Global System for Mobile Communication (GSM)

GSM ist zwar ein Telefonstandard, der zu den herkömmlichen Telefonsystemen gehört und nicht direkt im Internet funktioniert, dennoch ist GSM ein interessanter Standard, weil hier viele Entwicklungen gemacht wurden, die auch für das Internet relevant sind. Und nicht zuletzt ist GSM auch ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zum mobilen Internet, also der Idee, überall das Internet nutzen zu können.

Die Geschichte von GSM

Die Abkürzung GSM steht für Global System for Mobile Communication und bezeichnet in wenigen Worten auch schon den Hintergrund für die Entwicklung des Standards - die Entwicklung eines einheitlichen Mobilfunkstandards, der aufgrund seiner Flexibilität, aber auch aufgrund seiner technischen "Reife" global auf der ganzen Welt eingesetzt werden kann. Um die Notwendigkeit näher verstehen zu können, ist ein Blick in die Vor-GSM-Zeit hilfreich:

Der individuelle Mobilfunk, also die Möglichkeit, dass auch einzelne Privatpersonen per Funk Telefongespräche führen können, ist an sich keine neue Idee. Bereits in den fünfziger Jahren des 20. Jahrhunderts existierten erste Mobilfunkanwendungen, beispielsweise in Deutschland ab 1952 mit dem A-Netz (bis 1977). Während das A-Netz noch mit Endgeräten in Kofferraumgröße arbeitete und alle Telefongespräche vollständig handvermittelt wurden, war das B-Netz ab 1972 (bis 1994) schon ein großes Stück weiter. Die Endgeräte wurden aktenkoffergroß, während Telefongespräche vollautomatisch aufgebaut werden konnten. Die nächste Entwicklungsstufe war in Deutschland ab 1985 das C-Netz (bis 2000), das mit handlichen Geräten genutzt werden konnte und erstmals auch ermöglichte, mit einer Telefonnummer im gesamten Bundesgebiet erreichbar zu sein, während mit den vorherigen Netzen ein Anrufer wissen musste, in welchem Funkgebiet sich der Gesprächspartner befindet, um ihn mit der entsprechenden Funkzellenvorwahl anzurufen.

Alle diese frühen Entwicklungsstufen, sie werden zur ersten Generation ("1G") der Mobilfunktechnologie gezählt, die ich hier exemplarisch nur für Deutschland angerissen habe, arbeiteten analog, waren dementsprechend recht störanfällig und sendeten grundsätzlich unverschlüsselt. Dazu kam das größte Problem für Hersteller von Mobilfunknetzen, Endgeräten und auch für Nutzer, die viel im Ausland unterwegs waren: Die meisten Lösungen waren nationale Alleingänge und nur teilweise im Ausland mit den gleichen Geräten nutzbar. Dadurch ergaben sich weiterhin verhältnismäßig hohe Kosten, gerade im Netzaufbau und bei der Bereitstellung von Mobiltelefonen.

Die ersten Wurzeln von GSM bilden sich Anfang der achtziger Jahre. Innerhalb der CEPT (Conférence Européenne des Administrations des Postes et des Télécommunications), einem europäischen Verband, der ursprünglich von staatlichen Post- und Telekommunikationsunternehmen gebildet wurde, wurde 1982 eine Arbeitsgruppe eingerichtet, die sich mit der Entwicklung eines einheitlichen, digitalen Mobilfunkstandards beschäftigen sollte. Diese Gruppe nannte sich Groupe Spécial Mobile und war der frühere Begriff, den die Buchstaben GSM abkürzten. Im Laufe der nächsten Jahre wurde GSM, die technologischen Verfahren und Spezifikationen "erfunden" und am 7. September 1987 durch ein so genanntes Memorandum of Understanding, dem einschlägig bekannten GSM-MoU abgesegnet. Diese Absichtserklärung, die von Netzausrüstern und zukünftigen Netzbetreibern unterzeichnet wurde, bildete das Grundgerüst der späteren GSM Association, die als Interessensverband für die Weiterentwicklung von GSM verantwortlich zeichnete und gleichzeitig der Lizenzgeber für die GSM-Technologie war. 1989 wurde die Groupe Spécial Mobile ein technisches Komitee beim European Telecommunications Standards Institute (ETSI) und erhielt damit die Rückendeckung der EU. Ab dem Jahr 1991 wurden dann die ersten lauffähigen Demonstrationen vorgestellt und wenige Monate später starteten mehrere GSM-Netze mit einem kommerziellen Dienst.

