Informationstechnik. J. Eberspächer/H.-J. Vögel/C. BettsteUer GSM Global System for Mobile Communication

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1 Informationstechnik J. Eberspächer/H.-J. Vögel/C. BettsteUer GSM Global System for Mobile Communication

2 InforiTiationstechnik Herausgegeben von Professor Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Norbert Fliege, Mannheim Professor Dr.-Ing. Martin Bossert, Ulm In der Informationstechnik wurden in den letzten Jahrzehnten klassische Bereiche wie analoge Nachrichtenübertragung, lineare Systeme und analoge Signalverarbeitung durch digitale Konzepte ersetzt bzw. ergänzt. Zu dieser Entwicklung haben insbesondere die Fortschritte in der Mikroelektronik und damit steigende Leistungsfähigkeit integrierter Halbleiterschaltungen beigetragen. Digitale Kommunikationssysteme, digitale Signalverarbeitung und die Digitalisierung von Sprache und Bildern erobern eine Vielzahl von Anwendungsbereichen. Die heutige Informationstechnik ist durch hochkomplexe digitale Realisierungen gekennzeichnet, bei denen neben Informationstheorie Algorithmen und Protokolle im Mittelpunkt stehen. Ein Musterbeispiel hierfür ist der digitale Mobilfunk, bei dem die ganze Breite der Informationstechnik gefragt ist. In der Buchreihe "Informationstechnik" wird der internationale Standard der Methoden und Prinzipien der modernen Informationstechnik festgehalten und einer breiten Schicht von Ingenieuren, Informatikern, Physikern und Mathematikern in Hochschule und Industrie zugänglich gemacht. Die Buchreihe behandelt grundlegende und aktuelle Themen der Informationstechnik und reflektiert neue Ergebnisse auf dem Gebiet, um damit als Basis für zukünftige Entwicklungen zu dienen.

3 GSM Global Systent for Mobile Comntunication Vermittlung, Dienste und Protokolle in digitalen Mobilfunknetzen Von Prof. Dr.-Ing. Jörg Eberspächer Technische Universität München Dipl.-Ing. Hans-Jörg Vögel The Fantastic Corporation Dipl.-Ing. Christian Bettstetter Technische Universität München 3., aktualisierte und erweiterte Auflage Mit 197 Bildern und Tabellen m Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH

4 Die Deutsche Bibliothek- CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei Der Deutschen Bibliothek erhältlich. 3., aktualisierte und erweiterte Auflage, Januar 2001 Alle Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden 2000 Ursprünglich erschienen bei B. G. Teubner GmbH, Stuttgart!Leipzig!Wiesbaden, 2000 DasWerk einschließlich aller seinerteile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Gedruckt auf säurefreiem Papier U mschlaggestaltung: Peter Pfitz, Stuttgart ISBN DOI / ISBN (ebook)

5 Vorwort zur dritten Auflage GSM - die Story geht weiter: so lautet die (veränderte) Überschrift des 12. Kapitels dieses Buches - und in der Tat: GSM ist weiterhin eine erstaunliche Erfolgsstory. Die GSM-Netze wachsen, und laufend kommen neue Dienste und Anwendungen hinzu. Allein im Jahre 1999 hat sich die Zahl der GSM-1eilnehmer weltweit verdoppelt. Auch funktional wurden im Rahmen der GSM-Dienste der Phase 2+ bedeutende Fortschritte erzielt. Die WAP-Technologie (Wireless Application Protocol) hat ihren Einzug in die Endgeräte gehalten, und WAP-Anwendungen erfreuen sich steigender Beliebtheit. Das "drahtlose Internet" wird Realität, und die bisher noch sehr bescheidenen Übertragungsraten von "Classic GSM" werden durch die Einführung des Paketdatendienstes GPRS (General Packet Radio Service) noch in diesem Jahr deutlich zunehmen. GPRS wird so zu einem "weichen" Übergang zur dritten Generation (UMTS/IMT-2000) mit ihren nochmals deutlich höheren Übertragungsraten beitragen. Die Welt des Mobilfunks bleibt spannend! Den Autoren dieses Buches gibt die rasche Weiterentwicklung von Technik und Märkten die willkommene Gelegenheit, bei der vorliegenden Neuauflage nicht nur einige Fehler auszumerzen, sondern auch inhaltliche Ergänzungen und Anpassungen vorzunehmen. So enthält dieses Buch nunmehr eine erweiterte Darstellung von GPRS und einen neuen Abschnitt über WAP. Auch der neue Adaptive Multi-Rate Codec wird nun kurz behandelt. Unseren Lesern danken wir insbesondere für die hilfreichen Anregungen und Hinweise zur Verbesserung und Erweiterung. Wir freuen uns auch in Zukunft auf den Dialog mit Ihnen. München, im August 2000 Jörg Eberspächer joerg.eberspaecher@ei. tum.de Hans-Jörg Vögel h.voegel@fantastic.com Christian Bettstetter christian.bettstetter@ei.tum.de

