3 GSM - Global System for Mobile Communications

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1 Allgemeines 1982 wurde vom CEPT eine Arbeitsgruppe mit dem Namen»Groupe Spéciale Mobile«ins Leben gerufen und mit der Aufgabe betreut, eine Spezifikation für ein europäisches Mobilfunksystem zu erarbeiten. Nachdem die Zuständigkeit für GSM mehrmals wechselte und der Standard, zuverlässig und technisch ausgereift, sich schnell über die ganze Welt verbreitete, wurde die ursrpüngliche Bedeutung des Kürzels GSM geändert in Global System for Mobile Communications. GSM sollte alle analogen Mobilfunknetze ersetzen, so dass 1987 die zukunftsweisende Entscheidung zu Gunsten eines digitalen Systems fiel. Im Sommer 1992 gingen dann die ersten Mobilfunknetze an den Start, die im Frequenzbereich um 900 MHz (GSM-900) arbeiteten. Etwas später wurden weitere Netze im Frequenzbereich um 1800 MHz eingeführt (GSM-1800 bzw. DCS 1800). Im Laufe der Zeit wurde GSM ständig weiterentwickelt. Es handelt sich also um einen kontinuiierlichen Standardisierungsprozess. Zum 1. August 2000 wurde die GSM-Spezifikation dem 3GPP (3rd Generation Partnership Projects) übergeben. 3GPP ist eine Kooperation zwischen verschiedenen Standardisierungsorganisationen aus Europa, USA und Asien, mit dem erklärten Ziel, die Mobilfunksysteme der 3. Generation - und somit auch UMTS - zu standardisieren. 3.2 GSM-Systeme und Frequenzbereiche System Name Frequenzen Einsatz GSM-900 Global System for Mobile Communications Digital Communication System Personal Communication System MHz (UL) MHz (DL) MHz (UL) MHz (DL) MHz (UL) MHz (DL) D-Netze in Deutschland E-Netze in Deutschland DCS-1800 PCS-1900 Netze in den USA Tabelle 3.1: GSM-Systeme im Vergleich (UL = Uplink / DL = Downlink) GSM-900-Systeme funken in Deutschland in den Hauptfrequenzbändern 890 bis 915 MHz (Uplink) und 935 bis 960 MHz (Downlink). Diese Frequenzen werden in Deutschland von den D-Netzen genutzt. Darüber hinaus gibt es die Erweiterungs-Frequenzbänder 880 bis 890 MHz bzw. 925 bis 935 MHz. Für den Bahnfunk (GSM-R) sind die Frequenzen 876 bis 880 MHz und 921 bis 925 MHz reserviert. Die DCS-1800-Systeme funken in den Frequenzbändern 1710 bis 1785 MHz (Uplink) und 1805 bis 1880 MHz (Downlink). Diese Frequenzen werden in Deutschland von den E-Netzen genutzt. Im Jahr 1999 haben die beiden D-Netz-Betreiber (T-Mobile und Vodafone) zusätzliche Frequenzbereiche für DCS-1800 erworben, um Engpässe in den GSM-900-Frequenzbereichen auszugleichen und in Gegenden mit hoher Mobilfunklast mehr Kapazität zur Verfügung zu stellen. Da es sich bei GSM-900 und DCS-1800, bedingt durch die unterschiedlichen Frequenzbereiche, um unterschiedliche Techniken handelt, sind Dualband-Handys für die Nutzung beider Frequenzbereiche notwendig. In der Regel sind alle in Deutschland verkauften Handys dualbandfähig.

