Aufgaben:Exercise 3.3: GSM Frame Structure: Difference between revisions

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[[File:P_ID1224__Bei_A_3_3.png|right|frame|Zur GSM-Rahmenstruktur]]
[[File:EN_Bei_A_3_3_v2.png|right|frame|GSM frame structure]]
Beim 2G–Mobilfunkstandard $\rm GSM$ ist folgende Rahmenstruktur spezifiziert:
In the 2G cellular mobile communication standard  $\rm GSM$  the following frame structure is specified:
*Ein Superframe besteht aus $51$ Multiframes und hat die Zeitdauer $T_{\rm SF}$.
*A superframe consists of  $51$  multiframes and has duration  $T_{\rm SF}$.
*Jeder Multiframe hat $26$ TDMA–Rahmen und dauert insgesamt $T_{\rm MF} = 120 \ \rm ms$.
*Jeder TDMA–Rahmen hat die Dauer $T_{\rm R}$ und ist eine Abfolge von acht Zeitschlitzen mit Dauer $T_{\rm Z}$.
*In einem solchen Zeitschlitz wird zum Beispiel ein ''Normal Burst'' mit $156.25$ Bit übertragen.
*Davon sind jedoch nur $114$ Datenbits. Weitere Bits werden benötigt für die so genannte ''Guard Period'', Signalisierung, Synchronisation und Kanalschätzung.
*Weiter ist bei der Berechnung der Netto–Datenrate zu berücksichtigen, dass die logischen Kanäle SACCH und IDLE insgesamt $1.9 \ \rm kbit/s$ benötigen.


*Each multiframe has  $26$  TDMA frames and lasts a total of  $T_{\rm MF} = 120 \rm ms$.


Anzumerken ist, dass es neben der beschriebenen Multiframe–Struktur mit $26$ TDMA–Rahmen auch Multiframes mit jeweils $51$ TDMA–Rahmen gibt, die jedoch fast ausschließlich zur Übertragung von Signalisierungsinformation benutzt werden.
*Each TDMA frame has duration  $T_{\rm TF}$  and is a sequence of eight time slots with duration  $T_{\rm burst}$.


*For example,  in such a time slot,  a  "Normal Burst"  with  $156.25$  bits is transmitted.


*Of these,  however,  only  $114$  are data bits.  Further bits are needed for the so called  "Guard Period"  $\rm (GP)$,  signaling,  synchronization and channel estimation.


''Hinweise:''
*Further,  when calculating the net data rate,  it must be taken into account that the logical channels SACCH and IDLE require a total of  $1.9 \rm kbit/s$.


*Diese Aufgabe gehört zum Kapitel  [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Funkschnittstelle|Funkschnittstelle]].
 
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Funkschnittstelle#GSM.E2.80.93Rahmenstruktur|GSM–Rahmenstruktur]]
It should also be noted that,  in addition to the described multiframe structure with  $26$  TDMA frames,  there are also multiframes with  $51$  TDMA frames,  but these are used almost exclusively for the transmission of signaling information.
 
 
 
 
<u>Hints:</u>
 
*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Radio_Interface|"Radio Interface"]].
 
*Reference is made in particular to the sectione&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Radio_Interface#GSM_frame_structure|"GSM frame structure"]].
   
   






===Fragebogen===
===Questions===


<quiz display=simple>
<quiz display=simple>


{Wie lange dauert ein Superframe?
{How long does a superframe&nbsp; $\rm (SF)$&nbsp; last?
|type="{}"}
|type="{}"}
$T_{\rm SF} \ = \ ${ 6.12 3% } $ \ \rm s$
$T_{\rm SF} \ = \ ${ 6.12 3% } $ \ \rm s$


{Welche Dauer hat ein TDMA–Rahmen?
{What is the duration of a TDMA frame&nbsp; $\rm (TF)$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$T_{\rm R} \ = \ ${ 4.615 3% } $ \ \rm ms$
$T_{\rm TF} \ = \ ${ 4.615 3% } $ \ \rm ms$


{Wie lange dauert ein Zeitschlitz?
{How long does a burst&nbsp; $($one time slot$)$&nbsp; last?
|type="{}"}
|type="{}"}
$ T_{\rm Z} \ = \ ${ 576.9 3% } $ \ \rm &micro; s$
$ T_{\rm burst} \ = \ ${ 576.9 3% } $ \ \rm &micro; s$