6 Vorwort zur zweiten Auflage Der Siegeszug der GSM-Mobilfunksysteme hat sich seit Erscheinen der ersten Auflage dieses Buches weiter fortgesetzt. Die Teilnehmerzahlen haben sich allein im Jahr 1998 nahezu verdoppelt auf weltweit insgesamt 135 Millionen Teilnehmer. GSM hat damit selbst die kühnsten Erwartungen bei seiner Einführung übertroffen. Auch die Erwartungen der Autoren dieses Buches wurden übertroffen - es fand einen solchen Anklang in der Fachwelt, daß bereits nach etwas mehr als einem Jahr nun die zweite Auflage notwendig wurde. Viele Zuschriften und Reaktionen haben uns zwischenzeitlich erreicht. Wir danken vor allem für die vielen darin enthaltenen Anmerkungen und Vorschläge, die beim Überarbeiten der ersten Auflage sehr hilfreich waren und wodurch auch mancher Fehler ausgemerzt werden konnte. Doch auch aufgrund der technologischen Entwicklung ist eine neue Auflage erforderlich. Viele Themen wurden in der Zwischenzeit im Standardisierungsprozeß aufgegriffen, um GSM zu einer universellen Plattform zu machen. Erste Einigungen hinsichtlich der GSM-Nachfolge (Systeme der Dritten Generation) wurden erzielt. Mit seinen Erweiterungen wird GSM wesentliche Ecksteine dieser dritten Generation bilden. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Einführung der paketorientierten Übermittlung mit dem General Packet Radio Service GPRS. Diesem Teil des GSM Standards ist deshalb auch ein neues Kapitel gewidmet worden. Bei der Gestaltung dieser Auflage hat uns Herr Dipl.-Ing. Christian Bettstetter (Technische Universität München) wesentlich unterstützt. Aus seiner Feder stammen das Kapitel 11 und der Abschnitt über die erweiterten Sprachdienste - wir danken ihm herzlich für seine engagierte und kompetente Mitarbeit ebenso wie für die kritische Durchsicht der ersten Auflage und die vielen Hinweise zur Verbesserung und Korrektur. Wir danken auch dem Teubner-Verlag, insbesondere Herrn Dr. Schiernbach für die gewohnt hervorragende Unterstützung und geduldige Zusammenarbeit. München, im Juni 1999 Jörg Eberspächer Joerg.Eberspaecher@ei.tum.de Hans-Jörg Vögel Hans-Joerg.Voegel@ei.tum.de

