Funk-SubsystemIm folgenden wird die physikalische Schicht des GSM-Standards näher untersucht. Über den Funkweg (Radio Path), werden nur Informationen in digitaler Form übertragen. Im Mobilfunk unterscheidet man zwei Funkrichtungen. Geht der Funkweg vom Funkmodem zur Basisstation, so spricht man vom Uplink, im umgekehrten Fall vom Downlink. Für beide Funkrichtungen ist ein Übertragungsband mit je 25 MHz Breite vorgesehen. Als Radio Link bezeichnet man das Carrier-Paar, bestehend aus Uplink und Downlink. Um Störungen zu vermeiden wird zwischen den beiden Frequenzbändern ein sogenannter Duplexabstand eingehalten, der im GSM-System 45 MHz beträgt. Dieser Frequenzabstand ist nicht zu verwechseln mit dem Kanalabstand, der jeweils zwischen den einzelnen Trägerfrequenzen eingehalten werden muß und 200 kHz beträgt. 1 GSM-FrameformatEin GSM-Frame besteht aus acht Zeitschlitzen und belegt ein Zeitintervall von 4,615 ms, wobei ein Zeitschlitz 0,577 ms lang ist. Die zu übertragenen Informationen wie Sprache oder Signalisierung werden ausschließlich in diesen Zeitschlitzen transportiert und unterliegen einer fest vorgegebenen Struktur. Im GSM-Standard werden diese Pakete auch Bursts (s. Abb. 33) genannt. Bei der Übertragung kann es aufgrund unterschiedlicher Laufzeiten zu einer Überlappung von Bursts kommen. Um solche Störungen zu vermeiden und das Einhalten der Zeitmaske zu erleichtern, ist zwischen der Übertragung der Bursts eine sogenannte Guard Period von 30,5 ms erforderlich. Das entspricht bei einer Bitdauer von 3,692 ms etwa 8,25 Bits. Pakettypen
2 LeistungsregelungIn GSM-Systemen gibt es die Möglichkeit, die Sendeleistung einer Mobil- oder Basisstation zu steuern. Diese Art der Leistungsregelung (Power Control) hat verschiedene Vorteile:
Zur Reduzierung der Sendeleistung wird ein dynamisches Verfahren eingesetzt. Dabei wird der Zustand der Funkkanäle quasi-kontinuierlich überwacht und je nach gemessener Übertragungsqualität wird die Sendeleistung erhöht oder erniedrigt. Hierbei tritt eine Verzögerung zwischen Messung und Anpassung der Sendeleistung von 2 bis 3 Sekunden auf. Die Leistungsregelung erfolgt in 2-dB-Schritten und hat einen Dynamikumfang von maximal 3 dB. Die Anzahl der 2-dB-Leistungsstufen hängt von der Leistungsklasse ab (s. Systempararameter) und beträgt z.B. bei Mobilstationen der GSM-Klasse 2 nur fünf Stufen. Die Messungen bilden auch eine Grundlage für die Hand-Over-Entscheidung. Leistungsregelung des DownlinksDie Verbindungsqualität des Downlinks wird von der Mobilstation überwacht und mittels zweier Parameter der Basisstation mitgeteilt:
Die Basisstation vergleicht die Werte mit vorher festgelegten Anforderungswerten und regelt die Sendeleistung des Downlinks entsprechend. Leistungsregelung des UplinksDas Verfahren funktioniert hier analog, nur mit dem Unterschied, daß die Mobilstation von der Basisstation nach vorheriger Analyse aufgefordert wird, die Sendeleistung des Uplinks entsprechend anzupassen. Eine Leistungsregelung zwischen Basisstation und übergeordneter Kontrollstelle ist optional vorgesehen und findet in der Praxis auch stets Anwendung. Hierbei muß die Basisstation die Sendeleistung für verschiedene Zeitschlitze dynamisch variieren. ZeitmaskeInnerhalb einer laufenden Verbindung wird meistens der Normal Burst übertragen. Hierbei erfolgt eine Anhebung der Sendeleistung um bis zu 70 dB in einer genau festgelegten Zeitmaske innerhalb von 28 ms dadurch wird eine Störung durch benachbarte Kanäle vermindert. 3 ZugriffsverfahrenDer Übertragungskanal kann nur von einem Benutzerpaar zur Zeit in Anspruch genommen werden. Um jedoch mehreren Benutzern den Zugriff auf diesen Kanal zu ermöglichen, werden sogenannte Multiple-Access-Verfahren eingesetzt. Sie verteilen die zur Verfügung stehende Bandbreite so, daß jedem Benutzer ein gerechter Anteil zugeteilt wird. Im GSM-System werden gleich zwei klassische Zugriffsverfahren eingesetzt Cs. Abb. 35):