{In welchen Zeitabständen $\Delta T_{\rm Z}$ bekommt ein Benutzer Zeitschlitze zugewiesen?
{At what intervals&nbsp; $\Delta T_{\rm burst}$&nbsp; is a user assigned time slots&nbsp; $($bursts$)$&nbsp;?
|type="{}"}
|type="{}"}
$\Delta T_{\rm Z} \ = \ ${ 4.615 3% } $ \ \rm ms$
$\Delta T_{\rm burst} \ = \ ${ 4.615 3% } $ \ \rm ms$


{Wie groß ist die Bitdauer?
{What is the bit duration?
|type="{}"}
|type="{}"}
$T_{\rm B} \ = \ ${ 3.692 3% } $ \ \rm &micro; s$
$T_{\rm B} \ = \ ${ 3.692 3% } $ \ \rm &micro; s$


{Wie groß ist die Gesamtbitrate des GSM?
{What is the total bit rate of the GSM?
|type="{}"}
|type="{}"}
$R_{\rm B} \ = \ ${ 270.833 3% } $ \ \rm kbit/s $
$R_{\rm B} \ = \ ${ 270.833 3% } $ \ \rm kbit/s $


{Wie groß ist die Brutto–Datenrate eines Benutzers?
{What is the gross data rate of a user?
|type="{}"}
|type="{}"}
$R_{\rm Brutto} \ = \ ${ 33.854 3% } $ \ \rm kbit/s$
$R_{\rm gross} \ = \ ${ 33.854 3% } $ \ \rm kbit/s$


{Wie groß ist die Netto–Datenrate eines Benutzers?
{What is the net data rate of one user?
|type="{}"}
|type="{}"}
$R_{\rm Netto} \ = \ ${ 22.8 3% } $ \ \rm kbti/s$
$R_{\rm net} \ = \ ${ 22.8 3% } $ \ \rm kbtit/s$




</quiz>
</quiz>


===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Ein Superframe besteht aus 51 Multiframes mit jeweiliger Zeitdauer $T_{\rm MF} = 120 \ \rm ms$. Daraus folgt:
'''(1)'''&nbsp; A superframe consists of&nbsp; $51$&nbsp; multiframes with respective durations $T_{\rm MF} = 120 \rm ms$.&nbsp; From this follows:
:$$T_{\rm SF} = 51 \cdot T_{\rm MF} \hspace{0.15cm} \underline {= 6.12\,{\rm s}}\hspace{0.05cm}.$$
:$$T_{\rm SF} = 51 \cdot T_{\rm MF} \hspace{0.15cm} \underline {= 6.12\,{\rm s}}\hspace{0.05cm}.$$


'''(2)'''&nbsp; Jeder Multiframe ist entsprechend der Angabe in $26$ TDMA–Rahmen unterteilt. Deshalb gilt:
:$$T_{\rm R} = \frac{ T_{\rm MF}}{26} = \frac{ 120\,{\rm ms}}{26} \hspace{0.15cm} \underline {= 4.615\,{\rm ms}}\hspace{0.05cm}.$$


'''(3)'''&nbsp; Ein TDMA–Rahmen besteht aus $8$ Zeitschlitzen. Deshalb ist
'''(2)'''&nbsp; Each multiframe is divided into&nbsp; $26$&nbsp; TDMA frames&nbsp; $\rm TFs$&nbsp; according to the specification.&nbsp; Therefore:
:$$T_{\rm Z} = \frac{ T_{\rm R}}{8} = \frac{ 4.615\,{\rm ms}}{8} \hspace{0.15cm} \underline {= 576.9\,{\rm &micro; s}}\hspace{0.05cm}.$$
:$$T_{\rm TF} = \frac{ T_{\rm MF}}{26} = \frac{ 120\,{\rm ms}}{26} \hspace{0.15cm} \underline {= 4.615\,{\rm ms}}\hspace{0.05cm}.$$
 
 
'''(3)'''&nbsp; A TDMA frame consists of&nbsp; $8$&nbsp; bursts.&nbsp; Therefore
:$$T_{\rm burst} = \frac{ T_{\rm TF}}{8} = \frac{ 4.615\,{\rm ms}}{8} \hspace{0.15cm} \underline {= 576.9\,{\rm &micro; s}}\hspace{0.05cm}.$$
 
 
'''(4)'''&nbsp; The spacing of time slots allocated for a user is
:$$\Delta T_{\rm burst} = T_{\rm TF} \underline{= 4.615 \ \rm ms}.$$
 
