Grundlagen GSM-Netz

Im Jahre 1982 trafen sich 26 Europäischen Vertreter der Telekommunikationsverwaltungen und verabschiedeten zwei bedeutende Beschlüsse. Zu einem bildeten sie eine Gruppe zur Entwicklung von Standards für das europaweite zellulare Mobilfunknetz. Diese Gruppe arbeitete unter dem Namen "Groupe Spécial Mobile". Zum anderen wurde eine Empfehlung zur Reservierung von zwei Frequenzblöcken im 900 MHz-Band verabschiedet.

Dadurch wurde der unkontrollierten Entwicklung eigenständiger nationaler Mobilfunksysteme entgegengetreten.

Im Jahr 1987 wurde das Memorandum of Understanding (MoU) verabschiedet. Dies enthält die Richtlinien und Vorgaben zur Errichtung eines GSM-Netzes. Nach und nach schlossen sich über 27 Netzbetreiber aus 18 Ländern diesem MoU an. In diesem MoU wurden die Grundlagen des Mobilfunknetzes beschrieben. Im März 1989 übernahm die ETSI (European Communication Standard Institue) die Koordination der GSM-Tätigkeiten. Zu diesem Zeitpunkt wurde aus der ursprünglichen Groupe Spécial Mobile die Global System for Mobile Communication.

Der Tele- und Trägerdienst

Von Anfang an war in dem MoU zwei hauptsächliche Dienste vorgesehen, und zwar die Teledienste (Sprachübertragung, SMS und Faxübertragung) und die Trägerdienste (leitungsvermittelte, asynchrone, Daten-übertragung). Zuerst wurde hauptsächlich der Teledienst aufgebaut. In den Jahren 1994 und 1995 wurde von dem beiden deutschen Betreibern Mannesmann Mobilfunk und DeTeMobil der Trägerdienst vollständig ausgebaut.

Aber warum wird zwischen Tele- und Trägerdienst unterschieden?

Im herkömmlichen Telefonnetz steht dem Anwender ein Kanal mit einer bestimmten Bandbreite für Gespräche oder Datenübertragung zur Verfügung. Der Kanal ist unabgängig vom Dienst. Für eine Übertragung eines Gespräches ist im ISDN eine Datenrate von 64 kBit/s nötig, um den Frequenzbereich der menschlichen Sprache von 400 Hz bis 3400 Hz mit einer Abtastrate von 8 kHz bei 8 Bit Auflösung zu übertragen.

Sendefrequenzen

Das D-Netz arbeitet in einem Sendefrequenzbereich von 900 MHz, jede Verbindung (also ein Funkkanal) hat zwei Funkrichtungen, in Uplink- und Downlink-Richtung. Dieses Uplink- und Downlinkpaar haben einen Frequenzabstand von 45 MHz (dies ist der Duplexabstand). Insgesamt gibt es 124 solcher Funkkanäle, wobei zwischen zwei benachbarten Kanälen jeweils ein Kanalabstand von 200 kHz eingehalten wird. Der erste Kanal beginnt bei 890.2 MHz (uplink) bzw. 935.2 MHz (890.2 MHz+45MHz) (downlink).

Abbildung 1: Duplexabstand zwischen Uplink- und Downlinkfrequenzen

Die Übertragung von Gesprächen geschieht also auf mehreren Frequenzen gleichzeitig, dies ist ein simples Frequenzmultiplex-Verfahren mit dem Namen Frequency Division Multiple Access (FDMA).

Zeitschlitze

Jeder dieser Frequenzträger wird nun aber noch weiter in 8 sogenannte "Zeitschlitze" (time slots) unterteilt, dadurch entstehen also acht physikalische Kanäle; dieses Verfahren zum zerteilen der Frequenzträger nennt man Time Division Multiple Access (TDMA), es ist ein Zeitmultiplex-Verfahren:

Abbildung 2: Ein zerteilter Frequenzträger im TDMA-Verfahren

Die Abfolge von 8 Timeslots nennt man auch  TDMA-Rahmen (oder einfach "Frame") und sie dauert 4,615ms (Pulsfrequenz also 217 Hz); ein Zeitschlitz somit 4,615/8 = 0,576875ms. Die in diesem Zeitintervall übertragenen Daten bezeichnet man als Burst, im GSM sind es 156,25 Bit (1 Bit = 3,692 µs).

Abbildung 3: TDMA-Burst

 Kompressionsverfahren

Im Endeffekt stehen einem Teilnehmer in einem Zeitschlitz 22 kBit/s zur Übertragung von Daten und Sprache zur Verfügung, aber durch aufwendige Steuerungsaufgaben reduziert sich die tatsächlich nutzbare Bitrate auf 13 kBit/s. Zudem ist die Fehleranfälligkeit auf dem Übertragungsweg Luft sehr hoch. Durch diese Rahmenbedingungen mußte man sich ein verlustbehaftetes Kompressionsverfahren einfallen lassen, um irrelevante Sprachanteile zu erkennen und wegfallen zu lassen. Aufgrund der unvermeidbaren Bitfehler auf der Luftschnittstelle sollte der (De-) Komprimierungsalgorithmus auf der Empfängerseite auch dann noch in der Lage sein, ein annehmbares Signal zu erzeugen, wenn einzelne Bits verfälscht bzw. ganze Datenpakete verloren gehen. Denn aufgrund der Echtzeitübertragung kann ein Datenpaket nicht neu angefordert werden. Durch langwierige Hörtests wurde aus der Kombination dreier Verfahren ein Algorithmus gebildet. Dieser hat die schwierige Abkürzung RPE/LTP-LPC (Regular Pulse Excitation/Long Term Prediction - Linear Predictive Coding). Zusätzlich wurde eine höchstkomplizierte Sprechpausenerkennung (Voice Activity Detection, VAD) integriert. Diese versucht Sprechpausen zu erkennen und für diesen Zeitraum die Datenübertragung abzuschalten. Damit der Empfänger nicht durch die Funkstille irritiert wird, wird beim Empfänger ein passendes künstliches Rauschen simuliert. Da meistens nicht beide Gesprächspartner gleichzeitig sprechen, kann allein schon 50 % der (Duplex-)Bandbreite gespart werden. In der Praxis pendelt sich der Einsparungswert auf 35% bis 45% ein. Dies spart nebenbei sogar noch Akkuleistung, da ja in der Pause nicht gesendet wird.

Abbildung 4: Der Ablauf einer Kodierung

Das digitalisierte Signal wird durch einen Prozessor in viele 20ms Häppchen zerlegt. Diese Sprachhäppchen werden nach bestimmten Sprachmodellen analysiert und dann synthetisiert. Daher ergibt sich bei der Übertragung von Sprachsignalen im GSM immer eine Verzögerung von mind. 20ms. Dieses auf 13 kbps komprimierte Signal wird nun mit einigen wichtigen Redudanz- und Prüfsummen versehen. Die Bandbreite erweitert sich dadurch wieder auf 22.8kbps. Da durch dieses komplizierte Verfahren das ursprüngliche Signal so zerlegt und verfremdet wird (z. b. durch weglassen von unwichtigen Frequenzbereichen), hat man nicht mehr die Gewißheit, daß ein bestimmtes vom Sender gesendetes Signal in der ursprünglichen Form beim Empfänger ankommt. Der Empfänger decodiert ein dem gesendeten ähnliches Signal. Daher kommt es zum einem technischen Problem für das herkömmliche Modem: Ein Modem nutzt den Frequenzbereich des Übertragungskanals relativ gleichmäßig aus, das aber setzt ein überwiegend konstantes Übertragungsverhalten des Kanals voraus. Ein GSM-Sprachkanal bietet aber nicht diese Voraussetzungen.