover</i> und <i>Soft Combining</i>, so profitiert die Mobilstation von beiden Signalen. An jedem Ort (A, B, C) erhöht sich die Empfangsleistung, und es ergibt sich so ein vom Kanal&ndash;SNR abhängiger Diversitätsgewinn und zusätzlich ein Kohärenzgewinn von 3 dB.<br>
+
*The diagram shows the components of the GSM transmitter, the rates given apply only to GSM.
 +
*For the GSM extension&nbsp; [[Mobile_Communications/Characteristics_of_GSM#GSM_extensions|$\text{GPRS}$]]&nbsp; you get different numerical values.<br>
 +
*For UMTS a similar structure results, but not exactly the same.  
 +
*In addition, the bit rates of UMTS data transmission are significantly higher, while for voice transmission, comparable rates to GSM can be assumed.<br>
  
Die gleichen Aussagen lassen sich auch auf das rechte Szenario übertragen, bei der die Basisstation mit gerichteten Antennen in drei Sektoren abstrahlt. Hierbei ist angenommen, dass der Abstrahlwinkel etwas größer ist als 120&deg;,  wovon in der Praxis ausgegangen werden kann.{{end}}<br>
 
  
Im UMTS&ndash;Downlink werden die Daten im <i>Radio Network Controller</i> (RNC) gesplittet, über verschiedene Basisstationen ausgestrahlt und in der Mobilstation wieder zusammengesetzt (<i>Rake Processing</i>). Im <i>Uplink</i> werden die gesendeten Daten von allen beteiligten Basisstationen empfangen. Die Zusammenlegung der Daten (<i>Soft Combining</i>) findet im RNC statt. Dieser leitet anschließend die Daten an das <i>Core Network</i> (CN) weiter. Man unterscheidet hierbei:
+
Let us first look at the &nbsp;$\text{GSM voice transmission}$, i.e. the upper branch of the graphic:
 +
[[File:EN_Mob_T_3_2_S4_v3.png|right|frame|Components of the voice and data communication with GSM|class=fit]]
  
:<b>Softer Handover</b>: Ein Node B empfängt das Signal eines Teilnehmers über zwei Sektoren und macht <i>Soft Combining</i>. Es gibt einen Diversitätsgewinn sowie einen Kohärenzgewinn von 3 dB.<br>
+
*The data rate of a PCM speech signal limited to&nbsp; $4\ \rm kHz$&nbsp; is obtained by sampling with&nbsp; $8\ \rm kHz$&nbsp; and quantizing with&nbsp; $13\ \rm bit$&nbsp; to&nbsp; $104 \ \rm kbit/s$.&nbsp; With GSM, speech coding is used to extract exactly&nbsp; $260\ \rm bit$&nbsp; for each&nbsp; $T_{\rm R}=20\ \rm ms$&nbsp; frame.&nbsp; A bit stream with&nbsp; $13  \ \rm kbit/s$&nbsp; is generated.
  
:<b>Intra&ndash;RNC Handover</b>: Zwei Node Bs decodieren das Signal, machen einen CRC&ndash;Check und melden ihr Ergebnis an den RNC (oder melden einen CRC&ndash;Fehler). Meldet nur ein Node B einen CRC&ndash;Fehler, so werden die Daten des anderen verwendet. &ndash; Hier gibt es keinen  Kohärenzgewinn und der Diversitätsgewinn ist geringer als bei <i>Softer Handover</i>.<br>
+
*The task of the&nbsp; $\text{Voice Activity Detection}$&nbsp; (dotted line) is to decide whether the current voice frame actually contains a speech signal or a voice pause during which the power of the transmit amplifier can be reduced.<br>
  
== Typisches Mobilfunkübertragungssystem (1) ==
+
*$\text{Channel coding}$&nbsp; $\rm (CRC$ and convolutional code$)$&nbsp; is used to add redundancy to enable error correction at the receiver.&nbsp; This increases the data rate to&nbsp; $22.8 \ \rm kbit/s$, whereby the more important bits of the speech encoder  are especially protected.<br>
<br>
 
Es sollen nun einige Komponenten eines Mobilfunksystems erklärt werden, die sowohl bei GSM als auch bei UMTS nötig sind. Die Grafik zeigt die Komponenten des GSM&ndash;Senders und die angegebenen Raten gelten ebenfalls nur für GSM. Für die GSM&ndash;Erweiterung GPRS erhält man andere Zahlenwerte.<br>
 
  
Für UMTS ergibt sich eine ähnliche Struktur, wenn auch nicht die exakt gleiche. Zudem sind die Bitraten der UMTS&ndash;Datenübertragung deutlich höher, während für die Sprachübertragung von vergleichbaren Raten wie für GSM ausgegangen werden kann.<br>
+
*The&nbsp; $\text{Interleaver}$&nbsp; scrambles the bit sequence of the channel encoder ' and thus reduces the influence of burst errors.&nbsp; For this purpose, the&nbsp; $456$&nbsp; input bits are divided and interleaved into four time frames of&nbsp; $114\ \rm bit$&nbsp; each.&nbsp; Successive bits are always transmitted in eight different bursts.<br>
  
[[File:P ID2199 Mob T 3 2 S4 v2.png|Komponenten der Sprach– und Datenkommunikation bei GSM|class=fit]]<br>
 
  
Betrachten wir zunächst die Sprachübertragung, also den oberen Zweig der Grafik:
+
With the&nbsp; $\text{GSM Data transmission}$&nbsp; (lower branch of the graphic) the user data rate is limited to&nbsp; $9.6 \ \rm kbit/s$&nbsp; to give more room for channel coding.&nbsp; Here the resulting code rate is&nbsp; $192/456 = 0.421$&nbsp; smaller than in the upper branch&nbsp; $(260/456 = 0.57)$.<br>
*Die Datenrate eines auf 4 kHz begrenzten PCM&ndash;Sprachsignals ergibt sich bei Abtastung mit 8 kHz und Quantisierung mit 13 Bit zu 104 kbit/s. Durch die Sprachcodierung werden bei GSM für jeden 20 ms&ndash;Rahmen genau 260 Bit extrahiert. Es wird also ein Bitstrom mit 13 kbit/s erzeugt.<br>
 
