GSM-System: Architektur, Komponenten und Funkschnittstelle

3 GSM: Global System for Mobile Communications

Das GSM-System (Global System for Mobile Communications) ist das weltweit am weitesten verbreitete Mobilfunksystem der zweiten Generation (2G). Es ist das standardisierte 2G-System in Europa, dessen Standardisierung von ETSI zwischen 1982 und 1992 durchgeführt wurde. Aus diesem Grund wurde das Zugangsverfahren FDD/FDMA/TDMA für die Untersuchung in diesem Dokument gewählt.

Im Folgenden wird auch das IS-95-System behandelt, da es das einzige 2G-System ist, das das Zugangsverfahren FDD/FDMA/CDMA nutzt. Die Analyse dieses zweiten Systems ist für die spätere Einführung zukünftiger Systeme der dritten Generation (3G) sinnvoll, da 3G-Systeme in der Praxis viele Merkmale des IS-95-Systems erben, insbesondere das Zugangsverfahren FDD/FDMA/CDMA.

3.1 GSM Systemarchitektur

Die GSM-Systemarchitektur besteht aus vier Hauptblöcken oder Subsystemen, welche die gesamte Systemhierarchie umfassen. Jedes dieser Subsysteme führt spezielle Funktionen aus, um den Endbenutzern Mobilfunkdienste bereitzustellen. Die vier Subsysteme sind:

• Die Mobile Station (MS)
• Das Basisstation Subsystem (BSS)
• Das Netzwerk- und Switching Subsystem (NSS)
• Das Betriebs- und Wartungssubsystem (OSS)

Die Mobile Station umfasst alle Elemente, die vom Teilnehmer zur Nutzung des Dienstes verwendet werden. Das Basisstation Subsystem enthält Elemente, die spezifische Aufgaben der Funkverbindung mit der Mobile Station übernehmen. Das NSS Subsystem übernimmt Schalt- und Netzbetriebsfunktionen, um die Zusammenschaltung mit anderen Telefonnetzen zu ermöglichen und Teilnehmerinformationen zu verwalten. Schließlich ist das Betriebs- und Wartungssubsystem (OSS) für die Überwachung des Betriebs der anderen Blöcke verantwortlich.

3.1.1 Die Mobile Station (MS)

Die Mobile Station besteht aus mehreren Elementen, typischerweise:

• Das Mobile Endgerät (MT) – das Mobiltelefon selbst.
• Die Teilnehmer-Identitätsmodul-Karte (SIM).
• Der Terminal-Adapter (TA) – das Anpassungselement für die Zusammenschaltung des Mobiltelefons mit einem Datenendgerät (TE) zur Datenübertragung über GSM.

Die Funktionen des Mobile Station Subsystems bestehen im Wesentlichen darin, den Zugang zum GSM-Netz über die Funkschnittstelle zu ermöglichen und eine Benutzeroberfläche für die Sprachkommunikation oder, im Falle der Datenkommunikation, für ein Computerterminal bereitzustellen.

Mobile Terminal (MT)

Damit das Mobile Endgerät in Betrieb genommen werden kann, benötigt es eine SIM-Karte (Subscriber Identity Module). Ohne SIM-Karte können in der Regel nur Notrufe getätigt werden, da keine Abrechnung möglich ist. Die GSM-Spezifikationen definieren verschiedene Typen von mobilen Endgeräten basierend auf der maximalen Sendeleistung. Diese Klassifizierung ist jedoch in Vergessenheit geraten, da die überwiegende Mehrheit der Geräte heute Handys sind. Diese Unterscheidung war sinnvoll, als es noch Autotelefone oder andere spezielle mobile Endgeräte gab.

Subscriber Identity Module (SIM)

Die SIM-Karte ist eine Chipkarte, die verschiedene Arten von Informationen enthält: permanente Informationen über den Teilnehmerdienst, temporäre Informationen, die für den Betrieb des Dienstes nützlich sind, sowie vom Teilnehmer eingegebene Informationen. Es gibt zwei Arten von SIM-Karten, die sich nach ihrer Größe unterscheiden:

• Die Größe einer Kreditkarte (heute praktisch überholt).
• Die Plug-in-SIM (25 mm x 15 mm) für kleinere Mobiltelefone.

Die SIM-Karte wird in einem internen Steckplatz des mobilen Endgeräts untergebracht, der den SIM-Kartenleser enthält.

Die Möglichkeit, das mobile Endgerät unabhängig von der SIM-Karte zu wechseln, bietet dem Teilnehmer die Möglichkeit, das Endgerät transparent für den Betreiber zu ändern. Die Merkmale des mobilen Endgeräts werden dem System mitgeteilt, wenn es als Teil des anfänglichen Dialogs mit dem Netz kommuniziert.

