Beispiele von Nachrichtensystemen/Allgemeine Beschreibung von GSM

1. Beispiele von Nachrichtensystemen
2. GSM – Global System for Mobile Communications
3. Allgemeine Beschreibung von GSM

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# ÜBERBLICK ZUM DRITTEN HAUPTKAPITEL #

Der momentan (2011) weltweit führende Mobilfunkstandard ist GSM – Global System for Mobile Communications. Dieser wurde Ende der 1980er Jahre entwickelt und arbeitet vollständig digital. Er wird 2011 in mehr als 200 Ländern genutzt, vorwiegend zum Telefonieren über das Handy, daneben aber auch für Kurzmitteilungen (SMS) sowie für mobile leitungs– bzw. paketvermittelte Datenübertragung (HSCSD, GPRS, EDGE).

Dieses Kapitel beinhaltet im Einzelnen:

• die allgemeine Beschreibung von GSM mit wichtigen Begriffsdefinitionen,
• die Funkschnittstelle von GSM und deren logische und physikalische Kanäle,
• die wichtigsten Sprachcodierverfahren zur Datenkomprimierung,
• das Gesamtübertragungsmodell von GSM zur Sprach– und Datenübertragung,
• die bei GSM angewandte Kanalcodierung mit Interleaving und Verschlüsselung, und
• die Weiterentwicklungen von GSM wie HSCSD, GPRS und EDGE.

Entstehung und Historie von GSM

Der GSM–Standard wurde um 1990 mit dem Ziel eingeführt, ein einheitliches paneuropäisches mobiles Telefonsystem und –netz anbieten zu können. Die Nutzung zur Datenübertragung stand zunächst nicht im Mittelpunkt, wurde aber seitdem durch Zusatzspezifikationen hinsichtlich Datenrate stetig verbessert.

Nachfolgend einige Daten zur historischen Entwicklung von GSM:

1982   Bei der „Conférence Européenne des Postes et Télécommunications” (CEPT) wird die Groupe Spécial Mobile – abgekürzt GSM – eingerichtet.

1987   Es wird eine Kooperation zwischen 17 zukünftigen Betreibern aus 15 europäischen Ländern gebildet und mit der GSM–Spezifikation begonnen.

1990   Die Phase 1 der GSM 900-Spezifikation (für 900 MHz) wird abgeschlossen und es beginnt die Anpassung für das System DCS 1800 (Digital Cellular System) um die Frequenz 1.8 GHz.

1992   Die meisten europäischen GSM-Netzbetreiber beginnen den kommerziellen Betrieb, zunächst nur mit Sprachdiensten. Ende 1992 sind bereits 13 Netze in sieben Ländern „on air”.

1995   Die Phase 2 der GSM-Standardisierung beginnt. Diese beinhaltet Daten, SMS-Roaming, Fax sowie Anpassungen für GSM/PCS1900, das im gleichen Jahr in den USA ans Netz geht.

1999   Mit der Einführung von WAP (Wireless Application Protocol) wird es erstmals möglich, Inhalte des Internets und andere interaktive Dienstangebote auf Mobilgeräte zu übertragen.

2000   Die Erweiterung GPRS (General Packet Radio Service) verbessert und vereinfacht zudem den drahtlosen Zugang zu paketvermittelten Datennetzen wie IP– oder X.25–Protokolle.

2000   Mit der Phase 2+ wird gleichzeitig EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) eingeführt, womit die Datenrate gegenüber GPRS etwa um den Faktor 3 gesteigert werden kann.

2006   Bis zum Jahr 2006 ist die Zahl der Netzbetreiber in 213 Ländern/Gebieten weltweit auf 147 angestiegen und es werden mehr als zwei Milliarden Teilnehmer versorgt. Allein in Deutschland gab es Ende 2005 schon mehr als 70 Millionen GSM–Handys.

Die derzeit (2011) eingesetzten GSM-Standards sind:

• GSM 900:   Frequenzbereich um 900 MHz (D–Netze, in Deutschland TD1, Vodafone D2),
• GSM/DCS 1800:   Frequenzbereich um 1800 MHz (E–Netze, in Deutschland alle Betreiber),
• GSM/PCS 1900:   Frequenzbereich um 1900 MHz (vorwiegend in den USA eingesetzt).

