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The different generations of the GSM
GSM was originally designed and developed as a pan-European mobile communications network, primarily for telephone calls and fax. Data transmission at a constant low data rate was secondary.
The GSM standard was further developed in various phases after its presentation. This enabled new services.
The graph from [EVB01][1] shows the further developments of GSM:
- The $\rm GSM$ system described so far in the third main chapter is limited to the first two generations. The $\rm phase \ 1$ included only basic teleservices and a few additional services that could be offered on a mandatory basis by all network operators at that time when GSM was launched in 1991.
- The standardization of the $\rm phase \ 2$ in the years from 1995 to 1997 already included the first further developments of the GSM standard. As a result, the additional services known from "ISDN" were also gradually made available for GSM and supplemented by some new features, such as call waiting or hold (Hold).
- In the years 1997-2000, new data services with higher data rates were developed, such as.
- "High Speed Circuit-Switched Data" (HSCSD),
- "General Packet Radio Service" (GPRS), and
- "Enhanced Data Rates for GSM Evolution" (EDGE).
These newer data services are classified as part of the $\rm phase \ 2+$ (or Generation 2.5) and are highlighted in green in the graphic.
- The third generation of mobile communications includes "UMTS" (Universal Mobile Telecommunications System). This standard enabled significantly higher data transmission rates than were possible with the GSM standard. It is discussed in detail in the fourth main chapter of this book. In the graphic above, this third-generation system is highlighted in red.
The innovations of the $\rm phase \ 2+$ affect almost all aspects of GSM, from radio transmission to call control. The new data services made possible by this are explained in more detail on the following pages.
High Speed Circuit–Switched Data (HSCSD)
Durch den 1999 eingeführten GSM–Datenübertragungsstandard $\rm High \ Speed \ Circuit–Switched \ Data$ (HSCSD) konnte durch eine verbesserte Kanalcodierung die Nutzdatenrate pro Verbindung von $9.6 \ \rm kbit/s$ auf $14.4 \ \rm kbit/s$ erhöht werden, wenn es die Übertragungsbedingungen erlaubten.
Durch die Bündelung mehrerer benachbarter Zeitschlitze konnte die Datenrate noch weiter gesteigert werden.
Die Datenrate hängt davon ab, wie viele Kanäle der Netzbetreiber für die Bündelung zur Verfügung stellt bzw. wie viele Kanäle das HSCSD–Handy verarbeiten kann.
Die Grafik erklärt das Prinzip der Bündelung mehrerer Zeitschlitze:
- Jeder der acht physikalischen Kanäle (Zeitschlitze) eines Rahmens bietet maximal $14.4 \ \rm kbit/s$ für die Datenkommunikation. HSCSD ermöglicht eine Kanalbündelung durch die Kombination mehrerer Zeitschlitze, wie sie auch bei ISDN verwendet wird. Man spricht in diesem Zusammenhang von Multislot Capability.
- Durch das Zusammenschalten aller acht Kanäle ergäben sich somit $\rm 8 · 14.4 \ kbit/s = 115.2 \ kbit/s$. Da jedoch die Verbindung zwischen dem Base Station Controller (BSC) und dem Mobile Switching Center (MSC) auf $64 \ \rm kbit/s$ begrenzt ist, beschränkt man sich auf die Bündelung von vier Zeitschlitzen, woraus sich die maximale Übertragungsrate zu $57.6 \ \rm kbit/s$ ergibt.
- Ein Vorteil der HSCSD–Technik gegenüber dem paketorientierten GPRS (siehe nächste Seite) ist die leitungsorientierte Datenübertragung. Dies ist insbesondere für Anwendungen von Vorteil, die gleichmäßige Bandbreiten benötigen, da hier der Übertragungskanal mit niemandem geteilt werden muss. Beispiele hierfür sind die Video– und die Bildübertragung.
- Nachteilig sind allerdings die höheren Übertragungskosten durch die Belegung mehrerer Kanäle. Diese Kanäle stehen somit für andere Mobilfunkteilnehmer nicht mehr zu Verfügung. In einer Funkzelle mit hoher Kanalauslastung kann es deshalb passieren, dass die Bündelung mehrerer Kanäle vom Netzbetreiber unterbunden wird.
