Weiterentwicklungen des GSM

1. Beispiele von Nachrichtensystemen
2. GSM – Global System for Mobile Communications
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Die verschiedenen Standardisierungsphasen des GSM

GSM wurde ursprünglich als europaweites Mobilfunknetz konzipiert und entwickelt,  in erster Linie für Telefongespräche und Faxe.  Die Datenübertragung mit einer konstant niedrigen Datenrate war zweitrangig.  Der GSM-Standard wurde nach seiner Vorstellung in  verschiedenen Phasen  weiterentwickelt.  Das  $\rm GSM$  System, das bisher im dritten Hauptkapitel beschrieben wurde, beschränkt sich auf die ersten beiden Phasen.

⇒   Die  »Phase 1«  umfasste nur grundlegende Teledienste und einige wenige Zusatzdienste,  die zu diesem Zeitpunkt,  als GSM 1991 eingeführt wurde,  von allen Netzbetreibern obligatorisch angeboten werden konnten.

⇒   Die Standardisierung der  »Phase 2«  in den Jahren von 1995 bis 1997 beinhaltete bereits die ersten Weiterentwicklungen des GSM-Standards. So wurden  die von    ISDN  bekannten Zusatzdienste nach und nach auch für GSM verfügbar gemacht und um einige neue Leistungsmerkmale ergänzt,  wie  "Anklopfen"  oder  "Halten".

⇒   In den Jahren 1997-2000 wurden neue Datendienste mit höheren Datenraten entwickelt, die der  »Phase 2+«  zugeordnet werden:

1. High Speed Circuit–Switched Data  $\rm (HSCSD)$,
2. General Packet Radio Service  $\rm(GPRS)$,
3. Enhanced Data Rates for GSM Evolution  $\rm (EDGE)$.

Hinweise:   Bitte verwechseln Sie nicht die Begriffe  "Phase"  und  "Generation":

• GSM ist unabhängig von der Standardisierungsphase ein Mobilkommunikationssystem der zweiten Generation  $\rm (2G)$.

• Die dritte Generation  $\rm (3G)$  umfasst  "UMTS".  Dieser Standard ermöglichte wesentlich höhere Datenübertragungsraten als mit GSM möglich waren.

• Systeme der "Phase 2+"  liegen leistungsmäßig zwischen  $\rm 2G$  und  $\rm 2G$.  Deshalb spricht man auch von  $\rm 2.5G$.  Die Neuerungen der  "Phase 2+"  betreffen fast alle Aspekte von GSM,  von  "Funkübertragung"  bis  "Anrufsteuerung".

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.

Bündelung mehrerer Zeitschlitze bei HSCSD

Die Grafik erklärt das Prinzip der Bündelung mehrerer Zeitschlitze:

1. 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.
2. Durch das Zusammenschalten aller acht Kanäle ergäbe sich somit der achtfache Wert:  $\rm 115.2 \ kbit/s$.  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.

GPRS–Systemarchitektur

Zur Einführung von GPRS waren einige Modifikationen und Ergänzungen im GSM–Netz notwendig, die in der Grafik „GPRS–Systemarchitektur” aus  [BVE99]  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.

Zur Kanalcodierung bei GPRS

• 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.

Normal Burst  von EDGE bzw. E–GPRS

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.

Tabelle der  Modulation and Coding Schemes  bei E–GPRS

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