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GPRS Funktionsweise

Hierbei wird der Datendienst GPRS im Rahmen von GSM betrachtet.

Beim Einschalten einer Mobilstation wird eine Synchronisation durchgeführt. Hierbei empfängt die Mobilstation Broadcast-Daten mittels den logischen konventionellen GSM-Signalisierungskanal FCCH (Frequency Correction Channel). Dazu werden die Informationen im GSM-SCH (Synchronisation Channel) ausgewertet. Diese ermöglichen die Identifikation einer BTS und beinhalten Informationsdaten zur Rahmensynchronisation einer Mobilstation. Anhand der spezifischen Funknetzorganisationsinformationen kann eine Mobilstation die Entscheidung treffen, mittels GSM oder GPRS Signalisierungskanälen den Zugriff auf die Luftschnittstelle bereitzustellen.

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GPRS Funktionsweise

Hierbei wird der Datendienst GPRS im Rahmen von GSM betrachtet.

Funktionsaufbau
Abbildung 3.1 Funktionsaufbau

Beim Einschalten einer Mobilstation wird eine Synchronisation durchgeführt. Hierbei empfängt die Mobilstation Broadcast-Daten mittels den logischen konventionellen GSM-Signalisierungskanal FCCH (Frequency Correction Channel). Dazu werden die Informationen im GSM-SCH (Synchronisation Channel) ausgewertet. Diese ermöglichen die Identifikation einer BTS und beinhalten Informationsdaten zur Rahmensynchronisation einer Mobilstation. Anhand der spezifischen Funknetzorganisationsinformationen kann eine Mobilstation die Entscheidung treffen, mittels GSM oder GPRS Signalisierungskanälen den Zugriff auf die Luftschnittstelle bereitzustellen.

Als nächstfolgender Schritt wird die GPRS Attach Procedure ausgeführt, bei der eine logische Verbindung zwischen der Mobilstation und dem SGSN aufgebaut wird. Damit Daten von der Mobilstation versendet werden können, muss diese dem GGSN bekannt sein. Das GGSN ermöglicht wiederum eine Anbindung an externe Datennetze. Diese Aufgabe wird durch die Aktivierung des PCP-Context (Packet Data Protocol Context) realisiert. Hierbei kann z. B. IP mittels des PCP-Context aktiviert werden. Es ist dabei möglich, dass mehrere unabhängige PCP-Contexte aktiviert werden können. Im IP-Bereich ist dies vergleichbar mit der Beantragung mehrerer Adressen im Datennetz. In diesem Punkt werden zudem die Parameter der Dienstgüte ausgehandelt. Ab diesem Zeitpunkt ist eine transparente Datenübertragung mittels Tunneling und Encapsulation der zu übermittelnden Nutzdaten möglich.

Wenn der genaue Aufenthaltstort der Mobilstation nicht bekannt ist, wird eine Paging-Nachricht an alle Mobilstationen der betreffenden Funkzelle gesendet. Die betreffende Mobilstation antwortet auf diese Nachricht.

Suche von Mobilstationen

Suche von Mobilstationen

Der Datenverkehr des GPRS mit jeweiligen Kanälen und deren Daten-übertragungen bzw. Signalisierungen werden mittels des PDCH transportiert.

Zuteilung der Kanäle
Die GPRS- und GSM-Dienste nutzen gemeinsam die GSM-Funkressourcen. Der Vorteil von GPRS gegenüber GSM ist jedoch, dass die Ressourcen hierbei nur beim tatsächlichen Versenden bzw. Empfangen von Daten belegt werden.

Zuteilung der Kanäle

Zuteilung der Kanäle

Die Aufteilung der Kanäle erfolgt bei GSM und GPRS dynamisch und ist abhängig von der Verkehrslast des Systems bzw. der Priorität der Dienste bzw. Applikationen. Für eine paketvermittelnde Datenübertragung können bis zu 8 Zeitschlitze genutzt werden, wobei der Up- bzw. Downlink separat zugewiesen werden. Die Abbildung 3.3 illustriert ein GSM-TDMA Frame bei dem zwei Zeitschlitz für GPRS zugewiesen wurde. So ein physikalischer Kanal wird als PDCH (Paket Data Channel) bezeichnet. Die dynamische Zuweisung solcher PDCHs kann mittels Master- und Slave-PDCH realisiert werden. Der Master wird für eine lange Zeitspanne bzw. auf Dauer festgelegt. Der Slave hingegen ist auf eine kurze zeitliche Dauer begrenzt. Die Struktur der logischen Datenkanäle des GPRS ähnelt der des durchschaltvermittelten GSMs. GSM wurde bei GPRS mit einem Verkehrskanal dem Packet Data Traffic Channel (PDTCH) erweitert. Somit kann die Mobilstation mehrere dieser PDTCHs gleichzeitig nutzen. Dies bedeutet eine Bündelung von Zeitschlitzen, um so eine Übertragungsrate zu erhöhen.