General Packet Radio Service (GPRS)
Mit der GSM–Erweiterung $\rm General \ Packet \ Radio \ Service$ (GPRS) wurde 2000 erstmals eine paketorientierte Datenübertragung ermöglicht. GPRS unterstützt sehr viele Protokolle (Internet Protocol, X.25, Datex–P, usw.) und erlaubt dem Mobilfunkteilnehmer, mit fremden Datennetzen (Internet oder firmeninternen Intranets) zu kommunizieren. GPRS war ein wichtiger Zwischenschritt in der Evolution der zellularen Mobilfunknetze in Richtung dritter Generation und hin zum mobilen Internet.
Ein GPRS–Benutzer profitiert von kürzeren Zugriffzeiten und der höheren Datenrate $($bis $21.4 \ \rm kbit/s)$ gegenüber dem herkömmlichen GSM $(9.6 \ \rm kbit/s)$ und HSCSD $(14.4 \ \rm kbit/s)$. Die Gebühren ergeben sich bei GPRS nicht aus der Verbindungsdauer, sondern aus der tatsächlich übertragenen Datenmenge. Deshalb muss nicht (wie bei HSCSD) ein Funkkanal dauerhaft für einen Benutzer reserviert werden.
Zur Einführung von GPRS waren einige Modifikationen und Ergänzungen im GSM–Netz notwendig, die in der Grafik „GPRS–Systemarchitektur” aus [BVE99][2] zusammengefasst sind:
- Blaue Linien beschreiben Nutz– und Signalisierungsdaten.
- Die orange–gepunkteten Verbindungen kennzeichnen Signalisierungsdaten.
- Gb, Gc, Gd, usw. geben Schnittstellen von GPRS an.
Zur Integration von GPRS in die bestehende GSM–Systemarchitektur wird diese um eine neue Klasse von Netzknoten erweitert.
Die zusätzlichen GPRS–Komponenten – in der Grafik durch rote Kreise hervorgehoben – werden hier nur stichpunktartig erklärt:
- Die GPRS Support Nodes (GSN) sind für die Übertragung und die Verkehrslenkung (Routing) der Datenpakete zwischen den Mobilstationen und den externen paketvermittelten Datennetzen verantwortlich. Hierbei unterscheidet man zwischen SGSN und GGSN, die miteinander über ein IP–basiertes GPRS–Backbone–Netz kommunizieren.
- Der Serving GPRS Support Node (SGSN) ist für das Mobilitätsmanagement zuständig und übernimmt für die Paketdatendienste eine ähnliche Funktion wie das Mobile Switching Center (MSC) für die verbindungsorientierten Sprachsignale.
- Der Gateway GPRS Support Node (GGSN) ist die Schnittstelle zu fremden paketorientierten Datennetzen. Er konvertiert die vom SGSN kommenden GPRS–Pakete in das entsprechende Protokoll (IP, X.25, ...) und sendet diese an das Packet Data Network (PDN) aus.
GPRS–Luftschnittstelle
Ein GPRS–Handy führt beim Einschalten als erstes die Prozedur „Cell Selection” durch, indem es nach einem Frequenzkanal mit GPRS–Daten sucht. Wurde ein solcher Kanal gefunden, so muss je nach Handyklasse das Handy manuell auf GPRS–Dienste eingestellt werden oder es kann automatisch und dynamisch zwischen GPRS und GSM umschalten. Man unterscheidet:
- Geräte der Klasse $\rm A$ können GPRS–Datendienste und GSM–Übertragungsdienste gleichzeitig übernehmen; die Kanalressourcen werden parallel paket– und durchschaltevermittelt überwacht.
- Bei Klasse $\rm B$ werden die Signalisierungskanäle von GSM und GPRS gleichzeitig überwacht, solange kein Dienst durchgestellt ist. Der parallele GSM/GPRS–Betrieb ist aber nicht möglich.
- In der Klasse $\rm C$ muss sich der Teilnehmer vorher entscheiden, ob er das Handy für GSM oder GPRS nutzen möchte, da Signalisierungskanäle nicht mehr simultan überwacht werden können.
Um die GSM–Funkschnittstelle auf den paketorientierten GPRS–Betrieb umstellen zu können, mussten die logischen Kanäle erweitert werden. Logische GPRS–Kanäle erkennt man an einem vorangestellten „P”, das die paketorientierte Betriebsart indiziert. Fast für alle logischen GSM–Kanäle gibt es das entsprechende GPRS–Äquivalent:
- Der Packet Data Traffic Channel (PDTCH) wird bei GPRS als Verkehrskanal für den Nutzdatentransfer verwendet. Der entsprechende GSM–Kanal heißt TCH.
