Global System for Mobile Communications

GSM (Abk. für engl. "Global System for Mobile Communications", vorher frz. "Group Special Mobile")

Bezeichnung eines 1992 spezifizierten Mobilfunk-Standards, hauptsächlich für Telefonie. Es existieren später hinzugekommene Erweiterungen des Standards wie HSCSD, GPRS und EDGE zur schnelleren Datenübertragung.

GSM war der erste weltweite genormte Standard für digitalen Mobilfunk. Er ist die technische Grundlage des deutschen D- und E-Netzes. GSM wurde etwa 1992 in Deutschland eingeführt und führte zur raschen Verbreitung von Mobiltelefonen in den 1990er-Jahren. Der Standard wird in rund 200 Ländern und Gebieten der Welt als alleiniger Mobilfunkstandard genutzt; dies entspricht einem Anteil von etwa 80 Prozent aller Mobilfunkkunden.

Ende Februar 2004 wurde von der GSM Association bekannt gegeben, dass weltweit über eine Milliarde Menschen GSM nutzen. Nach Angaben der Deutschen Bank wurden im Jahr 2003 277 Milliarden US-Dollar mit GSM-Technik umgesetzt.

Features

Der GSM-Standard basiert auf dem ISDN-Standard und stellt deshalb auch ähnliche Features bereit:

• Anrufweiterschaltungsvarianten (Umleitung bei frei, bei besetzt, bei "nicht erreichbar" und sofortige Umleitung)
• Rückfragen/Makeln
• Dreierkonferenz
• Übermittlung der Rufnummer
• Senden/Empfangen von Kurznachrichten (SMS)
• Rufnummernanzeige (CLIP)
• Übermittlung der Rufnummer des Angerufenen (COLP)
• Tarifinformationen (betreiberabhängig)
• Anrufbeantworter (betreiberabhängig)

Zusätzlich ermöglicht GSM einige neue Features, die es im Festnetz nicht gibt:

• Roaming zwischen verschiedenen Betreibern (betreiberabhängig)

Übertragungstechnik

Verwendete Frequenzen

GSM arbeitet mit unterschiedlichen Frequenzen für den Uplink (vom Mobiltelefon zum Netz) beziehungsweise Downlink (vom Netz zum Mobiltelefon). Die folgenden Frequenzbänder werden verwendet:

Insbesondere auf dem amerikanischen Kontinent sind nicht alle Bänder in allen Ländern verfügbar (zum Beispiel in Brasilien nur 1800 MHz, in den USA und Kanada nur 800 MHz und 1900 MHz).

Physikalische Übertragung

Die Daten werden digitalisiert und mit einer Mischung aus Frequenz- und Zeitmultiplexing übertragen. Das GSM Frequenzband wird in mehrere Abschnitte unterteilt (bei GSM900 sind das 125 Trägerfrequenzen), und jede Trägerfrequenz transportiert zeitversetzt acht logische Nutzkanäle. Für die physikalische Übertragung werden verschiedene digitale Modulationstechniken verwendet. Die TDMA-Rahmendauer beträgt 4,615 ms, jeder Rahmen ist geteilt in 8 Zeitschlitze (englisch Timeslots) zu je 0,577 ms langen Bursts.

Nach dem Sende-Burst lauscht das Handy auf der um 45MHz versetzte Empfangsfrequenz, und wartet dort auf 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), sodass eine Frequenzsprungrate von 217 Sprüngen pro Sekunde entsteht.

Bei einer Bruttodatenübertragungsrate von 271 kbit/s je Funkrahmen bleiben je Kanalschlitz noch 33,9 kbit/s brutto übrig. Von diesen gehen noch 9,2kbit/s für Signalisierung und Synchronisation des Rahmenaufbaus ab, sodass 24,7 kbit/s netto für den Nutzkanal übrig bleiben. Durch die Übertragung per Funk liegen in diesem Bitstrom noch viele Bitfehler vor.

Logische Kanäle

Die Datenrate des Nutzkanals von 24,7 kbit/s wird in 22,8 kbit/s für die codierten und verschlüsselten Nutzdaten des Verkehrskanals (Traffic Channel) und 1,9 kbit/s für die Steuerkanäle (Control Channel) aufgeteilt. Die Kanalcodierung beinhaltet eine Reihe von Fehlerschutzmechanismen, sodass für die eigentlichen Nutzdaten noch 13 kbit/s übrig bleiben. Eine später eingeführte alternative Kanalcodierung erlaubt die Verringerung des Fehlerschutzes zugunsten der Anwendungsdaten, da bei Protokollen der Datenübertragung bei Bitfehlern eine Neuanforderung eines Datenblocks möglich ist, im Gegensatz zur Sprachübertragung.

