Difference between revisions of "Mobile Communications/Characteristics of GSM"

From LNTwww
m (Text replacement - "[[Kanalcodierung" to "[[Channel_Coding")
Line 2: Line 2:
 
{{Header
 
{{Header
 
|Untermenü=Mobile radio systems of the 2nd and 3rd generation - an overview
 
|Untermenü=Mobile radio systems of the 2nd and 3rd generation - an overview
|Vorherige Seite=Similarities of GSM and UMTS
+
|Vorherige Seite=Similarities between GSM and UMTS
 
|Nächste Seite=Characteristics of UMTS
 
|Nächste Seite=Characteristics of UMTS
 
}}
 
}}
  
== Systemarchitektur und Basiseinheiten von GSM ==
+
== System architecture and basic units of GSM ==
 
<br>
 
<br>
'''GSM'''&nbsp; (<i><b>G</b>lobal <b>S</b>ystem for <b>M</b>obile Communication</i>)&nbsp; ist ein stark hierarchisch gegliedertes System verschiedener Netzkomponenten. Aus der Grafik erkennt man:
+
'''GSM'''&nbsp; (<i><b>G</b>lobal <b>S</b>ystem for <b>M</b>obile Communication</i>)&nbsp; is a strongly hierarchically structured system of different network components. You can see from the graphic:
[[File:P ID2203 Mob T 3 3 S1 v1.png|right|frame|GSM–Systemarchitektur|class=fit]]
+
[[File:P ID2203 Mob T 3 3 S1 v1.png|right|frame|GSM system architecture|class=fit]]
*Die Mobilstation (MS) kommuniziert über die Funkschnittstelle mit der nächstgelegenen <i>Base Transceiver Station</i>&nbsp; (BTS, Sende&ndash; und Empfangsbasisstation).<br>
+
*The mobile station (MS) communicates via the radio interface with the nearest <i>Base Transceiver Station</i>&nbsp; (BTS, transmit and receive base station).<br>
  
*Mehrere solcher BTS werden gebietsweise zusammengefasst und sind gemeinsam einem&nbsp; <i>Base Station Controller</i>&nbsp; (BSC, Kontrollstation) unterstellt.<br>
+
*Several such BTS are grouped together area by area and are jointly subordinate to a&nbsp; <i>Base Station Controller</i>&nbsp; (BSC, control station).<br>
  
*Das&nbsp; <i>Base Station Subsystem</i>&nbsp; (BSS) besteht aus einer Vielzahl von BTS und mehreren BSC. In der Grafik ist ein solches BSS blau umrandet.<br>
+
*The&nbsp; <i>Base Station Subsystem</i>&nbsp; (BSS) consists of a multitude of BTS and several BSC. In the graphic such a BSS is framed in blue.<br>
  
*Jeder BSC ist mit einem&nbsp; <i>Mobile Switching Center</i>&nbsp; (MSC, Vermittlungsrechner) verbunden, dessen Funktion mit einem Vermittlungsknoten im Festnetz vergleichbar ist.<br>
+
*Each BSC is connected to a&nbsp; <i>Mobile Switching Center</i>&nbsp; (MSC, switching computer), whose function is comparable to a switching node in the fixed network.<br>
  
*Das&nbsp; <i>Gateway Mobile Switching Center</i>&nbsp; (GMSC) ist für die Verbindung zwischen Fest&ndash; und Mobilfunknetz zuständig. Wird zum Beispiel ein Mobilfunkteilnehmer aus dem Festnetz angerufen, so ermittelt das GMSC das zuständige MSC und vermittelt den Ruf weiter.<br>
+
*Das&nbsp; <i>Gateway Mobile Switching Center</i>&nbsp; (GMSC) is responsible for the connection between the fixed and mobile networks. For example, if a mobile subscriber is called from the fixed network, the GMSC determines the responsible MSC and transfers the call.<br>
  
*Das&nbsp; <i>Operation and Maintenance Center</i>&nbsp; (OMC) überwacht einen Teil des Mobilfunknetzes. Daneben übernimmt es auch organisatorische Aufgaben wie Steuerung des Verkehrsflusses, Gebührenerfassung, Sicherheitsmanagement, usw.<br>
+
*Das&nbsp; <i>Operation and Maintenance Center</i>&nbsp; (OMC) monitors a part of the mobile network. It also takes on organizational tasks such as traffic flow control, charging, security management, etc.<br>
  
  
Genauere Informationen zur GSM&ndash;Systemarchitektur und zu den einzelnen Netzkomponenten finden Sie im Kapitel&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_GSM|Allgemeine Beschreibung von GSM]]&nbsp; des Buches &bdquo;Beispiele von Nachrichtensystemen&rdquo;.
+
More detailed information on GSM&ndash;system architecture and the individual network components can be found in the chapter&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_GSM|General Description of GSM]]&nbsp; of the book "Examples of Message Systems".
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
== Vielfachzugriff bei GSM ==
+
== Multiple access with GSM ==
 
<br>
 
<br>
[[File:EN_Mob_T_3_3_S2.png||right|frame|Realisierung von FDMA und TDMA bei &bdquo;GSM 900&rdquo;|class=fit]]
+
[[File:EN_Mob_T_3_3_S2.png||right|frame|Realization of FDMA and TDMA with &bdquo;GSM 900&rdquo;|class=fit]]
Bei GSM werden zwei Vielfachzugriffsverfahren parallel verwendet:
+
GSM uses two multiple access methods in parallel:
*'''Frequenzmultiplex'''&nbsp; (<i>Frequency Division Multiple Access</i>, FDMA),<br>
+
*'''Frequency Division Multiple Access'''&nbsp; (FDMA),<br>
*'''Zeitmultiplex'''&nbsp; (<i>Time Division Multiple Access</i>, TDMA).<br>
+
*'''Time Division Multiple Access'''&nbsp;(TDMA).<br>
  
  
Line 36: Line 36:
  
  
Die Grafik und die folgende Beschreibung gilt für das ursprüngliche System &bdquo;GSM 900&rdquo; (D&ndash;Netz). Für &bdquo;GSM/DCS 1800&rdquo; (E&ndash;Netz) gelten vergleichbare Aussagen.
+
The graphic and the following description is valid for the original system "GSM 900" (D&ndash;net). For "GSM/DCS 1800" (E&ndash;Netz) comparable statements apply.
  