Zellularstruktur von GSM

Ein Charakteristikum von GSM ist die zellulare Netzstruktur, die für einfache Berechnungen häufig durch Hexagone – also durch Sechsecke – entsprechend der linken Grafik idealisiert beschrieben wird. Dadurch kann ein Versorgungsgebiet mit jeweils einer Basisstation pro Zelle lückenlos versorgt werden, wenn die Reichweite der Basisstation mindestens so groß ist wie der Zellenradius.

Idealisierte und realistische GSM-Zellenstruktur

Aus dieser zellularen Struktur ergeben sich folgende Konsequenzen für das GSM–System:

• Der Zellenradius muss umso kleiner gewählt werden, je größer die Trägerfrequenz ist. Beim D-Netz $(f_{\rm T} ≈ 900 \ \rm MHz)$ beträgt der maximale Zellenradius etwa $35 \ \rm km$, beim E–Netz ist dieser aufgrund der höheren Frequenz $(f_{\rm T} ≈ 1800 \ \rm MHz)$ mit $8 \ \rm km$ deutlich geringer.
• Bewegt sich ein mobiler Teilnehmer in dem Gebiet, so wird er verschiedene Zellen durchqueren und somit mit verschiedenen Basisstationen in Kontakt stehen. Ein nicht zu vernachlässigendes Problem ist das so genannte Handover beim Überqueren einer Zellgrenze während eines Gesprächs.
• Benutzt man in allen Zellen die gleiche Trägerfrequenz, so kann es bei Überreichweiten zu Interzellinterferenzen kommen. Häufig verwendet man deshalb in benachbarten Zellen andere Frequenzen. Im obigen Beispiel werden drei unterschiedliche Frequenzen benutzt, was durch die Farben weiß, gelb und blau angedeutet ist. Diesem Beispiel liegt der Reuse–Faktor 3 zugrunde.

Die rechte Grafik zeigt ein realistischeres Zellen–Layout mit unterschiedlich großen Zellen – je nach Teilnehmerdichte und Geländetopologie.

• Außerdem erkennt man, dass sich die Basisstation nicht immer im Zellenmittelpunkt befinden muss.
• Die Farben „Weiß” und „Rot” haben hier keine besondere Bedeutung.

GSM–Systemarchitektur und –Netzkomponenten

GSM ist ein hierarchisch gegliedertes System verschiedener Netzkomponenten. Es hat zwei wesentliche Bestandteile, die Mobilstationen (MS, Mobilteilnehmer) und das fest installierte GSM–Netz. Eine jede Mobilstation besteht im Wesentlichen aus zwei Einheiten:

• dem Mobile Equipment (ME): Jedem ME ist eine eindeutige Nummer, die so genannte International Mobile Equipment Identity (IMEI) zugeteilt.
• dem Subscriber Identity Modul (SIM): Dieses ist ein kleiner, durch PIN geschützter Prozessor und Speicher, verantwortlich für die Zuordnung der Benutzerdaten und die Authentifizierung.

GSM–Systemarchitektur und –Netzkomponenten

Die Grafik zeigt die Struktur für ein so genanntes Public Land Mobile Network (PLMN) des GSM, also die GSM–Systemarchitektur. Diese ist für die Sprachübertragung ausgelegt, aber auch für die Datenübertragung in eingeschränktem Maße geeignet.

Aus dieser Grafik erkennt man:

• Die Mobilstation (MS) kommuniziert über Funk mit der nächstgelegenen Base Transceiver Station (BTS, Sende– und Empfangsbasisstation).
• Mehrere BTS werden gebietsweise zusammengefasst und sind als Einheit einem Base Station Controller (BSC, Kontrollstation) unterstellt.
• Das Base Station Subsystem (BSS) besteht aus einer Vielzahl von BTS und mehreren BSC. In der Grafik ist ein solches BSS blau–gestrichelt umrandet.
• Jede BSC ist schließlich mit einem Mobile Switching Center (MSC, Vermittlungsrechner) verbunden, dessen Funktion mit einem Vermittlungsknoten im Festnetz vergleichbar ist.

