Adaptive Multi-Rate

Das Global System for Mobile Communications (früher Groupe Spécial Mobile, GSM) ist ein Standard für volldigitale Mobilfunknetze, der hauptsächlich für Telefonie, aber auch für leitungsvermittelte und paketvermittelte Datenübertragung sowie Kurzmitteilungen (Short Messages) genutzt wird. Es ist der erste Standard der sogenannten zweiten Generation („2G“) 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 eingeführt, was zur raschen Verbreitung von Mobiltelefonen in den 1990er-Jahren führte. Der Standard wird heute in 670 GSM-Mobilfunknetzen in rund 200 Ländern und Gebieten der Welt als Mobilfunkstandard genutzt; dies entspricht einem Anteil von etwa 78 Prozent aller Mobilfunkkunden. Es existieren später hinzugekommene Erweiterungen des Standards wie HSCSD, GPRS und EDGE zur schnelleren Datenübertragung. Zum Zutritt in die Netze stehen insgesamt ca. 1700 Mobiltelefonmodelle zur Verfügung.

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 verfügten nur über Kapazitäten für 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 ähnliche Situation vermieden werden.

erste GSM-Telefone (1991)
  • 1982: Bei CEPT (Europäische Konferenz der Post- und Fernmeldeverwaltungen) wird die Groupe Spécial Mobile (etwa Arbeitsgruppe für Mobilfunk) eingerichtet. Ihre Aufgabe war es, einen einheitlichen pan-europäischen Mobilfunkstandard zu entwickeln.
  • 1987: 17 GSM-Netzbetreiber in spe aus 15 europäischen Ländern bilden eine Kooperation und unterzeichnen am 7. September in Kopenhagen das GSM MoU (Memorandum of Understanding).
  • 1989: Die Groupe Spécial Mobile wird ein Technical Committee beim Europäischen Institut für Telekommunikationsnormen (ETSI), das durch die EG-Kommission 1988 gegründet 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 verändert und können für 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 Spécial Mobile wird umgenannt in Standard Mobile Group (SMG). GSM bleibt erhalten als Bezeichnung für den Standard selbst und steht nun für Global System for Mobile Communications.
  • 1991: Die Spezifikationen für DCS 1800 werden eingefroren.
  • 1991: Die ersten lauffähigen Systeme werden vorgeführt (z. B. auf der Messe Telecom 91).
  • 1992: Viele europäische GSM 900-Betreiber beginnen mit dem kommerziellen Netzstart.
  • 2000: Die GSM-Standardisierungsaktivitäten werden nach 3GPP überführt. Die Arbeitsgruppe dort trägt die Bezeichnung TSG GERAN (Technical Specification Group GSM EDGE Radio Access Network).
  • 2007: Erste Vorschläge zur Nutzung von SIP-Nummern mit GSM

Technik

Allgemein

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

  • Teilnehmerauthentifizierung
  • Kanalzugriffsverfahren
  • Mobilitätsverwaltung (HLR, VLR, Location Update, Handover, Roaming)
  • Die Teilnehmer sind mobil und können somit von einer Funkzelle in eine andere wechseln. Geschieht dies während eines Gesprächs oder einer Datenverbindung, dann muss die Gesprächsverbindung von einer Basisstation zur nächsten übergeben werden (Handover), damit das Mobiltelefon seine Funkverbindung immer zu der bestgeeigneten Basisstation bekommt. In Ausnahmefällen kann das Gespräch auch über eine benachbarte Basisstation geführt werden, um Überlastungen zu vermeiden.
  • Effiziente Ressourcenausnutzung
  • Da auf der Funkschnittstelle eine geringere Datenübertragungsrate als im Festnetz zur Verfügung steht, müssen die Nutzdaten stärker komprimiert werden. Um den Anteil der Datenübertragungsrate, der für Signalisierungsvorgänge verwendet werden muss, klein zu halten, wurden die Signalisierungsnachrichten bitgenau spezifiziert, um sie so kurz wie möglich zu halten.
  • Mobiltelefone verfügen nur über eine begrenzte Akkukapazität, 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 möglichst gering gehalten werden.
  • Nutzung von Fremdnetzen (Roaming)

Standardisierung

Die Standardisierung von GSM wurde bei CEPT begonnen, von ETSI (Europäisches Institut für Telekommunikationsnormen) weitergeführt und später an 3GPP (3rd Generation Partnership Project) übergeben. Dort wird GSM unter dem Begriff GERAN (GSM EDGE Radio Access Network) weiter standardisiert. 3GPP ist somit für UMTS und GERAN verantwortlich.