  
*Aufgabe der gestrichelt eingezeichneten <i>Voice Activity Detection</i> ist es zu entscheiden, ob der aktuelle Sprachrahmen tatsächlich ein Sprachsignal enthält oder eine Sprachpause, während der die Leistung des Sendeverstärkers heruntergefahren werden kann.<br>
+
Interleaving is also organized differently for data than for voice. The effective data rate of&nbsp; $22.8 \ \rm kbit/s$&nbsp; after interleaving is the same for both branches. The rest of the description applies to voice and data equally:
 +
*After interleaving follows the &nbsp; "Encryption"&nbsp; for the purpose of authenticating users and securing the radio interface against "eavesdropping".&nbsp; UMTS offers some more&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_UMTS#Security_aspects| $\text{Security Measures}$]].<br>
  
*Durch Kanalcodierung (CRC und Faltungscode) wird gezielt Redundanz hinzugefügt, um eine Fehlerkorrektur beim Empfänger zu ermöglichen. Dadurch erhöht sich die Brutto&ndash;Datenrate auf 22.8 kbit/s, wobei die wichtigeren Bits des Sprachcoders besonders geschützt werden.<br>
+
*The next block is the&nbsp; "Burst building":&nbsp; The&nbsp; $456\ \rm bit$&nbsp; after channel encoding, interleaving and encryption are completed by adding signaling bits, "Guard Period", etc. to&nbsp; $625\ \rm bit$&nbsp; which are transmitted within four time slots&nbsp; $(4 \cdot T_{\rm Z})$.&nbsp; <br>
  
*Der Interleaver verwürfelt die Bitfolge des Kanalcoders und vermindert so den Einfluss von Bündelfehlern. Hierzu werden die 456 Eingangsbit auf vier Zeitrahmen zu je 114 Bit aufgeteilt und verschachtelt. Aufeinanderfolgende Bits werden immer in 8 verschiedenen Bursts übertragen.<br>
+
*This results in the total data rate of&nbsp; $625/(4 &middot; 5769\ \rm &micro;s) \approx 270.833 \ \rm kbit/s$, so that for each of the eight GSM users connected via TDMA, a bulk data rate of approximately&nbsp; $33.854 \ \rm kbit/s$&nbsp; is available.
 +
*For voice transmission, however, only&nbsp; $13/33.854 =38.5\%$&nbsp; of the data rate is available for the user, and for data transmission only&nbsp; $9.6/33.854 =28.4\%$.<br>
  
*Bei der GSM&ndash;Datenübertragung (unterer Zweig der Grafik) ist die Nutzdatenrate auf 9.6 kbit/s beschränkt, um der Kanalcodierung mehr Raum zu geben. Hier ist die resultierende Coderate mit 192/456 = 0.421 kleiner als im oberen Zweig (260/456 = 0.57).<br>
 
  
*Auch das Interleaving ist für Daten anders organisiert als bei der Sprachübertragung. Einheitlich für beide Zweige ist aber die effektive Datenrate von 22.8 kbit/s nach dem Interleaver.<br><br>
+
{{BlaueBox|TEXT=
 +
An essential&nbsp; $\text{difference between GSM and UMTS}$&nbsp; are the different modulation and multiple access methods:
 +
*For GSM: &nbsp; "Gaussian Minimum Shift Keying"&nbsp; $\rm (GMSK)$&nbsp; together with&nbsp; $\rm FDMA$&nbsp;  and&nbsp; $\rm TDMA$,
 +
*for UMTS:&nbsp; "Quaternary Phase Shift Keying"&nbsp; $\rm (QPSK)$&nbsp; together with&nbsp; $\rm CDMA$&nbsp;  and&nbsp; $\rm TDMA$.}}
  
Die Bildbeschreibung wird auf der nächsten Seiten fortgesetzt.
 
  
== Typisches Mobilfunkübertragungssystem (2) ==
+
This will be discussed in more detail in the chapters&nbsp; [[Mobile_Communications/Characteristics_of_GSM|"Characteristics of GSM"]]&nbsp; and &nbsp; [[Mobile_Communications/Characteristics_of_UMTS|"Characteristics of UMTS"]].&nbsp;
<br>
 
Die Beschreibung des [http://en.lntwww.de/Mobile_Kommunikation/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS#Typisches_Mobilfunk.C3.BCbertragungssystem_.281.29 GSM&ndash;Senders] wird fortgesetzt:
 
*Nach dem Interleaving folgt &ndash; für Sprache und Daten gleichermaßen &ndash; die Verschlüsselung zum Zwecke der Authentifizierung der Teilnehmer und zur Sicherung der Funkschnittstelle gegenüber &bdquo;Abhören&rdquo;. UMTS bietet noch einige weitere [http://en.lntwww.de/Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_UMTS#Sicherheitsaspekte Sicherheitsmaßnahmen.]<br>
 
  
*Der nächste Block ist die Burstbildung. Hierzu werden die 456 Bit nach Kanalcodierung, <i>Interleaving</i> und Verschlüsselung durch Hinzufügen von Signalisierungsbits, <i>Guard Period</i>, usw. auf  625 Bit erweitert, die innerhalb von vier Zeitschlitzen (4 &middot; <i>T</i><sub>Z</sub>) übertragen werden.<br>
+
The following points should also be noted:<br>
  
*Daraus resultiert die Gesamtdatenrate von 625/(4 &middot; 5769 &mu;s) &asymp; 270.833 kbit/s, so dass für jeden der acht per TDMA verschalteten GSM&ndash;Nutzer eine Bruttodatenrate von etwa 33.854 kbit/s zur Verfügung steht. Bei Sprachübertragung sind davon allerdings nur 38.5% Nutzdaten und bei der Datenübertragung sogar nur 28.4%.<br>
+
*The CDMA based&nbsp; $\rm UMTS$&nbsp; is characterized by the chip rate of&nbsp; $R_{\rm C} = 3.84 \ \rm Mchip/s$&nbsp; from which the bit rate&nbsp; $R_{\rm B} = R_{\rm C}/J$&nbsp; can be calculated according to the selected spreading factor&nbsp; $J$.&nbsp;
 +
*With&nbsp; $J = 4$, ... , $512$&nbsp; results in gross data rates between&nbsp; $7.5 \ \rm kbit/s$&nbsp; and&nbsp; $960 \ \rm kbit/s$, which are selected depending on the current channel conditions.<br>
  
*Ein wesentlicher Unterschied zwischen GSM und UMTS sind die unterschiedlichen Modulations&ndash; und Vielfachzugriffsverfahren, zum einen <i>Gaussian Minimum Shift Keying</i> (GMSK) zusammen mit FDMA und TDMA, bei UMTS <i>Quaternary Phase Shift Keying</i> sowie CDMA und TDMA. Hierauf wird in [http://en.lntwww.de/Mobile_Kommunikation/Die_Charakteristika_von_GSM#Systemarchitektur_und_Basiseinheiten_von_GSM Kapitel 3.3] bzw. [http://en.lntwww.de/Mobile_Kommunikation/Die_Charakteristika_von_UMTS#Anforderungen_an_Mobilfunksysteme_der_dritten_Generation Kapitel 3.4] noch genauer eingegangen.<br>
+
*Due to the different transmission technology, the block&nbsp; "Burst building"&nbsp; is organized differently in UMTS.&nbsp; This is based on the "Transmission Time Interval" &nbsp; $\rm (TTI)$.&nbsp; In the original UMTS specification such a&nbsp; "TTI"&nbsp; had a duration between&nbsp; $10\ \rm ms$&nbsp; and&nbsp; $80\ \rm ms$.  
  