- Die Signalisierungskanäle werden wie bei GSM in den Packet Broadcast Control Channel (PBCCH), den Packet Common Control Channel (PCCCH) und den Packet Dedicated Control Channel (PDCCH) unterteilt.
GPRS ermöglicht den Teilnehmern, Daten mit öffentlichen Datennetzen auszutauschen und verwendet dazu wie GSM die GMSK-Modulation und die FDMA/TDMA–Kombination mit acht Zeitschlitzen pro TDMA-Rahmen. Es ergeben sich folgende Unterschiede:
- Im GSM–Standard wird jeder aktiven Mobilstation genau ein Zeitschlitz eines TDMA–Rahmens zugewiesen. Dieser physikalische Kanal ist für die gesamte Dauer eines Rufes sowohl im Uplink als auch im Downlink für die Mobilstation reserviert.
- Bei GPRS können zur Ratensteigerung bis zu acht Zeitschlitze kombiniert werden. Außerdem werden Up– und Downlink separat zugewiesen. Die physikalischen Kanäle werden nur für die Dauer der Übertragung von Datenpaketen reserviert und anschließend wieder frei gegeben.
GPRS–Kanalcodierung
Im Gegensatz zum herkömmlichen GSM $($mit der Datenrate $9.6 \ \rm kbit/s)$ sind bei GPRS vier mögliche Codierschemata definiert, die je nach Empfangsqualität genutzt werden können:
- Codierschema 1 $(\rm CS–1)$ mit $9.05 \ \rm kbit/s$ (181 Bit pro 20 ms),
- Codierschema 2 $(\rm CS–2)$ mit $13.4 \ \rm kbit/s$ (268 Bit pro 20 ms),
- Codierschema 3 $(\rm CS–3)$ mit $15.6 \ \rm kbit/s$ (312 Bit pro 20 ms),
- Codierschema 4 $(\rm CS–4)$ mit $21.4 \ \rm kbit/s$ (428 Bit pro 20 ms).
Die kleinstmögliche Datenrate ist somit $9.05 \ \rm kbit/s$ ($\rm CS–1$, ein Zeitschlitz), die maximale beträgt derzeit (2007) $171.2 \ \rm kbit/s$ ($\rm CS–4$, acht Zeitschlitze). Diese theoretische Geschwindigkeit wird in der Praxis jedoch nicht erreicht, da die meisten aktuellen GPRS–Handys nur maximal eine Netto–Datenrate von $13.4 \ \rm kbit/s$ ($\rm CS–2$) unterstützen. Die Grafik und die nachfolgenden Erklärungen beziehen sich auf diese Kombination.
- Die $268$ Informationsbit werden zunächst durch sechs vorcodierte Bit des Uplink State Flags (USF), $16$ Paritätsbit der so genannten Block Check Sequence (BCS) und vier Tailbits $(0000)$ ergänzt. Letztere sind für die Terminierung der Faltungscodes notwendig.
- Zur Kanalcodierung wird der von GSM bekannte Faltungscode der Coderate $R_{\rm C} = 1/2$ benutzt. Durch diesen werden die insgesamt $294$ Bit auf $588$ Bit verdoppelt und somit ausreichend gegen Übertragungsfehler geschützt.
- Anschließend werden $132$ dieser $588$ Bit punktiert, so dass daraus schließlich ein Codewort der Länge $456$ Bit $($Bitrate $22.8 \ \rm kbit/s)$ resultiert. Damit ergibt sich eine resultierende Coderate (von Faltungscoder inklusive Punktierung) von $294/456 ≈ 65\%$.
- Nach der Kanalcodierung werden die Codewörter einem Blockinterleaver der Tiefe $4$ zugeführt. Das Interleavingschema ist für alle vier Codierschemata identisch.
Enhanced Data Rates for GSM Evolution
Die letzte GSM–Erweiterung $\rm Enhanced \ Data \ Rates \ for \ GSM–Evolution$ (EDGE) mit dem Ziel, die Datenübertragungsrate in GSM–Netzen zu erhöhen, benutzt neben Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) als zusätzliches Modulationsverfahren 8–Phase Shift Keying (8–PSK):
- Bei diesem gibt es acht verschiedene Symbole (bei GMSK nur zwei), die sich durch unterschiedliche Phasenlagen bei Vielfachen von $45^\circ$ unterscheiden.