Sprachübertragung

Da für die Sprachübertragung bei GSM nur eine Datenrate von 13 kbit/s zur Verfügung steht (im Unterschied zu 64 kbit/s bei ISDN), müssen die Audiosignale stark komprimiert werden, um trotzdem eine akzeptable Sprachqualität zu erreichen. Beim GSM-CODEC wird eine Mischung aus Langzeit- und Kurzzeit-Synthese verwendet, die eine effektive Komprimierung um den Faktor 11 ermöglicht. Technisch werden jeweils 20 ms Sprache gesampelt und gepuffert, anschließend dem Sprachcodec unterworfen (13kbit/s), und der erhaltene 160bit Block anschließend auf 8 Bursts verteilt (bit interleaving), wobei einige Bits zur Sicherheit verdoppelt in zwei Bursts vorkommen, und alles noch mit Informationen zur Selbstkorrektur (FEC) angereichert wird. Obwohl ein Funkkanal äußerst fehleranfällig ist, kann so eine sehr gute Sprachqualität erreicht werden, die die analoge Funktelefonie übertrifft.

Datenübertragung

Wird ein GSM-Kanal für Datenübertragung genutzt, erhält man nach den Dekodierschritten eine nutzbare Datenrate von 9,6 kbit/s. Diese Übertragungsart wird CSD "Circuit Switched Data" genannt. Eine forschrittliche Kanalcodierung ermöglicht auch 14,4 kbit/s, bewirkt bei schlechten Funkverhältnissen aber viele Blockfehler, sodass die "Downloadrate" tatsächlich niedriger ausfallen kann als mit erhöhter Sicherung auf dem Funkweg.

Beides ist jedoch für viele Internet- und Multimediaanwendungen zu wenig, sodass Erweiterungen unter dem Namen HSCSD und GPRS geschaffen wurden, die eine höhere Datenrate ermöglichen, indem mehr Bursts pro Zeit in der Übertragung genutzt werden können. HSCSD nutzt eine feste Zuordnung mehrerer Kanalschlitze, GPRS nutzt Funkschlitze dynamisch für die aufgeschalteten logische Verbindungen (besser für den Internetzugang). Eine Weiterentwicklung von GPRS ist EDGE, mit anderem breitbandigem Modulationsverfahren auf den zugeordneten Trägerfrequenzen.

Siehe auch: UMTS, Standortbezogene Dienste, Mobile Terminated Call, Mobile Originated Call

Netzstrukturierung

Hardware

GSM-Netze sind in vier Teilsysteme unterteilt:

• Mobile Station (MS)
• BSS (Base Station Subsystem), es besteht aus:
• • BTS (Base Tranceiver Station)
  • BSC (Base Station Controller)
  • TCE (Transcoding Equipment)
• Vermittlungsteilsystem: Switching and Management Subsystem (SMSS). Bestandteile des SMSS sind
• • MSC (Mobile Switching Center)
  • VLR (Visitor Location Register)
  • HLR (Home Location Register)
  • AuC (Authentification Center)
  • EIR (Equipment Identity Register)
• OMC (Operation and Maintenance Center)

Adressierung

In einem GSM-Netz werden folgende Nummern zur Adressierung der Teilnehmer verwendet:

• MSISDN (Mobile Subscriber ISDN Number)
• IMSI (International Mobile Subscriber Identity)
• TMSI (Temporary Mobile Subsriber Identity)
• MSRN (Mobile Station Roaming Number)

Sicherheit

Authentisierung

Jedem Teilnehmer wird bei der Aufnahme in das Netz eines Mobilfunkbetreibers ein Subscriber Authentication Key zugeteilt. Der Schlüssel wird in der SIM Karte und im HLR gespeichert.

Zur Authentisierung wird der MS vom Netz eine Zufallszahl geschickt. Aus der Zufallszahl und dem Subscriber Authentication Key wird mit dem Algorithmus A3 der Authentisierungsschlüssel berechnet. Der Authentisierungsschlüssel wird vom Netz im AuC und von der MS getrennt berechnet und das Ergebnis vom VLR verglichen. Stimmen sie überein, ist die MS authentisiert.

Nutzdatenverschlüsselung

Zur Verschlüsselung wird aus der Zufallszahl von der Authentisierung beidseitig mit dem Algorithmus A8 ein Kodeschlüssel (engl.: Cipher Key) bestimmt. Der Kodeschlüssel wird vom Algorithmus A5 zur symmetrischen Verschlüsselung der übertragenen Daten verwendet.

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.

Weblinks

• http://www.gsmworld.com - Alle GSM-Netze weltweit, Netzkarten, Partner