*Das auf CDMA basierende UMTS ist durch die Chiprate von <i>R</i><sub>C</sub> = 3.84 Mchip/s gekennzeichnet, woraus die Bitrate <i>R</i><sub>B</sub> = <i>R</i><sub>C</sub>/<i>J</i> gemäß dem gewählten Spreizfaktor <i>J</i> berechnet werden kann. Mit <i>J</i> = 4, ... , 512 ergeben sich  Bruttodatenraten zwischen 7.5 und 960 kbit/s, die abhängig von den vorherrschenden Kanalbedingungen ausgewählt werden.<br><br>
+
*In order to reduce the loss of time for the required block repetitions in bad channel conditions, this TTI value was reduced to&nbsp; $2\ \rm ms$&nbsp; $($for $\rm HSDPA)$&nbsp; in later releases.
  
Aufgrund der verschiedenartigen Übertragungstechnik ist bei UMTS der Block &bdquo;Burstbildung&rdquo; völlig anders organisiert. Sie basiert auf dem <i>Transmission Time Interval </i> (TTI). Ein solches TTI hatte in der ursprünglichen UMTS&ndash;Spezifikation eine Dauer zwischen 10 ms und 80 ms. Um den Zeitverlust bei den erforderlichen Blockwiederholungen bei schlechten Kanalbedingungen zu verringern, wurde dieser TTI&ndash;Wert in späteren Releases bis auf 2 ms (für HSDPA) herabgesetzt.<br>
 
  
Gemeinsam sind jedoch bei GSM und UMTS folgende Probleme zu lösen:
+
{{BlueBox|TEXT= 
*eine geeignete Kanalschätzung und Rückmeldung an den Sender,<br>
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp; With &nbsp;$\rm GSM$&nbsp; and &nbsp;$\rm UMTS$&nbsp; the following problems in particular are to be solved together:
*eine funktionierende Trägerphasen&ndash; und Systemtakterkennung,<br>
+
*A suitable channel estimation and feedback to the transmitter,<br>
*die Rahmensynchronisation.<br><br>
+
*a working carrier phase clock and system clock detection,<br>
 +
*the frame synchronization.}}<br><br>
  
== Geläufige Sprachcodierverfahren (1) ==
+
== Common speech coding methods ==
 
<br>
 
<br>
Für die GSM&ndash;Sprachübertragung steht jedem Teilnehmer nur eine Netto&ndash;Datenrate von 13 kbit/s zur Verfügung (mit Kanalcodierung 22.8 kbit/s), während die PCM&ndash;Übertragung mit 8 kHz Abtastung und 13 Bit Quantisierung eine Datenrate von 104 kbit/s erfordern würde. Um das Abtasttheorem mit einem gewissen Sicherheitsabstand einzuhalten, wird das Audiosignal durch Filterung auf den Frequenzbereich von 300 Hz bis 3.4 kHz begrenzt.<br>
+
For GSM voice transmission each user has only one net data rate of&nbsp; $13\ \rm kbit/s$&nbsp; available $($with channel coding&nbsp; $22. 8\ \rm kbit/s)$, while PCM transmission with&nbsp; $8\ \rm kHz$&nbsp; sampling and&nbsp; $13\ \rm bit$&nbsp; quantization would require a data rate of&nbsp; $104\ \rm kbit/s$&nbsp;.  
  
Die nötige Komprimierung um den Faktor 8 ist Aufgabe der Sprachcodierung (hierunter versteht man eine Sonderform der Quellencodierung), wofür in den 1990er Jahren mehrere Standards definiert wurden:
+
To keep the sampling theorem with a certain tolerance, the audio signal is limited by filtering to the frequency range from&nbsp; $300\ \rm Hz$&nbsp; to&nbsp; $3.4\ \rm kHz$.&nbsp; The necessary compression by the factor&nbsp; $8$&nbsp; is the task of the&nbsp; &raquo;'''Speech coding'''&laquo;&nbsp; (this is a special form of the&nbsp; [[Information_Theory/General_Description|$\text{Source coding}$]]), for which several standards were defined in the 1990s:
*Der [http://en.lntwww.de/Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Sprachcodierung#GSM_Fullrate_Vocoder_.E2.80.93_Vollraten.E2.80.93Codec GSM Fullrate Vocoder] (zu deutsch: <i>GSM&ndash;Vollraten&ndash;Sprachcoder</i>) basiert auf den drei Kompressionsverfahren (zu deutsch: <i>GSM&ndash;Vollraten&ndash;Sprachcoder</i>) basiert auf den drei Kompressionsverfahren [http://en.lntwww.de/Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Sprachcodierung#Linear_Predictive_Coding_.E2.80.93_Kurzzeitpr.C3.A4diktion LPC] (<i>Linear Predictive Coding</i>), [http://en.lntwww.de/Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Sprachcodierung#Long_Term_Prediction_.E2.80.93_Langzeitpr.C3.A4diktion LTP] (<i>Long Term Prediction</i>) und [http://en.lntwww.de/Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Sprachcodierung#Regular_Pulse_Excitation_.E2.80.93_RPE.E2.80.93Codierung RPE] (<i>Regular Pulse Excitation</i>). Dieser Coder extrahiert aus jedem Sprachrahmen (20 ms) 74 Parameter mit einem Gesamtumfang von 260 Bit, woraus sich die Datenrate 13 kbit/s ergibt. Beim Empfänger muss aus diesen 260 Bit das Sprachsignal wieder synthetisiert werden.<br>
+
*The&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Speech_Coding#GSM_Full_Rate_Vocoder| &raquo;$\text{GSM Full Rate Vocoder}$]]&laquo;&nbsp; is based on the three compression methods&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Speech_Coding#Linear_Predictive_Coding|$\text{LPC}$]] (Linear Predictive Coding),&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Speech_Coding#Long_Term_Prediction| $\text{LTP}$]]&nbsp; (Long Term Prediction) and&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Speech_Coding#Regular_Pulse_Excitation_.E2.80.93_RPE_Coding |$\text{RPE}$]] (Regular Pulse Excitation).&nbsp; &ndash; &nbsp; From each&nbsp; $20\ \rm ms$&nbsp; speech frame,&nbsp; this coder extracts $74$&nbsp; parameters with a total range of&nbsp; $260\ \rm bit$, which results in the data rate&nbsp; $13\ \rm kbit/s$&nbsp;.&nbsp; At the receiver, the speech signal must be synthesized again from these&nbsp; $260\ \rm bit$&nbsp;.
  
