Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.1: Multiplexing in the GSM System"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Zielsetzung von Modulation und Demodulation
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{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Objectives_of_Modulation_and_Demodulation
 
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[[File:P_ID938__Mod_A_1_1.png|right|frame|Zum Multiplexing beim GSM–Mobilfunksystem]]
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[[File:EN_Mod_A_1_1.png|right|frame|Multiplexing in the GSM system]]
Der seit 1992 in Europa etablierte Mobilfunkstandard ''Global System for Mobile Communication'' (GSM) nutzt sowohl Frequenz– als auch Zeitmultiplex, um mehreren Teilnehmern die Kommunikation in einer Zelle zu ermöglichen.
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The  "Global System for Mobile Communication"  $\rm (GSM)$   standard,  which has been established in Europe since 1992,  uses both frequency division and time division multiplexing to enable several users to communicate in one cell.
  
Nachfolgend sind einige Charakteristika des Systems in etwas vereinfachter Form angegeben. Eine exaktere Beschreibung finden Sie im Kapitel  [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_GSM| Allgemeine Beschreibung von GSM]]  im Buch „Beispiele von Nachrichtensystemen”.
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Some characteristics of the system are given below in a somewhat simplified form.   A more detailed description can be found in the chapter  [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_GSM|General Description of GSM]]  in the book  "Examples of Communication Systems".
* Das Frequenzband des Uplinks (die Verbindung von der Mobil– zur Basisstation) liegt zwischen $\text{890 MHz}$ und $\text{915 MHz}$. Unter Berücksichtigung der Guard–Bänder $($von je $\text{100 kHz)}$ an den beiden Enden steht somit für den Uplink eine Gesamtbandbreite von $\text{24.8 MHz}$ zur Verfügung.
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*The frequency band of the uplink  (connection from the mobile to the base station)  is between  $\text{890 MHz}$  and  $\text{915 MHz}$.  
*Dieses Band wird von  $K_{\rm F}$  Teilkanälen (''Radio Frequency Channels'') genutzt, die mit einem jeweiligen Abstand von $\text{200 kHz}$ frequenzmäßig nebeneinander liegen. Die Numerierung geschieht mit der Laufvariablen  $k_{\rm F}$, beginnend mit  $k_{\rm F} = 1$.
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*Taking into account the guard bands  $($each   $\text{100 kHz)}$  at both ends, a total uplink bandwidth of   $\text{24.8 MHz}$  is available.
* Der Frequenzbereich für den Downlink (die Verbindung von der Basis– zur Mobilstation) liegt um $\text{45 MHz}$ oberhalb des Uplinks und ist in genau gleicher Weise wie dieser aufgebaut.
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*This band is used by  $K_{\rm F}$  subchannels ("Radio Frequency Channels"),  which are adjacent in frequency with a respective spacing of   $\text{200 kHz}$.   The numbering is done with the running variable  $k_{\rm F}$, starting with  $k_{\rm F} = 1$.
*Jeder dieser FDMA–Teilkanäle wird gleichzeitig von  $K_{\rm T}$  Teilnehmern per TDMA (''Time Division Multiple Access'') genutzt.
+
* The frequency range for the downlink  (connection from the base station to the mobile)  is  $\text{45 MHz}$  above the uplink and is structured in exactly the same way as the uplink.
*Jedem Teilnehmer steht im Abstand von  $\text{4.62 ms}$  ein Zeitschlitz der Dauer $T ≈ 577 \rm µ s$ zur Verfügung.
+
*Each of these FDMA subchannels is used simultaneously by  $K_{\rm T}$  users via TDMA  ("Time Division Multiple Access").
* Während dieser Zeit müssen die (näherungsweise) $156$ Bit übertragen werden, die das Sprachsignal unter Berücksichtigung von Datenreduktion und Kanalcodierung beschreiben.
+
*A time slot of duration   $T ≈ 577 \ \rm µ s$  is available to each user at intervals of  $\text{4.62 ms}$.
 +
* During this time,  the (approximate)   $156$  bits describing the speech signal must be transmitted,  taking  into account data reduction and channel coding.
  
