Bitrate und Bandbreite
Gaussian Minimum Shift Keying
GSM Bänder für Europa
Zeitschlitze
Intersymbol Interferenz und Kanal Entzerrung
Spezielle Zeitschlitze
Anrufanfrage
Kontrollkanäle
Frequency Hopping

Beschreibung der GSM „Luftschnittstelle“

Wie unterscheidet sich das GSM-System von den bisherigen analogen Mobilfunksystemen. Der Hauptunterschied ist, dass alle Informationen, also sowohl die Kontrollinformation als auch die Sprachinformation digital übertragen werden. GSM war also ein vollständig digitales System. Man muss somit die Sprache digitalisieren und in „digitalen Kanälen“ übertragen.

TDMA

Bei allen bisherigen Mobilfunksystemen bekommt ein Teilnehmer einen Frequenzkanal zugeordnet den er dann ausschließlich benutzt. Andere Teilnehmer bekamen andere Frequenzen zugeteilt. Man spricht hierbei von FDMA also Frequency Division Multiple Access.

Wir hatten bei der Besprechung von PCM gesehen, dass man bei einem digitalen Kanal mehrere Teilnehmer diesen Kanal teilen können. Jeder Teilnehmer bekommt dann einen kleinen Abschnitt, einen „Zeitschlitz“. Wenn man sich einen Kanal teilt, in dem man diesen nur für einen periodischen Zeitschlitz belegt, spricht man von TDMA Time Division Multiple Access. 

Wenn man in einem Mobilfunksystem auch die Sprache digital übertragen will, so bietet sich an, auch hier ein TDMA-Schema einzuführen.

Bitrate und Bandbreite

Wie wir besprochen haben lassen sich bits durch Phasenmodulation übertragen. Hierbei ist eine der Kernfragen wie viel bits pro Sekunde übertragen werden sollen und können. Natürlich ist es vorteilhaft die Bitrate so hoch wie möglich zu wählen, da man dann mehr Informationen übertragen kann. Hier kommt nun ein fundamentales Gesetz ins Spiel:

Bitraten sind eng verbunden mit der Bandbreite des Signals.

Wir im Vorfeld diskutiert, führt eine FM-Modulation Signale mit einer Frequenz bis zu 4,5 kHz zu einer Bandbreite von 10 kHz. Bei digitalen Signalen kommt es auf die Abtastrate an, also wieviel bits pro Zeitsignal man übertragen möchte. Es stellt sich dabei heraus, dass die Bandbreite einer digitalen Übertragung etwas niedriger als Abtastrate ist. Wenn man z.B. PCM modulierte Sprache mit 64 kbit/s direkt übertragen wollte würde man etwa 50 kHz Bandbreite benötigen.

Bei GSM diskutierte man lange, wie hoch die Bandbreite sein sollte. Broadband-TDMA oder Narrowband-TDMA. Eine hohe Bandbreite also hohe Abtastraten führt bei der Übertragung zu Problemen durch Mehrwegsausbreitung. (siehe unten). Man kann also nicht beliebig breitbandig werden, ohne auf große Probleme zu stoßen. Man will aber auch nicht zu schmalbandig werden da sonst nicht genügend Kanäle mittels TDMA entstehen. Schließlich einigte man sich auf eine Bandbreite der Kanäle von 200 kHz und einer Bitrate der digitalen Übertragung von rund 271 kbit/s.

Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK)

Für die Modulation der bits entschied man sich für eine spezielle Art Quadratphasenumschaltung. Man lässt hierbei nur Phasenverschiebungen von 90° zu. Man spricht von Minimum Shift Keying. Dies hat den Vorteil das sich die Amplituden des gesendeten Signals nicht stark verändern. Dies wird noch dadurch verstärkt, dass man die Eingangsignale von I und Q noch mit einem sogenannte Gauss Filter glättet. Das hat einen positiven Einfluss auf das Spektrum des gesendeten Kanals. Es erzeugt weniger Störungen in den Nachbarkanälen.

GSM-Bänder für Europa

Bereits 1979 reservierte man neue Bänder um 900 MHz für GSM. Wie bei den vorherigen Mobilfunksystemen gibt es zwei Bänder für den Duplexbetrieb. Beide Bänder haben eine Breite von 25 MHz.

890 MHz – 915 MHz                 Unterband       Uplink (von Mobilstation zur Basisstation)

935 MHz – 970 MHz                 Oberband        Downlink (von Basisstation zur Mobilstation)

Bei einer Kanalbreite von 200 kHz ergeben sich somit 124 Funkkanäle. 

Zeitschlitze

Die GSM-Kanäle unterteil man in sogenannte Rahmen. Die Länge eines Rahmens ist 120/26 ms also 4,615 ms lang. Ein Rahmen ist wiederum in 8 Zeitschlitze eingeteilt. Jeder Zeitschlitz hat somit eine Länge von 577 μs.

