– Organisationskanal
– Frequenzumtastung
– Rahmenstruktur
– Synchronisation
– Fehlerkodierung
– Auswahl der Basisstation
– Einbuchen
– Inband Kodierung
– Digitale Verarbeitung
– Teilnehmeridentifikation
– Einführung und Geräte

Beschreibung des C-Netz

Als man in den siebziger Jahren noch das gute alte B-Netz installierte arbeitete man bereits an dem nächsten Mobilfunksystem, dem C-Netz. Dieses sollte ein echtes modernes zellulares Netzwerk werden und bis zu 800.000 Teilnehmer zulassen. 1976 gab es eine Ausschreibung für ein solches System von der deutschen Post. Diesmal gewann nicht TeKaDe die Ausschreibung, sondern Siemens. Die Ingenieure von Siemens entwarfen ein System welches die optimalste Nutzung der neuen Frequenzen versprach.

Frequenzbänder für das C-Netz

Neue Frequenzen für das C-Netz waren im 70 cm Band bei 450 MHz. Es gab ein 4,44 MHz breites Unterband und Oberband mit einem Abstand von 10 MHz. 222 Kanäle mit einer Breite von 20 kHz standen zur Verfügung. 

Die Leistung mit welcher die Mobilstationen senden konnten war variabel was für einen effizienten Betrieb von großem Vorteil ist. Die maximale Leistung war 15 W, die minimale Leistung 5 mW.

Organisationskanal

Im C-Netz führte man zum ersten Mal einen reinen digitalen Kanal zur Kommunikation zwischen dem Endgerät und der Basisstation ein. Ein solcher Kanal hat eine sogenannte Rahmenstruktur. D.h. er ist in sogenannte Zeitschlitze eingeteilt. In diesen Zeitschlitzen ist die entsprechende Information digital dargestellt. Typischerweise kodiert mit zwei unterschiedlichen Frequenzen. Damit man bei einer solchen Rahmenstruktur den Beginn eines Informationsschlitzes erkennen kann gibt es weiterhin eine spezielle Struktur zur Synchronisation.

Frequenzumtastung

Beim C-Netz ist nennt man den digitalen Kontrollkanal den Organisationskanal. Die in ihm enthaltenen Daten sind mit dem Wechsel zwischen zwei Frequenzen kodiert (Frequenzumtastung, englisch: frequency shift keying FSK). Dieser Kanal ist für alle gleich, auch für alle Basisstationen. Das erfordert, dass man alle Basisstationen auf weniger als eine ms genau synchronisierte. Der Organisationskanal hat, wie alle anderen Kanäle einen Unterkanal (von Mobilstation zu Basisstation) und einen Oberkanal (Basisstation zu Mobilstation).

Man codiert informationen digital, indem Null und Eins mit verschiedenen Frequenzen dargestellt wird.

Rahmenstruktur

Der Organisationskanal hat einen Zeitrahmen von 2,4 s welcher in 32 Zeitschlitze unterteilt ist.

Jeder Zeitschlitz hat somit eine Länge von 75 ms und besteht aus zwei Hälften, einen Rufblock und einen Meldeblock. Der Rufblock ist für die Mobilstation, um sich bei der Basisstation zu melden. Der Meldeblock dient hauptsächlich der Kommunikation von Basisstation zu Mobilstation.

Zu jeder Basisstation gehört ein Zeitschlitz auf der sie senden und empfangen darf. Somit musste man die Zeitschlitzverteilung genau wie die Verteilung der Kanäle für die Funkzellen genau planen.

Synchronisation

Die Kommunikation geschieht über den Ruf- bzw. Meldeblock. Beide haben die gleiche Struktur. Zunächst gibt es an den Grenzen 7 bit Pausen. Den Anfang macht eine Synchronisationssequenz von 33 bits. Diese Synchronisationssequenz besteht aus speziellen Folgen von 1 und -1. Die Synchronisation geschieht wie folgt. Man vergleicht die ankommenden 33 bits fortwährend mit der gespeicherten Synchronisationsfolge. Dies bewerkstelligt man durch eine Multiplikation, die sehr einfach mittels Logic erfolgen kann. (1×1 =1, 1×0=0, 0x1=0 und 0x0=1). Die Multiplikation entspricht also einer logischen UND Operation). Daraufhin addiert man alle Ergebnisse. Eine solche Operation nennt man Autokorrelation. Die benutzten Barker Codes haben die Eigenschaft, dass bei der Autokorrelation immer ein sehr kleiner Wert herauskommt bis auf den Fall, dass die Sequenzen genau übereinander liegen. Dann sind sie Maximal. Auf diese Weise kann der Begin der Folgenden Informationsbits genau detektiert werden.