Die SIM-Karte enthält unter anderem zwei Sicherheitsnummern zur Verhinderung von Missbrauch: die PIN (Personal Identity Number) und den PUK (Personal Unblocking Key). Bevor das mobile Endgerät verwendet werden kann, muss der Benutzer seine vierstellige PIN eingeben, die auf der Karte gespeichert ist. Wird die PIN dreimal falsch eingegeben, wird die Karte gesperrt. Um sie zu entsperren, muss der achtstellige PUK eingegeben werden.

Der Terminal-Adapter (TA)

Der Terminal-Adapter ist das Element, das die Verbindung des mobilen Terminals mit einem Datenendgerät ermöglicht. Heutzutage ist der Terminal-Adapter für die meisten Mobiltelefone in das Telefon selbst integriert, sodass die Verbindung zum Datenendgerät über die serielle Schnittstelle oder die Infrarotschnittstelle erfolgt. Das Datenendgerät muss mit einer Software (genannt Treiber) konfiguriert werden, die den Dialog mit dem Terminal-Adapter für die Zusammenschaltung mit dem Mobiltelefon ermöglicht.

3.1.2 Base Station Subsystem (BSS)

Das Basisstation Subsystem (BSS) umfasst die spezifischen Aspekte der Infrastruktur für die GSM-Funkkommunikation. Dieses Subsystem besteht aus Basisstationen (BTS), die an eine Steuerstation, den sogenannten BSC (Base Station Controller), angeschlossen sind.

Das BSS befindet sich in der GSM-Architektur zwischen der Um-Funkschnittstelle (für die Zusammenschaltung mit mobilen Endgeräten) und der A-Schnittstelle (für die Verbindung mit dem Mobile Switching Center, MSC).

Basisstation (BTS)

Die BTS-Einheit ist der Teil des BSS-Subsystems, der die Geräte für die Funkübertragung und den Empfang bereitstellt, einschließlich der Antennen. Sie übernimmt Aufgaben wie die Gestaltung des Funksignals, die Auswertung des Funkempfangs sowie die digitale Signalverarbeitung, Kanalcodierung, Interleaving usw. Die BTS befindet sich meist im geografischen Zentrum der Zelle, und ihre maximale Sendeleistung bestimmt die absolute Größe der Zelle. Eine Basisstation bietet zwischen einem und zwölf Transceivern (TRX), wobei jeder auf einer der dem Betreiber zugewiesenen GSM-Frequenzen arbeitet.

Base Station Controller (BSC)

Die BSC-Einheit ist für die Verwaltung der Funkressourcen verantwortlich, indem sie die BTS fernsteuert. Ihre Funktion besteht im Wesentlichen in der Zuweisung und Freigabe von Funkkanälen sowie in der Verwaltung der Rufübergabe (Handover), wenn diese zwischen Basisstationen desselben BSC erfolgt. Sie übernimmt auch die Verschlüsselung der Kommunikation und die Implementierung von Algorithmen für die diskontinuierliche Übertragung, indem sie Aktivitäts- und Ruheperioden in der Kommunikation identifiziert.

Der BSC ist einerseits mit mehreren BTS verbunden, deren Ressourcen er steuert, und andererseits mit einem Schaltelement, dem MSC (Mobile Switching Center), zur Weiterleitung von Anrufen an das Netz. Der BSC ist das Element, das die Überwachung der Kommunikation unterstützt. Mobile Endgeräte und BTS melden dem BSC regelmäßig die empfangene Signalleistung. Ebenso meldet das mobile Endgerät die Leistung der empfangenen Signale benachbarter Basisstationen, sodass die BSC-Einheit anhand vorgegebener Kriterien entscheidet, wann eine Rufübergabe (Handover) durchgeführt werden soll.

Transcoder/Rate Adapter Unit (TRAU)

Die TRAU (Transcoder/Rate Adapter Unit), die nicht in Abbildung 3.3 gezeigt wird, ist ein Element, das in den BSC oder MSC integriert ist. Sie führt die Anpassung zwischen der Übertragungsrate des mobilen Endgeräts (16 Kbit/s) und der Übertragungsrate des verschlüsselten Sprachsignals (64 kbit/s) für den Transport in herkömmlichen digitalen Telefonvermittlungsnetzen durch. Die TRAU kann austauschbar in den Elementen BTS, BSC und MSC angeordnet sein.