Innerhalb des Zeitschlitzes auch Burst genannt überträgt man 148 bit. Hiervon sind nur 102 bit Information. Am Anfang und am Ende des Bursts liegen 3 sogenannte Tail bits. Neu ist im Zentrum eine feste 26 bit Trainingsequenz. Diese Trainingsequenz ist der Basisstation (BS) und der Mobilstation (MS) bekannt.

Intersymbol Interferenz und Kanal Entzerrung

Im Idealfall empfängt eine MS das Signal von einer BS direkt. Dies geschieht allerdings nur wenn es keine Hindernisse zwischen den Antennen gibt. Normalerweise, vor allem in der Stadt, ist dies nicht der Fall. Die empfangenen Signale stammen oft von Reflektionen. Meist sind dies Reflektionen von nahen Gebäuden etc.

Es kann aber auch geschehen, dass es Reflektionen von mehreren Hindernissen gibt, die dann alle auf die Empfangsantenne treffen. Man spricht von Mehrwegsausbreitung. Dies ist zunächst nicht sehr schlimm, solange die sich die verschiedenen Pfade nicht allzu sehr stören. Kritisch wird es jedoch, wenn die Laufzeiten der verschiedenen Pfade so groß werden, dass die zu übertragenen Symbole sich dadurch verschieben. Bei 270 kbits/s entspricht ein bit einer Länge von 1,1 km. D.h. Wenn ein Empfänger einen direkten Pfad hat und einen Pfad, welcher von z.B. von einem 550 Meter entfernten Gebäude stammt, so überlagern sich das aktuelle empfangene bit mit dem vorherigen reflektierten bit. Nehmen wir an wir empfangen zur Zeit k den Wert y(k) und nehmen wir an, dass die gesendeten Werte x sind, so bedeutet dies:

y(k) = a0*x(k) + a1*x(k-1)

Die Koeffizienten a1 und a2 geben hierbei die Stärke der verschiedenen Pfade an. Durch die Mehrwegeausbreitung kann also ein Symbol seine Nachbarsymbole verfälschen. Man spricht im Englischen von Inter Symbol Interference (ISI). Bei reinen digitalen Kanälen und relativ hohen Bitraten kann dies ein ernstes Problem darstellen.

Empfängt man jedoch eine bekannte und möglichst günstige Trainingssequenz, so kann man die Koeffizienten a0 und a1 abschätzen und ihren Einfluss eliminieren. Man kann also aus den empfangenen Symbolen y die originalen Symbole x wieder herausrechnen. Einen solchen Algorithmus nennt man Kanal Entzerrer oder auf Englisch Channel Equalizer. Aus diesem Grunde sieht der GSM Standard vor, mit jedem Burst eine Trainingssequenz für einen Entzerrer zu senden, damit die MS die Möglichkeit hat, das Eingangssignal vor der weiteren Verarbeitung zu entzerren. Ein Entzerrer wird üblicherweise von eine Signalprozessor vorgenommen.

Spezielle Zeitschlitze

Die ersten beiden Zeitschlitze eine TDMA Rahmens werden nicht für Sprachdaten oder Nutzdaten verwendet, sondern dienen für Kontrollkanäle und spezielle andere Kanäle. Hierfür ist ein sogenannter Superframe definiert, der bei den ersten beiden Zeitschlitzen eine Länge von 51 TDMA Rahmen hat. Diese sind mit FN (frame number) durchnummeriert. 

Frequenzkorrektur

Alle zehn Zeitrahmen, FN0, FN10, FN20, FN30, FN40 wird ein sogenannter Frequenz Korrektur Zeitschlitz (FCCH = Frequency Correction Channel) ausgestrahlt. Dieser sendet lediglich logische Nullen was einer konstanten Frequenz entspricht. Eine Mobiltelefon kann diese feste Frequenz nutzen um seine eigene Frequenz, welche es durch einen besonders stabilen VCO (Voltage Controlled Oszilator) erzeugt durch Einstellung einer Korrekturspannung anzupassen. 

Zeitsynchronisation

Ebenfalls alle zehn Zeitrahmen FN1, FN11, FN21, FN31, FN41 wird ein anderer spezieller Zeitschlitz ausgestrahlt. Dieser besitzt eine besonders lange Trainingssequenz, die immer gleich ist und von dem Mobiltelefon zur genauen Synchronisation der TDMA Zeitrahmen genutzt wird. Dies ist der Synchronisationsburst (SCH). 

Broadcast

Die fünf Zeitrahmen FN2…FN5 sind Kanäle, in denen allen Mobiltelefone in der Zelle allgemeine Informationen über die Zelle mitgeteilt werden. Eine wichtige Information, die über diese Kanäle vermittelt wird sind etwa die Frequenzen der unmittelbaren Nachbar-Basisstationen damit die MS direkt diese messen und überprüfen kann um gegebenenfalls Handover vorzubereiten.