7 Vorwort GSM ist weit mehr als die Abkürzung für Global System for Mobile Communication - es steht für einen außerordentlich erfolgreichen Entwicklungsschritt der modernen Informationstechnik. GSM bedeutet für Millionen von Nutzern - und täglich werden es mehr - eine neue Dimension der persönlichen Kommunikation und wird gegenwärtig in mehr als 100 Ländern und bei mehr als 200 Netzbetreibern, auch außerhalb Europas, eingesetzt. Das "Handy" ist nicht nur im beruflichen Bereich, sondern vielfach auch schon im Privatleben, vom Statussymbol zum nützlichen Alltagsgegenstand geworden. Hauptanwendung ist die drahtlose Telefonie, doch gewinnt die GSM-Datenkommunikation zunehmend an Bedeutung. Dieses moderne digitale System für die Mobilkommunikation basiert auf einem Satz von Standards, die in Europa erarbeitet und mit großem Erfolg in marktgängige Produkte umgesetzt wurden und werden. GSM ist deshalb auch ein Beweis dafür, daß Europa, d.h. europäische Ingenieure, Unternehmen und Netzbetreiber sehr wohl in der Lage sind, gemeinsam Weltstandards zu setzen und innovative Produkte im Wettbewerb zu entwickeln, zu fertigen und zu vertreiben. GSM steht auch für Komplexität. Ob im Endgerät oder im Vermittlungssystem, ob in der Hardware oder der Software - die GSM-Technik ist außerordentlich vielschichtig und umfangreich, sicherlich das komplexeste Kommunikationssystem, das je entstanden ist. Dies wird nicht zuletzt sichtbar in den Tausenden von Seiten Dokumentation, die allein die Standards der ETSI (European Telecommunications Standards Organization) umfassen. Aus dem Bemühen heraus, die wesentlichen technischen Grundprinzipien von GSM trotz dieser Komplexität zu veranschaulichen und die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Teilfunktion besser darzustellen, als dies im Rahmen von Standards möglich ist, entstand dieses Buch. Kristallisationspunkte waren unsere Vorlesung "Kommunikationsnetze 2" an der TU München sowie vor allem unser GSM Praktikum, zu dessen Vorbereitung die Studenten ein umfangreiches GSM Skriptum verwenden. Die eigentliche Grundlage des Buchs bilden (neben eigenen wissenschaftlichen Arbeiten) natürlich die ETSI-Standards selbst, die im vorliegenden Buch einerseits "eingedampft" und andererseits um Erklärungen und Interpretationen ergänzt wurden.

8 X Vorwort Das Buch richtet sich daher an all jene, die sich in das komplexe GSM-System systematisch einarbeiten wollen, ohne sich im Detail und in der Diktion von (darüber hinaus noch englischsprachigen) Standards zu verlieren. Angesprochen sind Studierende der Elektrotechnik, Informationstechnik und Informatik von Universitäten und Fachhochschulen, Anwender und Praktiker aus der Industrie, von Netzbetreibern, aber auch aus der Forschung, die sich einen Einblick in die Architektur und Funktionsweise des Systems GSM verschaffen wollen. In Abstimmung mit dem Verlag und den Herausgebern der Reihe Informationstechnik, insbesondere mit dem federführenden Herausgeber Herrn Prof. M. Bossert, Universität Ulm, und unter Berücksichtigung des Inhalts der anderen Bücher dieser Serie beschreibt das vorliegende Buch die Gesamtarchitektur von GSM und konzentriert sich dabei auf die umfassende Darstellung der Kommunikationsprotokolle, der Mobilvermittlungstechnik und der Dienstrealisierung. Die wichtigsten Prinzipien der GSM-Übertragungstechnik werden ebenfalls behandelt, um ein geschlossenes Gesamtbild zu erzielen. Wer sich mit der Implementierung eines GSM-Systems befaßt, wird hier den Einstieg und vertiefende Verweise insbesondere auf die Standards finden. Das Studium derselben wird auch dann empfohlen, wenn Zweifel über den allerletzten Stand der ETSI-Normen bestehen, denn bei der Abfassung dieses Buches mußten wir zwangsläufig den Stand der Standardisierung vom Sommer 1997 "einfrieren". Die Verfasser danken besonders Herrn Prof. Dr.-Ing. Martin Bossert (Universität Ulm) für viele hilfreiche Hinweise und klärende Diskussionen sowie Herrn Prof. Dr.-Ing. Gottfried W. Luderer (Arizona State University in Phoenix, USA) für die kritische Durchsicht des Manuskripts und zahlreiche Verbesserungsvorschläge. Wir danken auch ganz herzlich dem Teubner-Verlag, insbesondere Herrn Dr. Schiernbach für die Initiative zu diesem Buch. DieUnterstützung in jeder Phase des Projekts hat entscheidend dazu beigetragen, daß das Werk zügig fertiggestellt werden und rechtzeitig erscheinen konnte. Die Autoren sind für jede Art von Resonanz auf dieses Buch im voraus sehr dankbar. Die Leser und Leserinnen können sich am besten (drahtlos oder drahtgebunden) per E-Mai! an uns wenden. München, im September 1997 Jörg Eberspächer J oerg.eberspaecher@ci. tum.de Hans-Jörg Vögel Hans-Joerg. Voegel@ei. tum.de