*Der [http://en.lntwww.de/Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Sprachcodierung#Halfrate_Vocoder_und_Enhanced_Fullrate_Codec GSM Halfrate Vocoder] (deutsch: <i>GSM&ndash;Halbraten&ndash;Sprachcoder</i>) wurde 1994 spezifiziert und bietet die Möglichkeit, ein auf 4 kHz begrenztes Audiosignal bei nahezu gleicher Qualität in einem halben Verkehrskanal zu übertragen. Heutzutage spielt dieser Sprachcodec nur noch eine untergeordnete Rolle.<br>
+
*The&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Speech_Coding#Half_Rate_Vocoder_and_Enhanced_Full_Rate_Codec| &raquo;$\text{GSM Half Rate Vocoder}$]]&laquo;&nbsp; was specified in 1994 and offers the possibility to transmit an audio signal bandlimited to&nbsp; $4\ \rm kHz$&nbsp; with nearly the same quality in half a traffic channel.&nbsp; Today, this speech codec plays only a minor role.<br>
  
*Der [http://en.lntwww.de/Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Sprachcodierung#Halfrate_Vocoder_und_Enhanced_Fullrate_Codec Enhanced Fullrate Codec] (kurz EFR&ndash;Codec) wurde 1995 für das US&ndash;amerikanische DCS 1900&ndash;System entwickelt Er arbeitet nach dem Codierungsverfahren <i>Algebraic Code Excited Linear Prediction</i> (ACELP) und bietet gegenüber dem herkömmlichen FR&ndash;Codec aufgrund des ACELP&ndash;Prinzips, aber auch wegen der verbesserten Fehlererkennung und &ndash;verschleierung, eine deutlich höhere Sprachqualität.<br><br>
+
*The&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Speech_Coding#Half_Rate_Vocoder_and_Enhanced_Full_Rate_Codec| &raquo;$\text{Enhanced Full Rate Codec}$]]&laquo;&nbsp; (short "EFR Codec")&nbsp; was developed in 1995 for the US&ndash;American DCS 1900&ndash;system.&nbsp; It works according to the coding method&nbsp; "Algebraic Code Excited Linear Prediction"&nbsp; $\rm (ACELP)$&nbsp; and offers a significantly higher speech quality compared to the conventional full rate codec due to the ACELP principle and because of the improved error detection and obfuscation.
  
Aus dem [http://en.lntwww.de/Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Sprachcodierung#Algebraic_Code_Excited_Linear_Prediction ACELP&ndash;Blockschaltbild] im Buch &bdquo;Beispiele von Nachrichtensystemen&rdquo; erkennt man
 
*die Segmentierung des digitalisierten Sprachsignals in Rahmen und Subblöcke,<br>
 
*die LPC&ndash;Analyse durch ein digitales Filter <i>A</i>(<i>z</i>) im rot hinterlegten Block,<br>
 
*die Langzeitprädiktion (LTP) mit Hilfe des adaptiven Codebuchs (blau umrahmt), und<br>
 
*die Suche nach dem besten Eintrag im festen Codebuch (grün hervorgehoben).<br><br>
 
  
Im [http://en.lntwww.de/Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Sprachcodierung#Verschiedene_Sprachcodierverfahren Kapitel 3.3] des Buches &bdquo;Beispiele von Nachrichtensystemen&rdquo; wird unter anderem der EFR&ndash;Codec im Detail beschrieben. Die Datenrate von 12.2 kbit/s ist identisch mit dem höchsten Modus des AMR&ndash;Codecs, der auf der nächsten Seite kurz vorgestellt wird.
+
From the&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Speech_Coding#Algebraic_Code_Excited_Linear_Prediction| $\text{ACELP block diagram}$]]&nbsp; one recognizes
 +
*the segmentation of the digitized speech signal into frames and sub-blocks,<br>
 +
*the LPC analysis through a digital filter&nbsp; $A(z)$&nbsp; in the red highlighted block,<br>
 +
*the Long Term Prediction&nbsp; $\rm (LTP)$&nbsp; with the help of the adaptive codebook (framed in blue), and<br>
 +
*the search for the best entry in the fixed codebook (highlighted in green).<br><br>
  
== Geläufige Sprachcodierverfahren (2) ==
+
In the chapter&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Speech_Coding#Half_Rate_Vocoder_and_Enhanced_Full_Rate_Codec|$\text{Speech Coding}$]]&nbsp; of the book "Examples of Communication Systems" the EFR Codec is described in detail.&nbsp; The data rate of&nbsp; $12.2 \ \rm kbit/s$&nbsp; is identical to the highest mode of the AMR codec, which is briefly introduced in the next section.
 +
 
 +
 
 +
== Adaptive Multi Rate Codec ==
 
<br>
 
<br>
Der aufgrund seiner Flexibilität am weitesten verbreitete Sprachcoder ist der AMR&ndash;Codec (<i>Adaptive Multi&ndash;Rate</i>), der niederfrequente Signale (im Frequenzbereich zwischen 300 Hz und 3.4 kHz) nach dem ACELP&ndash;Prinzip verarbeitet. Dieser Codierer stellt acht verschiedene Modi mit Datenraten zwischen 12.2 kbit/s (244 Bit pro 20 ms&ndash;Sprachrahmen) und 4.75 kbit/s (95 Bit pro Sprachrahmen) zur Verfügung. Drei Modi spielen eine Sonderrolle, nämlich
+
The most widely used speech encoder due to its flexibility is the AMR codec ("Adaptive Multi Rate"), which processes low-frequency signals&nbsp; $($in the frequency range between&nbsp; $300\ \rm Hz$&nbsp; and&nbsp; $3.4\ \rm kHz)$&nbsp; according to the ACELP principle.&nbsp; This encoder provides eight different modes with data rates
*<b>12.2 kbit/s</b> &ndash; der verbesserte GSM&ndash;Vollraten&ndash;Codec (EFR&ndash;Codec),<br>
+
 