 
'''(5)'''&nbsp; Each burst consists - considering the guard period - of $156.25 \ \rm bits$,&nbsp; which must be transmitted within the time duration $T_{\rm burst} = 576.9 \ \rm \mu s$.&nbsp; This results in:
:$$T_{\rm B} = \frac{ T_{\rm burst}}{156.25} = \frac{ 576.9\,{\rm &micro; s}}{156.25} \hspace{0.15cm} \underline {= 3.69216\,{\rm &micro; s}}\hspace{0.05cm}.$$
 


'''(4)'''&nbsp; Der Abstand der für einen Benutzer zugewiesenen Zeitschlitze ist
'''(6)'''&nbsp; For example,&nbsp; the bit rate can be calculated as the reciprocal of the bit duration:
:$$\Delta T_{\rm Z} = T_{\rm R} \underline{= 4.615 \ \rm ms}.$$
:$$R_{\rm B} = \frac{ 1}{T_{\rm B}} = \frac{ 1}{3.69216\,{\rm &micro; s}} \hspace{0.15cm} \underline {= 270.833\,{\rm kbit/s}}\hspace{0.05cm}.$$


'''(5)'''&nbsp;  Ein jeder Burst besteht – unter Berücksichtigung der Guard Period – aus $156.25 \ \rm Bit$, die innerhalb der Zeitdauer $T_{\rm Z} = 576.9 \ \rm \mu s$ übertragen werden müssen. Daraus ergibt sich:
:$$T_{\rm B} = \frac{ T_{\rm Z}}{156.25} = \frac{ 576.9\,{\rm \mu s}}{156.25} \hspace{0.15cm} \underline {= 3.69216\,{\rm &micro; s}}\hspace{0.05cm}.$$


'''(6)'''&nbsp; Die Bitrate kann beispielsweise als Kehrwert der Bitdauer berechnet werden:
'''(7)'''&nbsp; In each time slot,&nbsp; the data rate&nbsp; $R_{\rm B} \approx 271 \rm kbit/s$.&nbsp; However,&nbsp; since each user is assigned only one of the eight time slots,&nbsp; the gross data rate of a user is
:$$R_{\rm B} = \frac{ 1}{T_{\rm B}} = \frac{ 1}{3.69216\,{\rm \mu s}} \hspace{0.15cm} \underline {= 270.833\,{\rm kbit/s}}\hspace{0.05cm}.$$
:$$R_{\rm gross} = \frac{ R_{\rm B}}{8} = \frac{ 270.833\,{\rm kbit/s}}{8} \hspace{0.15cm} \underline {= 33.854\,{\rm kbit/s}}\hspace{0.05cm}.$$


'''(7)'''&nbsp; In jedem Zeitschlitz beträgt die Datenrate $R_{\rm B} \approx 271 \ \rm kbit/s$. Da jedem Benutzer jedoch nur einer von acht Zeitschlitzen zugewiesen wird, beträgt die Brutto–Datenrate eines Benutzers
:$$R_{\rm Brutto} = \frac{ R_{\rm B}}{8} = \frac{ 270.833\,{\rm kbit/s}}{8} \hspace{0.15cm} \underline {= 33.854\,{\rm kbit/s}}\hspace{0.05cm}.$$


'''(8)'''&nbsp; Für die Netto–Datenrate gilt entsprechend den Angaben:
'''(8)'''&nbsp; For the net data rate,&nbsp; according to the specifications:
:$$R_{\rm Netto} = \frac{ 114}{156.25} \cdot R_{\rm Brutto} - 1.9\,{\rm kbit/s} \hspace{0.15cm} \underline {= 22.8\,{\rm kbit/s}}\hspace{0.05cm}.$$
:$$R_{\rm net} = \frac{ 114}{156.25} \cdot R_{\rm B} - 1.9\,{\rm kbit/s} \hspace{0.15cm} \underline {= 22.8\,{\rm kbit/s}}\hspace{0.05cm}.$$


{{ML-Fuß}}
{{ML-Fuß}}
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[[Category:Aufgaben zu Beispiele von Nachrichtensystemen|^3.2 Funkschnittstelle^]]
[[Category:Examples of Communication Systems: Exercises|^3.2 Radio Interface^]]
[[de:Aufgaben:Aufgabe 3.3: GSM–Rahmenstruktur]]

Latest revision as of 17:54, 16 March 2026

GSM frame structure

In the 2G cellular mobile communication standard  $\rm GSM$  the following frame structure is specified:

  • A superframe consists of  $51$  multiframes and has duration  $T_{\rm SF}$.
  • Each multiframe has  $26$  TDMA frames and lasts a total of  $T_{\rm MF} = 120 \rm ms$.
  • Each TDMA frame has duration  $T_{\rm TF}$  and is a sequence of eight time slots with duration  $T_{\rm burst}$.
  • For example,  in such a time slot,  a  "Normal Burst"  with  $156.25$  bits is transmitted.
  • Of these,  however,  only  $114$  are data bits.  Further bits are needed for the so called  "Guard Period"  $\rm (GP)$,  signaling,  synchronization and channel estimation.
  • Further,  when calculating the net data rate,  it must be taken into account that the logical channels SACCH and IDLE require a total of  $1.9 \rm kbit/s$.