Reichweite

Die mit GSM erzielbaren Reichweiten schwanken stark, je nach Geländeprofil und Bebauung. Im Freien sind bei Sichtkontakt teilweise bis zu 35 km erreichbar. Bei größeren Entfernungen verhindert die Laufzeit der Funksignale eine Kommunikation zwischen Basis- und Mobilstation. Es ist allerdings mit Hilfe spezieller Tricks möglich die Zellengröße zu verdoppeln. Jedoch wird dadurch die Kapazität der Zelle verkleinert. Anwendung findet dies in Küstenregionen. In Städten beträgt die Reichweite aufgrund von Dämpfungen durch Gebäude und durch die niedrigere Antennenhöhe oft nur wenige hundert Meter, dort stehen die Basisstationen allerdings aus Kapazitätsgründen 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 Zellengröße festgelegt. Dabei wird auch die prognostizierte Nutzung berücksichtigt, um Überlastungen zu vermeiden.

Verwendete Frequenzen

GSM arbeitet mit unterschiedlichen Frequenzen für den Uplink (vom Mobiltelefon zum Netz) und den Downlink (vom Netz zum Mobiltelefon). Die folgenden Frequenzbänder werden verwendet[1]

Bandbezeichnung Bereich Uplink (MHz) Downlink (MHz) ARFCN Kontinent Anmerkungen
T-GSM 380 GSM 400 380,2–389,8 390,2–399,8 dynamisch
T-GSM 410 GSM 400 410,2–419,8 420,2–429,8 dynamisch
GSM 450 GSM 400 450,4–457,6 460,4–467,6 259–293 das Frequenzband wird für GSM bisher nur von Celtel in Tansania eingesetzt
GSM 480 GSM 400 478,8 – 486,0 488,8 – 496,0 306 – 340 das Frequenzband wird für GSM bisher nur von Celtel in Tansania eingesetzt
GSM 710 GSM 700 698,0–716,0 728,0–746,0 dynamisch
GSM 750 GSM 700 747,0–762,0 777,0–792,0 438–511 das Frequenzband wird für GSM bisher nicht eingesetzt
T-GSM 810 806,0–821,0 851,0–866,0 dynamisch
GSM 850 GSM 850 824,0–849,0 869,0–894,0 128–251 Amerika
P-GSM GSM 900 890,0–915,0 935,0–960,0 1–124 Afrika, Amerika, Asien, Australien, Europa
E-GSM GSM 900 880,0–915,0 925,0–960,0 0,1–124,975–1023 Europa
R-GSM GSM 900 876,0–915,0 921,0–960,0 0,1–124,955–1023 Asien, Europa
T-GSM 900 GSM 900 870,4–876,0 915,4–921,0 dynamisch
DCS 1800 GSM 1800 1710,0–1785,0 1805,0–1880,0 512–885 Afrika, Amerika, Asien, Australien, Europa
PCS 1900 GSM 1900 1850,0–1910,0 1930,0–1990,0 512–810 Amerika

Insbesondere auf dem amerikanischen Kontinent sind nicht alle Bänder in allen Ländern verfügbar (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 öffnete die zuständige Regulierungsbehörde die Frequenzbereiche 880-890 MHz und 925-935 MHz für den GSM-Mobilfunk.