*<b>7.4 kbit/s</b> &ndash; die Sprachkompression gemäß dem US&ndash;amerikanischen Standard IS&ndash;641, und<br>
+
[[File:EN_Mob_T_3_2_S5.png|right|frame|Modes of the AMR and Wideband AMR|class=fit]]
*<b>6.7 kbit/s</b> &ndash; die EFR&ndash;Sprachübertragung des japanischen PDC&ndash;Mobilfunkstandards.<br><br>
+
*between&nbsp; $12.2\ \rm kbit/s$&nbsp; $(244 \ \rm bits$ per &nbsp;$20\ \rm ms$ speech frame$)$
 +
*and&nbsp;$4.75\ \rm kbit/s$&nbsp; $(95 \ \rm bits$ per speech frame$)$.  
 +
 
 +
 
 +
Three modes play a special role&nbsp; (highlighted darker in the first line of the table), namely
 +
*$12.2 \ \rm kbit/s$ &nbsp; &rArr;  &nbsp; the improved GSM Full rate codec &nbsp; &rArr; &nbsp; EFR codec,<br>
 +
*$7.4 \ \rm kbit/s$ &nbsp; &rArr; &nbsp; compression according to the US standard IS&ndash;641, <br>
 +
*$6.7 \ \rm kbit/s$ &nbsp; &rArr; &nbsp; EFR voice transmission of the Japanese PDC system.
 +
<br Clear=all>
 +
{{BlueBox|TEXT= 
 +
$\text{Conclusion:}$&nbsp;
 +
The &nbsp;$\text{AMR codec}$&nbsp; has the following properties:
 +
*It adapts flexibly to the current conditions of the radio channel and to the respective network,
 +
:* either in full rate mode $($higher voice quality &nbsp; &#8658; &nbsp; mode $\ge 7.4 \ \rm kbit/s)$,
 +
:*or in half rate mode $($also with lower data rate &nbsp; &#8658; &nbsp; mode $\le 6.7 \ \rm kbit/s)$.
 +
*There are also several intermediate levels.
  
Diese häufig verwendeten Modi sind in der ersten Zeile der folgenden Tabelle dunkler hinterlegt.<br>
+
*The AMR codec provides improved voice quality for both the full rate  and the half rate traffic channel.  
 +
*This is especially due to the flexible distribution of the available gross channel data rate between speech and channel coding.}}
  
[[File:P ID2201 Mob T 3 2 S5.png|Modi des AMR– und des Wideband–AMR–Codecs|class=fit]]<br>
 
  
Der AMR&ndash;Codec zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:
+
The AMR codec is used in the same way for GSM and UMTS.
*Er passt sich flexibel an die aktuellen Gegebenheiten des Funkkanals und an die jeweilige Netzauslastung an, indem er entweder im Vollraten&ndash;Modus (höhere Sprachqualität &nbsp;&#8658;&nbsp; Modus &#8805; 7.4 kbit/s) oder im Halbraten&ndash;Modus (also mit geringerer Datenrate &nbsp;&#8658;&nbsp; Modus &#8804; 6.7 kbit/s) arbeitet. Daneben gibt es noch etliche Zwischenstufen.<br>
+
*On the other hand, the&nbsp; "Wideband AMR"&nbsp; $\text{(W-AMR)}$&nbsp; is used exclusively for UMTS for broadband signals between&nbsp; $50\ \rm Hz$&nbsp; and&nbsp; $7\ \rm kHz$.
 +
* Sampling is done here with $16\ \rm kHz$&nbsp; and quantization with $14 \ \rm bit$.
 +
*The nine defined modes of the W&ndash;AMR are shown in the bottom line of the table above, the more frequently used ones are again in dark.<br>
  
*Er bietet sowohl für den Vollraten&ndash; als auch für den Halbratenverkehrskanal eine verbesserte Sprachqualität, was insbesondere auf die flexibel handhabbare Aufteilung der zur Verfügung stehenden Brutto&ndash;Kanaldatenrate zwischen Sprach&ndash; und Kanalcodierung zurückzuführen ist.<br><br>
 
  
Der AMR&ndash;Codec wird bei GSM und UMTS in gleicher Weise eingesetzt. Ausschließlich bei UMTS Anwendung findet der Wideband&ndash;AMR für breitbandigere Signale zwischen 50 Hz und 7 kHz, wobei mit 16 kHz abgetastet und mit 14 Bit quantisiert wird. Die neun definierten Modi des W&ndash;AMR sind in der unteren Zeile der obigen Tabelle angegeben, die häufiger genutzten sind wieder dunkel hinterlegt.<br>
+
The interactive SWF applet (German language)&nbsp; [[Applets:Quality_of_different_voice_codecs_(Applet)|"Quality of different voice codecs"]]&nbsp; acoustically demonstrates the achievable voice quality of the codecs described here.<br>
  
Das folgende Interaktionsmodul demonstriert akustisch die erreichbare Sprachqualität mit den hier beschriebenen Sprachcodecs:<br>
 
  
[[Qualität verschiedener Sprachcodecs Please upload link and do not upload flash videos.]]
 
  
==Aufgaben==
+
==Exercises for the chapter==
 
<br>
 
<br>
[[Aufgaben:3.2 GSM–Datenraten|A3.2 GSM–Datenraten]]
+
[[Aufgaben:Exercise 3.2: GSM Data Rates]]
  
[[Zusatzaufgaben:3.2 Komponenten des GSM–Systems]]
+
[[Aufgaben:Exercise 3.2Z: Components of the GSM System]]
  
[[Aufgaben:3.3 Zellulare Mobilfunksysteme|A3.3 Zellulare Mobilfunksysteme]]
+
[[Aufgaben:Exercise 3.3: Cellular Mobile Communications Systems]]
  
[[Aufgaben:3.4 Verschiedene Sprach–Codecs|A3.4 Verschiedene Sprach–Codecs]]
+
[[Aufgaben:Exercise 3.4: Different Voice Codecs]]
  
[[Zusatzaufgaben:3.4 GSM–Vollraten–Sprachcodec]]
+
[[Aufgaben:Exercise 3.4Z: GSM Full-Rate Voice Codec]]
  
 
{{Display}}
 
{{Display}}

Latest revision as of 15:28, 7 February 2023

Cellular architecture


Cellular network structure, idealized (left) and realistic (right)

A characteristic feature of GSM and UMTS is the cellular network structure, which is often approximated by hexagons  (see left graphic on the right):

  • The colors white, yellow and blue indicate different frequencies  $($here:  Reuse factor  $3)$, thus avoiding intercell interference.
  • The graphic on the right shows a more realistic layout with non–hexagonal and also differently sized cells, depending on expected participant density and terrain topology.  The base station is also not always located in the center of the cell.