9 Inhalt 1 Einführung Digital, mobil, global: Die Evolution der Netze Klassifikation von Mobilkommunikationssystemen Zur Geschichte von GSM Mobilfunkkanal und Zellularprinzip Charakteristika des Mobilfunkkanals Richtungstrennung und Duplexübertragung Vielfachzugriffsverfahren Frequenzvielfachzugriff FDMA Zeitvielfachzugriff TDMA Codevielfachzugriff CDMA Raumvielfachzugriff SOMA Zellulartechnik Grundbegriffe Signal-Störabstand Clusterbildung Verkehrsleistung und Verkehrsdimensionierung Adressierung und Systemarchitektur Übersicht Adressen und Kennziffern International Mobile Station Equipment Identity (IMEI) International Mobile Subscriber Identity (IMSI) Mobile Subscriber ISDN Number (MSISDN) Mobile Station Roaming Number (MSRN) Location Area Identity (LAI) Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI) Local Mobile Subscriber Identity (LMSI) Cell Identifier (CI)

10 XII Inhaltsverzeichnis Base Transceiver Station ldentity Code (BSIC) Identifizierung von MSC und Location Register Systemarchitektur Mobilstation Funknetz- BSS Mobilvermittlungsnetz - SMSS.... Mobilvermittlungszentrum - MSC.... Heimat- und Besucherregister - HLR und VLR.... Betrieb und Wartung - OMSS.... Netzüberwachung und Wartung Benutzerauthentifizierung und Geräteregistratur Teilnehmerdaten im GSM PLMN-Konfigurationen und Schnittstellen Dienste Trägerdienste (Bearer Services) Telematikdienste (Teleservices) Sprache Faxübertragung Kurznachrichtendienst: Short Message Service SMS Zusatzdienste (Supplementary Services) GSM-Zusatzdienste in der Phase GSM-Zusatzdienste in der Phase GSM-Dienste in der Phase Funkschnittstelle - Physical Layer Logische Kanäle Klassifizierung logischer Kanäle in GSM Verkehrskanäle Signalisierungskanäle Beispiel zum Verbindungsaufbau in GSM.... Datenraten, Blocklängen und Blockabstände der logischen Kanäle Kombinationen logischer Kanäle Physikalische Kanäle Modulation Vielfachzugriff, Duplexing und Übertragungsbursts Optionales Frequenzsprungverfahren Zusammenfassung Synchronisierung Frequenz- und Taktsynchronisierung von Mobilstationen

11 Inhaltsverzeichnis XIII Adaptive Rahmensynchronisierung Abbildung von logischen Kanälen auf physikalische Kanäle Rahmen Multiframe Rahmen Multiframe Radio Subsystem Link Control Kanalmessung Kanalmessung im Ruhezustand Kanalmessung während einer Verbindung Sendeleistungsregelung Verbindungsabbruch wegen Ausfall der Funkverbindung. Zellauswahl und Stromsparbetrieb.... Cell Selection und Cell Reselection.... Discontinuous Reception (DRX) Einschaltszenario Codierung, Authentifizierung und Chiffrierung Quellencodierung und Sprachbearbeitung Kanalcodierung Übersicht Äußerer Fehlerschutz: Blockcodierung Blockcodierung für Sprach-Verkehrskanäle Blockcodierung für Daten-Verkehrskanäle Blockcodierung für Signalisierungskanäle.... Innerer Fehlerschutz: Faltungscodierung.... Interleaving.... Abbildung auf die Burst-Ebene Sicherheitsrelevante Netzfunktionen und Chiffrierung Schutz der Teilnehmeridentität Verifizierung der Teilnehmeridentität Generierung von Sicherheitsdaten Verschlüsselung von Signalisierungs- und Nutzdaten Protokollarchitekturen Ebenen der Protokollarchitektur Protokollarchitektur der Nutzdatenebene Sprachübertragung Transparente Datenübertragung Nicht-transparente Datenübertragung Protokollarchitektur der Signalisierungsebene Übersicht Signalisierungsarchitektur