*Im D&ndash;Netz werden für Uplink und Downlink jeweils eine Bandbreite von&nbsp; $25\ \rm MHz$&nbsp; bereit gestellt $($Duplexabstand:&nbsp; $45\ \rm MHz)$. Man spricht von <i>Frequency Division Duplex</i>&nbsp; (FDD). Beim E&ndash;Netz beträgt die Bandbreite jeweils&nbsp; $75\ \rm MHz$&nbsp; und der Duplexabstand ist&nbsp; $95\ \rm MHz$.<br>
+
*In the D&ndash;network, a bandwidth of&nbsp; $25\ \rm MHz$&nbsp; is provided for uplink and downlink respectively $($duplex spacing:&nbsp; $45\ \rm MHz)$. This is called <i>Frequency Division Duplex</i>&nbsp; (FDD). For the E&ndash;network, the bandwidth is&nbsp; $75\ \rm MHz$&nbsp; and the duplex spacing is&nbsp; $95\ \rm MHz$.<br>.
  
*Uplink&ndash; und Downlinkband werden in Frequenzbänder der Breite&nbsp; $200\ \rm kHz$ unterteilt. Unter Berücksichtigung von Schutzbereichen an den jeweiligen Rändern stehen somit&nbsp; $N_{\rm F} = 124$&nbsp; (im D&ndash;Netz) bzw.&nbsp; $N_{\rm F} = 374$&nbsp; (im E&ndash;Netz) Frequenzkanäle zur Verfügung.<br>
+
*Uplink and downlink bands are divided into frequency bands of width&nbsp; $200\ \rm kHz$. Taking into account the protection areas at the respective edges, there are &nbsp; $N_{\rm F} = 124$&nbsp; (in the D&ndash;net) or &nbsp; $N_{\rm F} = 374$&nbsp; (in the E&ndash;net) frequency channels.
  
*Jeder Zelle wird  eine Teilmenge der Frequenzen zugewiesen &nbsp; &#8658; &nbsp; <i>Cell Allocation</i>. Benachbarte Zellen arbeiten meist bei unterschiedlichen Frequenzen, zum Beispiel mit dem Reuse&ndash;Faktor &nbsp;$3$, wie im Abschnitt&nbsp; [[Mobile_Communications/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS#Zellulare_Architektur| Zellulare Architektur]] durch die Farben Weiß, Gelb, Blau angedeutet.<br>
+
*Each cell is assigned a subset of the frequencies &nbsp; &#8658; &nbsp; <i>Cell Allocation</i>. Neighboring cells usually work at different frequencies, for example with the reuse&ndash;factor &nbsp;$3$, as in section&nbsp; [[Mobile_Communications/Similarities between GSM and UMTS#Cellular Architecture|Cellular Architecture]] indicated by the colors white, yellow, blue.<br>.
  
*Die&nbsp; $124$&nbsp; GSM&ndash;Frequenzkanäle werden durch Zeitmultiplex (TDMA) weiter unterteilt. Jeder FDMA&ndash;Kanal wird in so genannte TDMA&ndash;Rahmen aufgeteilt, die ihrerseits jeweils&nbsp; $N_{\rm T} = 8$&nbsp; Zeitschlitze (<i>Time&ndash;Slots</i>) umfassen.<br>
+
*The&nbsp; $124$&nbsp; GSM&ndash;Frequency channels are further divided by time division multiplexing (TDMA). Each FDMA&ndash;channel is divided into so-called TDMA&ndash;frames, which in turn each comprise&nbsp; $N_{\rm T} = 8$&nbsp; time slots (<i>Time&ndash;Slots</i>).
  
*Die Slots werden periodisch den einzelnen GSM&ndash;Nutzern zugeordnet und beinhalten jeweils einen so genannten&nbsp; [[Mobile_Communications/Die_Charakteristika_von_GSM#Daten.E2.80.93_und_Rahmenstruktur_bei_GSM| ''Burst'']]. Jedem Nutzer steht in jedem TDMA&ndash;Rahmen ein Zeitschlitz zur Verfügung. Eine Bündelung (maximal sechs pro User) ist nur bei GPRS/EDGE möglich.<br>
+
*The slots are periodically assigned to the individual GSM&ndash;users and each contain a so-called&nbsp; [[Mobile_Communications/Characteristics_of_GSM#Data_and_frame_structure_for_GSM| ''Burst'']]. Each user has a time slot available in each TDMA&ndash;frame. A bundling (maximum six per user) is only possible with GPRS/EDGE.<br>.
  
*Die TDMA&ndash;Rahmen des Uplinks werden gegenüber denen des Downlinks um drei Slots verzögert gesendet: &nbsp; <i>Time Division Duplex</i> (TDD). Die Hardware der Mobilstation kann somit gleichermaßen zum Senden und Empfangen einer Nachricht verwendet werden.<br><br>
+
*The TDMA&ndash;frames of the uplink are sent delayed by three slots compared to the downlink: &nbsp; <i>Time Division Duplex</i> (TDD). The hardware of the mobile station can thus be used for sending and receiving a message in equal measure.
  