With the  "GSM–D" net  $(f_{\rm T} = 900 \ \ \rm MHz)$  the cell radius is specified with maximum  $\text{35 km}$ .  In the  "GSM–E"  net, the maximum radius is only half as large because of the larger carrier frequency  $(1800 \ \ \rm MHz)$. 

Cell structure in UMTS






In the UMTS network  $(f_{\rm T} \approx 2 \ \rm GHz)$  there are different types of radio cells:

  • »Macro cells«  cover the complete coverage area and follow the classic design. Both overlaps and "holes" between cells should be minimized.  A macro cell usually has many macro–neighbours:   For exactly hexagonal cells six, in reality some more or less.  The base stations work with high power  $\text{(20 to 40 W)}$, are suspended at a great height and use sectorized antennas.  In sparsely populated regions, macro cells have diameters of up to several kilometers.  In city centres, however, macro cells are kept compact to increase capacity, often only a few hundred metres in diameter.
  • »Microcells«  cover a small part of a macrocell and are primarily used to increase local capacity  $($illumination of dead spots$)$.  They usually have only one macro–neighbor, but can also have other micro/pico/femto–neighbors.  The power is somewhat lower  $\text{(5 to 10 W)}$  and the devices are smaller than in a macro cell.  However, the antennas, most of which are not sectorized, also have to be positioned sufficiently high (on a mast or house wall).
  • »Picocells«  supply small areas  $(d \approx 100 \ \rm m)$  with very high data volume  $($examples:   airports, shopping centres, stadiums$)$.  They allow higher data rates, but at the expense of the speed of movement.  The devices of a picocell are significantly smaller than those in a microcell and operate with lower power  $\text{(1 to 5 W)}$, but are more flexible in assembly.
  • »Femtocells«  are often administered privately and uncoordinated  $($example:   WLAN access point$)$, sometimes with private backhaul $($own DSL line$)$.  One also speaks of a "Home Base Station".  They are operating "Indoor" and work with low power  $\text{(< 1 W)}$ .

Interference power and cell breathing


If several subscribers use the same frequency channel, interference may occur and thus a very low carrier–to–interference ratio  $\rm (CIR)$,  which considerably impairs the transmission quality.  The problem is serious in the case of UMTS, which is based on the multiple access method  $\text{CDMA}$  ("Code Division Multiple Access"), since here all participants use the same frequency channel.

To illustrate intra- and intercellular interference

A distinction is made between two types of interference according to the graphic:

  • »Intracell interference«  occurs when the same frequency channel is used by several users within the same cell.  In the shown example, this case arises for  $f_1 = f_2$.
  • »Intercell interference«   occurs when users of neighboring cells use the same frequency, in the scenario shown, for example, when  $f_3 = f_4$  applies.


Both intracell and intercell interference lead to a reduction in transmission quality.  In the case of intercell interference (same frequency channel in adjacent cells), the disturbing influence of the interference power on the transmission quality can be limited by

  • $\text{Cell breathing}$:   If the number of active users increases significantly with UMTS, the cell radius and thus the current interference power is reduced.  For the supply of the users at the edge of a busy cell, a less busy neighboring cell steps in.
  • $\text{Power control}$:  If the total interference power within a radio cell exceeds a specified limit, the transmission power of all users is reduced accordingly, but this also results in poorer transmission quality.

In contrast, in the case of intracell interference, each user must be regulated individually, for example by reducing transmission power and/or data rate.

Near-Far effect


The Near–Far effect is exclusively a problem of the uplink, i.e. the transmission of mobile users to a base station.  We consider a scenario with two users at different distances from the base station  ("Node B")  according to the following graphic.

Scenarios for the Near-Far effect
  • If both mobile stations transmit with the same power, the received power of the red user  $\rm A$  at the base station is significantly lower than that of the blue user  $\rm B$  due to the path loss (left scenario).  In large macro cells the difference can be up to  $\text{100 dB}$.  This way the red signal is largely hidden by the blue one.
  • You can largely avoid the Near–Far effect if the more distant user  $\rm A$  transmits with higher power than user  $\rm B$, as indicated in the right scenario.  At the base station the received power of both mobile stations is then (almost) equal.

Note:   In an idealized system  $($one–way channel, ideal A/D converters, completely linear amplifiers$)$  the transmitted data of the users are orthogonal to each other and one could detect the users individually even with very different received powers. 

This statement is valid for GSM due to the multiple access methods FDMA and TDMA, but also for UMTS (CDMA) and for the 4G system LTE (TDMA/OFDMA).

In reality, however, orthogonality is not always given due to the following reasons:

  • different received paths   ⇒   multipath channel,
  • not ideal properties of spreading and scrambling codes with CDMA,
  • asynchrony of users in the time domain  (basic path delay)  and in the frequency domain  (non–ideal oscillators and Doppler shift due to user mobility).

Consequently, the users are no longer orthogonal to each other and the signal-to-noise ratio of the user to be detected is not arbitrarily high compared to other users:

  • For GSM and LTE one can assume signal–to–noise ratios of  $\text{25 dB}$  and more,
  • for CDMA only approx.  $\text{15 dB}$ ,
  • for high rate data transmission rather less.

Power control


To avoid the Near–Far effect according to the right graph in the last section, however, a sufficiently good power control is required.  It should be noted here:

  • For all systems  (GSM, UMTS and LTE), a dynamic range at the base station of  $\text{80 dB}$  must be assumed, whereby the changes with respect to path loss and shading occur rather slowly and for this a regulation in the seconds range around   $±\text{5 dB}$  is sufficient.
  • For GSM and LTE, a regulation in the range of seconds is sufficient, since the signal–to–noise ratio between a user and the other users is more than   $\text{25 dB}$  due to the good properties of FDMA/OFDMA.  Very fast fluctuations of the "Fast Fading"  $($Dynamic range between  $\text{10 and 20 dB})$  do not have to be compensated.
  • With UMTS, on the other hand, fast fading must also be compensated, since the signal–to–noise ratio between users is less than the fluctuations of fast fading.  For UMTS, "Fast Power Control"  was specified, whereby the transmission power can be changed every  $\text{0.67 ms}$  by   $±\text{1 dB}$ , with an initial delay of  $\text{2 ms}$ .
  • Otherwise, if a user changes from very bad to rather good fading conditions during fast fading within about  $\text{10 ms}$  the base station would suddenly receive more power by  $\text{10 to 20 dB}$.  All other users in the cell would be extremely disturbed by this.