It should also be noted that,  in addition to the described multiframe structure with  $26$  TDMA frames,  there are also multiframes with  $51$  TDMA frames,  but these are used almost exclusively for the transmission of signaling information.



Hints:



Questions

1 How long does a superframe  $\rm (SF)$  last?

$T_{\rm SF} \ = \ $ $ \ \rm s$

2 What is the duration of a TDMA frame  $\rm (TF)$?

$T_{\rm TF} \ = \ $ $ \ \rm ms$

3 How long does a burst  $($one time slot$)$  last?

$ T_{\rm burst} \ = \ $ $ \ \rm µ s$

4 At what intervals  $\Delta T_{\rm burst}$  is a user assigned time slots  $($bursts$)$ ?

$\Delta T_{\rm burst} \ = \ $ $ \ \rm ms$

5 What is the bit duration?

$T_{\rm B} \ = \ $ $ \ \rm µ s$

6 What is the total bit rate of the GSM?

$R_{\rm B} \ = \ $ $ \ \rm kbit/s $

7 What is the gross data rate of a user?

$R_{\rm gross} \ = \ $ $ \ \rm kbit/s$

8 What is the net data rate of one user?

$R_{\rm net} \ = \ $ $ \ \rm kbtit/s$


Solution

(1)  A superframe consists of  $51$  multiframes with respective durations $T_{\rm MF} = 120 \rm ms$.  From this follows:

$$T_{\rm SF} = 51 \cdot T_{\rm MF} \hspace{0.15cm} \underline {= 6.12\,{\rm s}}\hspace{0.05cm}.$$


(2)  Each multiframe is divided into  $26$  TDMA frames  $\rm TFs$  according to the specification.  Therefore:

$$T_{\rm TF} = \frac{ T_{\rm MF}}{26} = \frac{ 120\,{\rm ms}}{26} \hspace{0.15cm} \underline {= 4.615\,{\rm ms}}\hspace{0.05cm}.$$


(3)  A TDMA frame consists of  $8$  bursts.  Therefore

$$T_{\rm burst} = \frac{ T_{\rm TF}}{8} = \frac{ 4.615\,{\rm ms}}{8} \hspace{0.15cm} \underline {= 576.9\,{\rm µ s}}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  The spacing of time slots allocated for a user is

$$\Delta T_{\rm burst} = T_{\rm TF} \underline{= 4.615 \ \rm ms}.$$


(5)  Each burst consists - considering the guard period - of $156.25 \ \rm bits$,  which must be transmitted within the time duration $T_{\rm burst} = 576.9 \ \rm \mu s$.  This results in:

$$T_{\rm B} = \frac{ T_{\rm burst}}{156.25} = \frac{ 576.9\,{\rm µ s}}{156.25} \hspace{0.15cm} \underline {= 3.69216\,{\rm µ s}}\hspace{0.05cm}.$$


(6)  For example,  the bit rate can be calculated as the reciprocal of the bit duration:

$$R_{\rm B} = \frac{ 1}{T_{\rm B}} = \frac{ 1}{3.69216\,{\rm µ s}} \hspace{0.15cm} \underline {= 270.833\,{\rm kbit/s}}\hspace{0.05cm}.$$


(7)  In each time slot,  the data rate  $R_{\rm B} \approx 271 \rm kbit/s$.  However,  since each user is assigned only one of the eight time slots,  the gross data rate of a user is

$$R_{\rm gross} = \frac{ R_{\rm B}}{8} = \frac{ 270.833\,{\rm kbit/s}}{8} \hspace{0.15cm} \underline {= 33.854\,{\rm kbit/s}}\hspace{0.05cm}.$$


(8)  For the net data rate,  according to the specifications:

$$R_{\rm net} = \frac{ 114}{156.25} \cdot R_{\rm B} - 1.9\,{\rm kbit/s} \hspace{0.15cm} \underline {= 22.8\,{\rm kbit/s}}\hspace{0.05cm}.$$