2 GSM - Global Systems for Mobile Communications GSM-Systemarchitektur Die Systemarchitektur von GSM ist für die Übertragung von Sprache ausgelegt. Zusätzliche Dienste, z.b. Datenübertragung, erfordern Netzelemente, die in den folgenden Ausführungen nicht berücksichtigt sind. Die Darstellungen und Beschreibungen sind trotz der komplexen realen Systemarchitektur so einfach wie möglich gehalten. Die GSM-Systemarchitektur gliedert sich in drei Teile: das Radio Sub-System, das Switching Sub- System und das Operation & Maintenance Sub-System. Zum besseren Verständnis werden hier die Subsysteme einzeln beschrieben. In einer weiteren Ausführung werden dann die Zusammenhänge dargestellt. MS [SIM] Radio Sub-System Funkzellen MS [SIM] U m -Schnittstelle BTS U m -Schnittstelle A bis BTS BSC TRAU Abb. 3.1: Radio Sub-System OMC-B Radio Sub-System Die Mobile Station (MS) ist das eigentliche Mobilfunkgerät. Dies muss jedoch nicht zwangsläufig ein Handy sein (dann heißt es Mobile Equipment ME bzw. User Equipment UE), denn es kann sich hierbei auch um eine Datenkarte für den PC/Laptop (PCMCIA) oder ein GSM-Modem für die Datenübertragung handeln. Die Mobile Station ermöglicht dem Nutzer über die Bedienelemente den Zugang zum Mobilfunknetz. Die Hauptaufgabe besteht aus dem Empfangen und Senden von Nutz- und Steuerdaten. Zusätzliche Schnittstellen am Mobiltelefon ermöglichen die Kommunikation mit anderen Geräten. In der MS befindet sich die SIM-Karte (Subscriber Identity Module), eine Chipkarte, auf der die teilnehmerbezogenen Daten des Mobilfunkgerätes eingetragen sind. Die SIM-Karte ermöglicht die eindeutige Identifikation des Mobilfunkteilnehmers und ist dient somit als Zugangsberechtigung zum Mobilfunknetz. Neben den obligatorisch enthaltenen Informationen, wie z.b. der PIN (Personal Identification Number), der Rufnummer, Verschlüsselungsalgorithmen, usw., kann der Speicherplatz auf der Karte ebenfalls für benutzerdefinierte Daten genutzt werden, wie z.b. für ein Telefonbuch oder Kurzmitteilungen. Als eigentliche»intelligenz«der Mobile Station kann die SIM-Karte aus dem Mobiltelefon aus- und in ein anderes Gerät eingebaut werden. So lassen sich die zugewiesene Rufnummer sowie alle anderen Daten auch mit einem anderen Handy nutzen. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass das Gerät nicht per SIM-Lock gesperrt ist.

3 18 Die Versorgung der Funkzelle übernimmt die Base Transceiver Station (BTS), im weiteren Textverlauf einfach als Basisstation bezeichnet. Sie übernimmt die Signalverarbeitung für die Funkzelle und kommuniziert über die U m -Schnittstelle (Luft- oder Funkschnittstelle) mit den Mobile Stations (MS). Der Radius einer von einer Basisstation versorgten Funkzelle beträgt bis zu 37,8 km. Aufgrund geringerer Sendeleistung, geländebedingter Ursachen und kleineren Zellen in Ballungsgebieten fällt die Reichweite und somit der Radius der Funkzelle in der Praxis deutlich geringer aus. Je nach Netzkonfiguration sind 10 bis 100 Basisstationen an einem Base Station Controller (BSC) angeschlossen. Nicht jede Basisstation hat dabei eine direkte Verbindung zum zuständigen BSC. In manchen Fällen wird die Verbindung über andere Basisstationen»durchgeschleift«. Die Basisstationen sind über gemietete Leitungen (z.b. PCM30 / 2 MBit/s) oder Richtfunkstrecken (7 GHz) mit dem BSC verbunden. Dem Base Station Controller, als zentrales Element eines aus mehreren Zellen bestehenden Versorgungsbereiches, obliegt die Steuerung aller Geräte des Radio Sub-Systems (auch als BSS - Base Station Sub-System bezeichnet). Er verwaltet die Funkkanäle seines Bereiches, informiert die MS in Form von System Informationen über alle Parameter des funktechnischen Umfeldes, analysiert die von den MS gelieferten Messwerte der Feldstärke an den verschiedenen Empfangsorten und legt danach ein erforderliches Handover fest. Eine weitere wichtige Aufgabe besteht in der