- Das bedeutet, dass mit jedem Symbol drei Datenbit übertragen werden können, wodurch die Datenrate im Vergleich zu GPRS um den Faktor $3$ gesteigert wird.
Mit der Definition von EDGE wird HSCSD zu Enhanced Circuit Switched Data (E–CSD) und GPRS zu Enhanced–GPRS (E–GPRS). T–mobile ist allerdings der einzige deutsche Netzbetreiber, der derzeit (2007) EDGE in seinem Netz anbietet.
Die Grafik zeigt den Normal Burst von EDGE bzw. E–GPRS. Man erkennt folgende Unterschiede zum Normal Burst bei GSM:
- Der Normal Burst besteht bei EDGE aus $468.75$ Bit anstelle der $156.25$ Bit bei GSM, woraus die Verdreifachung der Datenrate ersichtlich ist.
- Wie bei GSM gibt es zwei Stealing Flags. Tailbits, Trainingssequenz und Guard Period werden jeweils verdreifacht. Damit verbleiben für das Datenfeld $57 · 3 + 2 = 173$ Bit.
- Somit werden bei E–GPRS im Normal Burst $346$ Bit kanalcodierte Daten $($Coderate $R_{\rm C} =1/2)$ pro $576.9\ \rm µ s$ übertragen, was einer Netto–Datenrate von ca. $60 \ \rm kbit/s$ entspricht.
Modulation and Coding Schemes bei E–GPRS
Bei E–GPRS gibt es neun vom Betreiber auswählbare Modulation and Coding Schemes (MCS), die von den verwendeten Kanalcodier– und Modulationsverfahren abhängen.
Die Tabelle zeigt die möglichen Schemata von E–GPRS. Daraus ist zu erkennen:
- Die ersten vier Schemata verwenden wie GSM/GPRS das Modulationsverfahren GMSK mit einem bit Information pro Kanalzugriff, während bei $\rm MCS–5$, ... , $\rm MCS–9$ eine achtstufige Phasenmodulation (8–PSK) benutzt wird und damit drei bit pro Symbol übertragen werden.
- Je kleiner die Coderate, desto größer ist die zugesetzte Redundanz und damit die Datensicherheit. Insbesondere zwischen $\rm MCS–4$ $(R_{\rm C} = 1)$ und $\rm MCS–5$ $(R_{\rm C} = 0.37)$ nimmt die Coderate wegen der günstigeren Modulationsart trotz höherer Netto–Datenrate signifikant ab (letzte Spalte).
- Der aufwändigste Modus $\rm MCS–9$ bietet gemäß der Tabelle eine Datenrate von $59.2 \ \rm kbit/s$ und erlaubt theoretisch die gleichzeitige Belegung von acht Zeitschlitzen, was eine maximale Netto–Datenrate von $473.6 \ \rm kbit/s$ bedeuten würde. Allerdings ist dieser Modus $($mit $R_{\rm C} = 1)$ nur bei extrem guten Bedingungen anwendbar und acht Zeitschlitze stehen auch nur selten zur Verfügung.
- Mit $\rm MCS–8$ und sieben Zeitschlitzen kann man immerhin schon $380.8 \ \rm kbit/s$ erreichen und ist damit in der Größenordnung von Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), dem bekanntesten Standard der dritten Mobilfunkgeneration, der derzeit $384 \ \rm kbit/s$ anbietet.
- EDGE verwendet die gleichen Frequenzen wie GSM, weshalb diese Technik besonders für Betreiber mit bestehender GSM–Infrastruktur interessant ist, die im Jahr 2000 keine der teueren UMTS–Lizenzen erworben haben und trotzdem eine ausreichend hohe Datenrate anbieten wollen.
Das System UMTS wird im nachfolgenden vierten Hauptkapitel eingehend beschrieben.
Aufgabe zum Kapitel
Aufgabe 3.8: General Packet Radio Service
Quellenverzeichnis
- ↑ Eberspächer, J.; Vögel, H.J.; Bettstetter, C.: Global System for Mobile Communication. 3rd ed. Stuttgart: Teubner, 2001.
- ↑ Bettstetter, C.; Vögel, H.J.; Eberspächer, J.: GSM Phase 2+ General Packet Radio Service GPRS: Architecture, Protocols, and Air Interface. In: IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 2 (1999) No. 3, S. 2-14.