Die Übertragung von Gesprächen oder Daten geschieht mittels FDMA auf mehreren Frequenzen gleichzeitig. Insgesamt gibt es 124 Funkkanäle je Funkrichtung. Am unteren und oberen Bandende befindet sich ein Schutzband (Guard Band), so dass die betreffenden Kanäle normalerweise nicht mitbenutzt werden. Die verbleibenden 122 Schmalbandkanäle werden schließlich noch in acht Zeitschlitze (TS -Time Slot) nach dem TDMA- Verfahren aufgeteilt, so dass pro Trägerfrequenzpaar acht physikalische Vollduplex- Kanäle zur Verfügung stehen. FrequenzaufteiIungDer erste Kanal beginnt beim GSM-Standard bei 890,2 MHz. Die Frequenzen der darauffolgenden Kanäle lassen sich berechnen durch:
Auf die acht physikalischen Kanäle werden schließlich die logischen Kanäle abgebildet. Hierzu gehören die Signalisierungskanäle zur Übertragung von Systemdaten und die Verkehrskanäle für die eigentlichen Benutzerdaten. Insgesamt unterscheidet man 11 logische Kanäle, die nun der Reihe nach erläutert werden. 4 VerkehrskanäleDie Verkehrskanäle (TCH -Traffic Channels) dienen zur Übertragung der Benutzerdaten. Sie sind immer bidirektional ausgelegt und sowohl für Sprache als auch für Daten konfigurierbar. Sprache wird z.Z. über den Full-Rate-Channel mit 13,6 kbps übertragen. Der HalrateChannel für Sprache ist mit in den Standard aufgenommen worden, falls zukünftig bessere Algorithmen zur Kompression von Sprachdaten verfügbar sind. Dann können zwei logische Kanäle mit jeweils 6,8 kbps auf einem physikalischen Kanal abgebildet werden, was die Anzahl möglicher Teilnehmer theoretisch verdoppelt. Bei voller Auslastung stehen 992 Full-Rate-Verkehrskanäle zur Verfügung (124 Trägerfrequenzen mit 8 Zeitschlitzen pro Träger). Zur Übersicht:
5 SignalisierungskanäleUm den besonderen Bedingungen der Luftschnittstelle gerecht zu werden, existieren gleich neun verschiedene Steuerkanäle (CCH-Control Channel). Sie werden vorwiegend zur Signalisierung und Synchronisierung benutzt, aber auch für paketvermittelte Datenübertragung wie der Kurznachrichtendienst (SMS-Short Message Service). Die Signalisierungskanäle werden weiter nach der Art der Zugriffsmethode unterteilt in Broadcast, Common und Dedicated Channels. Broadcast ChannelsBei den Broadcast Channels (BCH) handelt es sich um einseitig gerichtete Punkt-zu-Mehrpunkt-Kanäle für den Downlink, d.h. von der Basisstation zur Mobilstation. Je nach Art der iibertragenen Information unterscheidet man drei weitere Kanäle:
Common Control ChannelsDie Common Control Channels (CCCH) werden zur eigentlichen Verbindungsaufnahme verwendet. Die Verbindungsanfrage erfolgt mittels slotted Aloha Random Access (wahlfreies Zufallzugriffsverfahren) auf den folgenden Kanälen:
Dedicated Control ChannelsDie Dedicated Control Channels (DCCH) lassen sich am einfachsten mit dem vom ISDN bekannten D-Kanal vergleichen. Die GSM-Empfehlung sieht drei bidirektionale Kanäle vor:
Von den Associated Control Channels (ACCH) existieren zwei Variante: Slow und Fast. Die Slow- Variante bietet bei langen Verzögerungen von ca. 480 ms nur eine geringe Übertragungskapazität. Bei einem Hand-Over sind jedoch mehr Signalisierungsinformationen zu übertragen, so daß die Fast-Variante zum Einsatz kommt. Der jeweils verwendete Kanal wird auch als Main Signalling Link bezeichnet. Frame StealingDer Fast Associated Control Channel setzt ein Verfahren namens Frame Stealing ein. Dazu wird das Stealing-Flag innerhalb des Normal-Bursts gesetzt. Über den "gestohlenen" Schlitz können nun weitere Informationen übertragen werden. Dieses ist insbesondere für zukünftige Entwicklungen (GSM-Phase 2) notwendig. Da bei einer Sprachübertragung die Datenblöcke nur einzeln entnommen werden können, bewirkt ein gesetztes Stealing-Flag einen Übertragungsfehler. Für die Datenübertragung können die Blöcke hingegen unterschiedlich belegt werden, so daß es zu keinem Übertragungsfehler kommt. Abbildung der logischen KanäleZur Sprach- und Datenübertragung werden mehrere TDMA-Rahmen zu einem Multirahmen zusammengefaßt. Die logischen Kanäle werden durch einen Muliplexer auf die Zeitschlitze verteilt. Man unterscheidet insgesamt fünf Multiplexfälle.
