Wie funktioniert eigentlich ein Mobilfunknetz? Teil 5, auf Kante genäht – EDGE

Im 4. Teil der Mobilfunk-Reihe haben wir gelernt, wie das GSM-Netz mit GPRS fit für das Internet gemacht wurde, aber die Datenraten waren mit maximal unter 64 kbit/s recht bescheiden und so fassten die digitalen Netzdienste anfangs auch nicht so richtig Fuß. Angesichts steigender Bitraten im Festnetz wurde der Ruf nach schnelleren Datenraten im Mobilfunk rasch lauter, damit man mit Laptops über das Funknetz annähernd so arbeiten konnte wie am heimischen DSL-Router, der damals schon 500 kbit/s bis 2 Mbit/s über die Leitung ziehen konnte. Das Problem war jedoch, dass GSM/GPRS übertragungstechnisch ausgereizt war. Man nutzte bereits mehrere Zeitschlitze pro User, bis zur Hälfte der Kapazität einer kompletten Zellfrequenz bei Multislotklasse 12. Was konnte man tun, um noch mehr Bits über den Kanal zu jagen?

Um das zu verstehen, müssen wir uns an dieser Stelle ein wenig mit der Übertragung der Bits über den Funkkanal beschäftigen.

Wie kommen die Bits auf den Kanal?

Wer ein Radio hat, dem dürfte geläufig sein, dass es FM und AM gibt (wobei FM einen tollen Stereoklang hat und AM eher bescheidene Tonqualität). Die beiden Abkürzungen stehen für die englischen Begriffe Frequency Modulation und Amplitude Modulation, und sie beschreiben, ganz anders als die deutschen Begriffe UKW und MW, die sich auf die von den Radiosendern ausgesendeten Radiofrequenzbereiche beziehen, das verwendete Modulationsverfahren, das heißt, wie man das Nutzsignal auf das Radiosignal aufbringt (wie man es moduliert).

Ein Radiosignal besteht zu allererst aus einer Trägerwelle (engl. Carrier). Das ist eine sinusförmige Schwingung einer bestimmten Frequenz, die im Sender von einem Schwingkreis erzeugt wird und deren elektrisches Feld die Elektronen in der Antenne hin und her scheucht. Die wechselnde Bewegungsrichtung der Elektronen in der Antenne sorgt dafür, dass ihr elektromagnetisches Feld als Trägerwelle in den Raum ausgesendet wird. Auf die Frequenz der Trägerwelle wird wiederum der Empfänger abgestimmt: die Elektronen in dessen Antenne werden vom Wechselfeld der Welle in Schwingungen versetzt, was einen Wechselstrom erzeugt, der den Empfänger-Schwingkreis in Resonanz mitschwingen lässt, wenn dieser auf die richtige Frequenz abgestimmt ist. Somit kann die Schwingung enorm verstärkt werden.

Amplitudenumtastung – Amplitude Shift Keying (ASK)

Wie kann man damit nun Daten senden? Im einfachsten Fall schaltet man den Sender im Takt der Bits ein und aus, dann kann man einen einfachen Morsecode übertragen. Das Verfahren gibt es tatsächlich, es nennt sich On-Off Keying  (OOK). Bei der Amplitudenmodulation variiert man den Pegel der Welle (also ihre Hüllkurve) mit dem zu übertragenden Signal und damit ist AM bereits beschrieben. AM ist ein analoges Modulationsverfahren, mit dem beliebige Signalformen übertragen werden können (etwa Audio, Musik und Sprache). OOK ist ein digitales Verfahren, da es nur zwei diskrete Zustände (an/aus) kennt; im Deutschen spricht man dann von Umtastung, im Englischen von Keying. Insbesondere spricht man von Amplitudenumtastung (Amplitude Shift Keying, ASK), wenn man die Amplitude zur Darstellung digitaler Werte umtastet. Man kann (und sollte) zwischen zwei Amplituden ungleich Null umschalten, dann hat man eine kontinuierliche Trägerwelle, auf die man den Empfängerschwingkreis synchronisieren kann. Und man kann natürlich auch zwischen 4, 8 und mehr Amplituden umtasten, so dass man auf einen Schlag 2, 3 oder mehr Bits überträgt. Denn mit 2 Amplituden lassen sich die Werte 0 und 1 übertragen, mit 4 die Werte 00, 01, 10 und 11 (also alle Kombinationen aus 2 Bits), mit 8 entsprechend 3 Bits (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111) etc.

Wie man am AM-Radio hört, ist dieses Verfahren jedoch anfällig für Störungen. Rauschen im Empfänger addiert sich zum Signal, elektrische Pulse aller möglichen Störquellen (Blitze, Elektromotoren, Funkenquellen wie Zündkerzen im Ottomotor) tun das ebenso. Deswegen moduliert man bevorzugt andere Größen der Trägerwelle.