Steuerung der ankommenden Anrufe an die MS, dem so genannten Paging. Darüber hinaus wird der BSC auch benutzt, um an dieser Stelle der Systemarchitektur den Mobilfunkverkehr zusammenzufassen und auf dem Weg zur Vermittlungsstelle Leitungsknoten zu sparen. Bevor die Sprachübertragung in das Vermittlungssystem übergeht, wandelt die Transcoder/Rate Adaptor Unit (TRAU) das GSM-Sprachsignal von 13 kbit/s in 64 kbit/s um (und umgekehrt). Der TRAU muss hierzu die Sprache nach einem komplizierten Algorhitmus kodieren bzw. dekodieren, wozu ca. 1,5 Mio. Rechenoperationen (Addition oder Multiplikation) pro Sekunde notwendig sind. Außerdem übernimmt die TRAU auch die Datenratenanpassung für die Datendienste. Obwohl die TRAU eigentlich dem Radio Sub-System zugeordnet ist, ist sie häufig in die Vermittlungsstelle integriert. Durch die geringere Datenrate von GSM-Sprachsignalen spart man sich Verbindungskosten von der Vermittlungsstelle zur Basisstation. Switching Sub-System TRAU [VLR] HLR AuC EIR G- Datennetze Festnetz andere Mobilfunknetze [VLR] OMC-S Abb. 3.2: Switching Sub-System

4 GSM - Global Systems for Mobile Communications Switching Sub-System Das (Network) Switching Sub-System (NSS) ist zentrales Element des Mobilfunksystems, an das mehrere Radio Sub-Systeme (bzw. BSS) angeschlossen sind. Seine Komponenten erledigen sämtliche Vermittlungs-, Steuerungs- und Datenbankfunktionen, die für Berechtigungsprüfung, Verbindungsaufbau, Datenverschlüsselung und Roaming notwendig sind. Zu seinen Komponenten gehören:! Mobile (Services) Switching Center ()! Gateway Mobile Services Switching Center (G-)! Home Location Register (HLR)! Visitor Location Register (VLR)! Equipment Identity Register (EIR) Das Mobile (Services) Switching Center () ist die Mobilfunkvermittlungsstelle und übernimmt die Verwaltung der Verbindungen und der Nutzerdaten. In einer so genannten»heimat-datenbank«(hlr = Home Location Register) sind die Daten jedes Kunden gespeichert, u.a. auch die Rufumleitungen und die Gesprächsdaten für die Gebührenabrechnung. Schaltet ein Kunde sein Handy ein, stellt dieses eine Verbindung zur nächsten Basisstation her. Danach werden die auf der SIM-Karte enthaltenen Daten mit der Heimat-Datenbank (HLR) abgeglichen sowie der aktuelle Standort des Handys gespeichert. In der Mobilfunkvermittlungsstelle (), an der die Basisstation angeschlossen ist, wird eine»besucher-datenbank«(vlr = Visitor Location Register) angelegt, in der die Heimatdateiadresse und die Rufnummer des Handys gespeichert werden. Verlässt ein Handy-Nutzer den Einzugsbereich einer Vermittlungsstelle, wird die Rufnummer aus der Besucherdatei wieder gelöscht und in der neuen Vermittlungsstelle gespeichert. Mit Hilfe der Dateien kann jederzeit der Standort eines Handys ermittelt werden, wenn es eingeschaltet ist. Neben Heimat- und Besucher-Datenbanken gibt es eine»beglaubigungszentrale«, das so genannte AuC (Authentication Center). Es handelt sich um eine Datenbank, die Informationen enthält, die die Funkschnittstelle gegen unberechtigtes Abhören schützt. Hierzu zählt der Geheimschlüssel, der auch auf der SIM-Karte abgelegt ist. Jedes Handy verfügt über eine international gültige Kennung, der IMEI-Nummer (International Mobile Equipment Identity). Diese Nummer wird in der»identitäts-datenbank«(eir = Equipment Identity Register) gespeichert, wenn das Gerät als defekt oder gestohlen gemeldet wird. Eine ganz besondere Funktion hat das Gateway - Mobile Services Switching Center (G-) inne. Es stellt den Übergang in andere Netze (z.b. ISDN) her, die mit dem Mobilfunknetz Verbindungen aufbauen wollen. Wird ein Mobilfunkteilnehmer aus dem Festnetz angerufen, so ermittelt das G- die Teilnehmersuche über die Heimat-Datenbank (HLR) und vermittelt danach den Ruf an das zuständige. Die Signalisierung innerhalb der Netzelemente des Vermittlungssystems erfolgt über das Zeichengabesystem Nr. 7 (SS#7).