Im ersten Fall handelt es sich um einen Multiframe für Sprache und Daten, der sich aus 26 TDMA-Rahmen zusammensetzt und eine zeitliche Länge von 26.4,615 ms = 120 ms hat. Die restlichen Fälle dienen der Signalisierung, und ein Multiframe besteht dann aus 51 TDMA-Rahmen, die zusammen 235 ms zur Übertragung benötigen. In einer laufenden Verbindung kann von einem zum anderen Rahmen zwischen den Rahmen des Verkehrs- und Signalisierungskanals gewechselt werden, je nach aktuellen Erfordernissen. Zur Unterscheidung, zu welchem Multiplexfall ein Rahmen gehört, werden Zähler verwendet. Der kleinste gemeinsame Nenner beider Multiframe-Arten ist der Superframe, der sich aus 1326 TDMA-Rahmen zusammensetzt und 6,12 s lang ist (26.51 x 4,615 ms). Die längste Zeitstruktur ist der Hyperrahmen, der 2048 Superframes beinhaltet und eine Dauer von knapp 3 ½ Stunden hat. Die sich daraus ergebene Wiederholrate wird als Eingabevariable für kryptographische Methoden benutzt, um die Abhörsicherheit garantieren zu können. Die Kanal-Organisation für den ersten Fall sieht so aus, daß von den 26 TDMA-Rahmen der 13. Rahmen als Steuerkanal (SACCH) fungiert. Der letzte Rahmen ist leer (Idle), so so dass insgesamt 24 Rahmen für den Verkehrskanal zur Verfügung stehen. SignalisierungsinformationenZu den wichtigsten Signalisierungsdaten gehören:
KanaleigenschaftenAn dieser Stelle sei noch einmal auf die unterschiedlichen Übertragungseigenschaften der GSM-Kanäle hingewiesen. Die Datenbitrate und die durch Interleaving oder Wiederholung bedingten Verzögerungen der einzelnen GSM-Kanäle unterscheiden sich zum Teil beträchtlich voneinander.
Tabelle 16: Übertragungseigenschaften der GSM-Kanäle 6 VerbindungsaufbauIm GSM-System sind eine Reihe von Vorkehrungen zu treffen, bevor eine Informationsübertragung stattfinden kann. Die einzelnen Signalisierungskanäle haben jeweils eine bestimmte Aufgabe, die jetzt genauer betrachtet werden soll. Je nachdem in welche Richtung eine Verbindung aufgebaut werden soll, unterscheidet man zwischen
Ablauf eines Mobile Originated Call
Es wird erst dann ein Verkehrskanal zugewiesen, wenn zwischen Sender und Empfänger eine Verbindung aufgebaut werden konnte. Das verhindert, daß Verkehrskanäle unnötig belegt werden.