Frequenzumtastung – Frequency Shift Keying (FSK)

Neben der Amplitude ist die Trägerwelle durch eine Frequenz gekennzeichnet, und die kann man ebenfalls modulieren oder umtasten. Die analoge Variation der Frequenz ist die oben genannte Frequenzmodulation, die bei UKW-Radio zum Einsatz kommt. Bei binärer Umschaltung zwischen 2 oder mehr Frequenzen spricht man von Frequenzumtastung (Frequency Shift Keying, FSK). Und damit ist man schon nahe am GSM-Signal.

Es ist allerdings suboptimal, einfach wild zwischen zwei Frequenzen hin- und herzuschalten, wie es gerade die Bitrate vorgibt. Dann bricht man nämlich die aktuelle Welle bei irgendeiner zufälligen Phasenlage ab und beginnt die Welle der anderen Frequenz diskontinuierlich bei einer anderen Phase (Bild, oben).

Frequency Shift Keying (FSK) und Continuous Phase Frequency Shift Keying (CPFSK). Letzteres schont Bandbreite. Bild: Autor, PD.

Ähnlich wie man beliebige nichtperiodische Funktionen durch Polynome annähern kann, kann man periodische Funktionen durch eine Summe aus Sinuswellen approximieren. Versucht man solche Phasensprünge wie im Bild in der oberen Kurve durch Sinuswellen anzunähern, braucht man unendlich hohe Frequenzen. Das heißt umgekehrt, wenn man solche Signale erzeugt, treten sehr hohe Frequenzen auf, die weit von der Trägerfrequenz entfernt sind und andere Träger stören. Diese kann man vermeiden, wenn man die Phase kontinuierlich ändert (2. Bildhälfte). Das Verfahren heißt Continuous Phase Frequency Shift Keying (CPFSK).

Auch CPFSK ist noch nicht völlig frei von Störungen in Seitenbändern (hier gibt es eine Diskontinuität in der Steigung der Kurve). Eine spezielle Variante von CPFSK ist Minimum Shift Keying (MSK): Dabei wird die Differenz der beiden Frequenzen, zwischen denen umgetastet wird, genau halb so groß ist wie die Bitrate (was dazu führt, dass man z.B. genau eine Wellenlänge für die 0 und anderthalb für die 1 verwendet, siehe Bild).

Minimum Shift Keying (MSK) und Gaussian-filtered Minimum Shift Keying (GMSK). MSK verwendet zwei Frequenzen, deren Differenz der Hälfte der Bitrate entspricht (hier: die “0” benötigt eine Wellenlänge, die “1” bei gleicher Dauer anderthalb, d.h. die Frequenz der “1” ist 1,5mal so hoch wie die der “0”, die Differenz also 0,5 mal die Frequenz zur Darstellung der “0”, die wiederum der Bitrate entspricht, weil die Dauer eines Bits genau eine Wellenlänge der “0” ist). GMSK glättet zusätzlich die Übergänge zwischen den Frequenzen. Dies unterdrückt Seitenbandstörungen. Bild: Autor, PD.

Damit packt man ein Maximum an Bits auf den Kanal. Um mehrere Trägerfrequenzen wie die GSM-Unterbänder möglichst dicht zu packen, glättet man den einkommenden Bitstrom noch mit einem Gaußfilter (glockenförmige Durchlasskurve über die Frequenzen) um dem Rechtecksignal die Kanten abzuschleifen, und moduliert damit die Trägerfrequenz, ein Verfahren dass als  Gaussian-filtered Minimum Shift Keying (GMSK) bezeichnet wird. Bei GMSK gehen die Einsen und Nullen fließend ineinander über, es gibt keine Sprünge in Phase oder Frequenz und somit ein Minimum an Seitenbandstörungen.

GSM verwendet GMSK mit einer Bitrate von 270,833 kbit/s und einer Frequenzutastung zwischen Trägerfrequenz ± 67,7083 kHz (d.h. die Differenz der umgetasteten Frequenzen ist 2·67,7083 kHz = 135,4165 kHz = 0,5·270,833 kbit/s).