== Daten– und Rahmenstruktur bei GSM ==
+
 
 +
== Data and frame structure for GSM ==
 
<br>
 
<br>
Durch die GSM&ndash;Rahmenstruktur erfolgt die Abbildung der logischen Kanäle auf physikalische Kanäle. Hier beschränken wir uns  auf Verkehrskanäle und auf die Abbildung in der Zeit. In diesem Fall wird jeder Multiframe von&nbsp; $120 \ \rm ms$&nbsp; Dauer in&nbsp; $26$&nbsp; TDMA&ndash;Rahmen (davon zwei für Kontrollkanäle) der Dauer&nbsp; $4.615\ \rm ms$&nbsp; unterteilt. Damit ergibt sich für die Dauer eines Zeitschlitzes näherungsweise&nbsp; $T_{\rm Z} = 576.9\ \rm   &micro; s$.<br>
+
The mapping of logical channels to physical channels is done using the GSM&ndash;frame structure. Here we restrict ourselves to traffic channels and to the mapping in time. In this case, each multiframe of duration &nbsp; $120 \ \rm ms$&nbsp; is divided in&nbsp; $26$&nbsp; TDMA&ndash;frames (two of them for control channels) of duration&nbsp; $4,615\ \rm ms$&nbsp;. Thus, the duration of a time slot is approximately&nbsp; $T_{\rm Z} = 576.9\ \rm &micro; s$.<br>.
  
[[File:EN_Mob_T_3_3_S3a.png||right|frame|Daten– und Rahmenstruktur bei GSM|class=fit]]
+
[[File:EN_Mob_T_3_3_S3a.png||right|frame|Data and frame structure for GSM|class=fit]]
  
Man erkennt aus dieser Grafik:
+
You can see from this graphic:
*In jedem Zeitschlitz wird ein so genannter <i>Burst</i> übertragen, dessen Zeitdauer einheitlich&nbsp; $156.25$&nbsp; Bitdauern entspricht. Daraus folgt für die Bitdauer&nbsp; $T_{\rm B} = 576.9\ \rm   &micro; s/156.25 &asymp; 3.692 \ \rm   &micro;s$&nbsp; und für die Gesamt&ndash;Bruttodatenrate:
+
*In each time slot a so-called <i>burst</i> is transmitted, whose duration corresponds to&nbsp; $156.25$&nbsp; bits. The bit duration is then&nbsp; $T_{\rm B} = 576.9\ \rm &micro; s/156.25 &asymp; 3.692 \ \rm &micro;s$&nbsp; and for the total bulk data rate:
  
::<math>R_{\rm ges} = {1}/{T_{\rm B}}= 270.833\,{\rm kbit/s}\hspace{0.05cm}.</math>
+
::<math>R_{\rm ges} = {1}/{T_{\rm B}}}= 270,833\,{\rm kbit/s}\hspace{0.05cm}.</math>
  
*Die&nbsp; '''Bruttodatenrate'''&nbsp; eines jeden Nutzers ist somit&nbsp; $R_{\rm Brutto} = 33.854 \ \rm   kbit/s$. Da in jedem <i>Normal Burst</i> aber nur&nbsp; $2 &middot; 57 = 114$&nbsp; Datenbit (in der Grafik blau hinterlegt) übertragen werden, ergibt sich die klerinere &nbsp;'''Nettodatenrate'''&nbsp; mit&nbsp;  $R_{\rm Netto} = 22.8 \ \rm   kbit/s$.<br>
+
*The&nbsp; '''bulk data rate''' &nbsp; of each user is then&nbsp; $R_{\rm bulk} = 33,854 \ \rm kbit/s$. But since in every <i>normal burst</i> only&nbsp; $2 &middot; 57 = 114$&nbsp; data bits (highlighted blue in the graphic) are transmitted, it results in the lower &nbsp;'''net data rate''''&nbsp; $R_{\rm net} = 22.8 \ \rm kbit/s$.<br>
  
*Diese Nettodatenrate berücksichtigt auch die Kanalcodierung. Bei einem Sprachsignal werden pro&nbsp; $20\ \rm   kbit/s$&ndash;Sprachrahmen&nbsp; $456$&nbsp; Bit übertragen, woraus sich genau die Rate&nbsp; $22.8 \ \rm   kbit/s$&nbsp; ergibt. Ohne Kanalcodierung wäre die Datenrate nur&nbsp; $13 \ \rm   kbit/s$.<br>
+
*This net data rate also takes the channel coding into account. In the case of a speech signal, for every&nbsp; $20\ \rm kbit/s$&ndash;speech frame&nbsp; $456$&nbsp; bits are transmitted, which results in exactly the rate&nbsp; $22.8 \ \rm kbit/s$&nbsp;. Without channel coding, the data rate would be only&nbsp; $13 \ \rm kbit/s$.<br>.
  
*Neben den Verkehrsdaten enthält ein <i>Normal Burst</i> noch
+
*In addition to the traffic data, a <i>normal burst</i> also contains
:&ndash; &nbsp; zweimal drei Tailbits (rot, in dieser Zeit wird der Kanal neu vermessen),  
+
:&ndash; &nbsp; twice three tailbits (red, during this time the channel is remeasured),  
:&ndash; &nbsp; zwei Signalisierungsbits (grün),  
+
:&ndash; &nbsp; two signaling bits (green),  
  
:&ndash; &nbsp; die <i>Guard Period</i>&nbsp; (GP) mit&nbsp; $8.25$&nbsp; Bitdauern $($grau, ca.&nbsp; $30.5 \ \rm   &micro; s)$, sowie
+
:&ndash; &nbsp; the <i>Guard Period</i>&nbsp; (GP) with&nbsp; $8.25$&nbsp; bit duration $($grey, ca.&nbsp; $30.5 \ \rm &micro; s)$, and
:&ndash; &nbsp; $26$&nbsp; Bit für die Trainingssequenz (zur Kanalschätzung und Synchronisation),   
+
:&ndash; &nbsp; $26$&nbsp; bit for training sequence (for channel estimation and synchronization),   
  
wodurch sich die Datenrate von&nbsp; $22.8$&nbsp; auf&nbsp; $33.854 \ \rm   kbit/s$&nbsp; erhöht.<br><br>
+
which increases the data rate from&nbsp; $22.8$&nbsp; to&nbsp; $33.854 \ \rm kbit/s$&nbsp;.
  
