GSM

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GSM

Das Global System for Mobile Communications (fr√ľher Groupe Sp√©cial Mobile, GSM) ist ein Standard f√ľr volldigitale Mobilfunknetze, der haupts√§chlich f√ľr Telefonie, aber auch f√ľr leitungsvermittelte und paketvermittelte Daten√ľbertragung sowie Kurzmitteilungen (Short Messages) genutzt wird. Es ist der erste Standard der sogenannten zweiten Generation (‚Äě2G‚Äú) als Nachfolger der analogen Systeme der ersten Generation (in Deutschland: A-Netz, B-Netz und C-Netz) und ist der weltweit am meisten verbreitete Mobilfunk-Standard.

GSM wurde mit dem Ziel geschaffen, ein mobiles Telefonsystem anzubieten, das Teilnehmern eine europaweite Mobilität erlaubte und mit ISDN oder herkömmlichen analogen Telefonnetzen kompatible Sprachdienste anbot.

In Deutschland ist GSM die technische Grundlage der D- und E-Netze. Hier wurde GSM 1992 eingef√ľhrt, was zur raschen Verbreitung von Mobiltelefonen in den 1990er-Jahren f√ľhrte. Der Standard wird heute in 670 GSM-Mobilfunknetzen in rund 200 L√§ndern und Gebieten der Welt als Mobilfunkstandard genutzt; dies entspricht einem Anteil von etwa 78 Prozent aller Mobilfunkkunden. Es existieren sp√§ter hinzugekommene Erweiterungen des Standards wie HSCSD, GPRS und EDGE zur schnelleren Daten√ľbertragung. Zum Zutritt in die Netze stehen insgesamt ca. 1700 Mobiltelefonmodelle zur Verf√ľgung.

Im März 2006 nutzten weltweit 1,7 Milliarden Menschen GSM und täglich kommen 1 Mio. neue Kunden dazu - hauptsächlich aus den Wachstumsmärkten Afrika, Indien, Lateinamerika und Asien. Rechnet man alle Mobilfunkstandards zusammen, so sind weltweit ca. 2 Milliarden Menschen mobiltelefonisch erreichbar. Das gaben die GSM Association und die GSA im Oktober 2005 bekannt. Nach Angaben der Deutschen Bank wurden im Jahr 2003 277 Milliarden US-Dollar mit GSM-Technik umgesetzt.

GSM-Mobiltelefon von Siemens (SX1) aus dem Jahr 2004

Inhaltsverzeichnis

Die Entstehung von GSM

Ende der 1950er Jahre nahmen die ersten analogen Mobilfunknetze in Europa ihren Betrieb auf (in Deutschland das A-Netz). Ihre Bedienung war jedoch kompliziert, und sie verf√ľgten nur √ľber Kapazit√§ten f√ľr wenige tausend Teilnehmer. Zudem gab es innerhalb Europas nebeneinander mehrere verschiedene Systeme, die zwar teilweise auf dem gleichen Standard beruhten, sich aber in gewissen Details unterschieden. Bei der nachfolgenden Generation der digitalen Netze sollte eine √§hnliche Situation vermieden werden.

erste GSM-Telefone (1991)
  • 1982: Bei CEPT (Europ√§ische Konferenz der Post- und Fernmeldeverwaltungen) wird die Groupe Sp√©cial Mobile (etwa Arbeitsgruppe f√ľr Mobilfunk) eingerichtet. Ihre Aufgabe war es, einen einheitlichen pan-europ√§ischen Mobilfunkstandard zu entwickeln.
  • 1987: 17 GSM-Netzbetreiber in spe aus 15 europ√§ischen L√§ndern bilden eine Kooperation und unterzeichnen am 7. September in Kopenhagen das GSM MoU (Memorandum of Understanding).
  • 1989: Die Groupe Sp√©cial Mobile wird ein Technical Committee beim Europ√§ischen Institut f√ľr Telekommunikationsnormen (ETSI), das durch die EG-Kommission 1988 gegr√ľndet worden war.
  • 1989: In Deutschland erhalten die Deutsche Bundespost und Mannesmann die Lizenz, je ein Netz auf GSM-Basis aufzubauen (die sogenannten D-Netze)
  • 1990: Die Spezifikationen der Phase 1 des GSM¬†900-Standards werden eingefroren, d.¬†h. sie werden nicht mehr ver√§ndert und k√∂nnen f√ľr die Herstellung von Mobiltelefonen und Netztechnik verwendet werden.
  • 1990: Die Anpassung der Spezifikationen an den Frequenzbereich bei 1.800 MHz (DCS 1800) beginnt.
  • 1991: Die Groupe Sp√©cial Mobile wird umgenannt in Standard Mobile Group (SMG). GSM bleibt erhalten als Bezeichnung f√ľr den Standard selbst und steht nun f√ľr Global System for Mobile Communications.
  • 1991: Die Spezifikationen f√ľr DCS 1800 werden eingefroren.
  • 1991: Die ersten lauff√§higen Systeme werden vorgef√ľhrt (z.¬†B. auf der Messe Telecom 91).
  • 1992: Viele europ√§ische GSM¬†900-Betreiber beginnen mit dem kommerziellen Netzstart.
  • 2000: Die GSM-Standardisierungsaktivit√§ten werden nach 3GPP √ľberf√ľhrt. Die Arbeitsgruppe dort tr√§gt die Bezeichnung TSG GERAN (Technical Specification Group GSM EDGE Radio Access Network).
  • 2007: Erste Vorschl√§ge zur Nutzung von SIP-Nummern mit GSM

Technik

Allgemein

Im Unterschied zum Festnetz gibt es bei einem Mobilfunknetz diverse zusätzliche Anforderungen:

  • Teilnehmerauthentifizierung
  • Kanalzugriffsverfahren
  • Mobilit√§tsverwaltung (HLR, VLR, Location Update, Handover, Roaming)
  • Die Teilnehmer sind mobil und k√∂nnen somit von einer Funkzelle in eine andere wechseln. Geschieht dies w√§hrend eines Gespr√§chs oder einer Datenverbindung, dann muss die Gespr√§chsverbindung von einer Basisstation zur n√§chsten √ľbergeben werden (Handover), damit das Mobiltelefon seine Funkverbindung immer zu der bestgeeigneten Basisstation bekommt. In Ausnahmef√§llen kann das Gespr√§ch auch √ľber eine benachbarte Basisstation gef√ľhrt werden, um √úberlastungen zu vermeiden.
  • Effiziente Ressourcenausnutzung
  • Da auf der Funkschnittstelle eine geringere Daten√ľbertragungsrate als im Festnetz zur Verf√ľgung steht, m√ľssen die Nutzdaten st√§rker komprimiert werden. Um den Anteil der Daten√ľbertragungsrate, der f√ľr Signalisierungsvorg√§nge verwendet werden muss, klein zu halten, wurden die Signalisierungsnachrichten bitgenau spezifiziert, um sie so kurz wie m√∂glich zu halten.
  • Mobiltelefone verf√ľgen nur √ľber eine begrenzte Akkukapazit√§t, die sparsam genutzt werden sollte. Generell gilt, dass Senden mehr Energie kostet als Empfangen. Deshalb sollte im Standby-Betrieb die Menge der gesendeten Daten und der Statusmeldungen m√∂glichst gering gehalten werden.
  • Nutzung von Fremdnetzen (Roaming)

Standardisierung

Die Standardisierung von GSM wurde bei CEPT begonnen, von ETSI (Europ√§isches Institut f√ľr Telekommunikationsnormen) weitergef√ľhrt und sp√§ter an 3GPP (3rd Generation Partnership Project) √ľbergeben. Dort wird GSM unter dem Begriff GERAN (GSM EDGE Radio Access Network) weiter standardisiert. 3GPP ist somit f√ľr UMTS und GERAN verantwortlich.

Reichweite

Die mit GSM erzielbaren Reichweiten schwanken stark, je nach Gel√§ndeprofil und Bebauung. Im Freien sind bei Sichtkontakt teilweise bis zu 35¬†km erreichbar. Bei gr√∂√üeren Entfernungen verhindert die Laufzeit der Funksignale eine Kommunikation zwischen Basis- und Mobilstation. Es ist allerdings mit Hilfe spezieller Tricks m√∂glich die Zellengr√∂√üe zu verdoppeln. Jedoch wird dadurch die Kapazit√§t der Zelle verkleinert. Anwendung findet dies in K√ľstenregionen. In St√§dten betr√§gt die Reichweite aufgrund von D√§mpfungen durch Geb√§ude und durch die niedrigere Antennenh√∂he oft nur wenige hundert Meter, dort stehen die Basisstationen allerdings aus Kapazit√§tsgr√ľnden auch dichter beieinander.

Grundsätzlich gilt jedoch, dass mit GSM 900 aufgrund der geringeren Funkfelddämpfung größere Reichweiten erzielbar sind als mit GSM 1800.

Entsprechend der Reichweite wird die Zellengr√∂√üe festgelegt. Dabei wird auch die prognostizierte Nutzung ber√ľcksichtigt, um √úberlastungen zu vermeiden.

Verwendete Frequenzen

GSM arbeitet mit unterschiedlichen Frequenzen f√ľr den Uplink (vom Mobiltelefon zum Netz) und den Downlink (vom Netz zum Mobiltelefon). Die folgenden Frequenzb√§nder werden verwendet[1]

Bandbezeichnung Bereich Uplink (MHz) Downlink (MHz) ARFCN Kontinent Anmerkungen
T-GSM¬†380 GSM¬†400 380,2‚Äď389,8 390,2‚Äď399,8 dynamisch
T-GSM¬†410 GSM¬†400 410,2‚Äď419,8 420,2‚Äď429,8 dynamisch
GSM¬†450 GSM¬†400 450,4‚Äď457,6 460,4‚Äď467,6 259‚Äď293 das Frequenzband wird f√ľr GSM bisher nur von Celtel in Tansania eingesetzt
GSM¬†480 GSM¬†400 478,8 ‚Äď 486,0 488,8 ‚Äď 496,0 306 ‚Äď 340 das Frequenzband wird f√ľr GSM bisher nur von Celtel in Tansania eingesetzt
GSM¬†710 GSM¬†700 698,0‚Äď716,0 728,0‚Äď746,0 dynamisch
GSM¬†750 GSM¬†700 747,0‚Äď762,0 777,0‚Äď792,0 438‚Äď511 das Frequenzband wird f√ľr GSM bisher nicht eingesetzt
T-GSM¬†810 806,0‚Äď821,0 851,0‚Äď866,0 dynamisch
GSM¬†850 GSM¬†850 824,0‚Äď849,0 869,0‚Äď894,0 128‚Äď251 Amerika
P-GSM GSM¬†900 890,0‚Äď915,0 935,0‚Äď960,0 1‚Äď124 Afrika, Amerika, Asien, Australien, Europa
E-GSM GSM¬†900 880,0‚Äď915,0 925,0‚Äď960,0 0,1‚Äď124,975‚Äď1023 Europa
R-GSM GSM¬†900 876,0‚Äď915,0 921,0‚Äď960,0 0,1‚Äď124,955‚Äď1023 Asien, Europa
T-GSM¬†900 GSM¬†900 870,4‚Äď876,0 915,4‚Äď921,0 dynamisch
DCS¬†1800 GSM¬†1800 1710,0‚Äď1785,0 1805,0‚Äď1880,0 512‚Äď885 Afrika, Amerika, Asien, Australien, Europa
PCS¬†1900 GSM¬†1900 1850,0‚Äď1910,0 1930,0‚Äď1990,0 512‚Äď810 Amerika

Insbesondere auf dem amerikanischen Kontinent sind nicht alle B√§nder in allen L√§ndern verf√ľgbar (zum Beispiel in Brasilien nur DCS¬†1800, in den USA und Kanada nur GSM¬†850 und PCS¬†1900).