Phasenumtastung – Phase Shift Keying (PSK)

Schließlich hat eine Trägerwelle auch noch eine Phasenlage, die man zur Bitdarstellung verwenden kann. Die Phasenlage beschreibt eine (aus Sicht der Antenne) zeitliche Verschiebung der Welle. Man lässt Amplitude und Frequenz konstant und bildet verschiedene Symbole (einzelne oder Gruppen von Bits) mit verschiedenen Phasenlagen der Welle ab. Ausschlaggebend ist die Phasenlage zu Beginn eines Symbols. Anhand des folgenden Bildes für binäres und quaternäres PSK (BPSK, QPSK) sollte das Konzept klar werden:

Binary und Quaternary Phase Shift Keying (BPSK, QPSK). Es wird zwischen verschiedenen Phasen der gleichen Frequenz umgetastet. Rechts im Bild Konstellationsdiagramme, die die verwendeten Phasenwinkel für die zu übertragenden Symbole anzeigen. Bild: Autor, PD.

Bei BPSK wird also ein Bit mit 2 verschiedenen Phasen (hier 0° und 180°) codiert, bei QPSK sind es 2 Bit (auch Dibits genannt) und 4 Phasen. Rechts im Bild sind sogenannte Konstellationsdiagramme dargestellt, mit denen sich die verwendeten Phasen in kompakter Weise darstellen lassen. Sie geben die Punkte an, bei der die Sinuswelle am Beginn des Symbols ansetzt (etwa bei 45° oder π/4 für das Dibit 00 oben im Bild).

Natürlich hat man hier wieder unerwünschte harte Sprünge zwischen den Phasenübergängen, die man durch nachgeschaltete Glättungsfilter abrundet, um weniger Seitenbandstörungen zu verursachen. Zur Decodierung kommt es nämlich weniger auf die exakte Phase beim Wechsel des Symbols an, sondern darauf, wie die Welle insgesamt in Bezug auf eine Referenzwelle verschoben ist, die der Empfänger aus dem Trägersignal rekonstruiert (Carrier Recovery).

BPSK ist eines der am wenigsten störanfälligen Modulationsverfahren und wird daher meist auf Funkstrecken mit schwachem Signal angewendet (z.B. bei Raumsonden und Satelliten). QPSK ist nur geringfügig störanfälliger und erreicht die doppelte Übertragungsrate.

Womit wir bei EDGE wären: EDGE stopft einfach 3 Bits in ein Symbol (Tribits). Dazu verwendet es 8-PSK. Das Konstellationsdiagramm für 8-PSK sieht folgendermaßen aus:

Konstellationsdiagramm für das von EDGE verwendete 8-PSK. Die Anordnung der Tribits erfolgt nach einem Gray-Code, der dafür sorgt, dass benachbarte Symbole sich nur in einem Bit unterscheiden. Bild: Wikimedia Commons, Splash, CC BY-SA 3.0.

Verwendet man wie im Bild einen Gray-Code, bei dem benachbarte Symbole sich nur in einem Bit unterscheiden, dann ergibt ein fehldetektiertes Symbol in den meisten Fällen nur einen einzelnen Bitfehler (und nicht gleich bis zu drei), den man mit geeigneten Fehlersicherungcodes problemlos reparieren kann.

Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM)

Schließlich noch ein letztes wichtiges Modulationsverfahren, die Quadratur-Amplitudenmodulation (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). QAM kombiniert Amplituden- und Phasenumtastung und kann damit Symbole großer Länge codieren.

In der Bezeichnung des Verfahrens ist aus historischen Gründen nicht die Rede von “Umtastung”, weil es auch analoge Versionen des Verfahrens gibt, z.B. beim alten analogen TV-Signal, das mittlerweile der Geschichte angehört. Das Schwarzweiß-Signal verwendete eine Amplitudenmodulation und die Farbinformation des später erfundenen Farbfernsehens wurde diesem als Phasenmodulation überlagert – so konnte man eine Signalform schaffen, die mit alten Schwarzweiß-Fernsehern abwärtskompatibel war.

Die Motivation für QAM ist einfach zu verstehen: bei 8-PSK liegen die Symbole in der Phasenlage schon relativ eng zusammen und wenn das Empfangssignal verrauscht ist, besteht die Gefahr, dass man ein Symbol mit seinem Nachbarn verwechselt. Das ist bei 16-PSK noch schlimmer, deshalb ordnet man die Quadbits (Gruppen aus 4 Bits) im Konstellationsdiagramm von 16-QAM anders an:

Konstellationsdiagramm für 16-QAM. Neben der Phase wird zusätzlich die Amplitude (Abstand der Punkte vom Achsenkreuz-Mittelpunkt) moduliert, was den Abstand der Symbole vergrößert und die Verwechslungsgefahr bei verrauschtem Signal entsprechend verringert Bild: Wikimedia Commons, Splash, CC BY-SA 3.0.

Man tastet die Trägerwelle also bei 16-QAM zwischen verschiedenen Phasen und Amplituden um, und kann so 4 Bits mit einem einzigen Wellenzug versenden. Wenn man sich übrigens das Diagramm für 4-QAM veranschaulicht, wird man feststellen, dass es mit dem von QPSK identisch ist, deswegen läuft QPSK auch unter dieser Bezeichnung.