''Anmerkung:''
+
''Note:''
*Bei GSM spielen neben dem <i>Normal Burst</i> noch andere&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Funkschnittstelle#Die_verschiedenen_Burstarten_bei_GSM| Arten von Bursts]]&nbsp; (<i>Frequency Correction Burst</i>, <i>Synchronization Burst</i>, <i>Dummy Burst</i>, <i>Access Burst</i>&nbsp;) eine Rolle.  
+
*In GSM, besides the <i>normal burst</i> there are other bursts playing&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Radio Interface#The_different_burstst types_in_GSM| types of bursts]]&nbsp; (<i>Frequency Correction Burst</i>, <i>Synchronization Burst</i>, <i>Dummy Burst</i>, <i>Access Burst</i>&nbsp;) a role.  
*Alle diese Bursts haben eine einheitliche Länge von&nbsp; $156.25$&nbsp; Bitdauern. Hierauf wird in der&nbsp; [[Aufgaben:Aufgabe_3.2:_GSM–Datenraten|Aufgabe 3.2]]&nbsp; genauer eingegangen.
+
*All these bursts have a uniform length of&nbsp; $156.25$&nbsp; bit durations. This is discussed in more detail in the&nbsp; [[Aufgaben:Exercise_3.2:_GSM Data Rates|Excercise 3.2]]&nbsp;.
  
== Modulationsverfahren bei GSM==
+
== Modulation method for GSM==
 
<br>
 
<br>
Bei GSM steht pro Frequenzkanal lediglich eine Bandbreite von&nbsp; $B = 200 \ \rm kHz$&nbsp; zur Verfügung, in der eine Gesamtdatenrate (für acht Nutzer) von&nbsp; $R_{\rm ges} = 270.833 \ \rm   kbit/s$&nbsp; übertragen werden muss. Man benötigt deshalb ein Modulationsverfahren mit einer Bandbreiteneffizienz von mindestens
+
With GSM, only a bandwidth of&nbsp; $B = 200 \ \rm kHz$&nbsp; is available per frequency channel, in which a total data rate (for eight users) of&nbsp; $R_{\rm ges} = 270,833 \ \rm kbit/s$&nbsp; must be transmitted. A modulation method with a bandwidth efficiency of at least
  
 
::<math>\beta \ge {R_{\rm ges}}/{B} \approx 1.35 \,\,{\rm bit/s/Hz}.</math>
 
::<math>\beta \ge {R_{\rm ges}}/{B} \approx 1.35 \,\,{\rm bit/s/Hz}.</math>
  
GSM verwendet das sehr bandbreiteneffiziente Modulationsverfahren&nbsp; [[Modulation_Methods/Nichtlineare_Modulationsverfahren#GMSK_.E2.80.93_Gaussian_Minimum_Shift_Keying|Gaussian Minimum Shift Keying]]&nbsp; (GMSK). Es sei nochmals ausdrücklich erwähnt, dass sich dieses Modulationsverfahren ebenso wie der FDMA/TDMA&ndash;Vielfachzugriff ausschließlich auf die Funkschnittstelle zwischen der&nbsp; <i>Mobile Station</i>&nbsp; (MS) und der &nbsp;<i>Base Transceiver Station </i>&nbsp; (BTS) bezieht, die in der&nbsp; [[Mobile_Communications/Die_Charakteristika_von_GSM#Systemarchitektur_und_Basiseinheiten_von_GSM|Systemarchitektur&ndash;Grafik]]&nbsp; zu Beginn des Kapitels durch gelbe Hinterlegung hervorgehoben ist.<br>
+
GSM uses the very bandwidth-efficient modulation method&nbsp; [[Modulation_Methods/Nichtlineare_Modulationsverfahren#GMSK_.E2.80.93_Gaussian_Minimum_Shift_Keying|''' checkLink:_Buch_5 &rArr; '''  Gaussian Minimum Shift Keying]]&nbsp; (GMSK). It should again be expressly mentioned that this modulation procedure, just like the FDMA/TDMA&ndash;Multiple Access, is exclusively based on the air interface between the&nbsp; <i>Mobile Station</i>&nbsp; (MS) and the &nbsp;<i>Base Transceiver Station </i>&nbsp; (BTS), which is highlighted in yellow in the&nbsp; [[Mobile_Communications/Characteristics_of_GSM#System_architecture_and_basic_units_of_GSM|System_architecture graphic]]&nbsp; at the beginning of the chapter. <br>
  
GMSK wurde bereits im Kapitel&nbsp; [[Modulation_Methods/Nichtlineare_Modulationsverfahren#Eigenschaften_nichtlinearer_Verfahren| Eigenschaften nichtlinearer Verfahren]]&nbsp; des Buches &bdquo;Modulationsverfahren&rdquo; beschrieben. Hier werden die wesentlichen Eigenschaften kurz zusammengefasst.
+
GMSK has already been described in chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Nichtlineare_Modulationsverfahren#Eigenschaften_nichtlinearer_Verfahren|''' checkLink:_Buch_5 &rArr; ''' Properties of nonlinear procedures]]&nbsp; of the book "Modulation Methods". The most important properties are briefly summarized here.
*GMSK ist eine Sonderform von binärem&nbsp; [[Modulation_Methods/Nichtlineare_digitale_Modulation#FSK_.E2.80.93_Frequency_Shift_Keying| Frequency Shift Keying]]&nbsp; (FSK). Voraussetzung für die Orthogonalität zwischen den beiden Signalformen ist, dass der Modulationsindex&nbsp; $h$&nbsp; ein Vielfaches von&nbsp; $0.5$&nbsp; ist. Für ganzzahlige Werte von&nbsp; $h$&nbsp; kann die Demodulation auch nichtkohärent erfolgen.<br>
+
*GMSK is a special form of binary&nbsp; [[Modulation_Methods/Nichtlineare_digitale_Modulation#FSK_.E2.80.93_Frequency_Shift_Keying|''' checkLink:_Buch_5 &rArr; ''' Frequency Shift Keying]]&nbsp; (FSK). A prerequisite for the orthogonality between the two waveforms is that the modulation index&nbsp; $h$&nbsp; is a multiple of&nbsp; $0.5$&nbsp;. For integer values of&nbsp; $h$&nbsp; the demodulation can also be performed non-coherently.<br>
  
