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Die Funktionsweise der GSM-Kommunikation

Beim GSM-Standard handelt es sich technologisch um eine Mischung der Verfahren „Frequency Division Multiple Access“ (FDMA) und „Time Division Multiple Access“ (TDMA) mit einer paketorientierten Nachrichtenübermittlung. Durch Verwendung der beiden Multiplex-Verfahren können mehrere Teilnehmer zur gleichen Zeit auf derselben Frequenz und damit auf demselben Kanal telefonieren. In Europa sind zwei Frequenzbänder für die Mobilfunk-Betreiber freigegeben: im Bereich 900 MHz und im Bereich 1800 MHz.

Im GSM900-Netzwerk steht für die Verbindung vom Mobilteil zur Basisstation (Uplink) der Bereich von 876 bis 915 MHz zur Verfügung, für die Verbindung von der Basisstation zum Mobilteil der Bereich von 921 bis 960 MHz. Der Kanalabstand beträgt 200 kHz. In Deutschland liegt der Frequenzbereich des GSM900-Netzes im Bereich von 890 bis 915 MHz für den Uplink sowie von 935 bis 960 MHz für den Downlink (GSM1800-Netz: 1710 bis 1785 MHz für Uplink, 1805 bis 1880 MHz für Downlink). Ergo ergeben sich je 124 Kanäle für den Up- und den Downlink. Jeder Kanal ist wiederum in acht Nutzkanäle unterteilt, die den Teilnehmern im Rahmen des TDMA-Verfahrens zu bestimmten Zeiten zugeteilt werden. Die Zeitdauer eines TDMA-Rahmens beträgt 4,615 ms, wobei der Rahmen in acht Zeitschlitze von je 0,577 ms gesplittet ist. Diese entsprechen den Nutzkanälen mit jeweils 156,25 Bit übertragener Daten.

Werden alle 0,577 ms 156,25 Bit Daten gesendet, entspricht dies einer Übertragungsrate von 270,797 kBit/s. Um diese rund 271 000 Bit auf dem 200-kHzbreiten Frequenzband zu senden, ist ein Modulationsverfahren erforderlich. GSM verwendet zu diesem Zweck das Gaussian Minimum Shift Keying – kurz GMSK: Eine Phasenmodulation mit konstanter Amplitude, bei der pro Symbol 1 Bit übertragen wird. Um die Datenrate zu erhöhen, setzt die neuere Betriebsart EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) eine 8-PSK Phasenumtastung (Phase Shift Keying) ein, so dass sich pro Symbol 3 Bit übertragen lassen.

Bei acht Zeitschlitzen pro TDMARahmen und einer Bruttodatenrate von 270,797 kBit/s pro Kanal steht jedem Zeitschlitz eine Bruttodatenrate von 33,9 kBit/s zur Verfügung. Von dieser Datenrate sind 9,2 kBit/s für die Synchronisierung des Teilnehmers abzuziehen, womit eine Nettodatenrate von 24,7 kBit/s verbleibt. Die Nettodatenrate teilt sich in einen logischen Kanal von 1,9 kBit/s (Control Channel) und einen Sprachkanal von 22,8 kBit/s (Traffic Channel) auf. Bei Mehrwegekanälen tritt „Fading“ auf, was sich bei bewegten Empfängern in Form von Schwankungen in der Empfangsfeldstärke äußert und somit zu Verbindungsverlusten und zu Bündel- oder Bitfehlern führen kann. Um die Fehler im Empfänger zu korrigieren, müssen Codierverfahren auf die Nutzdaten angewendet werden. Durch eine Kanalcodierung sinkt abermals die Nettodatenrate für den Sprachkanal (Traffic Channel), und zwar von 22,8 auf 13 kBit/s. Entsprechendes gilt für die in den USAverwendeten GSM850- sowie GSM1900-Netzwerke. Diese unterscheiden sich vom GSM900- respektive GSM1800-Netz lediglich durch den genutzten Frequenzbereich.

Kommunikationsverfahren im Mobilfunknetz

Im GSM-Mobilfunknetz gibt es mehrere Möglichkeiten der Datenübertragung. Mit der GSM-Wählverbindung steht beispielsweise ein Verfahren zur Verfügung, das nur einen Zeitschlitz des TDMA-Rahmens verwendet. Kommt aus Gründen der Verbindungssicherheit eine aufwendige Codierung zum Einsatz, sind von der eingangs errechneten Nettodatenrate von 13 kBit/s pro Zeitschlitz nur noch 9,6 kBit/s nutzbar. Die GSMWählverbindung, die der Vorgehensweise der Modem-Wählverbindung entspricht, findet immer dann Verwendung, wenn nur sporadisch größere Datenmengen von der dezentralen Steuerung an die Leitzentrale gesendet oder wenn aufgrund von Wartungsarbeiten Software-Updates auf die dezentrale Steuerung gespielt werden müssen.

Aufbauend auf der GSM-Modem-Verbindung nutzt GPRS mehrere Zeitschlitze pro Teilnehmer und erreicht eine höhere Nettodatenrate. Derzeit unterstützen die meisten Mobilfunk-Betreiber bis zu vier Zeitschlitze für den Download und bis zu zwei Zeitschlitze für den Upload. Bei einer Nettodatenrate von 13 kBit/s pro Zeitschlitz ergibt sich eine maximale Nettodatenrate von 52 kBit/s für den Download und 26 kBit/s für den Upload. Dies setzt allerdings voraus, dass tatsächlich vier Zeitschlitze pro Teilnehmer für den Download reserviert sind – was in der Praxis allerdings selten der Fall ist. Die Erfahrung zeigt, dass als Planungsgrundlage der halbe theoretische Maximalwert einer GPRS-Verbindung angenommen werden sollte. Diese Datenübertragungs-Geschwindigkeit reicht zudem vollkommen aus, um Prozessdaten an eine zentrale Leitstelle zu übermitteln oder auf den steuerungs-internen Web-Server zuzugreifen.

Nicht zuletzt kann die Datenübertragung via Mobilfunk per Short Message Service (SMS) erfolgen. Die kurzen Textmeldungen, die ursprünglich für Service-Zwecke des Mobilfunk-Betreibers gedacht waren, sollten über den logischen Kanal (Control Channel) mit einer Nettodatenrate von 1,9 kBit/s gesendet werden. Aufgrund der wachsenden Beliebtheit dieses Übertragungsverfahrens werden SMS mittlerweile aber auch über den Sprachkanal (Traffic Channel) verschickt.

Günter Herkommer, Computer&AUTOMATION

Autor

Michael Gulsch ist tätig im Bereich System-Marketing Automatisierung bei Phoenix Contact Electronics, Bad Pyrmont.

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