As already mentioned, the Near–Far effect and thus also the power control is exclusively an uplink problem.  For the downlink a sophisticated power control is less essential.

  • If, however, the users near the base station are supplied with a lower power, the intercell interference is also reduced.
  • This means:   All other users in the cell under consideration are then less affected by traffic to the nearby user.

Various handover strategies


A second problem besides the Near–Far effect occurs when a mobile user switches from one cell to another.  In order to make the transition between different cells appear as uninterrupted as possible to the user, a so–called  »$\text{Handover}$«  is used for circuit–switched UMTS services and for GSM.  A distinction is made between two types:

  • »Hard Handover«:   Here, at a certain point in time the connection is suddenly redirected from the current base station to another base station.
  • »Soft Handover«:   The handover of a user from one base station to another is gradual until the user has finally left the first cell.  By combining several links, in UMTS up to three, even a diversity gain can be achieved.

$\text{Example 1:}$  The graphic shows a downlink scenario where a mobile station can receive its signal from two different base stations  $(\rm BS1$  and  $\rm BS2)$  at certain locations.

Handover scenarios for the downlink
  • For  "Hard Handover"  the mobile station at point  $\rm A$  only evaluates the signal from  $\rm BS1$  and at point  $\rm C$  only the signal from  $\rm BS2$.  Switchover is performed immediately when the user is at point  $\rm B$.
  • If you use  "Soft Handover"  and  "Soft Combining", the mobile station benefits from both signals.
  1. At any location  $(\rm A, \ B, \ C)$  the received power increases. 
  2. This results in a diversity gain depending on the channel SNR,
  3. and additionally in a coherence gain of  $\text{3 dB}$.


These statements can also be applied to the right-hand scenario, in which the base station radiates with directional antennas in three sectors.  Here it is assumed that the radiation angle is somewhat larger than  $120^\circ$, which can be assumed in practice.


In the  "UMTS downlink"  the data is split in the "Radio Network Controller"  $\rm (RNC)$, broadcast via different base stations and reassembled in the mobile station ("Rake Processing").

In the  "UMTS uplink"  the transmitted data is received by all participating base stations.  The data is combined ("Soft Combining") in the RNC. The RNC then forwards the data to the "Core Network"  $\rm (CN)$.  A distinction is made here:

  • »Softer Handover«:   A base station receives the signal of a user over two sectors and does "Soft Combining".  There is a diversity gain and a coherence gain of  $\text{3 dB}$.
  • »Intra–RNC Handover«:   Two base stations decode the signal, make a  $\rm CRC$  check and report their result to the RNC  (or report a CRC error). 
    If only one "Node B" reports a CRC error, the data of the other is used.  Here there is no coherence gain and the diversity gain is less than with "Softer Handover".


Typical mobile radio transmission system


Now some components of mobile radio systems, which are necessary for both GSM and UMTS, will be explained.

  • The diagram shows the components of the GSM transmitter, the rates given apply only to GSM.
  • For the GSM extension  $\text{GPRS}$  you get different numerical values.
  • For UMTS a similar structure results, but not exactly the same.
  • In addition, the bit rates of UMTS data transmission are significantly higher, while for voice transmission, comparable rates to GSM can be assumed.


Let us first look at the  $\text{GSM voice transmission}$, i.e. the upper branch of the graphic:

Components of the voice and data communication with GSM
  • The data rate of a PCM speech signal limited to  $4\ \rm kHz$  is obtained by sampling with  $8\ \rm kHz$  and quantizing with  $13\ \rm bit$  to  $104 \ \rm kbit/s$.  With GSM, speech coding is used to extract exactly  $260\ \rm bit$  for each  $T_{\rm R}=20\ \rm ms$  frame.  A bit stream with  $13 \ \rm kbit/s$  is generated.
  • The task of the  $\text{Voice Activity Detection}$  (dotted line) is to decide whether the current voice frame actually contains a speech signal or a voice pause during which the power of the transmit amplifier can be reduced.
  • $\text{Channel coding}$  $\rm (CRC$ and convolutional code$)$  is used to add redundancy to enable error correction at the receiver.  This increases the data rate to  $22.8 \ \rm kbit/s$, whereby the more important bits of the speech encoder are especially protected.
  • The  $\text{Interleaver}$  scrambles the bit sequence of the channel encoder ' and thus reduces the influence of burst errors.  For this purpose, the  $456$  input bits are divided and interleaved into four time frames of  $114\ \rm bit$  each.  Successive bits are always transmitted in eight different bursts.


With the  $\text{GSM Data transmission}$  (lower branch of the graphic) the user data rate is limited to  $9.6 \ \rm kbit/s$  to give more room for channel coding.  Here the resulting code rate is  $192/456 = 0.421$  smaller than in the upper branch  $(260/456 = 0.57)$.

Interleaving is also organized differently for data than for voice. The effective data rate of  $22.8 \ \rm kbit/s$  after interleaving is the same for both branches. The rest of the description applies to voice and data equally:

  • After interleaving follows the   "Encryption"  for the purpose of authenticating users and securing the radio interface against "eavesdropping".  UMTS offers some more  $\text{Security Measures}$.
  • The next block is the  "Burst building":  The  $456\ \rm bit$  after channel encoding, interleaving and encryption are completed by adding signaling bits, "Guard Period", etc. to  $625\ \rm bit$  which are transmitted within four time slots  $(4 \cdot T_{\rm Z})$. 
  • This results in the total data rate of  $625/(4 · 5769\ \rm µs) \approx 270.833 \ \rm kbit/s$, so that for each of the eight GSM users connected via TDMA, a bulk data rate of approximately  $33.854 \ \rm kbit/s$  is available.
  • For voice transmission, however, only  $13/33.854 =38.5\%$  of the data rate is available for the user, and for data transmission only  $9.6/33.854 =28.4\%$.


An essential  $\text{difference between GSM and UMTS}$  are the different modulation and multiple access methods:

  • For GSM:   "Gaussian Minimum Shift Keying"  $\rm (GMSK)$  together with  $\rm FDMA$  and  $\rm TDMA$,
  • for UMTS:  "Quaternary Phase Shift Keying"  $\rm (QPSK)$  together with  $\rm CDMA$  and  $\rm TDMA$.