*Bei GSM verwendet man den kleinstmöglichen Modulationsindex&nbsp; $h = 0.5$. Ein größerer Wert würde eine deutlich größere Bandbreite beanspruchen. Eine solche FSK mit&nbsp; $h = 0.5$&nbsp; nennt man auch [[Modulation_Methods/Nichtlineare_Modulationsverfahren#MSK_.E2.80.93_Minimum_Shift_Keying| Minimum Shift Keying]]&nbsp; (MSK). Allerdings ist dann eine kohärente Demodulation erforderlich.<br>
+
*For GSM you use the smallest possible modulation index&nbsp; $h = 0.5$. A higher value would require a much larger bandwidth. Such an FSK with&nbsp; $h = 0.5$&nbsp; is also called [[Modulation_Methods/Nichtlineare_digitale_Modulation#MSK_.E2.80.93_Minimum_Shift_Keying| ''' checkLink:_Buch_5 &rArr; ''' Minimum Shift Keying]]&nbsp; (MSK). However, a coherent demodulation is then required.<br>
  
*Ein sehr schmales Spektrum ergibt sich allerdings erst dann, wenn die Phasenwerte  an den Symbolgrenzen aneinander angepasst und dadurch Phasensprünge vermieden werden, was bei  MSK gegeben ist. Man bezeichnet solche Verfahren als&nbsp; [[Modulation_Methods/Nichtlineare_digitale_Modulation#Bin.C3.A4re_FSK_mit_kontinuierlicher_Phasenanpassung| Continuous Phase Frequency Shift Keying]]&nbsp; (CP&ndash;FSK).<br>
+
*A very narrow spectrum, however, is only obtained if the phase values at the symbol boundaries are matched to each other, thus avoiding phase jumps, which is given with MSK. Such methods are referred to as&nbsp; [[Modulation_Methods/Nichtlineare_digitale_Modulation#Bin.C3.A4re_FSK_mit_kontinuierlicher_Phasenanpassung| ''' checkLink:_Buch_5 &rArr; ''' Continuous Phase Frequency Shift Keying]]&nbsp; (CP&ndash;FSK).<br>
  
*Bei GSM wird vor dem Frequenzmodulator noch ein Tiefpass mit Gauß&ndash;Charakteristik eingefügt &nbsp; &#8658; &nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Funkschnittstelle#Modulation_bei_GSM.E2.80.93Systemen|Gaussian Minimum Shift Keying]]&nbsp; (GMSK), wodurch die Bandbreite weiter verringert und die Bandbreiteneffizienz verbessert wird.<br><br>
+
*For GSM, a low-pass filter with Gauss characteristic is inserted before the frequency modulator &nbsp; &#8658; &nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Funkschnittstelle#Modulation_bei_GSM.E2.80.93Systemen|''' checkLink:_Buch_5 &rArr; ''' Gaussian Minimum Shift Keying]]&nbsp; (GMSK), which further reduces the bandwidth and improves bandwidth efficiency.<br><br>
  
Hinsichtlich der hier behandelten Thematik (kohärente bzw. nichtkohärente Demodulation von FSK) verweisen wir auf zwei Aufgaben im Buch &bdquo;Digitalsignalübertragung&rdquo;:
+
Regarding the topic treated here (coherent or non-coherent demodulation of FSK) we refer to two Exercises in the book "Digital Signal Transmission":
*[[Aufgaben:Aufgabe_4.16:_Binary_Frequency_Shift_Keying|Aufgabe 4.16: &nbsp; Binary Frequency Shift Keying]],<br>
+
*[[Aufgaben:Aufgabe_4.16:_Binary_Frequency_Shift_Keying|Excercise 4.16: &nbsp; Binary Frequency Shift Keying]],<br>
*[[Aufgaben:Aufgabe_4.18Z:_BER_von_kohärenter_und_nichtkohärenter_FSK|Aufgabe 4.18Z: &nbsp; BER von kohärenter und nichtkohärenter FSK]].<br><br>
+
*[[Aufgaben:Aufgabe_4.18Z:_BER_von_kohärenter_und_nichtkohärenter_FSK| Excercise 4.18Z: &nbsp; BER of coherent and non-coherent FSK]].<br><br>
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Die folgende Grafik soll die bisherigen Aussagen verdeutlichen:
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; The following graphic is to clarify the previous statements:
  
[[File:EN_Mob_T_3_3_S4.png|right|frame|Blockschaltbild und Signale bei GMSK|class=fit]]
+
[[File:EN_Mob_T_3_3_S4.png|right|frame|block diagram and signals with GMSK|class=fit]]
  
*Ausgehend von einem diracförmigen Quellensignal&nbsp; $q_\delta(t)$&nbsp; am Punkt $(1)$ kommt man durch ein Filter mit der rechteckförmigen Impulsantwort&nbsp; $g_{\rm R}(t)$&nbsp; zum Rechtecksignal&nbsp; $q_{\rm R}(t)$&nbsp; am Punkt $(2)$.
+
*Starting from a dirac-shaped source signal&nbsp; $q_\delta(t)$&nbsp; at point $(1)$ you pass through a filter with the rectangular impulse response&nbsp; $g_{\rm R}(t)$&nbsp; to the rectangular signal&nbsp; $q_{\rm R}(t)$&nbsp; at point $(2)$.
  