In Deutschland fand GSM-Mobilfunk bis zum Jahr 2005 in den Frequenzbereichen 890-915¬†MHz, 935-960¬†MHz, 1725-1780¬†MHz und 1820-1875¬†MHz statt. Ende 2005 √∂ffnete die zust√§ndige Regulierungsbeh√∂rde die Frequenzbereiche 880-890¬†MHz und 925-935¬†MHz f√ľr den GSM-Mobilfunk.

In √Ėsterreich sind die Frequenzbereiche 880-915¬†MHz und 925-960¬†MHz, 1710-1785¬†MHz und 1805-1880¬†MHz f√ľr GSM reserviert.

In der Schweiz wird GSM auf den Frequenzen 880-885 MHz, 887-915 MHz, 925-930 MHz, 932-960 MHz, 1710-1785 MHz und 1805-1880 MHz verwendet.

Physikalische √úbertragung auf der Luftschnittstelle

GSM-Rahmenstruktur

Die digitalen Daten werden mit einer Mischung aus Frequenz- und Zeitmultiplexing √ľbertragen. Das GSM Frequenzband wird in mehrere Kan√§le unterteilt, die einen Abstand von 200¬†kHz haben. Sende- und Empfangsrichtung sind getrennt. Bei GSM 900 sind im Bereich von 890 - 915¬†MHz 124 Kan√§le f√ľr die Aufw√§rtsrichtung (Uplink) zur Basisstation und im Bereich von 935 - 960¬†MHz 124 Kan√§le f√ľr die Abw√§rtsrichtung (Downlink) vorgesehen. Jede Tr√§gerfrequenz transportiert zeitversetzt acht Nutzkan√§le. Die TDMA-Rahmendauer betr√§gt 4,615¬†ms, jeder Rahmen ist geteilt in acht Zeitschlitze (englisch Timeslots). In jedem Zeitschlitz wird ein zu je 15/26¬†ms (ca. 0,577¬†ms) langer Burst gesendet (insges. existieren 5 verschiedene Bursttypen, in denen 156,25 Bits √ľbertragen werden).

Das Modulationsverfahren ist Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK, dt.: Gau√ü'sche Minimalphasenlagenmodulation), eine digitale Phasenmodulation bei der die Amplitude konstant bleibt. Mit EDGE wurde dann 8-PSK eingef√ľhrt. W√§hrend bei GMSK pro Symbol nur 1 bit √ľbertragen wird, sind dies bei 8-PSK 3¬†bit, jedoch wird ein h√∂heres Signal-Rauschleistungsverh√§ltnis bei der Funkverbindung ben√∂tigt.

Da bei einer Entfernung von mehreren Kilometern das Funksignal durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit (die sogenannte Gruppengeschwindigkeit) soweit verz√∂gert werden kann, dass der Burst des Mobiltelefons nicht mehr innerhalb des vorgegebenen Zeitschlitzes bei der Basisstation ankommt, ermittelt diese die Signallaufzeit und fordert das Mobiltelefon auf, den Burst etwas fr√ľher auszusenden. Dazu teilt sie dem mobilen Ger√§t den Parameter Timing Advance (TA) mit, der den Sendevorlauf in 3,7 őľs-Schritten vorgibt. Dies entspricht jeweils der Zeitdauer eines Bit, wobei die Bitrate 270,833¬†kbits/s betr√§gt (siehe unten). Der Timing Advance hat einen Wertebereich von 0 bis 63. Die Dauer eines Bits entspricht bei gegebener Gruppengeschwindigkeit einer Wegstrecke von ca. 1,106¬†km, und da f√ľr die Laufzeit Hin- und R√ľckrichtung zusammen betrachtet werden m√ľssen, entspricht eine √Ąnderung des Timing Advance um eins einer Entfernungs√§nderung von etwas mehr als 553¬†m. Somit ergibt sich eine maximale Reichweite von ca. 35,4¬†km, die jedoch mit technischen Tricks erweitert werden kann.

Nach dem Sende-Burst schaltet das Mobiltelefon auf die um 45 MHz versetzte Empfangsfrequenz, und empf√§ngt dort den Burst des R√ľckkanals von der Basisstation. Da Uplink und Downlink um drei Zeitschlitze versetzt auftreten (von den acht), gen√ľgt eine Antenne f√ľr beide Richtungen. Zur Erh√∂hung der St√∂rfestigkeit kann auch das Frequenzpaar periodisch gewechselt werden (frequency hopping), so entsteht eine Frequenzsprungrate von 217 Spr√ľngen pro Sekunde.

Bei einer Bruttodaten√ľbertragungsrate von ca. 270,833 kbit/s pro Kanal (156,25 Bits in jedem Burst zu 15/26 ms) bleiben je Kanalschlitz noch 33,9 kbit/s brutto √ľbrig. Von dieser Datenrate sind 9,2 kbit/s f√ľr die Synchronisation des Rahmenaufbaus reserviert, so dass 24,7 kbit/s netto f√ľr den Nutzkanal √ľbrig bleiben. Durch die √úbertragung per Funk liegen in diesem Bitstrom noch viele Bitfehler vor.

Die Datenrate pro Zeitschlitz von 24,7 kbit/s wird in 22,8 kbit/s f√ľr die kodierten und verschl√ľsselten Nutzdaten des Verkehrskanals (Traffic Channel) und 1,9 kbit/s f√ľr die teilnehmerspezifischen Steuerkan√§le (Control Channel) aufgeteilt. Die Kanalkodierung beinhaltet eine Reihe von Fehlerschutzmechanismen, so dass f√ľr die eigentlichen Nutzdaten noch 13 kbit/s √ľbrig bleiben (im Fall von Sprachdaten). Eine sp√§ter eingef√ľhrte alternative Kanalkodierung erlaubt die Verringerung des Fehlerschutzes zugunsten der Anwendungsdaten, da bei Daten√ľbertragungsprotokollen im Gegensatz zur Sprach√ľbertragung bei Bitfehlern eine Neuanforderung des Datenblocks m√∂glich ist.

