Aufgaben:Aufgabe 5.1Z: GSM–System/E–Band

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Der seit ca. 1992 in Europa etablierte Mobilfunkstandard GSM (Global System for Mobile Communications) nutzt gleichzeitig Frequenz– und Zeitmultiplex, um mehreren Teilnehmern die Kommunikation in einer Zelle zu ermöglichen.

Nachfolgend sind einige Charakteristika des GSM–Systems in etwas vereinfachter Form angegeben. Eine genaue Beschreibung finden Sie im Kapitel 3 des LNTwww–Fachbuches „Beispiele von Nachrichtensystemen”. Im Gegensatz zur Aufgabe A1.1 wird hier der Download–Bereich des E–Netzes betrachtet.

• Das Frequenzband des Downlinks (darunter versteht man die Verbindung von der Basis– zur Mobilstation) liegt im Frequenzbereich zwischen 1805 MHz und 1880 MHz. Unter Berücksichtigung der Guard–Bänder an den beiden Enden (je 100 kHz) steht somit für den Uplink eine Gesamtbandbreite von 74.8 MHz zur Verfügung.
• Dieses Band wird von insgesamt $K_F$ Teilkanälen (Radio Frequency Channels) genutzt, die mit einem jeweiligen Abstand von 200 kHz frequenzmäßig nebeneinander liegen. Die Nummerierung geschieht mit der Laufvariablen $k_F$.
• Der Frequenzbereich für den Uplink (die Verbindung von einer Mobilstation zur Basisstation) liegt um 95 MHz unterhalb des Downlinks und ist sonst in genau gleicher Weise wie dieser aufgebaut.
• Jeder dieser FDMA–Teilkanäle wird gleichzeitig von KT Teilnehmern per TDMA (Time Division Multiple Access) genutzt.
• Jedem Teilnehmer steht im Abstand von 4.62 Millisekunden ein Zeitschlitz der Dauer T ≈ 577 μs zur Verfügung. Während dieser Zeit müssen die (näherungsweise) 156 Bit übertragen werden, die das Sprachsignal unter Berücksichtigung von Datenreduktion und Kanalcodierung beschreiben.

Hinweis: Diese Aufgabe bezieht sich auf die theoretischen Grundlagen von Kapitel 1.1 dieses Buches sowie auf das Kapitel 5.1.

Fragebogen

1

Wieviele Teilkanäle entstehen durch Frequenzmultiplex?

$K_F$ =

2

Welche Mittenfrequenz $f_M$ hat der Radio Frequency Channel im Downlink mit der laufenden Nummer $k_F = 100$?

$f_M (k_F = 100)$ = $MHz$

3

Welcher Uplink–Kanal (Nummer $k_F$) benutzt die Frequenz 1750 MHz?

$K_F$ =

4

Wieviele Teilkanäle entstehen durch Zeitmultiplex?

$K_T$ =

5

Wieviele Teilnehmer K können beim GSM/E–Netz gleichzeitig aktiv sein?

$K$ =

6

Wie groß ist hierbei die Brutto–Bitrate?

$R_B$ = $Kbit/s$

Musterlösung

Musterlösung

1. Aus der Gesamtbandbreite 74.8 MHz und dem Kanalabstand 200 kHz folgt $K_F = 374$.

2. Die Mittenfrequenz des ersten Kanals liegt bei 1805.2 MHz. Der mit „RFCH100” bezeichnete Kanal liegt um 99 · 200 kHz = 19.8 MHz höher: $$f_{\rm M} = 1805.2 \,\,{\rm MHz } + 19.8 \,\,{\rm MHz } \hspace{0.15cm}\underline {= 1825 \,\,{\rm MHz }}.$$

3. Um die Überlegungen zur Teilaufgabe b) nutzen zu können, transformieren wir die Aufgabenstellung in den Downlink. Der gleiche Kanal mit der Kennung $k_F$, der im Uplink die Frequenz 1750 MHz nutzt, liegt im Downlink bei 1845 MHz. Damit gilt $$k_{\rm F} = 1 + \frac {1845 \,\,{\rm MHz } - 1805.2 \,\,{\rm MHz } }{0.2 \,\,{\rm MHz }}\hspace{0.15cm}\underline { = 200}.$$

4. In einem TDMA–Rahmen der Dauer 4.62 Millisekunden können $K_T = 8$ Zeitschlitze mit jeweiliger Dauer $T = 577 μs$ untergebracht werden. $K_T = 8$ wird bei GSM auch tatsächlich verwendet.

5. Mit den Ergebnissen aus a) und d) erhält man: $$K = K_{\rm F} \cdot K_{\rm T} = 374 \cdot 8 \hspace{0.15cm}\underline {= 2992} .$$

6. Während der Zeit T = 577 μs müssen 156 Bit übertragen werden. Damit stehen für jedes Bit die Zeit $T_B = 3.699 μs$ zur Verfügung. Daraus ergibt sich die Bitrate $$R_{\rm B} = \frac {1 }{T_{\rm B}} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 270 \,\,{\rm kbit/s }}.$$ Diese Brutto–Bitrate beinhaltet neben den das Sprachsignal beschreibenden Datensymbolen auch die Trainigssequenz zur Kanalschätzung und die Redundanz zur Kanalcodierung. Die Netto–Bitrate beträgt beim GSM–System für jeden der acht Benutzer nur etwa 13 kbit/s.