*Würde man auf den Gaußtiefpass mit der Impulsantwort&nbsp; $h_{\rm G}(t)$&nbsp; verzichten &nbsp; &#8658; &nbsp; $q_{\rm G}(t) = q_{\rm R}(t)$, so ergäbe sich am Punkt $(4)$ eine abschnittsweise lineare Phasenfunktion&nbsp; $\phi(t)$. Bei Vielfachen der Symboldauer&nbsp; $T$&nbsp; wären damit alle Phasenwerte Vielfache von&nbsp; $&pi;/2$.
+
*If the Gaussian low pass  with the impulse response&nbsp; $h_{\rm G}(t)$&nbsp; were to be omitted &nbsp; &#8658; &nbsp; $q_{\rm G}(t) = q_{\rm R}(t)$, a sectionwise linear phase function&nbsp; $\phi(t)$ would result at point $(4)$. All phase values would be multiples of&nbsp; $&pi;/2$ at multiples of the symbol duration&nbsp; $T$&nbsp;.
  
*Nach dem Phasenmodulator würde dann am Punkt $(5)$ ein binäres FSK&ndash;Signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; mit nur zwei Frequenzen auftreten. Dieses Signal ist aufgrund des bei Orthogonalität minimalen Modulationsindex&nbsp; $h = 0.5$&nbsp; gleichzeitig ein MSK&ndash;Signal.
+
*After the phase modulator, a binary FSK&ndash;signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; would appear at point $(5)$ with only two frequencies. This signal is at the same time a MSK&ndash;signal due to the minimum modulation index&nbsp; $h = 0.5$&nbsp; in case of orthogonality.
  
*Durch den Gaußtiefpass&nbsp; $H_{\rm G}(f)$&nbsp; mit der Grenzfrequenz&nbsp; $f_{\rm G}= 0.45/T$&nbsp; (gültig für GSM) ist der Frequenzimpuls&nbsp; $g(t)$&nbsp; nicht mehr rechteckförmig, sondern entspricht der Rechteckantwort von&nbsp; $H_{\rm G}(f)$. Gemäß Fouriertransformation gilt&nbsp; $g(t) = g_{\rm R}(t) \star h_{\rm G}(t)$.
+
*Through the Gaussian low pass&nbsp; $H_{\rm G}(f)$&nbsp; with the cutoff frequency&nbsp; $f_{\rm G}= 0.45/T$&nbsp; (valid for GSM) the frequency pulse&nbsp; $g(t)$&nbsp; is no longer rectangular but corresponds to the rectangular response of&nbsp; $H_{\rm G}(f)$. According to the Fourier transformation,&nbsp; $g(t) = g_{\rm R}(t) \star h_{\rm G}(t)$ applies.
  
*Somit verläuft die Phasenfunktion&nbsp; $\phi(t)$&nbsp; nicht mehr abschnittsweise linear, sondern die Ecken sind abgerundet, wie aus dem Phasenverlauf am Punkt $(4)$ zu ersehen ist. Die violett&ndash;gepunktete Kurve gilt für die am Punkt $(1)$ angenommene Datenfolge.
+
*Thus, the phase function&nbsp; $\phi(t)$&nbsp; is no longer linear in sections but the corners are rounded, as can be seen from the phase function at point $(4)$. The violet&ndash;dotted curve applies to the data sequence assumed at point $(1)$.
  
*Das Signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; am Punkt $(5)$ des Blockschaltbildes ist das GMSK&ndash;Signal.
+
*The signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; at point $(5)$ of the block diagram is the GMSK&ndash;signal.
  
  

Revision as of 16:38, 25 August 2020

System architecture and basic units of GSM


GSM  (Global System for Mobile Communication)  is a strongly hierarchically structured system of different network components. You can see from the graphic:

GSM system architecture
  • The mobile station (MS) communicates via the radio interface with the nearest Base Transceiver Station  (BTS, transmit and receive base station).
  • Several such BTS are grouped together area by area and are jointly subordinate to a  Base Station Controller  (BSC, control station).
  • The  Base Station Subsystem  (BSS) consists of a multitude of BTS and several BSC. In the graphic such a BSS is framed in blue.
  • Each BSC is connected to a  Mobile Switching Center  (MSC, switching computer), whose function is comparable to a switching node in the fixed network.
  • Das  Gateway Mobile Switching Center  (GMSC) is responsible for the connection between the fixed and mobile networks. For example, if a mobile subscriber is called from the fixed network, the GMSC determines the responsible MSC and transfers the call.
  • Das  Operation and Maintenance Center  (OMC) monitors a part of the mobile network. It also takes on organizational tasks such as traffic flow control, charging, security management, etc.


More detailed information on GSM–system architecture and the individual network components can be found in the chapter  General Description of GSM  of the book "Examples of Message Systems".

Multiple access with GSM


Realization of FDMA and TDMA with „GSM 900”

GSM uses two multiple access methods in parallel:

  • Frequency Division Multiple Access  (FDMA),
  • Time Division Multiple Access (TDMA).



The graphic and the following description is valid for the original system "GSM 900" (D–net). For "GSM/DCS 1800" (E–Netz) comparable statements apply.

