GSM. Global System for Mobile Communication. André Grüneberg Friedemar Blohm 15. Oktober 2002

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1 GSM Global System for Mobile Communication André Grüneberg Friedemar Blohm 15. Oktober 2002

2 Inhalt 1. Was ist GSM 2. Die Architektur 3. Das Versorgungsgebiet 4. Übertragungstechniken 5. Sicherheit 6. Datenübertragung 7. Aussicht

3 Was ist GSM? Spezifikation von Funktionseinheiten eines kompletten Mobilfunksystems und Definition der Schnittstellen offene Standards Kompatibilität unterschiedlicher Hersteller kostengünstiger für Endkunden Erfolg von GSM optionale Spezifizierung wesentlicher Bestandteile des Systems (große Spielräume für Hersteller und Netzbetreiber zur Profilierung) GSM-Empfehlungen von mehr als 8000 Seiten (regelmäßig ergänzt und verbessert)

4 Geschichte (1) vor 1958 gab es regionale Funknetze unterschiedlicher Art 1958 A-Netz erstes Mobil funknetz (Kofferraum voll) 1972 B-Netz vollautomatische Vermittlung der Rufe 1986 C-Netz Handover 1990 Abschluß der Standardisierung Phasen I physikalisch und organisatorisch getrennte GSM Netze in Deutschland (D2 und D1 mit digitale Übertragung nach) Erstes International Roaming Abkommen

5 Geschichte (2) 1995 Abschluß Phasen II (max. 9.6 kbit/s, Optimiert für Sprachübertragung) 1995 Eröffnung eines weiteren Mobilfunk netzes E1-Netz nach ETSI/DCS Vergabe einer weitere Lizenz zum Betrieb eines DCS1800-Netzes an ViagInterkom 1998 International Roaming weltweite Erreichbarkeit (über 70 Ländern) 2001 Start Phasen II+ (50 bis 100 kbit/s, Kanalbündelung) 2002 ca. 500 Netzbetreiber in 184 Ländern

6 Entwicklung

7 Varianten von GSM GSM standardisiert für ländlichen Gegenden GSM 900 erste GSM Spezifikation in Deutschland: T-Mobile (D1) Vodafone (D2) GSM 1800 (DCS) zusätzliche Frequenzen Deutschland: T-Mobile (D1) Vodafone (D2) E-Plus (E1) O 2 (früher Viag Interkom E2) GSM 1900 nur auf den amerikanischen Kontinenten Dual-Band Frequenzen: 900 und 1800 Tri-Band Frequenzen: 900, 1800 und 1900

8 GSM Architektur GSM-Netze sind Hybridnetze Informationsübertragung erfolgt nicht nur über Funkstrecken (z.b. Richtfunkstrecken) Endgerät MS Mobile Station Funknetz BSS Basisstationssystem BSC Base Station Controller Basisstationssteuerung BTS Base Transceiver Station Sende- und Empfangsanlage Festnetz leitungsgebundener stationärer Teil MSC Mobile Service Switching Center (Vermittlungsstellen) GMSC Gateway MSC Datenbanken Zugriff von MSC und GMSC

9 Datenbanken HLR Home Location Register Heimatdatenbank (Vertragsteilnehmer) VLR Visitor Location Register Besucherdatenbank (aktuell eingebuchte Teilnehmer) AUC Authentication Center Authentisierungzentrale (Vertrauliche Daten und Schlüssel) EIR Equipment Identity Register Endgerätedatenbank (Diebstahlschutz)

10 Architektur / Netzwerkkomponenten

11 Funknetzstruktur Funkzelle sechseckiges Versorgungsgebiet Macro Großzellen (10 bis 30 km max.70 km) Micro Kleinzellen (1 bis 3 km) Picozellen Mikrozellen (100 bis 300 m) am meisten Nutzkanäle Cluster mehrere Zellen (mit unterschiedlichen Trägerfrequenzkanälen) Cell Splitting (Aufteilung einer Großzelle in 3 Kleinere) Sektorisierung (z.b. 3 Zellen werden von 1 Sender versorgt) Handover vollautomatische Mobilitätsverwaltung (unterbrechungsfreies Weiterreichen bei Wechsel der Funkversorgungszonen)

12 Aufbau Zellularer Netze (1) BTS versorgt (idealisiert) kreisrundes Gebiet um Antennenstandort (Funkzelle) Versorgungsfläche aufgebaut aus Funkzonen (Zellen) nebeneinanderliegenden überlappende Funkzellen sechseckiges Versorgungsgebiet wabenförmige Struktur Netzaufbau mit großen nicht-sektorisierten Zellen bei wachsender Teilnehmerzahl kann Cell Splitting ansonsten Sektorisierung erfolgen hierarchische Zellstrukturen (Macro-, Micro- und Picozellen) Kapazitätserhöhung gute Anpassung an räumliche Lastverteilung

13 Netzaufbau

14 Aufbau Zellularer Netze (2) absichtliche Begrenzung der Funkzone durch geringe Sendeleistungen wiederverwendbare Sendefrequenzen kleine Funkzellen häufiger wiederverwendbare Frequenzen mehr Nutzkanäle gute Netzkapazität kleine Funkzellen Voraussetzung für Handgeräte mit geringen Sendeleistungen Einführung von Cluster (Gruppe von N Zellen) bestimmte, diskrete Werte für N zulässig (GSM-Netz N = 7, 9 und 12) mit wachsender Clustergröße sinkt die Anzahl der Kanäle pro Zelle Beschränkung der möglichen Teilnehmerzahl pro Zelle