Nachfolgend wird die zuvor aufgezeigte Abbildung mittels mehreren Kanalzuweisungen aufgezeigt:

Zuteilung von 3 Kanälen

Zuteilung von 3 Kanälen

3.3 Kanalkodierung
Die GPRS-Technik definiert für die Luftschnittstelle 4 verschiedene Kodierungsverfahren. Diese Verfahren setzen auf den logischen PDTCH auf, welcher die Nutzdaten überträgt. Bei den Signalisierungskanälen wird grundsätzlich das Kodierungsschema CS-1 angewandt. Die Verkehrskanäle hingegen wählen ihr Kodierungsschema dynamisch und den Kanaleigenschaften angepasst.

Kodierungsschema

Kodierungsschema

Bei hervorragenden Empfangskonditionen kann auf die Faltungscodierung verzichtet werden. Dabei stellt der PDTCH eine Datenrate von 21,4 kbit/s bereit. Bei der möglichen Bündelung von 8 PDTCHs ist somit ein theoretischer Maximalwert von 171,2 kbit/s für die Datenrate möglich. Bei schlechteren Empfangskonditionen wird auf weitere Kodierungsschemata zurückgegriffen. So kann CS-3 mit 15,6 kbit/s oder CS-2 mit 13,4 kbit/s eingesetzt werden.

Die Nettodatenraten sind somit von der Qualität des Funkkanals abhängig. Dieser bestimmt dahingehend das Kodierungsschema. Hierbei spielt die Verfügbarkeit möglicher Zeitschlitze eine große Rolle, da eine Zuteilung von Ressourcen die Grundlage der Technik darstellt. Die Beziehung von Paketgrößen und Overhead, sowie eine Notwendigkeit von möglichen Sendewiederholungen beeinflussen zudem die Nettodatenraten.

3.4 Management

Das Management der GPRS-Technik setzt sich aus 2 Mechanismen zusammen.

Mobility Management
Das Mobility Management berücksichtigt den wichtigen Aspekt der Mobilität im zellularen Mobilfunknetz. Nach dem Einschalten einer Mobilstation wird das Mobility Management für das Informieren des GPRS-Netzes über Anwesenheit der Mobilstation und deren Rechte genutzt. Diesem Einbuchen, welches mittels der GPRS Attach Procedure realisiert wird, steht dem Mobility Management auch ein Abmelden, welches mittels der GPRS Detach Procedure realisiert wird, zur Verfügung. Zudem wird der Aufenthaltsort der Mobilstation verfolgt, um so ein Routing beim Empfangen und Senden von Daten zu ermöglichen.

In einem GSM-Netz werden dem GPRS-Teilnehmer 3 mögliche Zustände des Mobility Management definiert.
– IDLE
o Mobilstation ist GPRS-Netz unbekannt und nicht erreichbar
o es laufen keine Prozeduren ab

– Ready
o Mobilstation nimmt an Mobility Management teil
o Mobilstation ist GPRS-Netz bekannt und somit erreichbar

– STANDBY
o Mobilstation ist eindeutig lokalisiert
o Mobilstation ist für das Senden und Empfangen betriebsbereit

Die Abbildung 3.6 illustriert die aufgezeigten Zustände grafisch.

Zustandsschema

Zustandsschema

Die Zustände des Moblity Management beziehen sich auf den Aktivierungsgrad einer Mobilstation. Abhängig von diesen Aktivitäten werden die Aktualisierungen des Aufenthaltsortes der Mobilstation realisiert.

Das Mobility Management bildet die Grundlage für die 2. Management-Variante.

Session Management
Wie schon dargestellt, benötigt eine Mobilstation einen PDP-Contex, bevor ein Senden bzw. Empfangen von Daten ausgeführt werden kann. Das Session Management organisiert dahingehend die möglichen Zustände dieser PDP-Contex. Nachdem die Mobilstation dem SGSN bekannt ist (Mobility Management), muss das GGSN von deren Anwesenheit informiert werden. Dabei beantragt die Mobilstation eine bzw. mehrere Adressen des Paketnetzes. Jede dieser Adressen kann mittels einem bzw. mehreren PDP-Contex dargestellt werden. So ist eine unabhängige Aktivierung, Deaktivierung bzw. Modifizierung der einzelnen PDP-Contex möglich. Für jeden PDP-Contex sind 2 Zustände definiert, was in der Abbildung 3.7 dargestellt wird.

Zustand PDP-Contex

Zustand PDP-Contex

INACTIVE
– Datendienste der PDP-Adresse nicht aktiviert
– PDP-Contex beinhalten keine Routing-Informationen
– Datenübertragung in diesem Zustand nicht möglich

ACTIVE
– PDP-Contex in Mobilstation, SGSN und GGSN aktiviert
– PDP-Contex beinhaltet Routing-Informationen
– Datenübertragung in diesem Zustand möglich

Der Zustand ACTIVE ist nur in den Managementzuständen STANDBY und READY möglich. INACTIVE hingegen nur in dem Managementzustand IDLE.

Das Management der GPRS-Technik steuert mit dessen verschiedenen Zuständen somit die Kommunikation bzw. Kommunikationsbereitschaft der Mobilstationen.

Zusammenfassend ist GPRS ein Quantensprung zu GSM, denn hierbei wird eine Anbindung von IP-basierenden Netzwerken (z. B. Internet) und eine Erhöhung der Datenrate geschaffen.

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