In Österreich sind die Frequenzbereiche 880-915 MHz und 925-960 MHz, 1710-1785 MHz und 1805-1880 MHz für 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 Übertragung auf der Luftschnittstelle

GSM-Rahmenstruktur

Die digitalen Daten werden mit einer Mischung aus Frequenz- und Zeitmultiplexing übertragen. Das GSM Frequenzband wird in mehrere Kanäle unterteilt, die einen Abstand von 200 kHz haben. Sende- und Empfangsrichtung sind getrennt. Bei GSM 900 sind im Bereich von 890 - 915 MHz 124 Kanäle für die Aufwärtsrichtung (Uplink) zur Basisstation und im Bereich von 935 - 960 MHz 124 Kanäle für die Abwärtsrichtung (Downlink) vorgesehen. Jede Trägerfrequenz transportiert zeitversetzt acht Nutzkanäle. Die TDMA-Rahmendauer beträgt 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 übertragen werden).

Das Modulationsverfahren ist Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK, dt.: Gauß'sche Minimalphasenlagenmodulation), eine digitale Phasenmodulation bei der die Amplitude konstant bleibt. Mit EDGE wurde dann 8-PSK eingeführt. Während bei GMSK pro Symbol nur 1 bit übertragen wird, sind dies bei 8-PSK 3 bit, jedoch wird ein höheres Signal-Rauschleistungsverhältnis bei der Funkverbindung benötigt.

Da bei einer Entfernung von mehreren Kilometern das Funksignal durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit (die sogenannte Gruppengeschwindigkeit) soweit verzögert 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 früher auszusenden. Dazu teilt sie dem mobilen Gerät den Parameter Timing Advance (TA) mit, der den Sendevorlauf in 3,7 μs-Schritten vorgibt. Dies entspricht jeweils der Zeitdauer eines Bit, wobei die Bitrate 270,833 kbits/s beträgt (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 für die Laufzeit Hin- und Rückrichtung zusammen betrachtet werden müssen, entspricht eine Änderung des Timing Advance um eins einer Entfernungsänderung 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 empfängt dort den Burst des Rückkanals von der Basisstation. Da Uplink und Downlink um drei Zeitschlitze versetzt auftreten (von den acht), genügt eine Antenne für beide Richtungen. Zur Erhöhung der Störfestigkeit kann auch das Frequenzpaar periodisch gewechselt werden (frequency hopping), so entsteht eine Frequenzsprungrate von 217 Sprüngen pro Sekunde.

Bei einer Bruttodatenübertragungsrate 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 übrig. Von dieser Datenrate sind 9,2 kbit/s für die Synchronisation des Rahmenaufbaus reserviert, so dass 24,7 kbit/s netto für den Nutzkanal übrig bleiben. Durch die Übertragung 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 für die kodierten und verschlüsselten Nutzdaten des Verkehrskanals (Traffic Channel) und 1,9 kbit/s für die teilnehmerspezifischen Steuerkanäle (Control Channel) aufgeteilt. Die Kanalkodierung beinhaltet eine Reihe von Fehlerschutzmechanismen, so dass für die eigentlichen Nutzdaten noch 13 kbit/s übrig bleiben (im Fall von Sprachdaten). Eine später eingeführte alternative Kanalkodierung erlaubt die Verringerung des Fehlerschutzes zugunsten der Anwendungsdaten, da bei Datenübertragungsprotokollen im Gegensatz zur Sprachübertragung bei Bitfehlern eine Neuanforderung des Datenblocks möglich 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 Anschlüsse) und einer Möglichkeit, einen anderen Teilnehmer auszuwählen (typischerweise Tastatur oder Spracheingabe). Üblicherweise enthält die Mobile Station zusätzlich ein Display, um die Telefonnummer des Anrufers sowie Kurzmitteilungen (SMS) anzuzeigen. Das Teilsystem MS enthält 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 überwacht und ggf. Zellwechsel (Handover) einleitet. An eine BSC sind diverse Basisstationen angeschlossen (meist einige 10 bis einige 100). Jede Basisstation bedient eine oder mehrere (häufig drei) Funkzellen, Fachausdruck: BTS (Base Transceiver Station). An die BTS sind die Antennen angeschlossen, die häufig einen 120°-Sektor versorgen.
Da bei Telefongesprächen innerhalb des Mobilfunknetzes ein komprimierender Audiocodec verwendet wird, wird eine Umwandlungseinheit (TRAU, Transcoder and Rate Adaptation Unit) für die Konvertierung zwischen GSM- und unkomprimierten ISDN-Audiocodec (64kbit/s) benötigt.
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 gehört das VLR (Visitor Location Register), das Informationen über alle mobilen Teilnehmer speichert, die sich innerhalb des Funknetzes aufhalten. Das HLR (Home Location Register) speichert dagegen Informationen über alle Teilnehmer, die Kunden des Funknetzeigentümers sind. Für die Authentifizierung ist das AUC (Authentication Center) zuständig, das (optionale) EIR (Equipment Identity Register) speichert Informationen über die Seriennummern der verwendeten Mobile Stations. Für den paketvermittelten Teil GPRS stehen der SGSN (Serving GPRS Support Node) und GGSN (Gateway GPRS Support Node) zur Verfügung.
Operation and Maintenance Center (OMC) bzw Network Management Center (NMC) (nicht eingezeichnet)
Das OMC überwacht das Mobilfunknetz und kontrolliert die MSC, BSC und BTS.