3.1.3 Network and Switching Subsystem (NSS)

Das NSS (Network and Switching Subsystem) führt die Funktionen der Vermittlung und Weiterleitung von Anrufen im GSM-System sowie die Verwaltung von Datenbanken mit Teilnehmerinformationen durch. Das NSS ist verantwortlich für die Kommunikation zwischen mobilen Nutzern über das interne Switching-Netz eines Betreibers oder zwischen GSM-Nutzern und Nutzern anderer Mobilfunk- oder Festnetze.

Innerhalb des NSS-Subsystems werden die Schaltfunktionen vom Mobile Switching Center (MSC) und dem Gateway Mobile Switching Center (GMSC) ausgeführt. Die MSC-Einheit ist das interne Schaltelement eines GSM-Netzes, während die GMSC-Einheit das Element für die Zusammenschaltung mit anderen Netzen ist. Die Verwaltung der Datenbanken erfolgt durch das Home Location Register (HLR) und das Visitor Location Register (VLR). Andere Elemente des NSS-Subsystems (die in Abbildung 3.5 dargestellt sind) werden im Folgenden erörtert.

Die Schnittstelle zu externen Netzen wird durch das Schaltelement GMSC (Gateway MSC) realisiert, das Anpassungsfunktionen für die Zusammenschaltung mit anderen Netzen bietet. Das GMSC ermöglicht die Zusammenschaltung mit Netzen wie zum Beispiel:

• PSPDN (Packet Switched Public Data Networks)
• CSPDN (Circuit Switched Public Data Networks)
• PSTN (Public Switching Telephone Network)
• ISDN (Integrated Service Digital Network)

Das NSS-Subsystem verwendet das Signaling System No. 7 (SS7) als Transportprotokoll für die Signalisierung. Dieses Protokoll wird auch für die Signalisierung in anderen Nicht-GSM-Kommunikationsnetzen verwendet, was die Zusammenschaltung vereinfacht.

Wenn ein Anruf von einem Festnetzanschluss an einen GSM-Nutzer getätigt werden soll, wird diese Anfrage zunächst an ein Gateway Switch (GMSC) gerichtet, ohne dass der Standort des Teilnehmers bekannt ist. Das GMSC ist dafür verantwortlich, Standortinformationen abzufragen und den Anruf an das MSC weiterzuleiten, das das mobile Endgerät bedient. Dazu wird das HLR abgefragt, das Informationen über das mobile Endgerät speichert. Sobald der Pfad zum Ziel-MSC gefunden ist, steuert das VLR, das den Teilnehmerzugang kontrolliert, eine Suche des Mobiltelefons in allen Zellen, die einen Standortbereich umfassen. Schließlich wird der Anruf über den BSC und die spezifische BTS an das mobile Endgerät weitergeleitet.

Verwaltung von Benutzerdaten

Das HLR (Home Location Register) ist die zentrale Registrierungsstelle der Teilnehmer. Es handelt sich um eine Datenbank, die alle Informationen über die Teilnehmer eines GSM-Betreibers enthält. Ursprünglich gab es nur ein HLR-Element, das das gesamte System bediente. Heute haben die meisten Betreiber jedoch eine große Anzahl von Teilnehmern, was die Verwendung mehrerer HLR-Elemente erforderlich gemacht hat, die strategisch über das Dienstgebiet verteilt sind.

Das HLR speichert zwei Datentypen: permanente und temporäre. Zu den permanenten Daten gehören verschiedene Kennungen des mobilen Endgeräts und ein dem Teilnehmer zugewiesenes Dienstprofil. Zu den temporären Daten gehören Standortdatensätze der mobilen Stationen, temporäre Kennungen, Authentifizierungs- und Verschlüsselungsschlüssel usw.

Das VLR (Visitor Location Register) enthält temporäre Informationen von Mobiltelefonen, die sich in einem bestimmten geografischen Gebiet befinden. Die Informationen im VLR sind eine vorübergehende Wiederholung der Teilnehmerinformationen, die im HLR gespeichert sind, ergänzt durch Informationen über den aktuellen Standort des mobilen Endgeräts.

3.1.4 Operation and Maintenance Subsystem (OSS)

Die Betriebs- und Wartungsaktivitäten werden durchgeführt, um das reibungslose Funktionieren des GSM-Systems als Ganzes zu gewährleisten. Dies geschieht entweder durch die Behebung auftretender Probleme und Fehler oder durch die Überwachung und Verbesserung der Gerätekonfiguration zur Steigerung der Leistung.

Die Verwaltung und Wartung kann lokal oder remote durchgeführt werden. Bei Netzen von beträchtlicher Größe ist angesichts der Komplexität der Telekommunikationsanlagen das Remote-Management unerlässlich.

