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| Global System for Mobile Communication Kai Seidler, oswald@cs.tu-berlin.de, 3. Dezember 1996
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Als in den frühen 80er Jahren die analogen Mobilfunknetze in Europa rapide
wuchsen und jedes Land seine eingenen Technologien entwickelte, gab es eine
immer größer werdende Notwendigkeit für einen einheitlichen Mobilfunk-Standard.
Sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus EU-politischer Sicht war dies ein
unhaltbarer Zustand, und 1982 wurde auf der Conference of European Posts and
Telegraphs (CEPT) die Arbeitsgruppe Groupe Spécial Mobile (GSM) gegründet.
Sie erhielt das Mandat, Empfehlungen für ein zellulares, pan-europäisches
Mobiltelefonsystem zu erarbeiten. Am 20. Juni 1985 wurde hierfür zwischen Frankreich, Italien und der Bundesrepublik Deutschland ein Zusammenarbeitsvertrag geschlossen, dem dann im Sommer 1986 auch Grossbritannien diesem Vertrag beitrat. Im Mai 1987 wurde zwischen diesen vier Staaten das GSM Memorandum of Understanding vereinbart, das eine schrittweise Einführung eines pan-europäischen Mobiltelefonsystem ab 1991 vorsah. Im September 1987 traten dem Memorandum of Understanding 9 weitere Staaten (Schweden, Spanien, Norwegen, Dänemark, Finnland, Irland, Italien, Belgien und die Niederlande) bei. Ein Jahr später folgten Luxemburg, Österreich, die Türkei und die Schweiz [Klingler 1989]. 1990 veröffentlichte dann das European Telecommunication Standard Institute (ETSI), dem die Groupe Spécial Mobile im März 1989 unterstellt wurde, Phase I der GSM-Spezifikationen. Aus der Abkürzung GSM mit der ehemaligen Bedeutung Groupe Spézial Mobile wurde durch den pan-europäischen Gedanken Global System for Mobile Communication. Im Septemer 1996, sind in der GSM MoU Association 210 Mitglieder aus 105 verschiedenen Ländern und es sind 148 GSM-Netzwerke mit schätzungsweise 25 Millionen Teilnehmern im Betrieb. Von der GSM MoU Association wird erwartet, daß es im Jahr 2000 100 Millionen Teilnehmer in 120-140 Ländern sein werden. [GSM MoU 1996]
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Offenheit Die Empfehlungen der GSM versuchen trotz ihres 6000 Seiten Umfangs eine große Offenheit gegenüber neuen Diensten und Erweiterungen zu behalten und trotzdem eine Kompatibilität zwischen den Systemen zu erhalten. Gelöst wird dies dadurch, daß die GSM-Empfehlungen hauptsächlich aus Schnittstellen-Beschreibungen bestehen. Mobilität Jeder Teilnehmer hat die Möglichkeit, auch in anderen Ländern mit eigenen GSM-Netzen zu telefonieren und dort auch mit seiner "lokalen" Telefonnummer erreichbar zu sein (internationales Roaming). Mit einer Chipkarte identifiziert sich der Teilnehmer und ist so in der Lage, fremde Telefone benutzen zu können, z. B. in einem Mietwagen. In dieser Karte können auch bis 100 Rufnummern gespeichert werden. In den GSM-Empfehlungen wurde auch berücksichtigt, daß die Mobiltelefone möglichst klein und leicht sein sollten, um bequem getragen werden zu können. Wirtschftlichkeit Ein GSM-Netz zeichnet sich, besonders im Gegenstz zu analogen Funknetzen, durch hohe Kapazität und optimale Ausnutung der Frequenzbandbreiten aus. Die Kosten für den Kunden (Mobiltelefon) und den Netzanbieter (Netzbetrieb) sind möglichst gering. Sicherheit Die Sicherheits-Methoden des GSM sind die sichersten für zellulare Mobilfunksysteme, die es zur Zeit gibt. Die Abhörsicherheit einer GSM-Verbindung wird durch Verschlüsselung und durch Frequency hopping geschaffen. Durch die Vergabe von temporären Identifikations Nummern wird die Anonymität des Teilnehmers gewahrt. [Margrave 1995] ISDN-Kompatibilität und Datenübertragung ISDN-Kompatibilität war ein Designkriterium für die GSM-Empfehlungen. Allerdings wurde die Übertragungsbandweite eines ISDN B-Kanals von 64 kBits/s aufgrund der fehlenden Kapazitäten bei einer Funkübertragung nicht erreicht und die Datenübertragung im GSM-Netzen ist auf 9600 Bits/s begrenzt. GSM bietet aber auch die Möglichkeit des Datenaustauschs u. a. mit analogen Telefonsystemen und mit packetorientieren öffentlichen Netzwerken (Packet Switched Public Data Networks) [Scourias 1995]. Short Message System Mit dem Kurzmitteilungsystem (Short Message System, SMS) können Nachrichten bis zu 160 Bytes Länge von einem GSM-Teilnehmer zu einem anderen gesendet werden. Auch ein Broadcast-Versand (cell broadcast) an alle Teilnehmer einer GSM-Zelle ist möglich. Außerdem bietet GSM neben einem eigenen Notruf-System ("112") und einem Fax-Dienst (Gruppe 3) auch viele Funktionen, wie man sie von Nebenstellenanlagen oder ISDN kennt: Anrufweiterleitung, Rufnummernanzeige und Übermittlung, Anrufsperrung, Halten, Makeln, Konferenzschaltungen.