Synchronisation durch eine Autokorrelation ist eine immer wiederkehrende Methode zur Synchronisation von Sendern und Empfängern bei digitalen Übertragungen.

Fehlerkodierung

Man überträgt 70 Informationsbit übertragen zusammen mit 80 Redundanzbits. Diese sind nicht wie in der Abbildung getrennt, sondern verschachtelt. Wie bei der Kodierung der Compact Disk benutzt man sogenannte BCH-codes. Sie ermöglichen es, dass bis zu 20 Übertragungsfehler zu korrigieren. Allerdings ist für diese Aufgabe auch ein recht anspruchsvoller Algorithmus notwendig. Man spricht bei der Hinzufügung/Erzeugung von Redundanzbits und späteren Trennung auch von Kanalencoder und Kanaldecoder.

Auswahl der Basisstation

Wenn ein Mobilstation eingeschaltet wird beginnt sie sich auf den Organisationskanal zu synchronisieren. Daraufhin kann sie den Empfangspegel der verschiedenen Zeitschlitze messen und auswerten. Die Ergebnisse speichert die Mobilstation. Wie oben besprochen kann eine Mobilstation über die Synchronisation sehr genau feststellen, wann ein Informationsblock beginnt. Die bits werden mit Lichtgeschwindigkeit übertragen. Somit kommen ein Informationsblock einer nahen Basisstation schneller bei der Mobilstation an als die einer ferner gelegenen Basisstation. Die Mobilstation misst nun die Zeitdifferenz zwischen den Signalen der verschieden Basisstationen. Dadurch kann sie zusätzlich schätzen welches die räumlich nächste Basisstation ist. Die Genauigkeit der Entfernungsmessung war etwa 250 m.

Einbuchen

Schließlich sendet die Mobilstation eine Nachricht an die Basisstation, in welcher sie auch ihre Identität mitteilt. Die Basisstation quittiert die Einbuchung und gibt eine Meldung an die Mobilfunkzentrum in der sogenannte Heimatdatei, um dort einzutragen, dass die Mobilstation aktiv ist und wo sie sich befindet.

Die Mobilstation führt trotz der Einbuchung auch weiterhin Messungen der Basisstationen durch. Typischerweise bis zu sieben. Wenn sich die Mobilstation bewegt, kann das dazu führen, dass eine Zelle verlassen werden muss. Dann wird in Zusammenarbeit mit der Basisstation die Zelle gewechselt und der neue Ort Mobilfunkzentrum eingetragen.

Ein Gesprächsaufbau erfolgt ebenfalls über den Organisationskanal. Die Rufnummer wird durchgereicht und im Telefonnetz eine Verbindung geschaffen. Daraufhin wird der Mobilstation ein Kanal zugewiesen, auf dem das Gespräch stattfindet.

Inband Kodierung

Wie oben besprochen, muss die Mobilstation auch mit der Basisstation kommunizieren, wenn eine Sprechverbindung vorliegt. Für diesen Zweck muss man neben den „Nutzdaten“ (die Sprache) auch „Kontrolldaten“ übertragen. Das C-Netzes gibt vor, auch die Sprache in Zeitschlitze zu unterteilen, und zwar von 12,5 ms Länge. Es entstehen dadurch Sprachblöcke. Diese kompromiert man nun auf 11/12 ihrer ursprünglichen Länge, man staucht sie zusammen. Dadurch entstehen nun Lücken die groß genug sind um 4 bit Daten darin unterzubringen. Man kann also dadurch 320 bit pro Sekunde übertragen, genug für einen notwendigen Datenaustausch zwischen Basisstation und Mobilstation.

Bei Sprachübertragung kommt es also zu den folgenden Schritten.

• Einteilung in Zeitschlitze, Speicherung eines Sprachblockes von 12,5 ms Länge
• Kompression/Stauchung des gespeicherten Sprachblockes
• Einfügung eines Signals welches der FSK Kodierung von 4 bit Daten entspricht
• Übertragung des erzeugten Signals über den Funkkanal

Für dem Empfang gilt umgekehrt:

• Einteilung in Zeitschlitze und Speicherung von 12,5 ms Länge
• Extraktion des Datenblock und Dekodierung der 4 bits
• Dehnung des Sprachsignals auf eine Länge von12,5 ms Länge
• Abgabe des Sprachsignals und Weiterverarbeitung der digitalen Daten

Aber wie speichert man analoge Signale?