5 20 BSC HLR OMC-B EIR OMC-S AuC Operation and Maintenance Sub-System Abb. 3.3: Operation and Maintenance Sub-System Operation and Maintenance Sub-System Das Operation and Maintenance Center (OMC) ist die Betriebs- und Wartungszentrale eines GSM- Mobilfunknetzes. Man unterscheidet zwischen den Basisstationen (OMC-B) und den Vermittlungsstellen (OMC-S). Ein OMC ist ein System, das einen Teil des gesamten Mobilfunknetzes überwacht. An dieser Stelle werden Fehler lokalisiert und behoben, Netzelemente konfiguriert und neue Software eingespielt, Teilnehmer neu eingerichtet und die Gebührenabrechnung erstellt. In der Regel unterhalten Netzbetreiber eine Hauptzentrale, die auf 10 oder mehr OMCs zugreift. Obwohl die Komponenten EIR und AuC funktionell an die Vermittlungsstellen () angebunden sind, werden beide Datenbanken organisatorisch den OMCs zugeordnet, da sie von diesen gewartet werden. 3.4 Übersicht der GSM-Netzelemente Zum besseren Verständnis sind an dieser Stelle noch einmal alle Komponenten aufgeführt: AuC Authentication Center Zugangsberechtigungszentrale BSC Base Station Controller Steuerung mehrerer Basisstationen BTS Base Transceiver Station Basisstation EIR Equipment Identity Register Identitäts-Datenbank (für die Gerätekennung IMEI) G- Gateway Mobile Services Vermittlungsstelle mit Schnittstelle Switching Center in andere Netze HLR Home Location Register Heimat-Datenbank MS Mobile Station Handy bzw. anderes Mobilfunkgerät Mobile Services Switching Center Mobilfunkvermittlungsstelle OMC Operation and Maintenance Center Betriebs- und Wartungszentrale SIM Subscriber Identity Module Karte mit Chip zum Speicher benutzerdefinierte Daten und Zugriffsberechtigung TRAU Transcoder/Rate Adaptor Unit Umsetzung von Datenraten VLR Visitor Location Register Besucher-Datenbank

6 GSM - Global Systems for Mobile Communications GSM-Funkschnittstelle Die Funkschnittstelle im GSM wird in den technischen Unterlagen als U m -Schnittstelle oder Radio Path bezeichnet. Innerhalb der Funkschnittstelle werden zwei Richtungen unterschieden: Zum einen der Funkweg vom Handy zur Basisstation (hierbei spricht man von Uplink), zum anderen der Funkweg von der Basisstation zum Handy, der als Downlink bezeichnet wird. Da eine Sprachverbindung zwei Kanäle benötigt, werden die Kanalpaare mit dem Frequenzduplex- Verfahren TTD mit Zeitversatz gebildet. Jede Mobilfunkverbindung besteht aus einem Uplink- und Downlinkkanal, die einen Frequenzabstand von 45 MHz haben. Dieser wird als Frequenz-Duplex-Abstand bezeichnet. Uplink-Frequenzen Frequenzträger 0 Frequenzträger 1 Frequenzträger 2 Frequenzträger 3 0,2 MHz Frequenzträger 123 Downlink-Frequenzen Frequenzträger 0 Frequenzträger 1 Frequenzträger 2 Frequenzträger 3 45 MHz Frequenz- Duplex-Abstand Frequenzträger 123 Abb. 3.4: Frequenz-Duplex-Abstand Im GSM-Standard ist als Phasenmodulation die GMSK-Modulation vorgesehen. Sie verwendet Trägerfrequenzen, die das GSM-Frequenzband aufteilt. Diese Unterteilung nennt man Frequenz-Multiplex bzw. FDM (Frequenzy Division Multiplex). Uplink- und Downlink-Frequenzbereiche unterteilen sich jeweils in 124 Trägerfrequenzen - auch Funkkanäle genannt - die zueinander einen Abstand von 0,2 MHz oder 200 khz haben. Jeder Frequenzträger ist wiederum mittels des Zeitmultiplex-Verfahrens TDMA (Time Division Multiple Access) in 8 Zeitschlitze (sog. Time Slots) aufgeteilt. So lassen sich in jedem Frequenzträger 8 physikalische Verbindungen unterbringen, die in einem TDMA-Rahmen mit der Dauer von 4,615 ms verpackt sind. Jeder Zeitschlitz entspricht 0,577 ms, der sich kontinuierlich im folgenden TDMA-Rahmen wiederholt. Dieses Zeitintervall wird auch als Burst bezeichnet. Es beträgt 156,25 Bit, wobei 1 Bit 3,692 µs entsprechen. Es gibt fünf Arten von Bursts. Der»normale«Burst ist für den eigentlichen Transport der Nutzdaten einer Verbindung gedacht. Er überträgt 114 Bit echter Daten, die restlichen 42,25 Bit werden für den Verwaltungs-Overhead verwendet.