  
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''Hinweise:''
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*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Modulationsverfahren/Zielsetzung_von_Modulation_und_Demodulation|Zielsetzung von Modulation und Demodulation]].
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*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seiten   [[Modulationsverfahren/Zielsetzung_von_Modulation_und_Demodulation#B.C3.BCndelung_von_Kan.C3.A4len_.E2.80.93_Frequenzmultiplex|Bündelung von Kanälen – Frequenzmultiplex]]  sowie  [[Modulationsverfahren/Zielsetzung_von_Modulation_und_Demodulation#Zeitmultiplexverfahren|Zeitmultiplexverfahren]].
+
Hints:  
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*This exercise belongs to the chapter  [[Modulation_Methods/Objectives_of_Modulation_and_Demodulation|Objectives of Modulation and Demodulation]].
 +
*Particular reference is made to the pages
 +
**[[Modulation_Methods/Objectives_of_Modulation_and_Demodulation#Channel_bundling_.E2.80.93_Frequency_Division_Multiplexing|Channel bundling  – Frequency Division Multiplexing]],   
 +
**[[Modulation_Methods/Objectives_of_Modulation_and_Demodulation#Time_Division_Multiplex_methods|Time Division Multiplex methods]].
 
   
 
   
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wieviele Teilkanäle entstehen durch Frequenzmultiplex?
+
{How many subchannels result from&nbsp; "Frequency Division Multiplexing"?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$K_{\rm F} \ = \ $  { 124 }
 
$K_{\rm F} \ = \ $  { 124 }
  
{Welche Mittenfrequenz &nbsp;$f_{\rm M}$&nbsp; hat der ''Radio Frequency Channel'' im Uplink mit der laufenden Nummer &nbsp;$k_{\rm F} = 100$?
+
{What is the center frequency &nbsp;$f_{\rm M}$&nbsp;of the&nbsp; "Radio Frequency Channel"&nbsp; in the uplink with number &nbsp;$k_{\rm F} = 100$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$f_{\rm M} \ = \ $ { 910 1% } $\ \rm MHz$
 
$f_{\rm M} \ = \ $ { 910 1% } $\ \rm MHz$
  
{Welcher Downlink–Kanal $($Nummer &nbsp;$k_{\rm F})$ benutzt die Frequenz $\text{940 MHz}$?
+
{Which downlink subchannel &nbsp; $($number &nbsp;$k_{\rm F})$&nbsp; uses the frequency&nbsp; $\text{940 MHz}$?
 
|type="{}"}
 
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$k_{\rm F} \ = \ $ { 25 }  
 
$k_{\rm F} \ = \ $ { 25 }  
  
{Wieviele Teilkanäle entstehen bei GSM durch Zeitmultiplex?
+
{How many subchannels result in GSM through&nbsp; "Time Division Multiplexing"?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$K_{\rm T} \ = \ $ { 8 }  
 
$K_{\rm T} \ = \ $ { 8 }  
  
{Wieviele GSM–Teilnehmer können in einer Zelle gleichzeitig aktiv sein?
+
{How many GSM users can be simultaneously active in one cell?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$K \ = \ $ { 992 1% }
 
$K \ = \ $ { 992 1% }
  
{Wie groß ist die Brutto–Bitrate bei GSM?
+
{How big is the gross bit rate for GSM?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$R_{\rm Brutto} \ = \ $ { 270 3% } $\ \rm kbit/s$
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$R_{\rm gross} \ = \ $ { 270 3% } $\ \rm kbit/s$
  
  
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Aus der Gesamtbandbreite 24.8 MHz und dem Kanalabstand 200 kHz folgt $K_{\rm F}\hspace{0.15cm}\underline{ = 124}$.
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'''(1)'''&nbsp; From a total bandwidth of&nbsp; $\text{24.8 MHz}$&nbsp; and a channel spacing of&nbsp; $\text{200 kHz}$&nbsp; follows:
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:$$K_{\rm F}\hspace{0.15cm}\underline{ = 124}.$$
  
  
'''(2)'''&nbsp; Die Mittenfrequenz des ersten Kanals liegt bei 890.2 MHz. DerKanal „RFCH 100” liegt um 99 · 200 kHz = 19.8 MHz höher:
+
'''(2)'''&nbsp; The center frequency of the first channel is&nbsp; $\text{890.2 MHz}$.&nbsp; The "RFCH 100" channel is&nbsp; $\text{ 99 · 200 kHz = 19.8 MHz}$&nbsp; higher:
 
:$$f_{\rm M}= 890.2 \ \rm  MHz + 19.8 \ \rm  MHz\hspace{0.15cm}\underline{ = 910 \ \rm  MHz}.$$
 
:$$f_{\rm M}= 890.2 \ \rm  MHz + 19.8 \ \rm  MHz\hspace{0.15cm}\underline{ = 910 \ \rm  MHz}.$$
  