Netzarchitektur

Aufbau eines GSM-Netzes

Hardware

GSM-Netze sind in vier Teilsysteme unterteilt (siehe Bild von links nach rechts):

Mobiltelefon bzw. Mobile Station (MS) (links im Bild, unbezeichnet)
Die MS besteht aus einer Antenne, an die eine Sende- und Empfangseinheit angeschlossen ist, Stromversorgung, Lautsprecher und Mikrofon (oder externe Anschl√ľsse) und einer M√∂glichkeit, einen anderen Teilnehmer auszuw√§hlen (typischerweise Tastatur oder Spracheingabe). √úblicherweise enth√§lt die Mobile Station zus√§tzlich ein Display, um die Telefonnummer des Anrufers sowie Kurzmitteilungen (SMS) anzuzeigen. Das Teilsystem MS enth√§lt auch die Schnittstelle zur SIM-Karte.
Mobilfunksendesystem bzw. Base Station Subsystem (BSS)
Die BSS besteht aus einer zentralen Steuerungseinheit (BSC, Base Station Controller), die die Funkverbindungen √ľberwacht und ggf. Zellwechsel (Handover) einleitet. An eine BSC sind diverse Basisstationen angeschlossen (meist einige 10 bis einige 100). Jede Basisstation bedient eine oder mehrere (h√§ufig drei) Funkzellen, Fachausdruck: BTS (Base Transceiver Station). An die BTS sind die Antennen angeschlossen, die h√§ufig einen 120¬į-Sektor versorgen.
Da bei Telefongespr√§chen innerhalb des Mobilfunknetzes ein komprimierender Audiocodec verwendet wird, wird eine Umwandlungseinheit (TRAU, Transcoder and Rate Adaptation Unit) f√ľr die Konvertierung zwischen GSM- und unkomprimierten ISDN-Audiocodec (64kbit/s) ben√∂tigt.
Vermittlungsteilsystem bzw. Network Subsystem NSS oder Core Network Subsystem (CSS)
Bestandteile des NSS sind das MSC (Mobile Switching Center), das die eigentliche Vermittlungsstelle und die Schnittstelle zwischen Funknetz und Telefonnetz darstellt. Ebenfalls zum NSS geh√∂rt das VLR (Visitor Location Register), das Informationen √ľber alle mobilen Teilnehmer speichert, die sich innerhalb des Funknetzes aufhalten. Das HLR (Home Location Register) speichert dagegen Informationen √ľber alle Teilnehmer, die Kunden des Funknetzeigent√ľmers sind. F√ľr die Authentifizierung ist das AUC (Authentication Center) zust√§ndig, das (optionale) EIR (Equipment Identity Register) speichert Informationen √ľber die Seriennummern der verwendeten Mobile Stations. F√ľr den paketvermittelten Teil GPRS stehen der SGSN (Serving GPRS Support Node) und GGSN (Gateway GPRS Support Node) zur Verf√ľgung.
Operation and Maintenance Center (OMC) bzw Network Management Center (NMC) (nicht eingezeichnet)
Das OMC √ľberwacht das Mobilfunknetz und kontrolliert die MSC, BSC und BTS.

Die blauen Buchstaben im Bild bezeichnen die Daten√ľbertragungswege zwischen den Komponenten.

Adressierung

In einem GSM-Netz werden folgende Nummern zur Adressierung der Teilnehmer verwendet: Die MSISDN (Mobile Subscriber ISDN Number) ist die eigentliche Telefonnummer, unter der ein Teilnehmer weltweit zu erreichen ist. Die IMSI (International Mobile Subscriber Identity) ist dementsprechend die interne Teilnehmerkennung, die auf der SIM gespeichert wird und zur Identifizierung eines Teilnehmers innerhalb eines Funknetzes verwendet wird. Aus Datenschutzgr√ľnden wird die IMSI nur bei der initialen Authentifizierung der mobilen Station √ľber das Funknetz gesendet, in weiteren Authentifizierungen wird stattdessen eine tempor√§r g√ľltige TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) verwendet. F√ľr das Roaming, also das Routing des Telefonats innerhalb des Mobilfunknetzes, wird die MSRN (Mobile Station Roaming Number) verwendet.

Einige wichtige Funktionen innerhalb von Mobilfunknetzen

Handover

Hauptartikel: Handover

Inter-Cell-Handover

Eine der wichtigsten Grundfunktionen in zellularen Mobilfunknetzen ist der vom Netz angesto√üene Zellwechsel w√§hrend eines laufenden Gespr√§chs. Dieser kann aus verschiedenen Gr√ľnden notwendig werden. Ausschlaggebend ist u.¬†a. die Qualit√§t der Funkverbindung, aber auch die Verkehrslast der Zelle. Es kann zum Beispiel ein Gespr√§ch an eine weiter entfernte Zelle √ľbergeben werden, um eine √úberlastung zu vermeiden.

Intra-Cell-Handover

Hier wird zum Beispiel aufgrund der Kanalqualität der MS ein neuer Kanal innerhalb einer Zelle zugewiesen.

Mobility Management

Mehrere Prozeduren im GSM-Netz behandeln die Bewegung (Mobility) der Teilnehmer im Netz. Damit ein mobiler Teilnehmer, der sich irgendwo im Netzgebiet befindet, auch angerufen oder ihm eine SMS zugestellt werden kann, muss st√§ndig die Voraussetzung daf√ľr bestehen, dass der Teilnehmer eine Suchanfrage (genannt Paging) empfangen kann. Hierzu muss sein aktueller Aufenthaltsort in gewisser Granularit√§t st√§ndig nachgef√ľhrt werden.

Zur Verringerung des Aufwands im Kernnetz und zur Verl√§ngerung der Akku-Laufzeit wird zentral nur die Location Area erfasst, in der sich ein eingebuchtes Mobiltelefon befindet. Wo es sich innerhalb dieses Gebietes befindet, ist nicht bekannt. Um Energie und √úbertragungskapazit√§t zu sparen, meldet sich das Mobiltelefon im Standby-Betrieb nur in Abst√§nden von mehreren Stunden oder beim Wechsel der Location Area beim Netz. Beim Herstellen der Verbindung wird √ľber alle Basisstationen das Mobiltelefon gesucht und bei Meldung die Basisstation festgelegt.