Die fest installierte GSM-Infrastruktur kann in drei Subnetze untergliedert werden:

• dem Base Station Subsystem (BSS, Funknetz-BSS)   ⇒   Näheres siehe nächste Seite,
• dem Switching and Management Subsystem (SMSS, Mobilvermittlungsnetz)   ⇒   Näheres siehe übernächste Seite, und
• dem Operation and Maintenance Subsystem (OMSS, Betrieb und Wartung).

Das Operation and Maintenance Subsystem (OMSS) sorgt für das Einrichten der Teilnehmer, die Überprüfung der Berechtigungen, die Sperrung der Geräte, die Gebührenerfassung, die Wartung der Netzkomponenten sowie die Steuerung des Verkehrsflusses. Es beinhaltet folgende Komponenten:

• Das Operation and Maintenance Center (OMC) – grün umrandet – überwacht einen Teil des gesamten Mobilfunknetzes und löst die Steuerfunktionen des Netzes aus.
• Es unterteilt sich in die beiden Komponenten OMC-B für die Überwachung der Base Station Controller (BSC) und OMC-S zur Kontrolle des Mobile Switching Centers (MSC).
• Die Netzkontrolle kann auch zentralisiert in einem Network Management Center (NMC) erfolgen, das den OMCs übergeordnet ist.

Weitere wichtige Funktionen/Aufgaben des Operation and Maintenance Centers (OMC) sind die Verwaltung des kommerziellen Betriebs, die Netzkonfiguration, das Sicherheitsmanagement und alle Wartungsarbeiten hinsichtlich Hardware und Software.

Base Station Subsystem (BSS)

Die folgende Grafik zeigt im linken Teil ein Base Station Subsystem, abgekürzt BSS. Ein solches Funknetz besteht aus folgenden Netzkomponenten:

• Die Base Transceiver Station (BTS) stellt mindestens je einen Funkkanal für den Nutzverkehr bzw. die Signalisierung bereit. Sie besitzt neben dem HF–Teil (Sende– und Empfangseinrichtung) noch einige Komponenten zur Signal– und Protokollverarbeitung. An die BTS sind eine oder mehrere Antennen angeschlossen, die meist einen 120°–Sektor versorgen.
• Um die Basisstationseinheiten (BTS) klein halten zu können, ist die wesentliche Steuerungs- und Protokollintelligenz oft in den Base Station Controller (BSC) verlagert. Dabei können durchaus auch mehrere BTS von einem gemeinsamen BSC gesteuert werden.
• Bevor das Sprachsignal dem Vermittlungssystem übergeben wird, wandelt die Transcoding & Rate Adaption Unit (TRAU) die Rate des GSM-Sprachsignals von 13 auf 64 kbit/s. Des Weiteren übernimmt die TRAU auch die Ratenanpassung für die Datendienste.

Jeder BTS werden verschiedene Parameter zugeordnet, nämlich:

• Eine oder mehrere Funkzellen werden zu einer Location Area (LA) zusammengefasst. Jede LA erhält eine eigene Kennziffer – den sog. Location Area Identifier (LAI). Dieser wird von der Basisstation auf dem Broadcast Control Channel (BCCH) regelmäßig ausgesendet.
• Dadurch kann jede Mobilstation über die LAI auch ihren aktuellen Aufenthaltsort feststellen. Bei einem Wechsel der Location Area fordert die Mobilstation ein Location Update an.

Weitere Parameter des Base Station Subsystems sind unter anderem:

• die Cell Allocation (CA) zur Zuordnung eines Satzes von Frequenzen zu einer BTS,
• der Cell Identifier (CI) zur Kennzeichnung der einzelnen Zellen innerhalb einer LA, und
• der Base Transceiver Station Identity Code (BSIC) als Kennung der Basisstation.

Switching and Management Subsystem (SMSS)

Das Switching and Management Subsystem (SMSS, deutsch: Mobilvermittlungsnetz) besteht aus den Mobilvermittlungszentren (MSC bzw. GMSC) und verschiedenen Datenbanken (VLR, HLR, AUC, EIR, etc.), wie die nachfolgende Grafik aus zeigt.