Die blauen Buchstaben im Bild bezeichnen die Datenübertragungswege 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 Datenschutzgründen wird die IMSI nur bei der initialen Authentifizierung der mobilen Station über das Funknetz gesendet, in weiteren Authentifizierungen wird stattdessen eine temporär gültige TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) verwendet. Für 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 angestoßene Zellwechsel während eines laufenden Gesprächs. Dieser kann aus verschiedenen Gründen notwendig werden. Ausschlaggebend ist u. a. die Qualität der Funkverbindung, aber auch die Verkehrslast der Zelle. Es kann zum Beispiel ein Gespräch an eine weiter entfernte Zelle übergeben werden, um eine Überlastung 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 ständig die Voraussetzung dafür bestehen, dass der Teilnehmer eine Suchanfrage (genannt Paging) empfangen kann. Hierzu muss sein aktueller Aufenthaltsort in gewisser Granularität ständig nachgeführt werden.

Zur Verringerung des Aufwands im Kernnetz und zur Verlängerung 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 Übertragungskapazität zu sparen, meldet sich das Mobiltelefon im Standby-Betrieb nur in Abständen von mehreren Stunden oder beim Wechsel der Location Area beim Netz. Beim Herstellen der Verbindung wird über 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 Trägerfrequenzen es von der Basisstation auf speziellen Informationskanälen mitgeteilt bekommt. Wird das Signal einer der Nachbarzellen besser als das der aktuellen Zelle, dann wechselt das Mobiltelefon dorthin. Bemerkt es dabei eine Änderung der Location Area, dann muss es dem Netz seinen neuen Aufenthaltsort mitteilen.

Für das Mobilitätsmanagement sind das VLR und das HLR von sehr großer 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 dazugehörige 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 Ländern Roamingabkommen getroffen haben, ist es möglich, das Mobiltelefon auch in anderen Ländern zu nutzen und weiterhin unter der eigenen Nummer erreichbar zu sein und Gespräche zu führen.

Sicherheitsfunktionen

Authentisierung

Jedem Teilnehmer wird bei der Aufnahme in das Netz eines Mobilfunkbetreibers ein Subscriber Authentication Key Ki zugeteilt. Der Schlüssel 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 Authentisierungsschlüssel SRES' (Signed Response, 32 Bit) berechnet. Der Authentisierungsschlüssel SRES wird vom Netz im AuC und von der MS getrennt berechnet und das Ergebnis vom VLR verglichen. Stimmen SRES und SRES' überein, ist die MS authentifiziert. Der A3-Algorithmus wird geheim gehalten und ist elementarer Bestandteil der Sicherheit im GSM-Netz.

Nutzdatenverschlüsselung

Zur Verschlüsselung wird aus der Zufallszahl von der Authentifizierung beidseitig mit dem Algorithmus A8 ein Codeschlüssel (engl.: Cipher Key) bestimmt. Der Kodeschlüssel wird vom Algorithmus A5 zur symmetrischen Verschlüsselung der übertragenen Daten verwendet. Schon angesichts der geringen Schlüssellänge kann davon ausgegangen werden, dass die Verschlüsselung keine nennenswerte Sicherheit gegen ernsthafte Angriffe bietet. Allerdings verhindert sie ein einfaches Einklinken, wie es beim analogen Polizeifunk möglich ist.