Dem Mobiltelefon dagegen ist genau bekannt, in welcher Funkzelle es sich befindet. Im Standby-Betrieb scannt es die Nachbarzellen, deren Tr√§gerfrequenzen es von der Basisstation auf speziellen Informationskan√§len mitgeteilt bekommt. Wird das Signal einer der Nachbarzellen besser als das der aktuellen Zelle, dann wechselt das Mobiltelefon dorthin. Bemerkt es dabei eine √Ąnderung der Location Area, dann muss es dem Netz seinen neuen Aufenthaltsort mitteilen.

F√ľr das Mobilit√§tsmanagement sind das VLR und das HLR von sehr gro√üer Bedeutung. Die beiden sind eigentlich als Datenbanken zu verstehen. Jede MS ist genau einmal in einem HLR registriert. Dort sind alle Teilnehmerdaten gespeichert. Die Telefonnummer einer MS identifiziert das dazugeh√∂rige HLR. Im HLR ist stets der aktuelle Aufenthaltsort einer MS eingetragen. Im VLR sind jeweils alle sich im Einzugsgebiet einer MSC befindlichen MS eingetragen.

Roaming

Hauptartikel: Roaming

Da viele Mobilfunkbetreiber aus verschiedenen L√§ndern Roamingabkommen getroffen haben, ist es m√∂glich, das Mobiltelefon auch in anderen L√§ndern zu nutzen und weiterhin unter der eigenen Nummer erreichbar zu sein und Gespr√§che zu f√ľhren.

Sicherheitsfunktionen

Authentisierung

Jedem Teilnehmer wird bei der Aufnahme in das Netz eines Mobilfunkbetreibers ein Subscriber Authentication Key Ki zugeteilt. Der Schl√ľssel wird in der SIM-Karte (Subscriber Identity Module) und im HLR gespeichert. Zur Authentifizierung wird der MS vom Netz eine Zufallszahl RAND (Challenge, 128 Bit) geschickt. Aus der Zufallszahl und dem Subscriber Authentication Key Ki wird mit dem A3-Algorithmus der Authentisierungsschl√ľssel SRES' (Signed Response, 32 Bit) berechnet. Der Authentisierungsschl√ľssel SRES wird vom Netz im AuC und von der MS getrennt berechnet und das Ergebnis vom VLR verglichen. Stimmen SRES und SRES' √ľberein, ist die MS authentifiziert. Der A3-Algorithmus wird geheim gehalten und ist elementarer Bestandteil der Sicherheit im GSM-Netz.

Nutzdatenverschl√ľsselung

Zur Verschl√ľsselung wird aus der Zufallszahl von der Authentifizierung beidseitig mit dem Algorithmus A8 ein Codeschl√ľssel (engl.: Cipher Key) bestimmt. Der Kodeschl√ľssel wird vom Algorithmus A5 zur symmetrischen Verschl√ľsselung der √ľbertragenen Daten verwendet. Schon angesichts der geringen Schl√ľssell√§nge kann davon ausgegangen werden, dass die Verschl√ľsselung keine nennenswerte Sicherheit gegen ernsthafte Angriffe bietet. Allerdings verhindert sie ein einfaches Einklinken, wie es beim analogen Polizeifunk m√∂glich ist.

Anonymisierung

Um eine gewisse Anonymit√§t zu gew√§hrleisten, wird die eindeutige Teilnehmerkennung IMSI, √ľber die ein Teilnehmer weltweit eindeutig zu identifizieren ist, auf der Luftschnittstelle verborgen. Stattdessen wird vom VLR eine tempor√§re TMSI generiert, die bei jedem Location Update neu vergeben wird und nur verschl√ľsselt √ľbertragen wird. Siehe dazu IMSI-Catcher.

Benutzerauthentisierung

Der Benutzer muss sich gegen√ľber der SIM-Karte als berechtigter Nutzer authentisieren. Dies geschieht mittels einer PIN. Es ist auf der SIM-Karte festgelegt, ob die PIN-Abfrage deaktiviert werden kann. Wurde die PIN dreimal in Folge falsch eingegeben, wird die SIM-Karte automatisch gesperrt. Um sie wieder zu entsperren ist der PUK (Personal Unblocking Key) erforderlich. Der PUK kann zehnmal in Folge falsch eingegeben werden bevor die SIM-Karte endg√ľltig gesperrt wird.

Dienste f√ľr den Benutzer

Festnetzseitig basiert der GSM-Standard auf dem ISDN-Standard und stellt deshalb √§hnliche vermittlungstechnische Leistungsmerkmale bereit. Mit der M√∂glichkeit, Kurznachrichten (SMS, kurz f√ľr Short Message Service) zu senden und zu empfangen, wurde ein neuer Dienst geschaffen, der begeistert angenommen worden ist und mittlerweile eine wichtige Einnahmequelle f√ľr die Netzbetreiber geworden ist.

Sprach√ľbertragung

F√ľr die Sprach√ľbertragung bei GSM wurden im Laufe der Jahre mehrere Codecs standardisiert. Die √ľblichen Sprachcodecs, welche typischerweise mit einer Datenrate von weniger als 20 kbit/s auskommen, f√ľhren eine der menschlichen Sprache angepasste Merkmalsextraktion durch, wodurch sie nur f√ľr die √úbertragung von Sprache brauchbar sind. Musik oder andere Ger√§usche k√∂nnen sie daher nur mit geringerer Qualit√§t √ľbertragen. Im Folgenden werden die im GSM-Netz verwendeten Sprachcodecs kurz zusammengefasst:

Full Rate Codec (FR)

Der erste GSM-Sprachcodec war der Full-Rate-Codec (FR). F√ľr ihn steht nur eine Netto-Datenrate von 13 kbit/s zur Verf√ľgung (im Unterschied zu G.711 64 kbit/s bei ISDN). Die Audiosignale m√ľssen deshalb stark komprimiert werden, um trotzdem eine akzeptable Sprachqualit√§t zu erreichen. Beim FR-Codec wird eine Mischung aus Langzeit- und Kurzzeit-Pr√§diktion verwendet, die eine effektive Komprimierung erm√∂glicht (RPE/LTP-LPC Sprachkompression: Linear Predictive Coding, Long Term Prediction, Regular Pulse Excitation[1]).