Hand-OverJede Basisstation hat einen gewissen Versorgungsbereich. Bewegt sich ein Teilnehmer aus diesem Bereich heraus, müssen geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um eine laufende Verbindung aufrechtzuerhalten. Der automatische Wechsel der Funkzone wird als Hand-Over bezeichnet. Die Wahrscheinlichkeit eines Hand-Overs kann als Funktion der Gesprächslänge oder als Funktion des Zellradius angegeben werden [Lee 89]. Der Hand-Over-Prozeß wird immer von der Netzseite aus gestartet, wobei die Mobilstation entscheidungsrelevante Daten liefert, wie die Ergebnisse von Qualitätsmessungen von Funkkanälen benachbarter Zellen (s.a. Kapitel 5.6.2 Leistungsregelung). Die Unterbrechung einer Verbindung durch einen einfacher Hand-Over darf maximal 150 ms betragen. Man unterscheidet drei mögliche Hand-Over-Fälle:
Ablauf
7 Datenübertragung bei GSMDie digitale Übertragungsstrecke eines GSM-Sprachkanals durchläuft mehrere Stufen, die in Abbildung 37 dargestellt sind und nun genauer betrachtet werden sollen: Pulse Code ModulationDie Digitalisierung des analogen Sprachsignals geschieht durch einen A/D- Wandler mittels Pulse Code Modulation (PCM). Nach dem Abtasttheorem von Nyquist muß die Abtastfrequenz mindestens das Doppelte der Signalbandbreite betragen. Die wichtigsten menschlichen Sprachanteile liegen etwa in dem Frequenzbereich bis 4.000 Hz. Das PCM- Verfahren arbeitet daher üblicherweise mit einer Abtastfrequenz von 8.000 Hz (d.h. alle 125 ~ ein Abtastwert) und einer Genauigkeit von 8 Bit. Im GSM-Standard besteht jedoch die Möglichkeit, eine höhere Genauigkeit von 13 Bit aus folgendem Grund zu wählen: Durch die Quantisierung entsteht ein rauschähnliches Fehlersignal. Je höher die Genauigkeit der Abtastung, desto geringer ist dieses Quantisierungs-Rauschen. Bei einer Auflösung von 8 Bit gibt es 256 Quantisierungs-Stufen, und der Rauschabstand liegt zwischen 40 und 50 dB. Bei 13 Bit gibt es hingegen 8192 Quantisierungs-Stufen, die zu einer deutlichen Verbesserung der Sprachqualität führen. Untersuchungen haben ergeben, daß jedes weitere QuantisierungsBit den Rauschabstand um ca. 6 dB verbessert. KompandierungUmkleinere Abtastwerte feiner quantisieren zu können, verwendet man eine nichtlineare Kennlinie, die sogenannte A-Law-Kompandierungs-Kennlinie (CCITT G.711) .Diese Technik zur Reduktion des Dynamikbereichs nennt man Kompandierung (Kompression und Expandierung) und reduziert die Bandbreite um ca. 33% [Dunlop 89]. Außerdem würde bei einer linearen Kennlinie die Sprachqualität zu stark von der Lautstärke abhängen. SprachkodierungDer sich aus der Digitalisierung der Sprache ergebende Datenstrom mit 64.000-104.000 bps ist für eine ökonomische Funkübertragung nicht geeignet. Zur Datenreduktion wird deshalb im GSM-System ein aufwendiger Sprachkodierer eingesetzt, der im wesentlichen aus vier Funktionseinheiten besteht und am Ende das Sprachsignal auf 13.000 bps komprimiert:
Die Spezifikation des GSM-Sprachkodierers ist bitexakt, d.h. es erfolgt eine eindeutige Abbildung von Eingangs- zu Ausgangssignal, egal auf welcher Hardware. KanalkodierungDie Kanalkodierung (Channel Coding) hat die Aufgabe, die fehleranfällige Netto-Information des Sprachkodierers (13 kbps) durch Hinzufügen von Redundanz und Prüfsummen so zu verändern, dass auch bei einer gestörten Übertragung eine Rekonstruktion der Daten möglich ist. Die Bitfehlerrate in herkömmlichen Rechnernetzen, wie z.B. im bekannten Ethernet, liegt typischerweise 10-10. Die mobile Datenübertragung ist deutlich fehleranfälliger. Hier sind Bitfehlerraten im Bereich von 10-3 bis 10-8 zu erwarten. Zur Sicherung der Daten gegen Übertragungsfehler muss daher ein erheblicher Aufwand betrieben werden. Die Kodierung der im GSM-System vorhandenen Sprach-, Daten- und Signalisierungskanäle ist unterschiedlich und wird nun der Reihe nach vorgestellt. Kodierung des SprachkanalsDer GSM-Sprachkodierer erzeugt alle 20 ms einen 260-Bit-Block. Durch Fehlerschutzmechanismen werden diese 260 Bit auf 456 Bit erweitert. Die Übertragungsrate erhöht sich entsprechend von 13.000 bps (260 Bit /20 ms) auf 22.800 bps (456 Bit /20 ms). Die Kanalkodierung für Sprache umfasst im wesentlichen vier Schritte (s. Abb. 38):