Da GSM jedoch nie als rein europäische Entwicklung angesehen wurde und die Gremien auch für Institutionen und Unternehmen aus Übersee offen waren, begann der Siegeszug von GSM innerhalb kürzester Zeit und führte dazu, dass zehn Jahre später GSM der globale Mobilfunkstandard geworden ist. Netzwerkausrüstungen und Mobilfunktelefone konnten ohne größere Schwierigkeiten international genutzt werden und selbst das Nutzen von ausländischen Telefonnetzen, das so genannte Roaming, war keine Utopie mehr, sondern ist Routine.

Wie funktioniert GSM?

Frequenzbereiche und Funkkanäle

Dreh- und Angelpunkt sind auch bei GSM fest reservierte und zugeteilte Funkbereiche, die in logische FDMA-Kanäle (Frequency Division Multiplex Access, Frequenzmultiplexverfahren) aufgeteilt sind (in Europa sind GSM 900 für die "D-Netze" und GSM 1800 für die "E-Netze" gebräuchlich, GSM 1900 wird in den USA eingesetzt):

Verfahren	Uplink (Mobiltelefon zu Basisstation)	Downlink (Basisstation zu Mobiltelefon)
GSM 900	890 - 915 MHz (124 Kanäle zu je 200 kHz)	935 - 960 MHz (124 Kanäle zu je 200 kHz)
GSM 1800	1710 - 1785 MHz (374 Kanäle zu je 200 kHz)	1805 - 1880 MHz (374 Kanäle zu je 200 kHz)
GSM 1900	1850 - 1910 MHz (299 Kanäle zu je 200 kHz)	1930 - 1990 MHz (299 Kanäle zu je 200 kHz)

Diese Frequenzbereiche werden jeweils national zugesichert und an entsprechend akkreditierte Lizenznehmer verteilt, so dass jeder Mobilfunkbetreiber ein Paket an Übertragungskanälen, jeweils zur gleichen Anzahl aus dem Up- und Downlink-Bereich zugeteilt bekommt. Die Kanäle für Up- und Download sind hierbei so angeordnet, dass der jeweilige Downlink-Kanal zu einem Uplink-Kanal genau 45 MHz entfernt ist.

Zeitmultiplexverfahren

Zusätzlich gibt es noch ein weiteres Verfahren, mit dem die physikalischen Kanäle weiter in einzelne Nutzkanäle aufgeteilt werden, in die so genannten TDMA-Rahmen (Time Division Multiplexing Access, Zeitmultiplexverfahren. Diese Rahmen werden nicht durch Frequenzbereiche definiert, sondern durch Sendezeiten, so dass mehrere logische Kanäle auf einem physikalischen Kanal übertragen werden können. Ein TDMA-Funkrahmen dauert genau 4,613 Millisekunden und besteht aus 8 so genannten Zeitschlitzen. Jeder Zeitschlitz dauert etwa 576,9 Mikrosekunden.

Zum Telefonieren wird im Normalfall ein Nutzkanal benötigt, demnach also ein Zeitschlitz innerhalb eines TDMA-Rahmens. Dies bedeutet also für das Mobiltelefon und auch für die Basisstation, dass für eine bestehende Telefonverbindung alle 4,613 Millisekunden ein 576,9 Mikrosekunden langer Nutzkanal für die Datenübertragung exklusiv bereitsteht.

Zugegeben, das Zeitmultiplexverfahren ist nicht sehr einfach zu verstehen. Eine andere, Ihnen sicherlich bekannte Technologie basiert ebenfalls auf einem echten Zeitmultiplex-Verfahren: Eine Rolltreppe. Eine Rolltreppe läuft gleichmäßig endlos und stellt an ihrem Beginn alle ein, zwei Sekunden eine weitere Treppenstufe bereit, die jeweils von einem Benutzer betreten werden kann. Die bietet also eine begrenzte Zahl an Plätzen an, dies aber regelmäßig und konstant. Die Rolltreppe ist also vergleichbar mit einem physikalischen Funkkanal und eine einzelne Treppenstufe mit einem logischen Nutzkanal.