Zu dieser Darstellung ist zu bemerken:

• Das Mobile Switching Center (MSC) – also das Mobilvermittlungszentrum – erfüllt die gleichen vermittlungstechnischen Funktionen wie ein Festnetz-Vermittlungsknoten, z.B. die Wegesuche und die Signalwegeschaltung. Zusätzlich muss ein MSC jedoch auch die Mobilität der Teilnehmer berücksichtigen (Aufenthaltsregistrierung, Handover beim Zellwechsel, und einiges mehr).
• Das Gateway Mobile Switching Center (GMSC) ist für die Verbindung zwischen Festnetz – zum Beispiel dem ISDN – und dem Mobilfunknetz verantwortlich. Wird beispielsweise ein Mobilfunkteilnehmer aus dem Festnetz angerufen, so ermittelt das GMSC im HLR (siehe unten) das zuständige MSC und vermittelt den Ruf weiter.

MSC und GMSC haben Zugriff auf verschiedene Datenbanken:

• Das Home Location Register (HLR, deutsch: Heimatregister) ist ein zentrales Register für die Teilnehmerdaten in einem PLMN. Es beinhaltet permanente Daten, aber auch temporäre, die zur Wegesuche für Rufe der eigenen Mobilteilnehmer benötigt werden.
• Das Visitor Location Register (VLR, deutsch: Besucherregister) speichert die Daten aller Mobilstationen, die sich momentan im Verwaltungsbereich des zugehörigen MSC aufhalten, also auch die Teilnehmer anderer Netzbetreiber.
• Das Authentication Center (AUC) ist für die Speicherung von vertraulichen Daten und von Schlüsseln verantwortlich.
• Das Equipment Identity Register (EIR, deutsch: Geräteregister) speichert Seriennummern (International Mobile Station Equipment Identity, IMEI) der angemeldeten Endgeräte.

Zwischen den Datenbanken (VLR, HLR, AUC, etc.) zweier an einer Sprachverbindung beteiligten Mobilvermittlungszentren gibt es einen ständigen Datenabgleich. Hierzu erforderlich sind verschiedene Kennzeichnungen für alle Teilnehmer, zum Beispiel:

• Die Mobile Station Roaming Number (MSRN) ist eine temporäre, aufenthaltsabhängige ISDN-Nummer. Sie wird jeder Mobilstation vom lokal zuständigen VLR zugewiesen und vom HLR auf Anfrage an das GMSC weitergeleitet. Mit Hilfe dieser MSRN werden Rufe zu einer Mobilstation geroutet.
• Die Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI) ist eine weitere Kennnummer, die nur im Gebiet des VLR gültig ist und anstelle der International Mobile Subscriber Identity (IMSI) zur Adressierung einer Mobilstation verwendet wird.

Wir betrachten das Mobilfunknetz eines Betreibers A, dessen Kunde der Teilnehmer 1 ist. Das Visited Location Register von Betreiber A – abgekürzt VLR(A) – enthält Informationen zum genauen Aufenthalt (In welcher Zelle? Welches BTS?) aller Teilnehmer. Für diesen Teilnehmer 1 stimmt der Eintrag im Home Location Register HLR(A) mit VLR(A) überein. So erkennt Betreiber A, dass Teilnehmer 1 sein Kunde ist, und es wird eine Verbindung hergestellt. Der Teilnehmer 2 ist Kunde eines anderen Betreibers B, der sich momentan per „Roaming“ im Netz A befindet. Das Visitor Location Register von Betreiber A – abgekürzt VLR(A) – enthält Informationen zum genauen Aufenthalt des fremden Teilnehmers 2 und eine Kopie von HLR(B) des Betreibers B. Der Betreiber A erkennt so diesen fremden Kunden und erteilt ihm die Freigabe für Roaming in seinem Netz A. Voraussetzung ist allerdings, dass zwischen den Netzbetreibern ein Roaming–Vertrag besteht.

Dienste des GSM

Die GSM-Dienste sind in die drei Kategorien aufgeteilt:

• Bearer Services – Trägerdienste,
• Teleservices – Tele(matik)dienste,
• Supplementary Services – Zusatzdienste.