Digitale Verarbeitung

Mit Hilfe von Analog Digital Wandlern (ADC) und Digital Analog Wandlern (DAC) kann man die Aufgaben des C-Netzes erfüllen. Zunächst erzeugt man mittels Abtastung der Sprache (siehe PCM) ein digitales Signal. Man kann ein Zeitsignal dadurch komprimieren, dass man es „schneller“ ausgibt als es abgetastet wurde.

Nehmen wir an wir tasten mit 8 kHz ab, dann gewinnen wir aus in dem 12,5 ms 100 Sprachwerte. Nun fügen wir noch 10 Werte hinzu welche den 4 bits Information entsprechen und erhalten 110 Werte. Diese geben wir nun mit einer Abtastrate von 8 kHz * 110/100 = 8,8 KHz aus. Da nun 110 Werte einer Zeit von 12,5 ms entsprechen erhalten wir das gewünschte Sendesignal. Umgekehrt müssen wir das Empfangssignal mit 8,8 kHz abtasten und können daraus die Informationsbits und die Sprachsignale extrahieren. Dieses Verfahren ist bereits halb digital, da es mit sehr einfachen Techniken der digitalen Signalverarbeitung arbeitet aber nach wie vor das Sprachsignal analog übertragen wird.

Teilnehmeridentifikation

Bisher war die Identifikation der mobilen Funkgeräte fest mit dem Gerät verbunden. Es war relativ umständlich etwa eine Telefonnummer von einem Gerät auf ein anderes Gerät zu übertragen. Das C-Netz war das erste System, welches die Identität des Teilnehmers von dem eigentlichen Telefon trennte. Dazu führte sie eine Karte von der Größe einer Bankkarte ein, welche die Identifikation enthielt. Dies geschah anfangs über einen Magnetstreifen, später über einen in der Karte liegenden IC. Diese innovative Art der Identifikation wurde für das Nachfolgesystem GSM übernommen.

Einführung und Geräte

Das C-Netz begann seinen Betrieb in Deutschland im Jahr 1985. Neben Deutschland lief es lediglich noch in Österreich und Südafrika. Der Markt war somit national und dominiert von der Deutschen Bundespost. Der Fokus lag auf Autotelefone. Die Hersteller waren Siemens, Philips (ehemals TeKaDe), SEL, Bosch, Storno (aus Dänemark). Ein wesentliches Merkmal dieser neuen Telefone war, dass Bedienteil und Hörer integriert wurden. Es entstanden Hörer mit Display und Tastatur. Der Hörer konnte beim Fahrer installiert werden, während das Sendegerät im Kofferraum in einen Adapter gesteckt wurde. Man konnte aber auch den Hörer direkt auf das Sendegerät aufstecken. Dieses hatte eine Trockenbatterie und man konnte das Gerät mitnehmen. Es war tragbar.

Die Displays konnte mittlerweile nicht nur Zahlen sondern auch Buchstaben anzeigen. Dadurch zeigte man Kommandos an oder gespeichert Namen. Anfangs waren die Displays noch LED basiert, wurden aus Stromspargründen später jedoch durch LCD-Anzeigen ersetzt.

In den neunziger Jahren war die Technik bereits so weit fortgeschritten dass man reine Handgeräte bauen konnte. Eines der ersten war das Portel C3 von SEL welches etwa von Angela Merkel benutzt wurde.

Das kleine Portel war bereits eine Sensation. Ein Jahr später kam Siemens mit einem noch kleineren Gerät dem Siemens C4. 

Die Hoch Zeit vom C-Netz war 1990 bereits erreicht. Die Industrie arbeitete schon an der neuen digitalen Nachfolgetechnologie. Die Wiedervereinigung von Deutschland gab dem C-Netz noch einmal einen Schub. Das Festnetz der DDR war sehr schlecht ausgebaut. Es war auf die Schnelle nicht zu verbessern. Abhilfe war das C-Netz welches schnell installiert war. So besorgten sich viele Unternehmen aber auch Privatleute ein Mobiltelefon, statt auf ein Festnetztelefonanschluss zu warten.

Das C-Netz wurde Im Jahr 2000 abgeschaltet.