Datenmengen und Codierung

Da GSM digital und mit verhältnismäßig kleinen Bandbreiten arbeitet, ist eine ausgeklügelte Sprachverarbeitung und Datenkompression erforderlich. Dazu kommt, dass zu den zu übertragenden Daten noch Fehlerkorrekturdaten hinzugefügt werden und der gesamte Datenstrom zusätzlich verschlüsselt werden muss. Das alles darf allerdings nicht zu lange dauern, sondern muss nahezu in Echtzeit passieren, um das simultane Telefonieren überhaupt erst zu ermöglichen.

Durch diesen enormen Aufwand, die zu übertragenden Sprachinformationen gegen Übertragungsfehler und Abhören zu sichern, verringert sich die Übertragungsbandbreite dramatisch; besitzt ein logischer Nutzkanal noch eine Bruttodatenübertragungsbandbreite von etwa 33,9 Kilobit pro Sekunde, verringert sich diese durch die Sicherungs- und Verschlüsselungsmechanismen auf etwa 13 Kilobit pro Sekunde. In modernen GSM-Netzen und mit modernen Mobiltelefonen gar nur die Hälfte, da hier ein Verfahren namens Half Rate (HR) nur mit der Hälfte eines Zeitschlitzes auskommt, also nur 6,5 Kilobit pro Sekunde zur Verfügung hat.

Aus diesem Grund sind im GSM-Standard spezielle Sprach-Codecs (Kunstwort aus Coder/Decoder und Bezeichnung für ein Paket von Codierungs- und Decodierungsmodulen) definiert, die auf ausgeklügelte Weise Sprache komprimieren können. Vom Prinzip her wird im Mobiltelefon die digital aufgenommene Sprachinformation zunächst dahingehend analysiert, dass Sprechpausen erkannt werden, um in genau solchen Pausen keine Daten übermitteln zu müssen. Dazu wird laufend die Lautstärke der Hintergrundgeräusche ermittelt und an die Gegenstelle übermittelt, die diese Lautstärke künstlich am Lautsprecher erzeugt. Zusätzlich gibt es auf dem empfangenen Mobiltelefon noch ein Logik, die bei temporär fehlenden Datenpaketen aus den bereits empfangenen Paketen bis zu einem gewissen Grad fehlerverdeckende Sprachinformationen errechnet. Allein schon durch dieses Weglassen bzw. Rekonstruieren von Sprachinformationen wird effektiv ein großer Teil der Bruttodaten vermieden. Die verbliebene Sprachinformation wird nun tatsächlich einer klassischen, blockweisen Sprachkompression unterworfen. Detaillierte Beschreibungen der Sprachkompressionsverfahren würden den Rahmen an dieser Stelle sprengen, ich verweise hier auf die Buchempfehlungen zu diesem Thema.

Der Umstand, dass GSM digital arbeitet, macht es insbesondere für die Datenkommunikation interessant. Im Gegensatz zu den früheren, analogen Mobilfunknetzen ist bei GSM keine aufwendige Analog/Digital-Wandlung notwendig und es genügt bereits, ein entsprechende Kabelverbindung zwischen Mobiltelefon und Computer zu installieren. Bei den meisten modernen Telefonen ist auch dies nicht mehr erforderlich, wenn sowohl Mobiltelefon, als auch Computer drahtlos miteinander kommunizieren können, beispielsweise per Infrarot- oder Bluetooth-Schnittstelle. Siehe hierzu auch Internet via Mobilfunk.

Steuerkanäle und Verkehrskanäle

GSM (und auch ISDN) arbeitet mit zwei unterschiedlichen Kommunikationskanälen: Steuerkanäle und Verkehrskanäle. Steuerkanäle werden, wie der Name schon herleitet, für alle Arten von Steuerungen und verbindungsspezifischen Informationen genutzt. Klingelt beispielsweise Ihr GSM-Telefon, weil Sie von jemandem angerufen werden, so wird auf einem Steuerkanal Ihrem Mobiltelefon gerade mitgeteilt, dass ein Anrufwunsch besteht und gleichzeitig Anrufparameter übertragen (beispielsweise, falls vorhanden, die Telefonnummer des Anrufers). Ihr Mobiltelefon verarbeitet diese Daten, klingelt oder vibriert und zeigt die Anrufparameter an. Gleichzeitig mit der Signalisierung hat das Mobilfunknetz bereits einen Verkehrskanal reserviert, der dann in Aktion tritt, wenn Sie das Gespräch annehmen - dann informiert Ihr Mobiltelefon das Mobilfunknetz über den Annahmewunsch und das Mobilfunknetz verbindet über den reservierten Verkehrskanal Anrufer und Anrufenden.