Das lässt sich natürlich noch weiter steigern: LTE und HSPA (eine UMTS-Weiterentwicklung) setzen unter anderem 16-QAM und 64-QAM (6 Bits pro Symbol) ein, LTE-Advanced und WLAN nach IEEE 802.11ac 256-QAM (8 Bits pro Symbol). Zukünftig wird es Systeme mit 1024-QAM, 2048-QAM und 4096-QAM (12 Bits pro Symbol) geben.

Wenn man immer mehr Bits in ein Symbol packt, spricht man von einer Erhöhung der Bandbreiteneffizienz, weil man mit dem gleichen Trägersignal auf diese Weise mehr Daten übertragen kann. Aber nichts im Leben ist umsonst: Der Preis, den man für hohe Bandbreiteneffizienz zahlen muss, ist die Notwendigkeit eines hohen Signal-Rausch-Abstands, denn das Rauschen führt dazu, dass das Signal im Konstellationsdiagramm zu streuen beginnt (siehe Artikelbild) und sich damit die Wölkchen um die Konstellationspunkte zu überlappen beginnen, was Übertragungsfehler verursacht. Das heißt, man kann solche hohen Modulationsgrade nur fahren, wenn das Signal sehr stark und das Rauschen gering ist. Deswegen verwenden die genannten Mobilfunksysteme auch nicht nur einen Modulationsgrad, sondern in Abhängigkeit von der Signalqualität wird ein mehr oder weniger hoher Grad gewählt, und man arbeitet sich üblicherweise beim Verbindungsaufbau von niedrigem Grad schrittweise hoch bis die Bitfehlerrate keine weitere Erhöhung zulässt. Hohe Modulationsgrade werden ansonsten auf Richtfunk- und Kabelstrecken verwendet, auf denen das Rauschen besonders gering ist. In Glasfasern werden ihre optischen Pendants verwendet.

Der EDGE-Standard

Was man bei EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) gegenüber GPRS geändert hat, war im Wesentlichen (mit entsprechenden Anpassungen im Netz) die Bandbreiteneffizienz zu erhöhen, indem man drei Bits in ein übertragenes Symbol packte: EDGE erweiterte GPRS einfach um die 8-PSK-Modulation, die bei guter Übertragungsqualität genutzt werden kann. Dann werden die entsprechenden Slots auf 8-PSK umgeschaltet und so die Übertragungsgeschwindigkeit gegenüber GPRS verdreifacht.

Natürlich verwendet EDGE auch weiterhin die GPRS-Multislotklassen und so sind in 4 gebündelten Slots maximal 236 kbit/s (ohne Fehlersicherung) möglich. Ist die Signalqualität hingegen schlecht, dann fällt EDGE auf die alten GPRS-Raten zurück, die alle noch im EDGE-Standard enthalten sind, und in einem GSM-Rahmen können GMSK- und 8-PSK-Slots für verschiedene Teilnehmer bunt gemischt auftreten. Also nicht wundern: wenn man nur ein Klötzchen EDGE-Empfang angezeigt bekommt, dann kriegt man auch nur langsames GPRS.

Zusätzlich zum erhöhten Modulationsgrad wurden noch Verbesserungen bei der Fehlersicherung eingeführt, z.B. fehlerkorrigierende Codes, und die Art, wie die Daten über aufeinanderfolgende Slots verstreut werden (Interleaving). Von den Verbesserungen profitierte auch HSCSD mit entsprechend erhöhten Geschwindigkeiten.

Die Veränderungen im Netz beschränkten sich weitgehend auf die Basisstationen (BTS), so dass EDGE ein verhältnismäßig einfaches Upgrade des Netzes ermöglichte.

Eine weitere Entwicklungsstufe folgte mit Evolved EDGE (oder EDGE Evolution), bei der man die Modulation noch einmal um 16-QAM und 32-QAM erweiterte und im Downlink den parallelen Betrieb über zwei Frequenzen unterstützte (DownLink Dual Carrier, DL DC) was noch einmal einen Faktor von bis zu 8 an Geschwindigkeitszuwachs ermöglichte. Damit kam man auf theoretische bis zu 1,9 Mbit/s, wobei in der Praxis eher 1 Mbit/s realistisch waren. Damit war das GSM-Netz, in das die Netzbetreiber Milliarden investiert hatten und das sie deswegen nicht so leicht durch vollkommen andere Technik ersetzen konnten, ziemlich ausgereizt. Damit war nun ein Technologieumbruch notwendig.

Dazu mehr im nächsten Teil der Serie.

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