This will be discussed in more detail in the chapters  "Characteristics of GSM"  and   "Characteristics of UMTS"

The following points should also be noted:

  • The CDMA based  $\rm UMTS$  is characterized by the chip rate of  $R_{\rm C} = 3.84 \ \rm Mchip/s$  from which the bit rate  $R_{\rm B} = R_{\rm C}/J$  can be calculated according to the selected spreading factor  $J$. 
  • With  $J = 4$, ... , $512$  results in gross data rates between  $7.5 \ \rm kbit/s$  and  $960 \ \rm kbit/s$, which are selected depending on the current channel conditions.
  • Due to the different transmission technology, the block  "Burst building"  is organized differently in UMTS.  This is based on the "Transmission Time Interval"   $\rm (TTI)$.  In the original UMTS specification such a  "TTI"  had a duration between  $10\ \rm ms$  and  $80\ \rm ms$.
  • In order to reduce the loss of time for the required block repetitions in bad channel conditions, this TTI value was reduced to  $2\ \rm ms$  $($for $\rm HSDPA)$  in later releases.


$\text{Conclusion:}$  With  $\rm GSM$  and  $\rm UMTS$  the following problems in particular are to be solved together:

  • A suitable channel estimation and feedback to the transmitter,
  • a working carrier phase clock and system clock detection,
  • the frame synchronization.



Common speech coding methods


For GSM voice transmission each user has only one net data rate of  $13\ \rm kbit/s$  available $($with channel coding  $22. 8\ \rm kbit/s)$, while PCM transmission with  $8\ \rm kHz$  sampling and  $13\ \rm bit$  quantization would require a data rate of  $104\ \rm kbit/s$ .

To keep the sampling theorem with a certain tolerance, the audio signal is limited by filtering to the frequency range from  $300\ \rm Hz$  to  $3.4\ \rm kHz$.  The necessary compression by the factor  $8$  is the task of the  »Speech coding«  (this is a special form of the  $\text{Source coding}$), for which several standards were defined in the 1990s:

  • The  »$\text{GSM Full Rate Vocoder}$«  is based on the three compression methods  $\text{LPC}$ (Linear Predictive Coding),  $\text{LTP}$  (Long Term Prediction) and  $\text{RPE}$ (Regular Pulse Excitation).  –   From each  $20\ \rm ms$  speech frame,  this coder extracts $74$  parameters with a total range of  $260\ \rm bit$, which results in the data rate  $13\ \rm kbit/s$ .  At the receiver, the speech signal must be synthesized again from these  $260\ \rm bit$ .
  • The  »$\text{GSM Half Rate Vocoder}$«  was specified in 1994 and offers the possibility to transmit an audio signal bandlimited to  $4\ \rm kHz$  with nearly the same quality in half a traffic channel.  Today, this speech codec plays only a minor role.
  • The  »$\text{Enhanced Full Rate Codec}$«  (short "EFR Codec")  was developed in 1995 for the US–American DCS 1900–system.  It works according to the coding method  "Algebraic Code Excited Linear Prediction"  $\rm (ACELP)$  and offers a significantly higher speech quality compared to the conventional full rate codec due to the ACELP principle and because of the improved error detection and obfuscation.


From the  $\text{ACELP block diagram}$  one recognizes

  • the segmentation of the digitized speech signal into frames and sub-blocks,
  • the LPC analysis through a digital filter  $A(z)$  in the red highlighted block,
  • the Long Term Prediction  $\rm (LTP)$  with the help of the adaptive codebook (framed in blue), and
  • the search for the best entry in the fixed codebook (highlighted in green).

In the chapter  $\text{Speech Coding}$  of the book "Examples of Communication Systems" the EFR Codec is described in detail.  The data rate of  $12.2 \ \rm kbit/s$  is identical to the highest mode of the AMR codec, which is briefly introduced in the next section.


Adaptive Multi Rate Codec


The most widely used speech encoder due to its flexibility is the AMR codec ("Adaptive Multi Rate"), which processes low-frequency signals  $($in the frequency range between  $300\ \rm Hz$  and  $3.4\ \rm kHz)$  according to the ACELP principle.  This encoder provides eight different modes with data rates

Modes of the AMR and Wideband AMR
  • between  $12.2\ \rm kbit/s$  $(244 \ \rm bits$ per  $20\ \rm ms$ speech frame$)$
  • and $4.75\ \rm kbit/s$  $(95 \ \rm bits$ per speech frame$)$.


Three modes play a special role  (highlighted darker in the first line of the table), namely

  • $12.2 \ \rm kbit/s$   ⇒   the improved GSM Full rate codec   ⇒   EFR codec,
  • $7.4 \ \rm kbit/s$   ⇒   compression according to the US standard IS–641,
  • $6.7 \ \rm kbit/s$   ⇒   EFR voice transmission of the Japanese PDC system.


$\text{Conclusion:}$  The  $\text{AMR codec}$  has the following properties:

  • It adapts flexibly to the current conditions of the radio channel and to the respective network,
  • either in full rate mode $($higher voice quality   ⇒   mode $\ge 7.4 \ \rm kbit/s)$,
  • or in half rate mode $($also with lower data rate   ⇒   mode $\le 6.7 \ \rm kbit/s)$.
  • There are also several intermediate levels.
  • The AMR codec provides improved voice quality for both the full rate and the half rate traffic channel.
  • This is especially due to the flexible distribution of the available gross channel data rate between speech and channel coding.


The AMR codec is used in the same way for GSM and UMTS.

  • On the other hand, the  "Wideband AMR"  $\text{(W-AMR)}$  is used exclusively for UMTS for broadband signals between  $50\ \rm Hz$  and  $7\ \rm kHz$.
  • Sampling is done here with $16\ \rm kHz$  and quantization with $14 \ \rm bit$.
  • The nine defined modes of the W–AMR are shown in the bottom line of the table above, the more frequently used ones are again in dark.


The interactive SWF applet (German language)  "Quality of different voice codecs"  acoustically demonstrates the achievable voice quality of the codecs described here.


Exercises for the chapter


Exercise 3.2: GSM Data Rates

Exercise 3.2Z: Components of the GSM System

Exercise 3.3: Cellular Mobile Communications Systems

Exercise 3.4: Different Voice Codecs

Exercise 3.4Z: GSM Full-Rate Voice Codec