Der Vorteil dieser Trennung zwischen Steuer- und Verkehrskanälen liegt in der Flexibilität: Für Signalisierungen wird pro Basisstation ein einziger Nutzkanal benötigt, so dass alle Signalisierungen zwischen der Basisstation und allen dort angemeldeten Mobiltelefonen nicht für jeden Einzelfall ein Nutzkanal belegt werden muss. Gleichzeitig ist dafür gesorgt, dass selbst bei hoher Auslastung der Basisstation die Signalisierung immer noch möglich ist, beispielsweise für die Anforderung von Notrufen. Ebenfalls vollständig auf Steuerkanälen übertragen werden Mitteilungen im Short Message Service (SMS).

Systemarchitektur

Ein GSM-Netz kann in drei Bestandteile gegliedert werden: Funknetz, Mobilvermittlungsnetz und Managementnetz. Diese drei Komponenten finden sich bei jedem Netzbetreiber und diese Bestandteile ermöglichen es dem Benutzer, mit einem Mobiltelefon (im Jargon "Mobile Station (MS)" bezeichnet) das GSM-Netz (bei entsprechender Berechtigung) zu nutzen.

Das Funknetz - Base Station Subsystem (BSS)

GSM arbeitet als zellularer Mobilfunk mit einem Netz von einzelnen Funkzellen, die hierarchisch gegliedert sind:

• Base Transceiver Station - BTS ("Sende- und Empfangsbasisstation")
  Die BTS stellt die kleinste Einheit in einem GSM-Netzwerk dar und bildet mit einer rundstrahlenden Antenne eine Funkzelle oder mit Sektorantennen einzelne Funkzellensektoren, dann meist mit 120°-Sektoren. Sektorierte Funkzellen finden sich häufig in belebten Bereichen, da auf diese Weise erheblich mehr gleichzeitige Gespräche abgewickelt werden können. Angeschlossen ist eine BTS an einen ...
• Base Station Controller - BSC ("Basisstationssteuereinheit")
  Der BSC ist die eigentliche Basisstation, an diese Einheit sind eine oder mehrere BTS, die in räumlicher Nähe stehen, angeschlossen. Hier werden die Übertragungsparameter und einzelnen Telefonverbindungen zu den Mobiltelefonen gesteuert, gleichzeitig ist der BSC das Verbindungsglied zum nächsten GSM-Netzbestandteil, dem ...

Das Mobilvermittlungsnetz - Switching and Management Subsystem (SMSS)

Im Mobilvermittlungsnetz werden Gesprächwünsche vermittelt und entsprechend an andere Mobilstationen bzw. andere Telefonnetze weitergeleitet. Dazu gibt es Mobilvermittlungsstellen und Datenbanken, die Informationen über die angemeldeten Mobilstationen und den zur Vermittlung notwendigen Daten enthalten.

• Mobile Switching Center - MSC ("Mobilvermittlungsstelle")
  Das MSC ist eine Vermittlungsstelle, an die alle BSC einer Region angeschlossen sind und die wiederum zu anderen MSC im Netzwerk und zu anderen Telefon- und Mobilfunknetzen Verbindung hält. An einem MSC ist zudem jeder angemeldet, der in einem GSM-Netz angemeldet ist. Diese Informationen, also eine Liste über aktuell eingebuchte Teilnehmer, wird im MSC in einer eigenen Datenbank verwaltet, dem so genannten ...
• Visitor Location Register - VLR ("Besucherregister")
  Das Besucherregister enthält Einträge über alle Mobilstationen, die aktuell in einem MSC registriert sind. Dazu ist ein VLR für ein oder mehrere MSC zuständig. Tritt eine Mobilstation in einen Zuständigkeitsbereich eines MSC ein - in die so genannte Location Area (LA) - überprüft das MSC im zuständigen HLR (siehe nächsten Punkt) des Teilnehmers, ob der Teilnehmer berechtigt ist, in das GSM-Netz einzuloggen. Ist er berechtigt, werden seine Daten so lange im VLR geführt, bis der Nutzer die Location Area wechselt.
• Home Location Register - HLR ("Heimatregister")
  Das Heimatregister enthält Einträge über jeden Teilnehmer und jede Mobiltelefonnummer, die im jeweiligen GSM-Netz beheimatet sind. Gespeichert werden dort alle beständigen Daten wie beispielsweise Berechtigungen und freigeschaltete Dienste, aber auch temporären Informationen wie zum Beispiel ob der Teilnehmer aktuell im Netz eingebucht ist. Ist der Teilnehmer eingebucht, enthält das HLR den aktuellen Aufenthaltsort in Form der MSC, über das die Mobilstation aktuell erreicht werden kann.