Wichtige Funktionen des OSS umfassen:

• Betreiber-Mediator-Ausrüstung: Die Teams werden als OMC (Operation and Maintenance Centers) bezeichnet. Sie umfassen die Mensch-Computer-Schnittstelle zur Steuerung der Verkehrsausrüstung.
• Kontrolle des Abonnements: Dies hat zwei Aspekte: die Kontrolle der Teilnehmerdaten und die Abrechnung.
• Betrieb und Wartung: Neben den entsprechenden Funktionen im Netzwerk gehört dazu auch die Steuerung der mobilen Stationen.

Network Management Center (NMC)

Das Network Management Center (NMC) ist für die Verwaltung des gesamten Netzes verantwortlich. Informationen werden von den Computern, die das Netz bilden, über das OMC gesammelt. Da es Informationen über das gesamte Netz besitzt, ist es die zentrale Anlaufstelle für Fragen, die eine nationale Koordination erfordern. Es verwaltet auch Aspekte der Zusammenschaltung mit anderen Netzen. Es ist auch möglich, von den NMC aus regionalen Netzen Fernzugriffskontrollen durchzuführen, wodurch die Gesamtkosten für die Überwachung und Wartung des Netzes gesenkt werden. Die wichtigsten Funktionen des NMC sind:

• Sicherstellung des integrierten Betriebs des gesamten Netzes basierend auf konsistenten Informationen.
• Überwachung von High-Level-Alarmen im Netz.
• Übermittlung des Status aller regionalen Netze.
• Bereitstellung eines Verkehrsmanagements über die Netzerweiterung.
• Überwachung des Zustands automatischer Kontrollen, die von den Computern im Netz als Reaktion auf Überlastungen angefordert werden.
• Unterstützung der Planung des gesamten Netzes.

3.1.5 GSM-Schnittstellen

In den vorangegangenen Abschnitten wurden die Subsysteme der GSM-Architektur beschrieben. Nun folgt die Beschreibung der Zusammenschaltungs-Schnittstellen zwischen den Subsystemen und der Verbindungsschnittstellen zwischen den Funktionselementen, aus denen jedes Subsystem besteht. Das GSM-System definiert verschiedene Schnittstellen innerhalb seiner hierarchischen Architektur (siehe Abbildung 3.7).

Die Schnittstellen definieren die Kommunikationsprotokolle und die Nachrichten, die zwischen den Elementen ausgetauscht werden. Die Bereitstellung der GSM-Architekturelemente und der Dialog zwischen ihnen dienen dem alleinigen Zweck, die knappen Funkressourcen für die Kommunikation zwischen den Mobilfunkteilnehmern zu verwalten. Ein Teil der architektonischen Elemente stellt die physischen Verbindungen zwischen den kommunizierenden Endpunkten her, während die übrigen Elemente den Signalverkehr unterstützen, den das System erzeugt.

Die wichtigsten Verkehrs- und Signalschnittstellen sind: Um, Abis und A. Über diese Schnittstellen werden Benutzerverbindungen hergestellt, die das MSC erreichen. Die Zusammenschaltung des MSC mit anderen Vermittlungsstellen aus anderen Telefonnetzen erfolgt über eine Standardschnittstelle zwischen Vermittlungsstellen. Die anderen Schnittstellen (B, C, D, E, F und G) dienen ausschließlich der Signalisierung, um den Austausch von Nachrichten zwischen den Funktionseinheiten der GSM-Architektur zu unterstützen.

Das GSM-Signalisierungssystem wurde als proprietäres System für GSM-Netze konzipiert, das mit der Signalisierung zwischen Telefonvermittlungen für die Zusammenschaltung des MSC mit anderen Netzen kompatibel ist. Soweit möglich, wurde jedoch das Signaling System No. 7 (SS7) der ITU-T (International Telecommunications Union) für Telefonnetze übernommen.

Dazu wird das Mobile Application Part (MAP) verwendet, das in SS7 enthalten ist und den Nachrichtendialog zwischen den verschiedenen funktionalen GSM-Einheiten festlegt. Um die SS7-Signalisierung zu ergänzen, verfügt das GSM-System über spezifische Signalschnittstellen (A, Abis und Um), über die konkrete Aspekte des Funkressourcenmanagements abgewickelt werden. Die Schichten der SS7-Signalisierung unterhalb der Anwendungsebene, die sich auf die zuverlässige Übertragung der Signalisierung selbst beziehen, sind mit anderen Telekommunikationssystemen gemeinsam. Die am GSM-System beteiligten Schichten der SS7-Signalisierung (siehe Abbildung 3.8) sind:

• Message Transfer Part (MTP): Verantwortlich für die zuverlässige Zustellung und Übergabe von Signalisierungsinformationen über das Signalisierungsnetzwerk und für die Aufrechterhaltung der Verbindungen bei Fehlern.
• Signaling Connection Control Part (SCCP): Erweitert den MTP-Dienst, um das vollständige funktionale Äquivalent der OSI-Netzwerkschicht bereitzustellen. Ermöglicht die Adressierung mehrerer Benutzer auf einem Knoten.
• Integrated Services Digital Network User Part (ISDN-UP): Bietet die Signalisierungsfunktionen, die erforderlich sind, um Kanäle für Telefongespräche und die grundlegenden ISDN-Zusatzdienste einzurichten.
• Transaction Capabilities Application Part (TCAP): Wird für Signalisierungsanwendungen wie direkte Abfragen und Antworten an Datenbanken verwendet.
• Mobile Application Part (MAP): Definiert die Signalisierungsnachrichten auf der Anwendungsebene des GSM-Mobilfunksystems.

Die SS7-MAP-Schicht für das GSM-System

Die Verfahren, die SS7-MAP-Einträge generieren, betreffen die Einrichtung von Kommunikationsverbindungen, Standortaktualisierungen und die Übergabe von Anrufen zwischen MSCs.

• Mobile Call Origination: Das Mobiltelefon initiiert einen Anruf.
• Mobile Call Termination: Das Mobiltelefon empfängt einen Anruf.
• Location Update: Neues VLR.
• Location Update: Gleiches VLR.
• Inter-MSC Handover.

Die Standortaktualisierungen dienen dazu, Informationen über den Standort eines mobilen Endgeräts zu speichern. Eine dieser Aktualisierungen kann entweder über dieselbe Besucherdatenbank (VLR) wie die letzte Aktualisierung oder über eine neue Datenbank durchgeführt werden.

3.2 Die GSM-Funkschnittstelle (Um-Schnittstelle)

Die Um-Schnittstelle ist die Verbindungsschnittstelle zwischen mobilen Endgeräten und dem GSM-Netz. Dies ist die Funkschnittstelle, die das Layout der logischen Kanäle des GSM-Systems auf den physikalischen Kanälen oder verwendeten Funkfrequenzen definiert [MOUL92], [REDL95].

Das GSM-System verwendet FDD/FDMA/TDMA für die Duplex-Kommunikation in der Frequenz. Die für den Betrieb des GSM-Systems verwendeten Bänder sind zwei: das 900-MHz-Band (GSM-900) und das 1800-MHz-Band (DCS-1800, siehe Abbildung 3.9). Das DCS-1800-System verhält sich identisch mit GSM-900.

Die Bandbreite von GSM-900 beträgt 50 MHz, aufgeteilt in 25 MHz für den Uplink (vom mobilen Endgerät zur Basisstation) und 25 MHz für den Downlink (in die entgegengesetzte Richtung). Für das DCS-1800-System beträgt die Bandbreite 150 MHz, mit 75 MHz in jede Richtung.

Die 25 MHz Bandbreite von GSM-900 für jede Kommunikationsrichtung ist in 124 Kanäle von je 200 kHz Bandbreite unterteilt. Die beiden Kanäle an den Enden werden nicht verwendet, da jeder der 124 Kanäle in der Praxis 270 kHz belegt (aufgrund der verwendeten Modulationsart). Dies führt zum Effekt des Aliasing. Das Aliasing, das durch die Endkanäle verursacht wird, würde außerhalb des zugewiesenen Bandes auftreten.

3.2.1 Logische Kanäle im GSM

Die jeder Basisstation zugewiesenen Funkkanäle sind in Verkehrskanäle und Kontrollkanäle unterteilt. Die Verkehrskanäle dienen dem Transport der Benutzerkommunikation, während die Kontrollkanäle den Betrieb des GSM-Systems verwalten.

Da das GSM-System ein Frequenz-Duplex-System ist, hat ein Verkehrskanal im Downlink (Abwärtsstrecke) sein symmetrisches Gegenstück im Uplink (Aufwärtsstrecke) für die andere Kommunikationsrichtung. Die Kontrollkanäle für den Downlink werden verwendet, um nützliche Informationen an alle mobilen Endgeräte zu übertragen, weshalb sie auch als Gemeinsame Kontrollkanäle bezeichnet werden. Der Uplink wird von mobilen Endgeräten für den Netzzugang verwendet.

Die Downlink-Kontrollkanäle sind: FCCH, SCH, BCCH und PAGCH. Der Uplink-Kontrollkanal ist der RACH.

Kontrolle der logischen Kanäle

• FCCH (Frequency Correction Channel): Der Kanal, auf dem das unmodulierte Trägersignal übertragen wird. Er wird von mobilen Endgeräten am Empfang zur Frequenzsynchronisation verwendet.
• SCH (Synchronisation Channel): Der Kanal, auf dem die Frame-Zähler auf verschiedenen Ebenen übertragen werden, sodass das mobile Endgerät den Zeitpunkt der Ausgabe von BCCH- und PAGCH-Informationen kennt. Er wird vom mobilen Endgerät zur Frame-Synchronisation verwendet, um zu wissen, welche Art von Informationen in jedem Zeitschlitz übertragen wird. Er sendet auch den BSIC (Base Station Identity Code) zur Identifizierung der Basisstation und zur Unterscheidung von anderen Basisstationen, die Kontrollkanäle auf derselben Frequenz übertragen. Er enthält auch die Kennung der Entzerrungssequenz, die von mobilen Endgeräten am Empfang verwendet wird.
• BCCH (Broadcast Control Channel): Der Kanal, auf dem Broadcast-Informationen an alle mobilen Endgeräte gesendet werden. Diese Informationen umfassen die Identifizierung der Zelle, den Standortbereich, verschiedene Parameter für die Zellwiederwahl, die Identifizierung der Nachbarzellen usw.
• PAGCH (Paging and Access Grant Channel): Besteht aus zwei Steuerkanälen in einem. Der Paging Channel (Suchkanal) wird verwendet, um Suchnachrichten an mobile Endgeräte zu senden, die vom Netz gesucht werden, um deren genaue Zelle zu ermitteln. Der Access Grant Channel (Zugangsgewährungskanal) wird als Antwort auf eine Zugriffsanforderung verwendet, die zuvor von einem mobilen Endgerät über den gemeinsamen RACH-Kanal gestellt wurde. Er gibt den Signalisierungskanal an, der dem mobilen Endgerät zugewiesen wird, um den Dialog mit dem Netz fortzusetzen.
• RACH (Random Access Channel): Der gemeinsame Zugangskanal, der von mobilen Endgeräten verwendet wird, um beim Netz einen Kanal zur ausschließlichen Nutzung durch das mobile Endgerät anzufordern.

Die logischen Kontrollkanäle belegen immer den Zeitschlitz 0 einer der der Basisstation zugewiesenen Frequenzen; diese Frequenz wird als Leitfrequenz der Basisstation bezeichnet. Das Layout der logischen Kontrollkanäle über den Zeitschlitz 0 variiert je nach Konfiguration. Eine mögliche Anordnung ist in Abbildung 3.12 dargestellt.

Traffic logische Kanäle (TCH)

Die Verkehrskanäle dienen der Übertragung von Benutzerinformationen und Signalisierung. Dies sind: TCH/F, TCH/H, SACCH, FACCH und SDCCH. Im Gegensatz zu den Kontrollkanälen können sie jeden Zeitschlitz belegen und sind bidirektional, da sie in beiden Kommunikationsrichtungen für denselben Zweck verwendet werden.

• TCH/F (Traffic Channel Full Rate): Ein bidirektionaler Kanal zur Übertragung von Benutzerinformationen, der einen Zeitschlitz pro Frame belegt. Die Datenübertragungsraten, die mit diesem Kanal erreicht werden können, hängen von der verwendeten Codierung ab:
  • 9,6 Kbit/s
  • 4,8 Kbit/s
  • Kleiner oder gleich 2,4 Kbit/s
• TCH/H (Traffic Channel Half Rate): Ein bidirektionaler Kanal zur Übertragung von Benutzerinformationen mit halber Geschwindigkeit im Vergleich zum TCH/F, da er einen Zeitschlitz pro zwei Frames belegt. Die Datenübertragungsraten, die mit diesem Kanal erreicht werden können, sind:
  • 4,8 Kbit/s
  • Kleiner oder gleich 2,4 Kbit/s
• SACCH (Slow Associated Control Channel): Der langsame zugeordnete Signalisierungskanal (sowohl für TCH/F als auch TCH/H). Dieser Kanal sendet Signalisierungsinformationen, die mit der Kommunikation verbunden sind. Die Bursts dieses Kanals sind mit Frames des Verkehrskanals, dem sie zugeordnet sind, verschachtelt.
• FACCH (Fast Associated Control Channel): Der schnelle zugeordnete Signalisierungskanal (sowohl für TCH/F als auch TCH/H). Dieser Kanal sendet Signalisierungsinformationen, die sofort übertragen werden müssen und nicht auf den entsprechenden SACCH warten können (z. B. Handover-Management-Informationen). Um diese Informationen zu übertragen, werden Verkehrsinformationen entfernt und durch das Signalisierungsmuster ersetzt.
• SDCCH (Stand alone Dedicated Control Channel): Der dedizierte Signalisierungskanal, der zur Übertragung von Informationen verwendet wird für:
  • Ein-/Ausschalten des Mobiltelefons
  • Einrichtung von Anrufen
  • Senden/Empfangen von Kurznachrichten
  • Standortaktualisierung (Location Update) usw.

3.2.2 GSM-Burst-Formate

Der Burst ist die Sendeeinheit in der GSM-Kommunikation. Die Übertragung eines Bursts erfolgt im temporären Speicher für den jeweiligen Zeitschlitz. Es gibt verschiedene Typen, die sich nach ihrer Dauer unterscheiden, z. B. der Normal-Burst und der Zugriffs-Burst.

Die Gruppe von Bits, aus denen ein Burst besteht, setzt sich aus mehreren Bereichen zusammen: den Nutzdaten-Bits, einer Trainingssequenz und den Tailbits (Schwanzbits), die alle Null sind und am Anfang und Ende des Bursts hinzugefügt werden, um Effizienzverluste bei der Demodulation der Nutzbits an den Enden zu verhindern.

Die Trainingssequenz ist eine Folge von Bits, die Sender und Empfänger bekannt ist. GSM definiert acht Trainingssequenzen. Das Signal, das durch die Übertragung dieser Sequenz entsteht, ermöglicht es dem Empfänger, den Übertragungskanal abzuschätzen und eine Kanalentzerrung durchzuführen.

Die definierten Burst-Formate sind:

• Zugriffs-Burst: Wird im Uplink in den frühen Phasen einer Kommunikation verwendet, wenn die Signallaufzeit zwischen Sender und Empfänger noch unbekannt ist. Er ist daher ein kurzer Burst. Dieser Burst wird im RACH-Kanal verwendet.
• S- und F-Bursts: Werden in den FCCH- bzw. SCH-Kanälen verwendet. Dienen der Synchronisation des mobilen Endgeräts mit der Basisstation.
• Normal-Burst: Ein langer Burst, der in allen anderen Fällen verwendet wird.

Normal-Burst

Der Normal-Burst enthält zwei Pakete mit je 58 Informations-Bits, eines auf jeder Seite der 26-Bit-Trainingssequenz. Zusätzlich werden an jedem Ende des Bursts 3 Tailbits hinzugefügt.

Die Trainingssequenz wird in die Mitte des Bursts eingefügt, um den Abstand zwischen ihr und den am weitesten entfernten Informations-Bits zu minimieren. Der einzige Nachteil dieser Platzierung ist die Notwendigkeit, das erste Datenbit des Bursts auf der Empfängerseite für die spätere Entzerrung zu speichern.

GSM hat acht verschiedene Trainingssequenzen definiert, um das Signal der laufenden Kommunikation von störenden Signalen, die empfangen werden könnten, zu unterscheiden. Zu diesem Zweck sind die Trainingssequenzen so konzipiert, dass die Korrelation zwischen ihnen minimiert wird.

Zugriffs-Burst

Der Zugriffs-Burst ist der einzige kurze Burst, der in GSM definiert wurde. Er enthält eine Trainingssequenz von 41 Bit, 36 Informations-Bits und 7 bzw. 3 Tailbits, die am Anfang bzw. Ende des Bursts platziert werden. Die Trainingssequenz ist in diesem Fall größer als im vorherigen, um die Wahrscheinlichkeit einer korrekten Demodulation zu erhöhen. Hier wird nur eine einzige Trainingssequenz verwendet, da die Wahrscheinlichkeit von Interferenzen gering ist.

S-Burst

Dieser Burst wird im Downlink für den SCH-Kanal verwendet und enthält eine Trainingssequenz von 64 Bit, zwei Blöcke von je 39 Informations-Bits und zwei Blöcke von je 3 Tailbits am Anfang und Ende des Bursts.

F-Burst

Er ist der einfachste von allen und besteht aus 148 Bits, die alle Null sind. Die 148 Bits sowie die in GSM verwendete Modulation wandeln den F-Burst in ein reines Sinussignal um. Dies ermöglicht es mobilen Endgeräten, die Frequenzliste jeder umgebenden Basisstation einfach abzustimmen.

3.2.3 Kanalcodierung und Interleaving in GSM

Die Anwendung der Kanalcodierung ist ein großer Fortschritt für die digitale Kommunikation im Vergleich zur analogen Kommunikation. Die Einführung von Redundanz ermöglicht es dem Kanal-Decoder am Empfang, die übertragenen Informationen durch die Korrektur einiger während der Übertragung aufgetretener Fehler wiederherzustellen.

