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 Mobilfunkstandard  $\rm GSM$   $($"Global System for Mobile Communications")$)$  wurde Ende der 1980er Jahre entwickelt.  GSM arbeitet vollständig digital  und gehört somit zur zweiten Generation  $\rm (2G)$  der Mobilfunksysteme.

⇒   Im Jahr 2011  $($als dieses Kapitel konzipiert wurde$)$  war GSM weltweit führende Mobilfunkstandard und wurde in mehr als zweihundert Ländern genutzt,

• vorwiegend zum Telefonieren über das Handy,

• daneben aber auch für Kurzmitteilungen  $\rm (SMS)$  sowie

• für mobile leitungs– bzw. paketvermittelte Datenübertragung  $\text{(HSCSD, GPRS, EDGE)}$.

⇒   Im Jahr 2022  $($als dieses Kapitel im Rahmen der englischen Übersetzung nochmals überarbeitet wurde$)$  hat ein welt­weiter Report der Netz­aus­rüster-Indus­trie mehr als hundert Betreiber iden­tifi­ziert,  die die 2G-Abschal­tung entweder abge­schlossen haben,  dies planen oder gerade durch­führen,  um die hier­durch frei werdenden Frequenzen für den Ausbau von  $\rm LTE$,  $\rm 5G$  oder techo­logie­neu­tral zu verwenden.

• Als Länder mit abge­schlos­sener GSM-Abschal­tung werden unter anderem die USA, die Schweiz, Südafrika, China und Austra­lien genannt.

• Deutschland und fast der komplette euro­päi­sche Konti­nent werden unter der Rubrik  "geplante GSM-Abschal­tung"  aufgeführt.

• Interessant an diesem Report ist auch,  dass in einigen Ländern die Abschaltung des ca. zehn Jahre jüngeren 3G-Standards  $\rm UMTS$  noch mehr forciert wird.

⇒   Wir haben uns trotz dieser negativen Prognose dafür entschieden,  dieses und das folgende Kapitel in unserem  $\rm LNTwww$  zu belassen,  da diese Kapitel einen Überblick über die historische Weiterentwicklung der Mobilfunksysteme bieten und dabei Probleme und Lösungsmöglichkeiten benennen,  deren Verständnie auch für heutige  $\rm (4G)$  und zukünftige Generationen  $\rm (5G, \ 6G, \text{... })$  von Interesse sein könnten, in anderen Kapiteln aber nicht oder nur kurz angesprochen werden,  zum Beispiel:  Near-Far-Effekt und Sprachcodierung.

Dieses Kapitel beinhaltet im Einzelnen:

1. Die allgemeine Beschreibung von GSM mit wichtigen Begriffsdefinitionen,
2. die Funkschnittstelle von GSM und deren logische und physikalische Kanäle,
3. die wichtigsten Sprachcodierverfahren zur Datenkomprimierung,
4. das Gesamtübertragungsmodell von GSM zur Sprach– und Datenübertragung,
5. die bei GSM angewandte Kanalcodierung mit  Interleaving  und  Verschlüsselung, und
6. 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/PCS 1900, 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:

• $\text{GSM 900}$:   Frequenzbereich um 900 MHz (D–Netze, in Deutschland TD1, Vodafone D2),
• $\text{GSM/DCS 1800}$:   Frequenzbereich um 1800 MHz (E–Netze, in Deutschland alle Betreiber),
• $\text{GSM/PCS 1900}$:   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 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 Komponenten  OMC-B  ⇒   Überwachung der  Base Station Controller  (BSC) und  OMC-S  ⇒   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  $\text{13 kbit/s}$ auf  $\text{64 kbit/s}$. Des Weiteren übernimmt die TRAU auch die Ratenanpassung für die Datendienste.

GSM:  Base Station Subsystem

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 so genannten  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):
  Zuordnung eines Satzes von Frequenzen zu einer BTS,
• der  Cell Identifier  (CI):
  Kennzeichnung der einzelnen Zellen innerhalb einer LA,
• der  Base Transceiver Station Identity Code  (BSIC):
  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  [BVE99]  zeigt.

GSM:  Switching and Management Subsystem

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 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. Damit 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.

$\text{Beispiel 1:}$  Wir betrachten das Mobilfunknetz eines Betreibers  $\rm A$, dessen Kunde der Teilnehmer  1  ist.

• Das  Visited Location Register  von Betreiber  $\rm A$  – 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  $\rm A$, dass Teilnehmer  1  sein Kunde ist, und es wird eine Verbindung hergestellt.

Der Teilnehmer  2  ist Kunde eines anderen Betreibers  $\rm B$, der sich momentan per „Roaming“ im Netz  $\rm A$  befindet.

• Das  Visitor Location Register  von Betreiber  $\rm A$  – abgekürzt VLR(A) – enthält Informationen zum genauen Aufenthalt des fremden Teilnehmers  2  und eine Kopie von HLR(B) des Betreibers  $\rm B$.
• Der Betreiber  $\rm A$  erkennt so diesen fremden Kunden und erteilt ihm die Freigabe für Roaming in seinem Netz  $\rm A$. Voraussetzung ist allerdings, dass zwischen den Netzbetreibern ein Roaming–Vertrag besteht.

Von GSM bereitgestellte Dienste

Die GSM-Dienste sind in die drei Kategorien aufgeteilt:

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

Träger– und Teledienste fasst man 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:

Klassifizierung der GSM–Dienste

• 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 so genannten  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 ARQ–Verfahren  (Automatic Repeat Request)  werden Blöcke mit zu vielen Bitfehlern zur Wiederübertragung angefordert, so dass die Netto–Bitrate und die Verzögerung stark von den Übertragungsbedingungen abhängen.

Die Teledienste von GSM

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 obiger 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 so genannte „Services” an, wie zum Beispiel 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