  • In the D–network, a bandwidth of  $25\ \rm MHz$  is provided for uplink and downlink respectively $($duplex spacing:  $45\ \rm MHz)$. This is called Frequency Division Duplex  (FDD). For the E–network, the bandwidth is  $75\ \rm MHz$  and the duplex spacing is  $95\ \rm MHz$.
    .
  • Uplink and downlink bands are divided into frequency bands of width  $200\ \rm kHz$. Taking into account the protection areas at the respective edges, there are   $N_{\rm F} = 124$  (in the D–net) or   $N_{\rm F} = 374$  (in the E–net) frequency channels.
  • Each cell is assigned a subset of the frequencies   ⇒   Cell Allocation. Neighboring cells usually work at different frequencies, for example with the reuse–factor  $3$, as in section  Cellular Architecture indicated by the colors white, yellow, blue.
    .
  • The  $124$  GSM–Frequency channels are further divided by time division multiplexing (TDMA). Each FDMA–channel is divided into so-called TDMA–frames, which in turn each comprise  $N_{\rm T} = 8$  time slots (Time–Slots).
  • The slots are periodically assigned to the individual GSM–users and each contain a so-called  Burst. Each user has a time slot available in each TDMA–frame. A bundling (maximum six per user) is only possible with GPRS/EDGE.
    .
  • The TDMA–frames of the uplink are sent delayed by three slots compared to the downlink:   Time Division Duplex (TDD). The hardware of the mobile station can thus be used for sending and receiving a message in equal measure.


Data and frame structure for GSM


The mapping of logical channels to physical channels is done using the GSM–frame structure. Here we restrict ourselves to traffic channels and to the mapping in time. In this case, each multiframe of duration   $120 \ \rm ms$  is divided in  $26$  TDMA–frames (two of them for control channels) of duration  $4,615\ \rm ms$ . Thus, the duration of a time slot is approximately  $T_{\rm Z} = 576.9\ \rm µ s$.
.

Data and frame structure for GSM

You can see from this graphic:

  • In each time slot a so-called burst is transmitted, whose duration corresponds to  $156.25$  bits. The bit duration is then  $T_{\rm B} = 576.9\ \rm µ s/156.25 ≈ 3.692 \ \rm µs$  and for the total bulk data rate:
\[R_{\rm ges} = {1}/{T_{\rm B}}}= 270,833\,{\rm kbit/s}\hspace{0.05cm}.\]
  • The  bulk data rate   of each user is then  $R_{\rm bulk} = 33,854 \ \rm kbit/s$. But since in every normal burst only  $2 · 57 = 114$  data bits (highlighted blue in the graphic) are transmitted, it results in the lower  net data rate'  $R_{\rm net} = 22.8 \ \rm kbit/s$.
  • This net data rate also takes the channel coding into account. In the case of a speech signal, for every  $20\ \rm kbit/s$–speech frame  $456$  bits are transmitted, which results in exactly the rate  $22.8 \ \rm kbit/s$ . Without channel coding, the data rate would be only  $13 \ \rm kbit/s$.
    .
  • In addition to the traffic data, a normal burst also contains
–   twice three tailbits (red, during this time the channel is remeasured),
–   two signaling bits (green),
–   the Guard Period  (GP) with  $8.25$  bit duration $($grey, ca.  $30.5 \ \rm µ s)$, and
–   $26$  bit for training sequence (for channel estimation and synchronization),

which increases the data rate from  $22.8$  to  $33.854 \ \rm kbit/s$ .

Note:

  • In GSM, besides the normal burst there are other bursts playing  types of bursts  (Frequency Correction Burst, Synchronization Burst, Dummy Burst, Access Burst ) a role.
  • All these bursts have a uniform length of  $156.25$  bit durations. This is discussed in more detail in the  Excercise 3.2 .

Modulation method for GSM


With GSM, only a bandwidth of  $B = 200 \ \rm kHz$  is available per frequency channel, in which a total data rate (for eight users) of  $R_{\rm ges} = 270,833 \ \rm kbit/s$  must be transmitted. A modulation method with a bandwidth efficiency of at least

\[\beta \ge {R_{\rm ges}}/{B} \approx 1.35 \,\,{\rm bit/s/Hz}.\]

GSM uses the very bandwidth-efficient modulation method  checkLink:_Buch_5 ⇒ Gaussian Minimum Shift Keying  (GMSK). It should again be expressly mentioned that this modulation procedure, just like the FDMA/TDMA–Multiple Access, is exclusively based on the air interface between the  Mobile Station  (MS) and the  Base Transceiver Station   (BTS), which is highlighted in yellow in the  System_architecture graphic  at the beginning of the chapter.

GMSK has already been described in chapter  checkLink:_Buch_5 ⇒ Properties of nonlinear procedures  of the book "Modulation Methods". The most important properties are briefly summarized here.

  • GMSK is a special form of binary  checkLink:_Buch_5 ⇒ Frequency Shift Keying  (FSK). A prerequisite for the orthogonality between the two waveforms is that the modulation index  $h$  is a multiple of  $0.5$ . For integer values of  $h$  the demodulation can also be performed non-coherently.
  • For GSM you use the smallest possible modulation index  $h = 0.5$. A higher value would require a much larger bandwidth. Such an FSK with  $h = 0.5$  is also called checkLink:_Buch_5 ⇒ Minimum Shift Keying  (MSK). However, a coherent demodulation is then required.