Das Managementnetz - Operation and Maintenance Subsystem (OMSS)

Das Managementnetz dient zum kommerziellen Betrieb (Authentifizierung, Autorisierung und Abrechnung), zur Endgeräteverwaltung und zur Steuerung und Wartung des GSM-Netzwerks.

• Network Management Center - NMC ("Netzwerkmanagementzentrale")
  Die Verwaltungsaufgaben werden in Network Management Center übernommen. Dieses Center kann an einem zentralen Ort stationiert sein, häufig unterteilen Betreiber ihr GSM-Netz in regionale Bereiche, die jeweils mit einem eigenen NMC ausgestattet sind. Von hier aus werden die Gerätschaften des Netzwerks überwacht und gesteuert und im Störungsfall Wartungsarbeiten gestartet.
• Authentication Center - AUC ("Authentifizierungszentrale")
  Diese Datenbank enthält Authentifizierungsinformationen und die geheimen Kryptografieschlüssel aller Teilnehmer, die diese auf ihren SIM-Karten haben, um Verbindungen abhörsicher zu machen.
• Equipment Identity Register - EIR ("Geräteidentitätsregister")
  Das Equipment Identity Register speichert die Gerätenummern (die so genannte IMEI, abrufbar mit der Tastenkombination *#06#) von Teilnehmermobilstationen, beispielsweise um defekte oder gestohlene Mobiltelefone darin zu verzeichnen und ggf. den Netzzugang zu beschränken oder gänzlich zu untersagen.

Handover und Roaming

Eine herausragende Fähigkeit von GSM ist die Möglichkeit des automatischen Handover, dem Wandern eines Mobiltelefons von einer Funkzelle zu einer anderen. Zu diesem Zweck analysiert und bewertet die Basisstation während einem Telefongespräch permanent die Übertragungsqualität zum Mobiltelefon. Gleichzeitig übermittelt das Mobiltelefon an die aktuelle Basisstation eine Liste aller anderen Basisstationen und deren aktuelle Empfangsqualität. Ermittelt die aktuelle Basisstation, dass eine andere Basisstation eine bessere Übertragungsqualität zum Mobiltelefon liefert, wird ein Handover eingeleitet, bei dem das Mobiltelefon zur stärkeren Basisstation umschaltet. Das Handover erfolgt vollautomatisch und erfordert keine Interaktion des Benutzers, so dass auch beim Wandern in eine andere Funkzelle kein Gesprächsabbruch notwendig ist.

Das Benutzen anderer GSM-Mobilfunknetze, beispielsweise von Mobilfunkanbietern in anderen Ländern, wird als Roaming bezeichnet. Dabei passiert auf technischer Seite kaum mehr, als im heimischen Netz, denn der einzige Unterschied besteht darin, dass der ausländische Mobilfunkanbieter beim Heimatnetzwerk des Benutzers die Zugangsberechtigung nachprüft und ihn das Netz benutzen lässt. Auflaufende Telefonkosten werden dann an den Betreiber des Heimatnetzwerks weitergegeben, der diese Kosten (zuzüglich teilweise horrender Zusatzkosten) dann vom Benutzer über die normale Mobilfunkrechnung einzieht.

Die verschiedenen GSM-Entwicklungsstufen

Die Entwicklung von GSM vollzog sich in mehreren Entwicklungsstufen, in denen neue Zusatzdienste und Leistungsmerkmale hinzugekommen sind. Da bei der ursprünglichen Entwicklung von GSM ein Augenmerk auf Schnittstellen gelegt wurde, konnten und können solche späteren Entwicklungen so zum bestehenden GSM-Standard hinzugenommen werden, dass auch für ältere Mobilstationen eine Abwärtskompatibilität bestehen bleibt.

Weiterführende Links

http://www.gsmworld.com/
Offizielle Homepage der GSM Association

http://www.nobbi.com/
Private Homepage von Norbert Hüttisch mit weiterführenden Informationen zu GSM