'''(3)'''&nbsp; Um die Überlegungen zur Teilaufgabe '''(2)''' nutzen zu können, transformieren wir die Aufgabenstellung in den Uplink: &nbsp; Der gleiche Kanal mit der Kennung $k_{\rm F}$, der im Downlink die Frequenz 940 MHz nutzt, liegt im Uplink bei 895 MHz. Damit gilt:
+
 
 +
'''(3)'''&nbsp; To apply the logic from subtask&nbsp; '''(2)''',&nbsp; we transfer the task into the uplink:
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*The same channel with the identifier&nbsp; $k_{\rm F}$,&nbsp; which uses the frequency&nbsp; $\text{940 MHz}$&nbsp; in the downlink,&nbsp; is located at&nbsp; &nbsp; $\text{895 MHz}$.&nbsp;
 +
*Thus:
 
:$$k_{\rm F} = 1 + \frac {895 \,\,{\rm MHz } - 890.2 \,\,{\rm MHz } }{0.2 \,\,{\rm MHz }} \hspace{0.15cm}\underline {= 25}.$$
 
:$$k_{\rm F} = 1 + \frac {895 \,\,{\rm MHz } - 890.2 \,\,{\rm MHz } }{0.2 \,\,{\rm MHz }} \hspace{0.15cm}\underline {= 25}.$$
  
'''(4)'''&nbsp; In einem TDMA–Rahmen der Dauer 4.62 Millisekunden können $K_{\rm T}\hspace{0.15cm}\underline{  = 8}$ Zeitschlitze mit jeweiliger Dauer $T = 577 \ \rm &micro; s$ untergebracht werden. ''Anmerkung:'' Bei GSM wird tatsächlich $K_{\rm T} = 8$ verwendet.
 
  
 +
'''(4)'''&nbsp; In a TDMA frame of duration&nbsp; $\text{4.62}$&nbsp; millisekconds,&nbsp; $K_{\rm T}\hspace{0.15cm}\underline{  = 8}$&nbsp; time slots with a respective duration of &nbsp; $T = 577 \ \rm &micro; s$&nbsp; can be accommodated.&nbsp;
 +
:''Note:''&nbsp; For GSM, &nbsp; $K_{\rm T} = 8$&nbsp; is actually used.
  
'''(5)'''&nbsp; Mit den Ergebnissen der Teilaufgaben '''(1)''' und '''(4)''' erhält man:
+
 
 +
'''(5)'''&nbsp; Using the results of subtasks&nbsp; '''(1)'''&nbsp; und&nbsp; '''(4)'''&nbsp; we obtain:
 
:$$K = K_{\rm F} \cdot K_{\rm T} = 124 \cdot 8 \hspace{0.15cm}\underline {= 992}$$
 
:$$K = K_{\rm F} \cdot K_{\rm T} = 124 \cdot 8 \hspace{0.15cm}\underline {= 992}$$
  
'''(6)'''&nbsp; Während der Zeit $T = 577 \ \rm μs$ müssen 156 Bit übertragen werden. Damit stehen für jedes Bit die Zeit $T_{\rm B} = 3.699 \ \rm μs$ zur Verfügung. Daraus ergibt sich die (Brutto&ndash;)Bitrate
+
 
:$$R_{\rm Brutto} = \frac {1 }{T_{\rm B}}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 270 \,\,{\rm kbit/s }}.$$
+
'''(6)'''&nbsp; Over the course of timespan&nbsp; $T = 577 \ \rm &micro;s$&nbsp; &rArr; &nbsp; $156$&nbsp; bits must be transmitted.  
Diese Brutto–Bitrate beinhaltet neben den das Sprachsignal beschreibenden Datensymbolen auch die Trainigssequenz zur Kanalschätzung und die Redundanz für die Kanalcodierung. Die Netto–Bitrate beträgt beim GSM–System für jeden der acht Benutzer nur etwa 13 kbit/s.
+
*Thus,&nbsp; each bit has the time&nbsp; $T_{\rm B} = 3.699 \ \rm &micro; s$&nbsp; available.  
 +
*This results in the (gross) bit rate:
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:$$R_{\rm gross} = \frac {1 }{T_{\rm B}}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 270 \,\,{\rm kbit/s }}.$$
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*This gross bit rate includes the training sequence for channel estimation, the redundancy for channel coding in addition to the data representing the speech signal.
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*The net bit rate for the GSM system is only about $\text{13 kbit/s}$ for each of the eight users.
  
 
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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren |^1.1 Warum braucht man Modulation?^]]
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[[Category:Modulation Methods: Exercises |^1.1 Why do you need Modulation?^]]

Latest revision as of 16:37, 23 January 2023

Multiplexing in the GSM system

The  "Global System for Mobile Communication"  $\rm (GSM)$  standard,  which has been established in Europe since 1992,  uses both frequency division and time division multiplexing to enable several users to communicate in one cell.