Anrufbenachrichtigung (Paging)

Zwölf Zeitrahmen in einem Superframe werden für Zeitschlitze bereitgehalten, um ankommende Anrufe zu signalisieren. Englisch Paging, PCH Paging Channel. Man verwendet jedoch nicht die direkt die Rufnummer des Teilnehmers. Stattdessen erhält der Teilnehmer, wenn er sich beim Netzwerk anmeldet für die Zelle in der er sich befindet eine befristete Nummer eine TMSI, (Temporary Mobile Subscriber Indenty). Diese wird bei einem Anruf im Paging Kanal angegeben. Eine MS muss somit stets die Paging Channels überprüfen, ob ein Anruf für sie eingeht.

Anrufanfrage

Wenn ein Mobiltelefon in einem Netzwerk befindet, kann und wird sie sich auf die Rahmen und Zeitschlitz Struktur aufsynchronisieren. Diese Synchronisation ist jedoch nur in einer Richtung. Ein bit entspricht, wie wir bereits besprochen haben 1,1 km Ausbreitung. Ist ein Mobiltelefon also 5,5 km entfernt so ist ein Zeitschlitz 5 bit gegenüber der Basisstation verschoben. Würde das Mobiltelefon einfach im gleichen Raster antworten, so würden die Bursts um 10 bit verschoben bei der Basisstation ankommen.

Aus diesem Grunde ist der Zeitschlitz, mit der sich eine Mobilstation anmeldet kürzer als normale Zeitschlitze. Dadurch vermeidet man, dass der von der Basisstation empfange Zeitschlitz sich mit dem folgenden eigenen Zeitschlitz überlappt. Ein solcher Anrufanfragekanal nennt man Random Access Channel (RACH), da er „zufällig“ bei der Basisstation ankommt. Wird er empfangen ermittelt die Basisstation die Verzögerung des RACH gegenüber dem eigenen Rahmen. Als Antwort zu dem RACH überträgt die Basisstation dann einen Timing Advance Wert. In der weiteren Kommunikation wird die Mobilstation seine Zeitschlitze um genau diesen Timing Advance Wert früher abschicken, damit er genau in das Raster der zugehörigen Basisstation passt.

Kontrollkanäle

Neben den Spezialzeitschlitzen befinden sich in den ersten beiden Zeitschlitzen vor allen Kontrollkanäle. Neu bei GSM sind sogenannte „Dedicated Control Channels“. Dies sind Kanäle (Zeitschlitze) welche man einem Mobiltelefon für eine gewisse Zeit zuweist, etwa um bestimmte Prozeduren wie Anmeldung und Rufaufbau abzuwickeln. Insgesamt stehen 8 zugewiesene Kanäle zur Verfügung. Es befindet sich nicht in jedem Rahmen ein zugewiesener Kanal. Deshalb spricht man auch von einem langsamen zugewiesenen Kontrollkanal (SDCCH = Slow Dedicated Control Channel). Wird, etwa für ein Gespräch einem Mobiltelefon ein Traffic Channel (TCH) in einem der Zeitschlitze 2-7 zugewiesen, stellt man diesem auch ein langsamer zugehöriger Kontrollkanal zur Verfügung (SACCH = Slow Associated Control Channel). In diesem Kanal kann man während des Gespräches wichtige Messwerte austauschen.

Für Informationsaustausch etwa bei einem Handover reicht der SACCH jedoch nicht. Aus diesem Grund gibt es auch einen FACCH (Fast Associated Control Channel) also schnelle verbundene Kontrollkanäle. Diese entstehen dadurch, dass einfach ein gesamter Zeitschlitz des Traffic Channels „gestohlen“ wird. Dies erreicht man durch zwei bits rechts und links der Trainingssequenz, den Stealing bits. Die Informationsbits gehen damit verloren.

Frequency Hopping

Interferenz zwischen Kanälen ist störend und kann zu Qualitätseinbußen führen. Dies gilt vor allen, wenn zwei Traffic Channel im gleichen Zeitschlitz liegen und im unmittelbaren Nachbarkanal. Außerdem kann es passieren, dass ein bestimmter Kanal schlechte Übertragungsbedingungen hat. Ein solcher Kanal sollte möglichst vermieden werden.

Um solche Fälle zumindest zu reduzieren, sieht der GSM Standard Frequenz Sprünge vor (Frequency Hopping). In diesem Fall wird die Mobilstation aufgefordert von Zeitschlitz zu Zeitschlitz die Frequenz zu ändern. Dabei wird einem vorgegebenen Sprungmuster gefolgt. Dieses ist für alle Mobilstationen unterschiedlich, so dass Teilnehmer im gleichen Zeitschlitz nicht „parallel“ springen.