Anonymisierung

Um eine gewisse Anonymität zu gewährleisten, wird die eindeutige Teilnehmerkennung IMSI, über die ein Teilnehmer weltweit eindeutig zu identifizieren ist, auf der Luftschnittstelle verborgen. Stattdessen wird vom VLR eine temporäre TMSI generiert, die bei jedem Location Update neu vergeben wird und nur verschlüsselt übertragen wird. Siehe dazu IMSI-Catcher.

Benutzerauthentisierung

Der Benutzer muss sich gegenüber 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 endgültig gesperrt wird.

Dienste für den Benutzer

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

Sprachübertragung

Für die Sprachübertragung bei GSM wurden im Laufe der Jahre mehrere Codecs standardisiert. Die üblichen Sprachcodecs, welche typischerweise mit einer Datenrate von weniger als 20 kbit/s auskommen, führen eine der menschlichen Sprache angepasste Merkmalsextraktion durch, wodurch sie nur für die Übertragung von Sprache brauchbar sind. Musik oder andere Geräusche können sie daher nur mit geringerer Qualität übertragen. 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). Für ihn steht nur eine Netto-Datenrate von 13 kbit/s zur Verfügung (im Unterschied zu G.711 64 kbit/s bei ISDN). Die Audiosignale müssen deshalb stark komprimiert werden, um trotzdem eine akzeptable Sprachqualität zu erreichen. Beim FR-Codec wird eine Mischung aus Langzeit- und Kurzzeit-Prädiktion verwendet, die eine effektive Komprimierung ermöglicht (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, anschließend dem Sprachcodec unterworfen (13 kbit/s). Zur Vorwärtsfehlerkorrektur (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 würde. 50 Bits des Blocks werden in Klasse Ia eingeteilt. Sie sind am stärksten zu schützen und erhalten eine CRC-Prüfsumme von 3 Bits, für Fehlererkennung und Fehlerverdeckung (error concealment). Zusammen mit 132 Bits der Klasse Ib, die etwas weniger zu schützen sind, werden sie einem Faltungs-Code unterworfen, der aus den 185 Eingangsbits 378 Ausgangsbits generiert. Die restlichen 78 Bits werden ungeschützt übertragen. So werden aus 260 Bits Nutzdaten 456 Bits fehlergeschützte 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 Einführung des Half-Rate-Codecs wurde es möglich, auf einem Zeitschlitz der Luftschnittstelle nicht nur ein, sondern zwei Gespräche gleichzeitig abzuwickeln. Wie der Name sagt, steht für HR nur die halbe Datenrate zur Verfügung wie für den FR-Codec. Um trotzdem eine brauchbare Sprachqualität zu erreichen, wird anstelle der im FR-Codec verwendeten skalaren Quantisierung eine Vektorquantisierung verwendet. Dadurch ist für die Kodierung ungefähr die drei- bis vierfache Rechenleistung erforderlich wie beim FR-Codec. Weil die Sprachqualität trotzdem eher mäßig ist, wird HR von den Mobilfunknetzbetreibern nur dann eingesetzt, wenn eine Funkzelle überlastet ist.

Enhanced Full Rate Codec (EFR)

EFR arbeitet mit einer ähnlichen Datenrate wie der Full Rate Codec, nämlich 12,2 kbit/s. Durch einen leistungsfähigeren Algorithmus (CELP) wurde, gegenüber dem Full-Rate-Codec, eine bessere Sprachqualität erreicht, welche bei einem guten Funkkanal annähernd dem Niveau von ISDN-Telefongesprächen (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 Audioqualität her weitgehend dem GSM-EFR-Codec. Je geringer die Datenrate der Sprachdaten ist, umso mehr Bits stehen für die Kanalkodierung und damit zur Fehlerkorrektur zur Verfügung. Somit wird der 4,75-kbit/s-Codec als der robusteste bezeichnet, weil trotz hoher Bitfehlerhäufigkeit bei der Funkübertragung noch ein verständliches Gespräch möglich ist. Während eines Gespräches misst das Mobilfunknetz die Bitfehlerhäufigkeit und wählt den dafür geeignetsten Codec aus.

