Mobile Communications/Characteristics of GSM

1. Mobile Communications
2. Mobilfunksysteme der 2. und 3. Generation – eine Übersicht
3. Characteristics of GSM

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Systemarchitektur und Basiseinheiten von GSM

GSM (Global System for Mobile Communication) ist ein stark hierarchisch gegliedertes System verschiedener Netzkomponenten. Aus der Grafik erkennt man:

• Die Mobilstation (MS) kommuniziert über die Funkschnittstelle mit der nächstgelegenen Base Transceiver Station (BTS, Sende– und Empfangsbasisstation).
  

• Mehrere solcher BTS werden gebietsweise zusammengefasst und sind gemeinsam einem Base Station Controller (BSC, Kontrollstation) unterstellt.
  

• Das Base Station Subsystem (BSS) besteht aus einer Vielzahl von BTS und mehreren BSC. In der Grafik ist ein solches BSS blau umrandet.
  

• Jeder BSC ist mit einem Mobile Switching Center (MSC, Vermittlungsrechner) verbunden, dessen Funktion mit einem Vermittlungsknoten im Festnetz vergleichbar ist.
  

• Das Gateway Mobile Switching Center (GMSC) ist für die Verbindung zwischen Fest– und Mobilfunknetz zuständig. Wird zum Beispiel ein Mobilfunkteilnehmer aus dem Festnetz angerufen, so ermittelt das GMSC das zuständige MSC und vermittelt den Ruf weiter.
  

• Das Operation and Maintenance Center (OMC) überwacht einen Teil des Mobilfunknetzes. Daneben übernimmt es auch organisatorische Aufgaben wie Steuerung des Verkehrsflusses, Gebührenerfassung, Sicherheitsmanagement, usw..
  

Genauere Informationen zur GSM–Systemarchitektur und zu den einzelnen Netzkomponenten finden Sie im Kapitel 3.1 des Buches „Beispiele von Nachrichtensystemen”.

Vielfachzugriff bei GSM

Bei GSM werden zwei Vielfachzugriffsverfahren parallel verwendet:

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

Die Grafik und die folgende Beschreibung gilt für das ursprüngliche System GSM 900 (D–Netz). Für GSM/DCS 1800 (E–Netz) gelten vergleichbare Aussagen.

• Im D–Netz werden für Uplink und Downlink jeweils eine Bandbreite von 25 MHz bereit gestellt (Duplexabstand: 45 MHz). Man spricht von Frequency Division Duplex (FDD). Beim E–Netz beträgt die Bandbreite jeweils 75 MHz und der Duplexabstand ist 95 MHz.
  

• Uplink– und Downlinkband werden in Frequenzbänder der Breite 200 kHz unterteilt. Unter Berücksichtigung von Schutzbereichen an den jeweiligen Rändern stehen somit N_F = 124 (D–Netz) bzw. N = 374 (E–Netz) Frequenzkanäle zur Verfügung.
  

• Jeder Zelle wird eine Teilmenge dieser Frequenzen zugewiesen  ⇒  Cell Allocation. Benachbarte Zellen arbeiten meist bei unterschiedlichen Frequenzen, zum Beispiel mit dem Reuse–Faktor 3, wie im Kapitel 3.2 durch die Farben Weiß, Gelb und Blau angedeutet.
  

• Die 124 GSM–Frequenzkanäle werden durch Zeitmultiplex (TDMA) weiter unterteilt. Jeder FDMA–Kanal wird in so genannte TDMA–Rahmen aufgeteilt, die ihrerseits jeweils N_T = 8 Zeitschlitze (Time–Slots) umfassen.
  

• Die Slots werden periodisch den einzelnen GSM–Nutzern zugeordnet und beinhalten jeweils einen sog. Burst. Jedem Nutzer steht in jedem TDMA–Rahmen ein Zeitschlitz zur Verfügung. Eine Bündelung (maximal 6 pro User) ist nur bei GPRS/EDGE möglich.
  

• Die TDMA–Rahmen des Uplinks werden gegenüber denen des Downlinks um drei Slots verzögert gesendet: Time Division Duplex (TDD). Die Hardware der Mobilstation kann somit gleichermaßen zum Senden und Empfangen einer Nachricht verwendet werden.
  
  

Daten– und Rahmenstruktur bei GSM

Durch die GSM–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 120 ms Dauer in 26 TDMA–Rahmen (davon zwei für Kontrollkanäle) der Dauer 4.615 ms unterteilt. Damit ergibt sich für die Dauer eines Zeitschlitzes näherungsweise T_Z = 577 μs.

Weiter erkennt man aus der Grafik:

• In jedem Zeitschlitz wird ein so genannter Burst übertragen, dessen Zeitdauer einheitlich 156.25 Bitdauern entspricht. Daraus folgt für die Bitdauer T_B = 576.9 μs/156.25 ≈ 3.692 μs und für die Gesamt–Bruttodatenrate

\[R_{\rm ges} = \frac{1}{T_{\rm B}}= 270.833\,{\rm kbit/s}\hspace{0.05cm}.\]

• Die Bruttodatenrate eines jeden Nutzers beträgt somit R_Brutto = 33.854 kbit/s. Da in jedem Normal Burst aber nur 2 · 57 = 114 Datenbit (in der Grafik blau hinterlegt) übertragen werden, ergibt sich für die Nettodatenrate mit R_Netto = 22.8 kbit/s ein kleinerer Wert.
  

• Diese Nettodatenrate berücksichtigt auch die Kanalcodierung. Bei einem Sprachsignal werden pro Sprachrahmen von 20 ms Dauer 456 Bit übertragen, woraus sich genau die Rate 22.8 kbit/s ergibt. Ohne Kanalcodierung wäre die Datenrate nur 13 kbit/s.
  

• Neben den Verkehrsdaten enthält ein Normal Burst noch zweimal drei Tailbits (rot, in dieser Zeit wird der Kanal neu vermessen), zwei Signalisierungsbits (grün), 26 Bit für die Trainingssequenz (erforderlich für die Kanalschätzung und Synchronisation) sowie die Guard Period (GP) mit 8.25 Bitdauern (grau, ca. 30.5 μs), wodurch sich die Datenrate von 22.8 auf 33.854 kbit/s erhöht.
  
  

Anzumerken ist, dass bei GSM neben dem Normal Burst auch noch andere Arten von Bursts (Frequency Correction Burst, Synchronization Burst, Dummy Burst, Access Burst) eine Rolle spielen. Alle haben eine einheitliche Länge von 156.25 Bitdauern. Hierauf wird in der Aufgabe A3.2 genauer eingegangen.