12 XIV Inhaltsverzeichnis Nutzdatentransport in der Signalisierungsebene Signalisierung der Luftschnittstelle Um Schicht 1 der Schnittstelle MS-BTS Dienste der Schicht Prozeduren und Peer-to-Peer-Signalisierung Schicht 2 Signalisierung Radio Resource Management Mobility Management Common MM Procedures Specific MM Procedures MM Connection Management Connection Management Strukturierte Signalisierungsprozeduren Signalisierungsprozeduren für Zusatzdienste Realisierung der Kurznachrichtendienste Signalisierung der Schnittstellen A und Abis Signalisierung der Benutzer-Schnittstelle Roaming und Vermittlung MAP-Schnittstellen Location Registration und Location Update Verbindungsaufbau und Verbindungsabbau Routing: Wegesuche für Rufe zu Mobilteilnehmern Einfluß der MSRN-Vergabe auf den Wegesuchablauf Plazierung der Protokollinstanzen zur HLR-Abfrage Verbindungsaufbau und korrespondierende MAP-Prozeduren Verbindungsabbau MAP-Prozeduren und Routing für Kurznachrichten Handover Übersicht GSM lntra-msc-handover Entscheidungsalgorithmus für den Handoverzeitpunkt MAP und Inter-MSC-Handover Basic Handover zwischen zwei MSC Subsequent Handover Datenkommunikation und Iotenvorking Referenzkonfiguration Übersicht der Datenkommunikation Dienstauswahl beim Netzübergang

13 Inhaltsverzeichnis XV 9.4 Bitratenadaption Asynchrone Datendienste Transparente Übertragung im Mobilnetz Nicht-transparente Datenübertragung PAD-Zugänge zu öffentlichen Paketdatennetzen Asynchrone Verbindung zum PSPDN-PAD Dedizierter PAD-Zugang im GSM Synchrone Datendienste Übersicht Synchrone Paketdatennetz-Zugänge nach X Basic Packet Mode.... Dedicated Packet Mode Telematikdienste: Fax Aspekte des Netzbetriebs Ziele des GSM-Netzmanagements Telecommunication Management Network TMN TMN-Realisierung in GSM-Netzen Der Paketdatendienst GPRS Systemarchitektur Dienste Trägerdienste und Zusatzdienste Dienstgüte Simultane Benutzung von paket-und durchschaltevermittelten Diensten Session Management, Mobility Management und Verkehrslenkung Ein- und Ausbuchen Session Management und POP Kontext Verkehrslenkung (Routing) Location Management Protokollarchitektur Nutzdatenebene (Transmission Plane) GPRS Backbone: SGSN- GGSN Luftschnittstelle Schnittstelle BSS - SGSN Routing und Konvertierung der Adressen Signalisierung (Signalling Plane) Luftschnittstelle Vielfachzugriff und Radio Resource Management Logische Kanäle

14 XVI Inhaltsverzeichnis Abbildung der logischen Paketdatenkanäle auf physikalische Kanäle Kanalcodierung Interwarking mit IP-Netzen Zusammenfassung GSM - Die Story geht weiter Globalisierung GSM-Dienste in der Phase Telekommunikationsdienste Sprachdienste: Verbesserte Codecs und Gruppenkommunikation Neue Datendienste und höhere Datenraten: HSCSD, GPRS und EDGE Zusatzdienste (Supplementary Services) Zusatzdienste für Sprache Location Service (LCS) Dienstplattformen CAMEL- GSM und Intelligente Netze Terminalseilige Dienstplattformen SIM Application Toolkit (SAT) Mobile Station Application Execution Environment (MExE) Wireless Application Protocol (WAP) Wireless Markup Language (WML) Protokollarchitektur Systemarchitektur Dienste und Anwendungen Erweiterte Sprachdienste (ASCI) Voice Broadcast Service (VBS) Systemkonzept und Group Call Register Verbindungsaufbau und logische Kanäle Voice Group Call Service (VGCS) Enhanced Multi-Level Precedence and Preemption ( emlpp) GSM- Wegbereiter für UMTS Literatur Anhang A: GSM-Standards

15 Inhaltsverzeichnis XVII Anhang B: GSM- und GPRS-Adressen Anhang C: Akronyme Index Hinweis: Eine Errata-Liste zu diesem Buch finden Sie im Internet unter