15 Zellstruktur mit Cluster

16 Zellstruktur mit Sektorisierung

17 Frequenzverteilung theoretische Methode: Cluster nebeneinander liegenden Funkzellen mit unterschiedlichen Trägerfrequenzkanälen (bei analoge Mobilfunknetze verbreitet Methode - starrer Zellenplan) in der Praxis verwendete Methode: Frequenzverteilung mit Computerunterstützung (bessere Ergebnisse - flexiblere Frequenzverteilung möglich, da unterschiedliche örtliche Gegebenheiten berücksichtigt werden)

18 Handover (1) Mobilitätsgewährleistung durch MAHO Mobile Assisted Handover wichtigste Funktion des Mobilfunk (während aktiven Netzverbindung Zelle ohne Verbindungsabbruch zu wechseln) Handover wird notwendig MS verlässt Bereich ihrer aktuellen BS Signalqualität nimmt ab aktuelle Zelle ausgelastet kleinere Sendeleistung der MS möglich gleichmäßige Verteilung von MS in mehrere Zellen

19 Handover (2) Handoverprozess ist nicht zentralisiert im Netz keine festen Algorithmen für die Handover-Entscheidungen (Handover den Netzbetreibern und Herstellern überlassen) HO innerhalb einer Sekunde abgeschlossen (weniger als 100ms: kaum wahrnehmbare Verbindungsunterbrechungen) unnötige HO sollen vermieden werden (Verzögerungsglieder schränken Ping-Pong-HO ein)

20 Ablauf eines ankommenden Anrufs Ankommender Anruf erreicht GMSC GMSC ermittelt aus HLR aktuelle MSRN des Teilnehmers Routing zur passenden MSC MSC ermittelt aus VLR den Aufenthaltsbereich (LAI) Routing zum entsprechenden BSC BSC startet Broadcast über alle BTS des LAI (Paging) MS meldet sich bei günstigster BTS Verbindungsaufbau

21 Übertragungstechnik (1) Frequenz-Multiplexing und Zeit-Multiplexing unterschiedliche Frequenzen für Up- und Downlink Vollduplex-Betrieb GSM900: Uplink: MHz, Downlink: MHz Abstand 45 MHz GSM1800: Uplink: MHz, Downlink: MHz Abstand 95 MHz Kanalbandbreite: 200 khz

22 Übertragungstechnik (2)

23 Übertragungstechnik (3) innerhalb eines Kanals Zeit-Multiplexing 8 Zeitschlitzen pro Frame (TDMA) Frame: 4,615 ms (217 Frames/s je 25 Datenframes + 1 Kontrollframe) Halbraten-Kanäle möglich Nutzung des Kanals nur alle 2 TDMA-Frames, dadurch doppelte Zahl Endgeräte möglich heute unüblich, teilweise bei Hochlast

24 Übertragungstechnik (4) bei mehreren Kanälen an einer Basisstation teilweise Frequenzsprungverfahren zur Vermeidung gestörter Kanäle Übertragung mittels Bursts (Datenpakete festgelegter Länge) in Zeitschlitzen von 577 µs Spezielle Burst-Arten: Frequency correction burst Synchronisation burst Access burst

25 Übertragungstechnik (5) Messung der Signallaufzeit zur Synchronisierung der Übertragung zwischen MS und BTS mittels access burst Maximalabstand 35 km Verschiedene logische Signalisierungskanäle (BCH broadcast channel, CCCH common control channel, DCCH dedicated control channel) und Datenkanäle (TCH transmission channel)

26 Kommunikation im Netz Ohne Worte

27 Einspeisung der Daten PCM (Pulse Code Modulation) Abstastung mit 8kHz, 13 bit Sprach-Codec: EFR (Enhanced Full Rate), FR (Full Rate), HR (Half Rate) Kanal-Codec für Fehlerschutz hier werden digitale Daten direkt eingespeist

28 Sicherheit Authentifizierung Challenge-Response-Verfahren A3-Algorithmus (betreiberspezifisch) daher nur in SIM und Heimatnetz implementiert Verschlüsselung symmetrische Nutzdatenverschlüsselung mit A5 (standardisiert) Schlüsselaushandlung mittels A8 (betreiberspezifisch) Erkennung des MS anhand der IMSI (auf SIM gespeichert) Laut Standards ist auch keine Verschlüsselung möglich

29 Datenübertragung (1) Digitale Datenströme mit 9,6 kbit/s bzw. 14,4 kbit/s werden direkt in den Kanal-Codec eingespeist und mit Fehlerschutz-Codierung versehen Leitungsvermittlung Channel-Broadcast (CB) auf Signalisierungskanal möglich SMS Short Message Service Übertragung über Signalisierungskanal Vermittlung mittels SMSC (SMS Center) Keine Zustellungsgarantie heute: mehrere Milliarden SMS pro Jahr

30 Datenübertragung (2)

31 Aussicht MMS Multimedia Messaging Service Mobilfunk der 2,5. Generation: HSCSD High Speed Switched Circuit Data GPRS GSM Packet Radio Service EDGE Enhanced Data rates for GSM evolution Mobilfunk der 3. Generation (3G): UMTS Universal Mobile Telecommunication System

32 Weitere Informationen, Fragen Das GSM-Funknetz; Mannesmann Mobilfunk GmbH Vorlesungsfolien Mobilfunksysteme; Utz Martin; FH Mannheim Vielen Dank. Fragen?

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