Abb. 38: Kodierung des Sprachkanals Ablauf der Kodierung
Abb. 39: Aufbau des Faltungskodierers
DekodierungBei der Dekodierung laufen die oben beschriebenen Schritte in umgekehrter Reihenfolge ab. Wie eine genaue Implementation auszusehen hat, bleibt den einzelnen Herstellern überlassen. Es besteht sowohl die Möglichkeit einer Soft- als auch Hardware-Implementierung. Können Fehler nicht durch den Faltungsdekodierer korrigiert werden, dann werden sie nicht an den Sprachdekodierer weitergereicht, sondern als defekt markiert (BFI-Bad Frame Indication). Eine Re-Übertragung des Sprachrahmens mittels ARQ entfällt, da dies zu einer merkbaren Verzögerung und damit zu einer Störung des Sprachflusses führen würde. ExtrapolationUm jedoch keine "Lücke" innerhalb der Sprachübertragung zu hinterlassen, wird der Parametersatz des letzten Sprachrahmens verwendet. Dieses Verfahren nennt man Extrapolation und wird in abgewandelter Form auch bei der Laserabtastung einer Audio-CD verwendet. VerzögerungAufgrund der zu erwartenden Gesamtverzögerung von ca. 90 ms für die Kodierung des Sprachkanals ist eine Echokontrolle erforderlich. Die Verzögerung setzt sich zusammen aus:
Kodierung des DatenkanalsDas im vorigen Abschnitt besprochene Kodierungssystem ist speziell auf Sprachdaten optimiert und eignet sich nicht für die Übertragung von Dateien oder anderen rein digital vorliegenden Benutzerdaten. Für die Kodierung des Datenkanals werden zwei Verfahren zur Fehlerkorrektur eingesetzt:
Abb. 40: Kodierung des Datenkanals Ablauf der Kodierung
Diese Kodierung erlaubt - im Gegensatz zur Kodierung des Sprachkanals - eine vollständige Rekonstruktion der Daten. Es wird eine sichere Datenübertragung bis 9.600 bps garantiert. Für kleinere Übertragungsraten wird lediglich eine entsprechend andere Blockung benutzt. Der Fehlerschutz ist jedoch mit sinkender Datenrate effizienter. Bei 2.400 bps erfolgt eine Redundanzerhöhung durch den Faltungskodierer um den Faktor 8. In der digitalen Funktechnik gibt es noch weitere Möglichkeiten, die Übertragungsqualität zu erhöhen. Hierzu zählt z.B. die Frequenzbandspreizung. Je nachdem welcher Parameter des Funksignals verändert wird, nennt man das Verfahren Frequenz- oder Phasensprungverfahren. FrequenzsprungverfahrenUntersuchungen haben ergeben, dass durch Fading verursachte Signaleinbrüche selten auf zwei unterschiedlichen Ausbreitungspfaden (Kanälen) gleichzeitig erfolgen. Deshalb wird für das GSM-System das Frequenzsprungverfahren optional eingesetzt. Dabei werden die einzelnen TDMA-Rahmen auf verschiedenen Trägerfrequenzen verschickt. Der Wechsel geschieht insgesamt 217 Mal pro Sekunde. Durch die Streuung der Pakete über das Frequenzspektrum wird ein höherer Geräuschabstand des demodulierten Signals erreicht. Bei Verwendung des Verfahrens müssen natürlich alle Mobilstationen zunächst davon in Kenntnis gesetzt werden. Dazu verschickt die betreffende Basisstation eine spezielle Nachricht über den Broadcast Control Channel. Das Frequenzspringen (Frequency Hopping) kann auf zwei Arten erfolgen:
Positiv zu bemerken ist die verbesserte Datensicherheit des Verfahrens, da durch das häufige Wechseln der Frequenz ein unbefugtes Abhören (Tracen) des Funkverkehrs erschwert wird. Kodierung der SteuerkanäleFür die Signalisierungsdaten der Steuerkanäle wird ein leicht abgewandeltes Verfahren benutzt, da diese Daten typischerweise besser zu schützen sind. Die Rate der nichtentdeckten Fehler liegt bei 10-7 und weniger. Abb. 41: Kodierung der Signalisierungskanäle Ablauf der Kodierung
lnterleaving: Die 456 Bit werden nun auf 4 Blöcke zu je 114 Bit zeitlich verteilt. Der obige Kodierungsablauf orientiert sich am Fullrate-Fast Associated Control Channel (FR-FACCH), da nur dieser Kanal die maximal mögliche Bitrate von 9.200 bps bietet. Aufgrund besonderer Kanaleigenschaften kommt es zu geringfügigen Abweichungen der Kanalkodierung. |