Träger– und Teledienste fasst man auch unter dem Oberbegriff „Telekommunikationsdienste” zusammen. Deshalb muss jedes Public Land Mobile Network (PLMN) die entsprechende Festnetz–Infrastruktur und eine Netzübergangsvermittlungsfunktion (Interworking Function, IWF) zur Verfügung stellen.

Die Trägerdienste sind für die Datenübertragung grundlegend. Sie stellen die notwendigen technischen Einrichtungen zum gesicherten Transport der Nutzdaten bereit. Zu den reinen Transportdiensten gehören:

• synchrone leitungsvermittelte Datenübertragung (mit 2400, 4800 oder 9600 bit/s),
• asynchrone leitungsvermittelte Datenübertragung (mit 300 oder 1200 bit/s).
• synchrone paketvermittelte Datenübertragung (mit 2400, 4800 oder 9600 bit/s).
• asynchrone paketvermittelte Datenübertragung (mit 300 oder 9600 bit/s).

Die Trägerdienste werden dazu noch in zwei verschiedene Modi unterteilt:

• Im sog. transparenten Modus besteht eine durch Vorwärtsfehlerkorrektur gesicherte Verbindung zwischen Endgerät und MSC. Dieser Modus ist durch eine konstante Bitrate, eine konstante Übertragungsverzögerung und – abhängig vom jeweiligen Kanalzustand – eine schwankende Bitfehlerhäufigkeit gekennzeichnet.
• Dagegen basiert der nichttransparente Modus auf dem Radio Link Protocol (RLP). Durch ein zusätzliches Automatic Repeat Request (ARQ)–Verfahren dieses Protokolls werden Blöcke mit zu vielen Bitfehlern zur Wiederübertragung angefordert, so dass sowohl die Netto–Bitrate als auch die Verzögerung stark von den Übertragungsbedingungen abhängen.

Die zweite Kategorie der GSM-Dienste sind Teledienste. Diese sind Ende-zu-Ende-Dienste, für die in der Regel keine Netzübergangsumsetzung (Interworking Function, IWF) erforderlich ist. In der Grafik bezeichnet „MS–TE“ das Terminal–Equipment der Mobilstation.

Die wichtigsten Teledienste sind:

• der Telefondienst. Dieser Basisdienst für die Übertragung digital–codierter Sprachsignale benutzt eine bidirektionale sowie symmetrische Punkt-zu-Punkt-Verbindung und bietet sog. „Services” an, wie z.B. Anrufumleitung, Anrufsperre und geschlossene Benutzergruppen;
• der Faxdienst, der zur Übertragung der Daten einen transparenten Trägerdienst nutzt;
• der Kurznachrichtendienst (englisch: Short Message Service, SMS), der von GSM seit 1996 bereitgestellt wird. Hiermit können Nachrichten mit einem verbindungslosen paketvermittelten Protokoll von oder zu einer Mobilstation übertragen werden. Hierzu muss ein Netzbetreiber ein Dienstzentrum (Service Center) einrichten.

Man unterscheidet zwei Typen von Kurznachrichten:

• Punkt-zu-Punkt-Nachrichten zwischen den Mobilstationen und einer Vermittlungsstelle mit einer maximalen Länge von 160 alphanumerischen Zeichen,
• Short Message Service Cell Broadcast (SMSCB). Diese Nachrichten werden nur in einem begrenzten, regionalen Gebiet ausgestrahlt und können von der Mobilstation nur im Ruhezustand empfangen werden. Die Länge ist auf 93 Zeichen beschränkt.

Die Zusatzdienste als dritte Kategorie der GSM–Dienste modifizieren und ergänzen die Funktionalität eines GSM–Telekommunikationsdienstes. GSM der Phase 1 bietet die gleichen Zusatzdienste an wie ISDN, beispielsweise Anrufanzeige, Rufumleitung (Call Forwarding) und Rufnummernsperre (Call Restriction). Neuere GSM–Dienste der Phase 2+ sind:

• High Speed Circuit-Switched Data (HSCSD, Leitungsdatendienst),
• General Packet Radio Service (GPRS, Paketdatendienst), sowie
• Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE, höherratige Datenübertragung).

Aufgaben zum Kapitel

Aufgabe 3.1:   GSM–Netzkomponenten

Aufgabe 3.2:   GSM–Dienste