Adaptive Multirate Codec / wide Band (AMR-WB)

Bei diesem Codec handelt es sich um eine Erweiterung und Optimierung des schon verfügbaren AMR-Codecsets. Wie das „WB“ (wide band) schon vermuten lässt, so wird der übertragbare 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 größere Bandbreite, Sprach- und Umgebungsgeräusche besser gemeinsam übertragen können. Mit AMR-WB soll es dann möglich sein, auch in lauter Umgebung eine bessere Sprachqualität erreichen zu können. Ericsson hat im T-Mobile-UMTS-Netz in Deutschland im Sommer 2006 mit ausgewählten Kunden in den Städten Köln und Hamburg einen AMR-WB Livetest durchgeführt.

Datenübertragung

Wird ein GSM-Kanal für Datenübertragung genutzt, erhält man nach den Dekodierschritten eine nutzbare Datenrate von 9,6 kbit/s. Diese Übertragungsart wird Circuit Switched Data (CSD) genannt. Eine fortschrittliche Kanalkodierung ermöglicht auch 14,4 kbit/s, bewirkt bei schlechten Funkverhältnissen aber viele Blockfehler, so dass die „Downloadrate“ tatsächlich niedriger ausfallen kann als mit erhöhter Sicherung auf dem Funkweg. Deshalb wird in Abhängigkeit von der Bitfehlerhäufigkeit zwischen 9,6 und 14,4 kbit/s netzgesteuert umgeschaltet (=Automatic Link Adaptation, ALA).

Beides ist jedoch für viele Internet- und Multimediaanwendungen zu wenig, so dass Erweiterungen unter dem Namen HSCSD und GPRS geschaffen wurden, die eine höhere Datenrate ermöglichen, indem mehr Bursts pro Zeiteinheit für die Übertragung genutzt werden können. HSCSD nutzt eine feste Zuordnung mehrerer Kanalschlitze, GPRS nutzt Funkschlitze dynamisch für die aufgeschalteten logischen Verbindungen (besser für den Internetzugang). Eine Weiterentwicklung von GPRS ist E-GPRS. Dies ist die Nutzung von EDGE für Paketdatenübertragung.

Ortung

Redundanz Die Artikel Global System for Mobile Communications#Ortung und GSM-Ortung überschneiden sich thematisch. Hilf mit, die Artikel besser voneinander abzugrenzen oder zu vereinigen. Beteilige dich dazu an der Diskussion über diese Überschneidungen. Bitte entferne diesen Baustein erst nach vollständiger Abarbeitung der Redundanz. mik81diss 19:29, 3. Mär. 2008 (CET)

Die Position eines Mobiltelefons ist für 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 regelmäßig aktualisiert (siehe oben). Im Gesprächsbetrieb 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 über den Wert des Timing-Advance-Parameters (TA) mit einer Schrittweite von ca. 550 Metern als Ring um die Basisstation geschätzt werden. Durch Triangulation über 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 höherer Genauigkeit der Ortung umgestellt. So wird von einigen Netzbetreibern der Schwerpunkt der Fläche geliefert, die die betroffene Richtantenne abdeckt. Die Genauigkeit ist abhängig von der Zellengröße und variiert erheblich. Insbesondere ist jeder Punkt von mehreren Zellen überdeckt und eine Einbuchung erfolgt je nach Auslastung unterschiedlich ggf. auch in einer großräumigen 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 Fähigkeit zur Ortung wird für verschiedene Dienste genutzt. Einige Betreiber bieten Infodienste als Location Based Services, so dass Kunden Restaurants oder Hotels in ihrer Nähe finden können. Es gibt auch Routenplaner, die über das Mobiltelefon angeboten werden und diese Informationen auswerten. Durch die ungefähre Ortsbestimmung werden auch Flottenmanagement für Transportunternehmen oder eine Hilfe zum Wiederauffinden eines liegengelassenen oder gestohlenen Mobiltelefons möglich. Die Ortung wird auch von vielen Anbietern angeboten, um Kinder oder Ehepartner zu überwachen. Dabei wird auf die geortete SIM nicht zwangsläufig eine SMS geschickt, so dass die geortete Person nicht immer weiß, dass sie überprüft wurde.