Full Rate Codec

Technisch werden jeweils 20 ms Sprache gesampelt und gepuffert, anschlie√üend dem Sprachcodec unterworfen (13 kbit/s). Zur Vorw√§rtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC) werden die 260 Bits eines solchen Blocks in drei Klassen eingeteilt, dementsprechend, wie stark sich ein Bitfehler auf das Sprachsignal auswirken w√ľrde. 50 Bits des Blocks werden in Klasse Ia eingeteilt. Sie sind am st√§rksten zu sch√ľtzen und erhalten eine CRC-Pr√ľfsumme von 3¬†Bits, f√ľr Fehlererkennung und Fehlerverdeckung (error concealment). Zusammen mit 132¬†Bits der Klasse Ib, die etwas weniger zu sch√ľtzen sind, werden sie einem Faltungs-Code unterworfen, der aus den 185 Eingangsbits 378 Ausgangsbits generiert. Die restlichen 78¬†Bits werden ungesch√ľtzt √ľbertragen. So werden aus 260¬†Bits Nutzdaten 456¬†Bits fehlergesch√ľtzte Daten, wodurch die erforderliche Bitrate auf 22,8¬†kbit/s steigt.

Interleaving

Die 456 Bits werden durch Interleaving auf acht Halbbursts zu je 57 Bits aufgeteilt. Nach dem Deinterleaving im Empfänger wirken sich kurzzeitige Störungen (zum Beispiel ein Burst lang) durch die Fehlerspreizung nur noch gering aus. Durch die Kombination der unterschiedlichen Fehlerschutzverfahren im GSM, wird, obwohl der Funkkanal äußerst fehleranfällig ist, oft eine gute Sprachqualität erreicht.

Half Rate Codec (HR)

Half Rate Codec

Mit der Einf√ľhrung des Half-Rate-Codecs wurde es m√∂glich, auf einem Zeitschlitz der Luftschnittstelle nicht nur ein, sondern zwei Gespr√§che gleichzeitig abzuwickeln. Wie der Name sagt, steht f√ľr HR nur die halbe Datenrate zur Verf√ľgung wie f√ľr den FR-Codec. Um trotzdem eine brauchbare Sprachqualit√§t zu erreichen, wird anstelle der im FR-Codec verwendeten skalaren Quantisierung eine Vektorquantisierung verwendet. Dadurch ist f√ľr die Kodierung ungef√§hr die drei- bis vierfache Rechenleistung erforderlich wie beim FR-Codec. Weil die Sprachqualit√§t trotzdem eher m√§√üig ist, wird HR von den Mobilfunknetzbetreibern nur dann eingesetzt, wenn eine Funkzelle √ľberlastet ist.

Enhanced Full Rate Codec (EFR)

EFR arbeitet mit einer √§hnlichen Datenrate wie der Full Rate Codec, n√§mlich 12,2 kbit/s. Durch einen leistungsf√§higeren Algorithmus (CELP) wurde, gegen√ľber dem Full-Rate-Codec, eine bessere Sprachqualit√§t erreicht, welche bei einem guten Funkkanal ann√§hernd dem Niveau von ISDN-Telefongespr√§chen (G.711a) entspricht.

Adaptive Multirate Codec (AMR)

Bei AMR handelt es sich um einen parametrierbaren Codec mit unterschiedlichen Datenraten zwischen 4,75 und 12,2 kbit/s. In der 12,2-kbit/s-Einstellung entspricht er vom Algorithmus wie auch in der Audioqualit√§t her weitgehend dem GSM-EFR-Codec. Je geringer die Datenrate der Sprachdaten ist, umso mehr Bits stehen f√ľr die Kanalkodierung und damit zur Fehlerkorrektur zur Verf√ľgung. Somit wird der 4,75-kbit/s-Codec als der robusteste bezeichnet, weil trotz hoher Bitfehlerh√§ufigkeit bei der Funk√ľbertragung noch ein verst√§ndliches Gespr√§ch m√∂glich ist. W√§hrend eines Gespr√§ches misst das Mobilfunknetz die Bitfehlerh√§ufigkeit und w√§hlt den daf√ľr geeignetsten Codec aus.

Adaptive Multirate Codec / wide Band (AMR-WB)

Bei diesem Codec handelt es sich um eine Erweiterung und Optimierung des schon verf√ľgbaren AMR-Codecsets. Wie das ‚ÄěWB‚Äú (wide band) schon vermuten l√§sst, so wird der √ľbertragbare Frequenzbereich von derzeit ca. 3¬†kHz auf etwa 8¬†kHz angehoben ohne mehr Funkressourcen zu belegen. Die Entwicklung dieses Codecs ist seit einiger Zeit abgeschlossen und er wurde von der ITU (G.722.2) und 3GPP (TS 26.171) standardisiert. Der Codec soll, auch durch die gr√∂√üere Bandbreite, Sprach- und Umgebungsger√§usche besser gemeinsam √ľbertragen k√∂nnen. Mit AMR-WB soll es dann m√∂glich sein, auch in lauter Umgebung eine bessere Sprachqualit√§t erreichen zu k√∂nnen. Ericsson hat im T-Mobile-UMTS-Netz in Deutschland im Sommer 2006 mit ausgew√§hlten Kunden in den St√§dten K√∂ln und Hamburg einen AMR-WB Livetest durchgef√ľhrt.

Daten√ľbertragung

Wird ein GSM-Kanal f√ľr Daten√ľbertragung genutzt, erh√§lt man nach den Dekodierschritten eine nutzbare Datenrate von 9,6 kbit/s. Diese √úbertragungsart wird Circuit Switched Data (CSD) genannt. Eine fortschrittliche Kanalkodierung erm√∂glicht auch 14,4 kbit/s, bewirkt bei schlechten Funkverh√§ltnissen aber viele Blockfehler, so dass die ‚ÄěDownloadrate‚Äú tats√§chlich niedriger ausfallen kann als mit erh√∂hter Sicherung auf dem Funkweg. Deshalb wird in Abh√§ngigkeit von der Bitfehlerh√§ufigkeit zwischen 9,6 und 14,4¬†kbit/s netzgesteuert umgeschaltet (=Automatic Link Adaptation, ALA).

Beides ist jedoch f√ľr viele Internet- und Multimediaanwendungen zu wenig, so dass Erweiterungen unter dem Namen HSCSD und GPRS geschaffen wurden, die eine h√∂here Datenrate erm√∂glichen, indem mehr Bursts pro Zeiteinheit f√ľr die √úbertragung genutzt werden k√∂nnen. HSCSD nutzt eine feste Zuordnung mehrerer Kanalschlitze, GPRS nutzt Funkschlitze dynamisch f√ľr die aufgeschalteten logischen Verbindungen (besser f√ľr den Internetzugang). Eine Weiterentwicklung von GPRS ist E-GPRS. Dies ist die Nutzung von EDGE f√ľr Paketdaten√ľbertragung.

Ortung

Redundanz Die Artikel Global System for Mobile Communications#Ortung und GSM-Ortung √ľberschneiden sich thematisch. Hilf mit, die Artikel besser voneinander abzugrenzen oder zu vereinigen. Beteilige dich dazu an der Diskussion √ľber diese √úberschneidungen. Bitte entferne diesen Baustein erst nach vollst√§ndiger Abarbeitung der Redundanz. mik81diss 19:29, 3. M√§r. 2008 (CET)

Die Position eines Mobiltelefons ist f√ľr den Mobilfunkbetreiber durch die permanente Anmeldung am Netz in gewissen Genauigkeitsgrenzen bekannt. Im Standby-Betrieb ist sie zumindest durch die Zuordnung zur aktuell verwendeten Location Area gegeben. Diese Information wird bei Bewegung der Mobilstation regelm√§√üig aktualisiert (siehe oben). Im Gespr√§chsbetrieb kann die Position eines Mobiltelefons genauer bestimmt werden, da hier zumindest die (Cell-ID) der aktiven Basisstation bekannt ist. Hierbei gibt es mehrere Verfeinerungen. Jede Basisstation befindet sich an einem bekannten Standort und besitzt in der Regel mehrere Richtantennen (oft drei) mit bekannten Senderichtungen. Der Abstand zur derzeitig verwendeten Basisstation kann √ľber den Wert des Timing-Advance-Parameters (TA) mit einer Schrittweite von ca. 550 Metern als Ring um die Basisstation gesch√§tzt werden. Durch Triangulation √ľber Antennen benachbarter Basisstationen kann das Aufenthaltsfenster weiter verfeinert werden.

Die meisten Dienste zur Standortbestimmung werden allein auf Basis des Standortes einer Basisstation angeboten. Nach und nach werden die derzeitigen Netze aber auch hin zu h√∂herer Genauigkeit der Ortung umgestellt. So wird von einigen Netzbetreibern der Schwerpunkt der Fl√§che geliefert, die die betroffene Richtantenne abdeckt. Die Genauigkeit ist abh√§ngig von der Zellengr√∂√üe und variiert erheblich. Insbesondere ist jeder Punkt von mehreren Zellen √ľberdeckt und eine Einbuchung erfolgt je nach Auslastung unterschiedlich ggf. auch in einer gro√ür√§umigen Schirmzelle.

GSM-Ortung stellt je nach Anwendungsfall eine Alternative zum GPS dar, da insbesondere die Installation erheblich einfacher ist (keine spezielle Antenne). Geofencing ist sogar mit speziellen GSM-Geräten im Push-Verfahren möglich, d. h. das System meldet sich autonom, wenn es nicht mehr in den definierten Räumen ist.

Die F√§higkeit zur Ortung wird f√ľr verschiedene Dienste genutzt. Einige Betreiber bieten Infodienste als Location Based Services, so dass Kunden Restaurants oder Hotels in ihrer N√§he finden k√∂nnen. Es gibt auch Routenplaner, die √ľber das Mobiltelefon angeboten werden und diese Informationen auswerten. Durch die ungef√§hre Ortsbestimmung werden auch Flottenmanagement f√ľr Transportunternehmen oder eine Hilfe zum Wiederauffinden eines liegengelassenen oder gestohlenen Mobiltelefons m√∂glich. Die Ortung wird auch von vielen Anbietern angeboten, um Kinder oder Ehepartner zu √ľberwachen. Dabei wird auf die geortete SIM nicht zwangsl√§ufig eine SMS geschickt, so dass die geortete Person nicht immer wei√ü, dass sie √ľberpr√ľft wurde.

Mit spezieller Hardware (Powermanagement, Schutzklasse) sind industrielle Anwendungen √ľber mehrere Jahre realisierbar. Die Verwendung f√ľr Rettungsdienste erm√∂glicht das schnelle Auffinden von Unfallopfern, da diese oft ihren Aufenthaltsort nicht genau kennen oder falsch angeben. In manchen L√§ndern (z.¬†B. den USA) wird bei einem Notruf automatisch die Position des Teilnehmers bestimmt und √ľbermittelt.

Die Firma BlueSky Positioning bietet seit kurzem eine SIM-Karte mit eingebautem A-GPS-Empfänger an [2].

Ein Sonderfall ist die lautlose SMS, mit der das Netz zur genauen Ortung eines Mobiltelefons ohne Kenntnisnahme eines Verbindungsaufbaus durch den Nutzer erzwungen werden kann. Dieses Verfahren wird in der Strafverfolgung als Hilfsmittel der Polizei eingesetzt. Mit Verweis auf ‚ÄěGefahr im Verzug‚Äú erfolgt dies zum Teil auch ohne richterliche Pr√ľfung. Diese Praxis ist jedoch umstritten.[2]

Erweiterungen und Weiterentwicklungen von GSM

GSM wurde urspr√ľnglich haupts√§chlich f√ľr Telefongespr√§che, Faxe und Datensendungen mit konstanter Datenrate konzipiert. Burstartige Datensendungen mit stark schwankender Datenrate, wie es beim Internet √ľblich ist, wurden nicht eingeplant.

Mit dem Erfolg des Internets begann daher die sogenannte ‚ÄěEvolution von GSM‚Äú, bei der das GSM-Netz komplett abw√§rtskompatibel mit M√∂glichkeiten zur paketorientierten Daten√ľbertragung erweitert wurde. Es sollten au√üerdem nur minimale Kosten durch den Austausch von vielfach verwendeten Komponenten entstehen.

CSD

Geschwindigkeiten bis zu 14,4 kBit/s werden mit Circuit Switched Data erreicht.

HSCSD

Durch die Kopplung von mehreren Kan√§len erreicht HSCSD insgesamt eine h√∂here Datenrate, maximal 115,2 kbit/s. Um HSCSD nutzen zu k√∂nnen, braucht man ein kompatibles Mobiltelefon, auf Seiten des Netzbetreibers sind Hardware- und Software√§nderungen bei Komponenten innerhalb der Basisstationen und des Kernnetzes erforderlich. In Deutschland unterst√ľtzen nur Vodafone und E-Plus HSCSD.

GPRS

GPRS erlaubte erstmalig eine paketvermittelte Daten√ľbertragung. Der tats√§chliche Datendurchsatz h√§ngt unter anderem von der Netzlast ab und liegt bei maximal 171,2 kbit/s. Bei geringer Last kann ein Nutzer mehrere Zeitschlitze parallel verwenden, w√§hrend bei hoher Netzlast jeder GPRS-Zeitschlitz auch von mehreren Benutzern verwendet werden kann. GPRS erfordert beim Netzbetreiber allerdings innerhalb des Kernnetzes zus√§tzliche Komponenten (den GPRS Packet Core).

EDGE

Mit EDGE wurde durch eine neue Modulation (8PSK) eine Erhöhung der Datenrate ermöglicht. Sie beträgt maximal 384 kbit/s. Mit EDGE werden GPRS zu E-GPRS (Enhanced GPRS) und HSCSD zu ECSD (Enhanced Circuit Switched Data) erweitert.

Streaming

Streaming services erfordern eine minimale garantierte Datenrate. Dies ist in GPRS urspr√ľnglich nicht vorgesehen. Inzwischen (d.¬†h. ab 3GPP release 99) wurden durch Einf√ľhrung entsprechender Quality of service-Parameter und einige andere Eigenschaften die Voraussetzungen daf√ľr geschaffen, echtes Streaming √ľber GPRS zu erm√∂glichen.

Generic Access

Seit Mitte 2004 wird in den Standardisierungsgremien an einer Methode gearbeitet, die es Mobilger√§ten erlauben soll, GSM-Dienste statt √ľber die GSM-Luftschnittstelle auch √ľber jede Art von anderen (IP-)√úbertragungssystemen zu nutzen. Hierzu sollen die Sendestationen von WLAN, Bluetooth etc. √ľber sogenannte Generic Access Controller an das GSM core network angeschlossen werden. Die GSM-Nutzdaten sowie die Signalisierungsdaten werden dann durch das IP-Netz hindurchgetunnelt.

Cell Broadcast

Cell Broadcast oder Cell Broadcasting (kurz CB) ist ein Mobilfunkdienst zum netzseitigen Versenden von Kurzmitteilungen an alle in einer bestimmten Basisstation eingebuchten MS.

BOS-GSM

BOS-GSM (je nach Anbieter auch BOS@GSM, GSM-BOS) ist eine Technik zur digitalen Funkkommunikation von Anwendern mit besonderen Sicherheitsanforderungen wie Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS: Polizei, Feuerwehr, Rettungsdienste).

Triviales

Im franz√∂sischen Sprachgebrauch wird h√§ufig die Abk√ľrzung ‚ÄěGSM‚Äú f√ľr das deutsche Wort ‚ÄěMobiltelefon‚Äú benutzt. Auch in der bulgarischen Sprache, die seit √ľber 200 Jahren viele W√∂rter aus dem Franz√∂sischen entlehnt, wird ‚ÄěGSM‚Äú synonym f√ľr ‚ÄěMobiltelefon‚Äú gebraucht.

Literatur

  • Jon Agar: constant touch, a global history of the mobile phone. Icon Books, Cambridge 2003, ISBN 1-84046-541-7.
  • J√∂rg Ebersp√§cher: GSM, Global System for Mobile Communication: Vermittlung, Dienste und Protokolle in digitalen Mobilfunknetzen. Teubner, Stuttgart 2001, ISBN 3-519-26192-8
  • Hannes Federrath: Sicherheit mobiler Kommunikation: Schutz in GSM-Netzen, Mobilit√§tsmanagement und mehrseitige Sicherheit, Vieweg, 1999, ISBN 3-528-05695-9
  • Michel Mouly, Marie-Bernadette Pautet: The GSM System for Mobile Communications. M. Mouly, Palaiseau 1992, ISBN 2-9507190-0-7
  • Siegmund M. Redl, Matthias K. Weber, Malcolm W. Oliphant: An Introduction to GSM, Artech House, March 1995, ISBN 978-0-89006-785-7
  • Siegmund M. Redl, Matthias K. Weber, Malcolm W. Oliphant: GSM and Personal Communications Handbook, Artech House, May 1998, ISBN 978-0-89006-957-8
  • Martin Sauter: Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme. Vieweg, 2008, ISBN 978-3-8348-0397-9
  • Jochen Schiller: Mobilkommunikation. Pearson, M√ľnchen 2003, ISBN 3-8273-7060-4
  • Peter Vary, Rainer Martin: Digital Speech Transmission - Enhancement, Coding and Error Concealment, Wiley 2006, ISBN 0-471-56018-9
  • Bernhard Walke: Mobilfunknetze und ihre Protokolle 1, Stuttgart 2001, ISBN 3-519-26430-7

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ 3GPP TS 45.005: Radio transmission and reception
  2. ‚ÜĎ heise-online: ‚ÄěStaatsanwaltschaft kritisiert ‚ÄěSpitzel-SMS‚Äú der Polizei‚Äú 06.04.2003

Weblinks


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