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Ein GSM-Netzwerk besteht aus drei Hauptteilen: dem Mobilstation (Mobile
Station), dem Basisstations-System (Base Station Subsystem) und der
Mobilzentrale (Network Subsystem). Das Basisstations-System besteht aus dem
Funksystem und verwaltet die Verbindungen mit den Daten-Endgeräten. Es ist so
spezifiziert, dass es unempfindlich, verläßlich, portabel und preisgünstig ist.
Die Mobilzentrale übernimmt die Schaltung der Anrufe der GSM-Teilnehmer und die
Verwaltung der Daten-Endgeräte.
Mobilstation Die Mobilstation besteht aus dem Daten-Endgerät (Mobile Equipment, ME) und einer Chipkarte (Subcriber Identify Module, SIM). Diese sogenannte SIM-Karte enthält unter anderem die International Mobile Subscriber Identity (IMSI) eines Teilnehmers. Einen weltweiten eindeutigen Kode, der nur einem Teilnehmer zugewiesen ist und mit dem sich ein Teilnehmer im GSM-Netz identifiziert. Dadurch, daß diese Information in der Chipkarte gepeichert ist, ist ein Teilnehmer nicht vom Daten-Endgerät abhängig und kann auch durch Einsetzen seiner SIM-Karte andere Endgeräte benutzen. Die SIM-Karte kann mit einer Personal Identity Number (PIN) vor unberechtigtem Zugriff geschützt werden. Das Daten-Endgerät selbst ist mit einer eindeutigen International Mobile Equipment Identy (IMEI) versehen. Die "Luftschnittstelle" zwischen Mobilstation und dem folgenden Basisstations-System wird in den GSM-Empfehlungen Um-Schnittstelle genannt.
Basistations-System Das Basisstations-System (Base Station Subsystem) besteht aus Basisstations- Sendeempfänger (Base Tranceiver Station, BTS) und der Basisstations- Steuereinheit (Base Station Contoller, BSC). Der Sendeempfänger definiert die GSM-Zelle und übernimmt die Kommunikation mit den Mobilstationen. Die Steuereinheit verwaltet hingegen einen oder mehrere Sendeempfänger. Zu ihren Aufgaben gehört u.a. der Verbindungsaufbau, das Frequency Hopping und das Weiterreichen einer Mobilstation zu einem anderen Sendeempfänger. Der Steuereinheit ist die Verbindung des Basistations-System zur Mobilzentrale. Innerhalb des Basistations-System kommuniziert die Steuereinheit mit dem Sendeempfänger über die A-bis-Schnittstelle. Die Kommunikation mit der Mobilzentrale findet über das A-Interface statt.
Mobilzentrale Die Mobilzentrale (Mobile services Switching Center, MSC) hat zunächst die gleiche Funktionalität wie eine normale Vermittlungszentrale in einem Festnetz. Sie verfügt aber über zusätzliche Funktionalitäten, die es ermöglichen, sich bewegende Mobilstationen zu verwalten: wie z. B. das Ein- und Ausbuchen einer Mobilstation, Authentifizierung, Call Routing. Die Mobilzentrale stellt auch die Verbindung zum Festnetz dar. Zur Mobilzentrale gehören noch das Heimregister (Home Location Register, HLR) und das Besucherregister (Visitor Location Register, VLR). Das Heimregister enthält sämtliche administrativen Informationen über einen Teilnehmer und deren momentane Position. Im Besucherregister stehen nur die für die Anruf-Vermittlung und Abrechnung wichtigen Informationen eines Teilnehmers, der in den geographisch begrenzen Zuständigkeitsbereich eines Besucherregisters fällt. Neben diesen Registern enthält die Mobilzentrale noch das Equipment Identity Register (EIR) und das Authentification Center (AuC). Im EIR sind alle gültigen IMEIs der Daten-Endgeräte aufgeführt. Eine IMEI ist dann ungültig, wenn z. B. das Daten-Endgerät als gestolen gemeldet wurde. Das AuC ist eine besonders gesicherte Datenbank, die alle Secret Keys der Teilnehmer enthält. Der gleiche Secret Key ist auch in der SIM-Karte des Teilnehmers gespeichert. Mit diesem Secret Key wird die Verschlüsselung und zur Authentifizierung realisiert.
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GSM-Mobilfunknetze benutzen einen Frequensbereich von 890 MHz bis 960 MHz. Der
Bereich von 890 MHz bis 915 MHz wird zur Datenübertragung von der Mobilstation
zur Basisstation (Uplink-Richtung) benutzt und der Bereich von 935 Mhz bis 960
MHz zur Datenübertragung in umgekehrter (Downlink-)Richtung. Jeder dieser Bereiche ist in 124 Kanäle eingeteilt und jeder einzelne Kanal wird durch ein Zeitmultiplexverfahren (Time Division Multiple Access, TDMA) in noch weitere Kanäle unterteilt. Ein Kanal wird in einem aus 8 Timeslots (a 577 ms) bestehenden TDMA-Frame aufgeteilt. