Datenübertragung GSM und GPRS Dipl. Ing. Ulrich Borchert Fach: Mobile Computing HS Merseburg (FH)...

DatenübertragungGSM und GPRS

Dipl. Ing. Ulrich Borchert

Fach: Mobile Computing HS Merseburg (FH)

Quelle: Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme; Sauter; Vieweg Verlag

2Datenübertragung ▪ Dipl. Ing. Ulrich Borchert ▪ HS Merseburg (FH)

• ist ein Netzwerkelement

• bindet das Mobilteil an das GSM System (Netzwerk)

• Die theoretische Reichweite liegt bei 35 km.

• Ein Grund für die größere Dichte in städtischen

Gebieten liegt in der begrenzten Anzahl von Nutzern,

die eine BTS abdecken kann.

Base Transceiver Station (BTS)


• Damit eine BTS mit mehreren Teilnehmern gleichzeitig

kommunizieren kann, wird zum einen das

Frequenzmultiplex (Frequency Division Multiple Access

[FDMA]) angewendet. Das bedeutet die gleichzeitige

Nutzung mehrerer Frequenzen pro Zelle.

Luftschnittstelle (Air Interface) ▪ Frequenzmultiplex


• Zum anderen wird auch das Time Division Multiple

Access (TDMA, Zeitmultiplex) verwendet.

• Auf einer Trägerfrequenz mit 200 kHz Bandbreite

können bis zu 8 Teilnehmer gleichzeitig kommunizieren.

• Auf dem Träger werden dazu 4.615 ms lange Frames

übertragen.

• Jeder Frame enthält 8 voneinander unabhängige

physikalische Zeitschlitze (Timeslots).

Luftschnittstelle (Air Interface) ▪ Zeitmultiplex


• Ein Zeitintervall eines Timeslots wird Burst genannt und

beträgt genau 577 µs.

• Ein Endgerät, das einen Timeslot zugewiesen bekommt,

darf denselben Timeslot im nächsten Frame zum

Senden und Empfangen nutzen.

Luftschnittstelle (Air Interface) ▪ Zeitmultiplex


Burst


• Eine von einer BTS versorgten Zelle wird in Sektoren

aufgeteilt, die mit mehreren Frequenzen arbeiten.

Kapazitätbetrachtung

Sektor


• Eine Zelle gliedert sich in 3 Sektoren auf.

• Jeder Sektor nutzt 2 Frequenzen.

• Bei 8 Timeslots je 2 Frequenzen ergibt das 16

Timeslots.

• Für Signalisierungsaufgaben müssen 2 Timeslots

abgezogen werden, für GPRS-Aufgaben weitere 4

Slots.



• Da es 3 Sektoren a 10 Timeslots gibt, kann eine

Basisstation praktisch 30 Kanäle zur Verfügung stellen.

• Die Netzbetreiber rechnen allerdings so, dass ein

Gespräch nicht länger als eine Minute dauert. Das heißt,

es könnten in einer Stunde 60 Teilnehmer

kommunizieren; a 30 Kanäle macht das 1800

Teilnehmer pro Stunde.



Burstaufteilung


• Jeder GSM Burst beginnt und endet mit der Guard Time,

ein Bereich, der keine Daten enthält.

• Dieser Bereich soll Überlappungen verhindern, die

entstehen, wenn die Daten eines weiter entfernteren

Mobilfunkteilnehmers die BTS später erreichen als die

eines näheren Mobilfunkteilnehmers.

Burstaufteilung ▪ Guard Time


• Diese Pausenzeiten sind allerdings kurz, da eine aktive

Sendezeitreglung (Timing Advance) diese

Unterschiede weitestgehend reguliert.

Timing Advance


• Die Regelung erfolgt dabei in den Schritten von 0 bis

63.

• Pro Schritt kann die Entfernung zur BTS um 550 Meter

angepasst werden.

• Die maximale Distanz beträgt also

64 x 550 m = 32,5 km.

• In der Praxis wird das selten erreicht, weil die Stationen

in besiedelten Gebieten näher zusammen liegen.

Timing Advance


• Das Timing Advance beginnt schon bei dem Zugriff des Mobilteils auf das Netzwerk mit der Channel Request Nachricht. Diese nutzt einen kürzeren Burst mit wenigen Nutzdaten, aber längerer Guard Time.

• Die BTS misst die zeitliche Verzögerung und übergibt den Timing Advance Wert an den BSC (Base Station Controller). Dieser wird bestätigt und mit der Nummer des zugeteilten Signalisierungskanal an die BTS zurückgeschickt.

• Im Laufe der Kommunikation wird der Timing Advance Wert öfters korrigiert und dem BSC übermittelt.

Timing Advance


• Sie dient der Fehlerkorrektur. Es handelt sich dabei um

ein gleichbleibendes Bitmuster.

• Da es während der Übertragung zu physikalischen

Effekten kommen kann, die die ursprüngliche Nachricht

verzerren, ist dieses Muster notwendig, um den Fehler

auf der Empfängerseite wieder auszugleichen. Somit

können die Originaldaten rekonstruiert werden.

Burstaufteilung ▪ Training Sequenz


• Am Anfang und Ende eines Bursts steht ein weiteres

bekanntes Bitmuster. Dieses dient zur korrekten Erkennung

des Beginns und des Endes eines Bursts. Die Felder werden

Tail genannt.

• Die eigentlichen Nutzdaten, wie die digitalisierte Sprache,

werden in 2 Feldern übertragen (vor und nach der

Trainingssequenz).

• Die Länge eines Feldes beträgt 57 bit.

• Ein Burst überträgt insgesamt 114 bit.

Burstaufteilung ▪ Tail / Nutzdatenfelder


• Diese Flags (2 bit pro Flag) befinden sich direkt vor und

nach der Trainingssequenz.

• Sind die Flags gesetzt, befinden sich keine Nutzdaten in

den Datenfeldern, sondern wichtige Signalisierungsdaten.

• Wenn Signalisierungsinformationen übertragen werden

(auch wenn diese klein sind), werden keine Nutzdaten

übertragen.

• Ein Mischen ist nicht vorgesehen.

Burstaufteilung ▪ Stealing Flags


• Zur Übertragung von Nutzdaten und

Signalisierungsdaten werden die Zeitschlitze in logische

Kanäle eingeteilt.

• Ein Nutzdatenkanal für digitale Sprachdaten ist z.B. ein

logischer Kanal.

• Normalerweise werden die ersten beiden Kanäle für

Signalisierungsinformationen verwendet, die restlichen 6

für Nutzdaten oder GPRS.

Logische Kanäle


Logische Kanäle


Logische Kanäle werden in 2 Gruppen eingeteilt:

• Sind die Daten nur für einen Nutzer bestimmt, handelt es

sich um einen Dedicated Channel.

• Sind die Daten für mehrere Nutzer, wird dieser Kanal

Common Channel genannt.

Logische Kanäle


• TCH (Traffic Channel)

ist ein Nutzdatenkanal in GSM für Sprache und

leitungsvermittelnde Datendienste mit bis zu 14,4 kbit/s

oder 9,6 kbit/s für Faxübertragungen.

• FACCH (Fast Associated Control Channel)

wird auf dem gleichen Timeslot wie TCH übertragen.

Auf ihn werden dringende Signalisierungsnachrichten wie

Handover Befehle übertragen.

Weil FACCHs selten sind, wird kein eigener Burst

benötigt.

Logische Kanäle ▪ Dedicated Channel


Nutzdaten werden aus dem TCH entfernt und die

FACCH-Daten werden eingesetzt.

Zur richtigen Erkennung werden die Stealing-Flags

gesetzt.



• SACCH (Slow Associated Contol Channel)

Diese Daten haben keine hohe Priorität. Daher werden

nur wenige Bursts verwendet.

Im Uplink werden bei einer aktiven Verbindung

Messergebnisse über die Signalpegelmessung der

aktiven und benachbarten Zelle dem Netzwerk

zugesendet. Diese Ergebnisse dienen zur Handover-

Entscheidung.

Im Downlink werden dem Mobilteil Befehle zur

Leistungsregulierung sowie Informationen für die Timing

Advance Regulierung gesendet.



• SDCCH (Standalone Dedicated Control Channel)

ist ein reiner Signalisierungskanal, der während des

Gesprächaufbaus verwendet wird, solange einem

Teilnehmer noch kein eigener TCH zugeordnet ist.

Es gibt auch Dienste, die nicht zum Aufbau eines

Gesprächs führen (SMS). Dieser Kanal wird dann dazu

benutzt, um ein Location-Update durchzuführen, eine

SMS zu senden oder zu empfangen.



• SCH (Synchronization Channel)

wird von den Endgeräten zur Netzwerk- und Zellsuche

benutzt.

• FCCH (Frequency Correction Channel)

wird unter anderem von den Endgeräten zur Kalibrierung

ihrer Sende- und Empfangseinheiten genutzt.

• BCCH (Broadcast Common Control Channel)

überträgt eine Vielzahl von Systeminformationen

(SYS_INFO) an alle inaktiven Teilnehmer im Netz (Idle

Mode).

Logische Kanäle ▪ Common Channel


Zu diesen Nachrichten gehören Mobile Country Code

(MCC) und Mobile Network Code (MNC) der Zelle.

Außerdem besteht die Identifikation der Zelle aus dem

Location Area Code (LAC) und der Cell ID.

Um die Suche nach Nachbarzellen zu vereinfachen,

werden auf dem BCCH die verwendeten Frequenzen der

Nachbarzellen übertragen.

Das Mobiltelefon muss nicht das Frequenzband nach

der Nachbarzelle absuchen.



• PCH (Paging Channel)

wird verwendet, um nicht aktive Teilnehmer bei

eingehenden Anrufen oder SMS-Nachrichten zu rufen

(pagen).

Wichtigster Teil dieser Nachricht ist seine IMSI

(International Mobile Subscriber Identity) oder eine

temporäre ID, die TMSI (Temporary Mobile Subscriber

Identity). Diese kann zur Sicherheit vom Netzwerk nach

Netzwerkzugriffen geändert werden.



• RACH (Random Access Channel)

ist der einzige Common Channel, der vom Mobiltelefon

zum Netzwerk geht.

Der RACH wird verwendet, wenn entweder die Nachricht

eingeht, dass ein anderer Teilnehmer kommunizieren

will, oder wenn der Nutzer zum Zweck der

Kommunikation selbst eine Verbindung (Channel

Request) wünscht.

Wenn seitens des Netzwerkes ein dedizierter Kanal

(SDCCH) zur Verfügung gestellt wird, kann

kommuniziert werden.



Da der Zugriff „zufällig“ ist, kann es zu Kollisionen

kommen, wenn sich ein weiterer Teilnehmer in die Zelle

gleichzeitig einbucht.

Kommt es zu einer Kollision, wird die RACH-Nachricht

zerstört und der Vorgang wiederholt sich nach einiger

Zeit (Wartezeit beim Einloggen in ein Netz).



• Ein Teilnehmer erhält nach der RACH-Nachricht auf

dem AGCH (Access Grant Channel) eine Immediate

Assignment Nachricht.

• Diese Nachricht enthält Informationen, die SDCCH

oder TCH der Teilnehmer verwenden darf.

• Es muss noch erwähnt werden, dass es leere Bursts

gibt, die unter anderem Messungen der Signalstärke

enthalten.



• Um Interferenzen möglichst gering zu halten, ist ein

Leistungsmanagement notwendig.

• Die BSC kontrolliert während einer Verbindung die

Sendeleistung eines jeden Teilnehmers.

• Die Berechnung erfolgt mit Hilfe der

Signalqualitätsmessung der BTS.

• Vorteil der Leistungsregulierung sind höhere

Akkulaufzeiten.

Leistungsregelung


• In der Praxis wird eine Leistungsanpassung alle 1-2

Sekunden durchgeführt.

• Beim Verbindungsaufbau wird mit einer hohen

Sendeleistung begonnen, die schrittweise reduziert wird.

• Es wird nach Leistungsklassen für Endgeräte mit 900

MHz und Endgeräte mit 1800 MHz unterschieden.

• Die maximale Sendeleistung für Endgeräte mit 900 MHz

beträgt 2 W und die für 1800 MHz 1W.

Leistungsregelung


Leistungsregelung

• Nebenstehende

Tabelle gibt die

einzelnen Power

Level wieder.


• Die Angaben beziehen sich auf die Leistung, die

während einer Übertragung in einem Timeslot von einem

Mobiltelefon erreicht wird.

• Da das Mobiltelefon aber nur in einem von 8 Timeslots

sendet, ist der Wert für die gemittelte Leistung, die

angegebene Leistung, durch 8 zu teilen.

• Die durchschnittliche maximale Sendeleistung beträgt

also 250 mW.

Leistungsregelung


• Der Aufbau eines Sprachkanals wird sowohl für ein

abgehendes, wie auch für ein ankommendes

Gespräch immer von der MSC bei der BSC beantragt.

• Nachdem sich MSC und Endgerät über die

Signalisierungsverbindung (SDCCH) über den Aufbau

einer Sprachverbindung verständigt haben, schickt die

MSC wie in folgender Abbildung (Folie 36) gezeigt,

eine Assignment Request Nachricht an die BSC.

Aufbau eines Sprachkanals


• Die BSC überprüft daraufhin, ob in der gewünschten

Zelle ein freier Traffic Channel (TCH) vorhanden ist und

aktiviert diesen in der BTS.

• Danach wird das Endgerät über den SDCCH

benachrichtigt, dass ein TCH für die weitere

Kommunikation zur Verfügung steht.

• Das Endgerät wechselt dann auf den TCH und FACCH

und sendet ein SABM-Frame zur BTS.



• Diese sendet daraufhin ein DA-Frame als Bestätigung

über die korrekte Verbindungsaufnahme an das

Endgerät zurück.

• Danach sendet das Mobiltelefon ein Assignment

Complete an die BSC zurück, die diese Nachricht auch

an die MSC weitergibt.



• Festlegung des Übertragungsmodus (set asychronous

balanced mode [SABM]) durch die Mobilstation MS und

einer weiteren Bestätigung (unnumbered

acknowledgement [UA])

• Durch die Basisstation BS wird das Protokoll für den

angeforderten Service innerhalb der Verkehrsbeziehung

festgelegt.



• Aufgrund von Messergebnissen trifft die BSC bei Bedarf die Entscheidung, in welche Zelle ein Handover erfolgen soll.

• Dazu wird als erstes in der neuen Zelle ein TCH aktiviert.

• Danach schickt die BSC dem Endgerät über die alte Zelle ein Handover Command über den Fast Associated Control Channel (FACCH).

• Wichtige Informationen in dieser Nachricht sind die neue Frequenz und die Nummer des Timeslots des neuen TCHs.

Handover


• Das Endgerät ändert dann seine Sende- und

Empfangsfrequenz, synchronisiert sich ggf. mit der

neuen Zelle und sendet in vier aufeinander folgenden

Bursts des Timeslots eine Handover Access Nachricht.

• Im fünften Burst des Timeslots wird eine SABM

Nachricht gesendet.

• Hat die BTS den Handover korrekt erkannt, schickt diese

eine Establish-Indication-Nachricht zum BSC und eine

DA-Nachricht zum Endgerät.

Handover


• Die BSC kann daraufhin die Sprachverbindung in die neue

Zelle schalten.

• Aus Sicht des Endgeräts ist der Handover damit beendet.

• Die BSC muss jedoch noch den TCH in der alten Zelle

abbauen und dem MSC eine Nachricht über den erfolgten

Handover schicken. Diese Nachricht ist jedoch nur

informativ und hat auf der MSC keinen Einfluss auf den

weiteren Verbindungsablauf.

Handover


Handover


• GPRS ist in der Ressourcenzuteilung flexibler als GSM.

• Es werden analog zu GSM ebenfalls TCH verwendet, die aber

hier PDTCH (Packet Data Traffic Channel) genannt werden.

• Die Größe eines PDTCH ist mit einem Block, bestehend aus 4

Bursts, definiert.

• Das Netzwerk entscheidet über die Vergabe des nächsten

Blocks. Er kann demselben Teilnehmer oder einem anderen

zugewiesen werden.

Ressourcenzuteilung bei GPRS


Ressourcenzuteilung bei GPRS


• Die Größe eines Handys wird heutzutage nicht mehr durch

die Größe der elektronischen Bauelemente bestimmt,

sondern durch die notwendige Größe der Bedienteile

Tastatur und Display.

• Durch die Miniaturisierung der elektronischen

Bauelemente können immer weitere Features in ein

Mobilteil integriert werden.

• Alle Mobiltelefone haben jedoch ähnliche folgende

Grundarchitektur…

Mobile Station


Grundarchitektur


• Kern eines jeden Mobilhandys ist der Baseband

Prozessor, der eine RISC-CPU und eine DSP (digitaler

Signalprozessor) enthält.

• RISC-Prozessoren werden bei GSM und UMTS-Handys

eingesetzt. Dabei kommen beispielsweise ein ARM-7

Prozessor mit 50 MHz Taktfrequenz zum Einsatz.

• Ein multitaskingfähiges Echtzeit-Betriebssystem ist auf

Grund der zu bewältigenden Aufgaben notwendig.

RISC-Einheit


• Verarbeitung der Informationen, die auf den

Signalisierungskanälen (BCCH, PCH, AGCH etc.) empfangen

werden

• Gesprächssignalisierung

• GPRS-Management und GPRS-Daten

• Teile der Datenübertragungskette: Kanalkodierer

• Mobility Management (Netzwerksuche, Location Update,

Handover, Timing Advance. etc.)

RISC-Einheit ▪ Aufgaben


• Kommunikation mit externen Schnittstellen wie

Bluetooth, RS-232, IrDA, USB

• Userinterface (Tastatur, Display, Bedienungssoftware)

RISC-Einheit ▪ Aufgaben


CPU 8 oder 16 bit CPU

Größe des ROM 40-100 kByte

Größe des RAM 1-3 kByte

EEPROM Größe 16-64 kByte

Taktfrequenz 10 MHz wird aus Mobiltelefontakt generiert

Betriebsspannung 3 V - 5 V

• Die SIM-Karte ist mehr als nur eine Speicherkarte. Auf

ihr ist ein kompletter Microcontroller und dessen

Basisdaten in folgender Tabelle dargestellt.

SIM-Karte


SIM-Karte

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