Regarding the topic treated here (coherent or non-coherent demodulation of FSK) we refer to two Exercises in the book "Digital Signal Transmission":

$\text{Example 1:}$  The following graphic is to clarify the previous statements:

block diagram and signals with GMSK
  • Starting from a dirac-shaped source signal  $q_\delta(t)$  at point $(1)$ you pass through a filter with the rectangular impulse response  $g_{\rm R}(t)$  to the rectangular signal  $q_{\rm R}(t)$  at point $(2)$.
  • If the Gaussian low pass with the impulse response  $h_{\rm G}(t)$  were to be omitted   ⇒   $q_{\rm G}(t) = q_{\rm R}(t)$, a sectionwise linear phase function  $\phi(t)$ would result at point $(4)$. All phase values would be multiples of  $π/2$ at multiples of the symbol duration  $T$ .
  • After the phase modulator, a binary FSK–signal  $s(t)$  would appear at point $(5)$ with only two frequencies. This signal is at the same time a MSK–signal due to the minimum modulation index  $h = 0.5$  in case of orthogonality.
  • Through the Gaussian low pass  $H_{\rm G}(f)$  with the cutoff frequency  $f_{\rm G}= 0.45/T$  (valid for GSM) the frequency pulse  $g(t)$  is no longer rectangular but corresponds to the rectangular response of  $H_{\rm G}(f)$. According to the Fourier transformation,  $g(t) = g_{\rm R}(t) \star h_{\rm G}(t)$ applies.
  • Thus, the phase function  $\phi(t)$  is no longer linear in sections but the corners are rounded, as can be seen from the phase function at point $(4)$. The violet–dotted curve applies to the data sequence assumed at point $(1)$.
  • The signal  $s(t)$  at point $(5)$ of the block diagram is the GMSK–signal.


Anmerkung:  Das GMSK–Signal beinhaltet deutlich mehr als nur zwei diskrete Frequenzen. Sein Leistungsdichtespektrum fällt sehr schnell ab, siehe  Diagramm  im Buch „Beispiele von Nachrichtensystemen”. Aus der obigen Zeitdarstellung am Punkt $(5)$ des Blockschaltbildes ist dieser Sachverhalt allerdings nur schwer zu erkennen.

GSM–Erweiterungen


GSM wurde als europäisches Mobilfunksystem für Telefongespräche konzipiert und entwickelt mit der Zusatzoption der Datenübertragung, aber nur mit geringer Datenrate  $(9.6 \ \rm kbit/s)$. Die Standardisierung der  GSM–Phase 2  ab 1995 beinhaltete aber bereits erste Weiterentwicklungen und einige neue, bereits von ISDN bekannte und von den Nutzern geschätzte Zusatzdienste.

In den Jahren von 1997 bis 2000 wurden neue Datendienste mit höheren Bitraten entwickelt, die man der  GSM–Phase 2+   (bzw. GSM–Phase 2.5) zurechnet:

  • High–Speed Circuit–Switched Data  (HSCSD) bietet bei ausreichend gutem Kanal durch eine höhere Coderate (Punktierung des Faltungscodes) eine leitungsorientierte Übertragung mit  $14.4 \ \rm kbit/s$  $($gegenüber $9.6 \ \rm kbit/s)$. Es ermöglicht zudem eine Kanalbündelung durch die Kombination mehrerer Zeitschlitze   ⇒   „Multislot Capability”. Bei einer Bündelung von vier Zeitschlitzen kommt man so auf eine maximale Übertragungsrate von  $57.6 \ \rm kbit/s$.
  • General Packet Radio Service  (GPRS) ermöglicht die Kommunikation mit anderen Netzen wie etwa dem Internet oder firmeninternen Intranets. Es ist paketorientiert (statt leitungsorientiert) und unterstützt viele Datenübertragungsprotokolle, zum Beispiel das Internet Protocol (IP), X.25 und Datex–P. Die Gebühren ergeben sich bei GPRS nicht aus der Verbindungsdauer, sondern aus der übertragenen Datenmenge. Ein GPRS–Nutzer profitiert von den kürzeren Zugriffszeiten und der höheren Datenrate bis  $21.4 \ \rm kbit/s$. Durch die Bündelung von sechs Zeitschlitzen erreicht man so maximal  $128.4 \ \rm kbit/s$.
  • Enhanced Data Rates for GSM Evolution  (EDGE) benutzt neben dem GSM–Standard „GMSK” als weiteres Modulationsverfahren  8–PSK, so dass mit jedem Symbol drei Datenbit übertragen werden und auf diese Weise die Datenrate (theoretisch) verdreifacht werden kann.

Bei der Kombination aus GPRS und EDGE – man spricht dann von  E–GPRS  – gibt es neun verschiedene  Modulation and Coding Schemes  (MCS), zwischen denen der Betreiber wählen kann:

  • mit GMSK– oder mit 8–PSK–Modulation,
  • resultierende Coderaten zwischen  $0.37$  und  $1$, sowie
  • Datenraten zwischen  $8.8 \ \rm kbit/s$  (für MCS–1) und  $59.2 \ \rm kbit/s$  (für MCS–9).

In der Praxis maximal anwendbar sind allerdings MCS–8  $(54.4 \ \rm kbit/s)$  und sieben Zeitschlitze. Damit erreicht man immerhin  $380.8 \ \rm kbit/s$ und damit die Größenordnung von UMTS  $(384 \ \rm kbit/s)$.

Erwähnt werden soll noch  EDGE Evolution  oder „Evolved EDGE”, also die Weiterentwicklung der Weiterentwicklung von GSM in Release 7 (Dezember 2007). Hierfür werden von den Entwicklern Datenraten bis zu  $1 \ \rm Mbit/s$  und halbierte Latenzzeiten  $(10 \ \rm ms$ statt $20 \ \rm ms)$  angegeben. Man erreicht diese Werte unter Anderem

  • durch  32–QAM– oder  16–QAM–Modulation anstelle von 8–PSK,
  • eine verbesserte Fehlerkorrektur durch den Einsatz von  Turbo–Codes, und
  • eine Erhöhung der Symbolrate von  $270.833 \ \rm ksymbol/s$  um  $20\%$  auf  $325\ \rm ksymbol/s$.

Aufgaben zum Kapitel


Aufgabe 3.5: GMSK–Modulation

Zusatzaufgabe 3.5Z: GSM–Netzkomponenten