Some characteristics of the system are given below in a somewhat simplified form.  A more detailed description can be found in the chapter  General Description of GSM  in the book  "Examples of Communication Systems".

  • The frequency band of the uplink  (connection from the mobile to the base station)  is between  $\text{890 MHz}$  and  $\text{915 MHz}$. 
  • Taking into account the guard bands  $($each  $\text{100 kHz)}$  at both ends, a total uplink bandwidth of   $\text{24.8 MHz}$  is available.
  • This band is used by  $K_{\rm F}$  subchannels ("Radio Frequency Channels"),  which are adjacent in frequency with a respective spacing of   $\text{200 kHz}$.  The numbering is done with the running variable  $k_{\rm F}$, starting with  $k_{\rm F} = 1$.
  • The frequency range for the downlink  (connection from the base station to the mobile)  is  $\text{45 MHz}$  above the uplink and is structured in exactly the same way as the uplink.
  • Each of these FDMA subchannels is used simultaneously by  $K_{\rm T}$  users via TDMA  ("Time Division Multiple Access").
  • A time slot of duration   $T ≈ 577 \ \rm µ s$  is available to each user at intervals of  $\text{4.62 ms}$.
  • During this time,  the (approximate)   $156$  bits describing the speech signal must be transmitted,  taking into account data reduction and channel coding.





Hints:


Questions

1

How many subchannels result from  "Frequency Division Multiplexing"?

$K_{\rm F} \ = \ $

2

What is the center frequency  $f_{\rm M}$ of the  "Radio Frequency Channel"  in the uplink with number  $k_{\rm F} = 100$?

$f_{\rm M} \ = \ $

$\ \rm MHz$

3

Which downlink subchannel   $($number  $k_{\rm F})$  uses the frequency  $\text{940 MHz}$?

$k_{\rm F} \ = \ $

4

How many subchannels result in GSM through  "Time Division Multiplexing"?

$K_{\rm T} \ = \ $

5

How many GSM users can be simultaneously active in one cell?

$K \ = \ $

6

How big is the gross bit rate for GSM?

$R_{\rm gross} \ = \ $

$\ \rm kbit/s$


Solution

(1)  From a total bandwidth of  $\text{24.8 MHz}$  and a channel spacing of  $\text{200 kHz}$  follows:

$$K_{\rm F}\hspace{0.15cm}\underline{ = 124}.$$


(2)  The center frequency of the first channel is  $\text{890.2 MHz}$.  The "RFCH 100" channel is  $\text{ 99 · 200 kHz = 19.8 MHz}$  higher:

$$f_{\rm M}= 890.2 \ \rm MHz + 19.8 \ \rm MHz\hspace{0.15cm}\underline{ = 910 \ \rm MHz}.$$


(3)  To apply the logic from subtask  (2),  we transfer the task into the uplink:

  • The same channel with the identifier  $k_{\rm F}$,  which uses the frequency  $\text{940 MHz}$  in the downlink,  is located at    $\text{895 MHz}$. 
  • Thus:
$$k_{\rm F} = 1 + \frac {895 \,\,{\rm MHz } - 890.2 \,\,{\rm MHz } }{0.2 \,\,{\rm MHz }} \hspace{0.15cm}\underline {= 25}.$$


(4)  In a TDMA frame of duration  $\text{4.62}$  millisekconds,  $K_{\rm T}\hspace{0.15cm}\underline{ = 8}$  time slots with a respective duration of   $T = 577 \ \rm µ s$  can be accommodated. 

Note:  For GSM,   $K_{\rm T} = 8$  is actually used.


(5)  Using the results of subtasks  (1)  und  (4)  we obtain:

$$K = K_{\rm F} \cdot K_{\rm T} = 124 \cdot 8 \hspace{0.15cm}\underline {= 992}$$


(6)  Over the course of timespan  $T = 577 \ \rm µs$  ⇒   $156$  bits must be transmitted.

  • Thus,  each bit has the time  $T_{\rm B} = 3.699 \ \rm µ s$  available.
  • This results in the (gross) bit rate:
$$R_{\rm gross} = \frac {1 }{T_{\rm B}}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 270 \,\,{\rm kbit/s }}.$$
  • This gross bit rate includes the training sequence for channel estimation, the redundancy for channel coding in addition to the data representing the speech signal.
  • The net bit rate for the GSM system is only about $\text{13 kbit/s}$ for each of the eight users.