7 22 Frequenz f TDMA-Rahmen = 4,6 ms Zeitschlitz = 0,577 ms Downlink Zeitversatz Frequenz- Duplex- Abstand Uplink Abb. 3.5: TDMA-Rahmen und Zeitschlitze Zeit t Diese 114 Bit (bzw. 0,577 ms) reichen allerdings nicht aus, um Sprache zu übertragen. Aus diesem Grund stehen auch nicht 124 Trägerfrequenzen mit je 8 Sprachverbindungen zur Verfügung, sondern es werden daraus mittels eines weiteren Verfahrens 124 Träger mit 11 echten Verbindungen bereitgestellt. Verbleibt man bei 11 logischen Kanälen, teilen sich diese in den Traffic Channel (TCH), der die Bandbreite für Telefongespräche oder eine Datenübertragung bereitstellt, und spezielle Steuerkanäle auf. Auf das Zusammenspiel zwischen den physikalischen und logischen Kanälen sowie auf die Signalisierung im GSM-Standard wird an dieser Stelle jedoch nicht näher eingegangen. Als weiterführende Literatur zu diesem Thema empfehlen wir den Band»Die GSM-Dm-Kanäle im Dialog - Einstieg in die Mobilfunk- Signalisierung«von Joachim Göller, ebenfalls erschienen bei EPV. 4 Antennentechnik 4.1 Allgemeines Antennen sind Wandler zwischen einer leitungsgeführten Welle und einer Freiraumwelle. Sie empfangen elektromagnetische Wellen und geben sie an einen Empfänger weiter bzw. strahlen elektromagnetische Wellen ab, die von einem Sender erzeugt wurden. Grundsätzlich sind die Eigenschaften von passiven Antennen für den Sende- und Empfangsfall gleich (hierbei spricht man von Reziprozität). Vom Anschluss her erscheint eine Antenne als Zweipol, obwohl sie in Wirklichkeit ein Vierpol ist. Der nicht an einer HF-Leitung liegende Anschluss der Antenne ist mit der Umwelt verbunden. Es ist daher stets zu bedenken, dass das Umfeld einer Antenne einen starken Einfluss auf die Antenneneigenschaften haben kann. Nur in den seltensten Fällen erreicht ein ausgedehntes Signal den Empfänger auf direktem Weg. Vielmehr besteht das Empfängersignal - insbesondere in Städten - aus einer Kombination von direkter Welle und Reflexionen aus der Umgebung. Diese Reflexionen weisen unterschiedliche Phasenlagen und Polarisationen auf. Dadurch bedingt erfolgt an einem bestimmten Empfangsort eine Verstärkung, oder - im Extremfall - eine Auslöschung des Signals. Es ist keine Seltenheit, dass die Empfangsfeldstärke innerhalb weniger Meter um db schwankt. In Straßenschluchten kann der Betrieb oft nur durch Reflexion aufrechterhalten werden. Die Reflexionen an Gebäuden, Masten oder Bäumen sind besonders ausgeprägt, da im Mobilfunk überwiegend vertikale Polarisation verwendet wird.