Die Korrekturkapazität des Decoders hängt von der Menge der vom Encoder am Ursprung eingeführten Redundanz sowie von der Komplexität der verwendeten Codierung ab. Dies wirkt sich direkt auf die Schwierigkeit der Implementierung des entsprechenden Decoders aus. Für einen optimalen Betrieb der Kanalcodierung/-decodierung ist es erforderlich, dass alle in den Kanal eingebrachten Fehler zufällig sind. Dies ist in der mobilen Kommunikation aufgrund von Fading-Ereignissen, die das Signal beeinflussen, nicht der Fall. Fehler treten in Bursts auf, wodurch der Kanal ein Gedächtnis erhält.

Der Interleaving/Deinterleaving-Mechanismus (Verschachtelung/Entschachtelung) versucht, das Kanalgedächtnis zu eliminieren, indem er sicherstellt, dass aufeinanderfolgende Quellsymbole unterschiedlichen Dämpfungen unterliegen. Interleaving versucht, Fehler-Bursts zu zerstören, sodass der Kanal-Decoder funktionieren kann. Der Interleaving-Mechanismus ordnet die zu übertragenden Informationen neu an. Wenn der Kanal einen Fehler-Burst erzeugt, führt der Empfänger die umgekehrte Operation durch, trennt die Fehler und erzeugt wiederum eine Flut von Fehlern mit der gleichen Anzahl zufällig verteilter Fehler. Interleaving führt zu einer Verzögerung, die minimiert werden muss, um die Qualität der Echtzeitkommunikation zu gewährleisten.

Interleaving-Systeme und Kanalcodierung in GSM sind für jede der verschiedenen Übertragungsarten spezifisch (siehe Tabelle 3.1). Tabelle 3.1 listet die Modi für die Übertragung der gemeinsamen Kontrollkanäle und die Datenübertragung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf. Für Datenübertragungsdienste werden die Datenübertragungsraten (9,6, 4,8 und 2,4 Kbit/s) mit der Übertragungsrate kombiniert, indem der Overhead des RLP (Radio Link Protocol) hinzugefügt wird (11,2, 6 und 3,6 Kbit/s). Datenblöcke werden am Eingang des Faltungscodierers mit Paritäts- oder Füllbits versehen und anschließend wird eine starke Verschlüsselung auf die resultierenden Ausgangsdatenblöcke angewendet. Schließlich werden diese Datenblöcke gemäß den Vorgaben in Tabelle 3.1 verschachtelt.

Die Übertragung des verschlüsselten Sprachsignals ist in Tabelle 3.1 nicht enthalten, da die Kanalcodierung und das Interleaving hier spezifisch sind. Der GSM-Sprach-Coder arbeitet mit einer Rate von 13 kbit/s. Alle 20 ms wird ein Sprachsegment von 260 verschlüsselten Bits erzeugt. Diese 260 Bits sind in drei Gruppen unterteilt: 50 Bit (Ia), 132 Bit (Ib) und 78 Bit (II). Der Schutz jeder dieser drei Gruppen ist unterschiedlich:

• Gruppe Ia: 50 Bit + 3 Paritätsbits + 4 Füllbits + ½ Faltung = 114 Bits
• Gruppe Ib: 132 Bit + ½ Faltung = 264 Bits
• Gruppe II: 78 Bit ohne Schutz

Insgesamt ergeben sich 456 Bit zur Übertragung in 4 Zeitschlitzen, d. h. 114 Bit pro Zeitschlitz, was den beiden Informationsbereichen von 57 Bit eines Normal-Bursts für die Übertragung über einen TCH/F-Kanal entspricht. In der Praxis erfolgt die Übertragung aufgrund des Interleaving nicht in 4 aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen. Die Verschachtelung des Sprachsignals erfolgt in 8 Gruppen von 57 Bit auf die 456 codierten Bits wie folgt:

0, 8, ... 448 Bits werden in den geraden Zeitschlitzen N übertragen
1, 9, ... 449 Bits werden in den geraden Zeitschlitzen N+1 übertragen
2, 10, ... 450 Bits werden in den geraden Zeitschlitzen N+2 übertragen
3, 11, ... 451 Bits werden in den geraden Zeitschlitzen N+3 übertragen
4, 12, ... 452 Bits werden in den ungeraden Zeitschlitzen N+4 übertragen
5, 13, ... 453 Bits werden in den ungeraden Zeitschlitzen N+5 übertragen
6, 14, ... 454 Bits werden in den ungeraden Zeitschlitzen N+6 übertragen
7, 15, ... 455 Bits werden in den ungeraden Zeitschlitzen N+7 übertragen

Somit enthält jeder Zeitschlitz 2 Bit aus 8 verschiedenen Sprachpaketen, und die Übertragung eines Sprachblocks erfolgt über 8 aufeinanderfolgende Zeitschlitze. Es handelt sich um eine Kombination aus Block- und diagonaler Verschachtelung.