Mit spezieller Hardware (Powermanagement, Schutzklasse) sind industrielle Anwendungen über mehrere Jahre realisierbar. Die Verwendung für Rettungsdienste ermöglicht das schnelle Auffinden von Unfallopfern, da diese oft ihren Aufenthaltsort nicht genau kennen oder falsch angeben. In manchen Ländern (z. B. den USA) wird bei einem Notruf automatisch die Position des Teilnehmers bestimmt und übermittelt.

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 „Gefahr im Verzug“ erfolgt dies zum Teil auch ohne richterliche Prüfung. Diese Praxis ist jedoch umstritten.[2]

Erweiterungen und Weiterentwicklungen von GSM

GSM wurde ursprünglich hauptsächlich für Telefongespräche, Faxe und Datensendungen mit konstanter Datenrate konzipiert. Burstartige Datensendungen mit stark schwankender Datenrate, wie es beim Internet üblich ist, wurden nicht eingeplant.

Mit dem Erfolg des Internets begann daher die sogenannte „Evolution von GSM“, bei der das GSM-Netz komplett abwärtskompatibel mit Möglichkeiten zur paketorientierten Datenübertragung erweitert wurde. Es sollten außerdem 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 Kanälen erreicht HSCSD insgesamt eine höhere Datenrate, maximal 115,2 kbit/s. Um HSCSD nutzen zu können, braucht man ein kompatibles Mobiltelefon, auf Seiten des Netzbetreibers sind Hardware- und Softwareänderungen bei Komponenten innerhalb der Basisstationen und des Kernnetzes erforderlich. In Deutschland unterstützen nur Vodafone und E-Plus HSCSD.

GPRS

GPRS erlaubte erstmalig eine paketvermittelte Datenübertragung. Der tatsächliche Datendurchsatz hängt unter anderem von der Netzlast ab und liegt bei maximal 171,2 kbit/s. Bei geringer Last kann ein Nutzer mehrere Zeitschlitze parallel verwenden, während bei hoher Netzlast jeder GPRS-Zeitschlitz auch von mehreren Benutzern verwendet werden kann. GPRS erfordert beim Netzbetreiber allerdings innerhalb des Kernnetzes zusätzliche 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 ursprünglich nicht vorgesehen. Inzwischen (d. h. ab 3GPP release 99) wurden durch Einführung entsprechender Quality of service-Parameter und einige andere Eigenschaften die Voraussetzungen dafür geschaffen, echtes Streaming über GPRS zu ermöglichen.

Generic Access

Seit Mitte 2004 wird in den Standardisierungsgremien an einer Methode gearbeitet, die es Mobilgeräten erlauben soll, GSM-Dienste statt über die GSM-Luftschnittstelle auch über jede Art von anderen (IP-)Übertragungssystemen zu nutzen. Hierzu sollen die Sendestationen von WLAN, Bluetooth etc. über 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 französischen Sprachgebrauch wird häufig die Abkürzung „GSM“ für das deutsche Wort „Mobiltelefon“ benutzt. Auch in der bulgarischen Sprache, die seit über 200 Jahren viele Wörter aus dem Französischen entlehnt, wird „GSM“ synonym für „Mobiltelefon“ gebraucht.

Literatur

  • Jon Agar: constant touch, a global history of the mobile phone. Icon Books, Cambridge 2003, ISBN 1-84046-541-7.
  • Jörg Eberspächer: 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, Mobilitätsmanagement 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, München 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. 3GPP TS 45.005: Radio transmission and reception
  2. heise-online: „Staatsanwaltschaft kritisiert „Spitzel-SMS“ der Polizei“ 06.04.2003

Weblinks


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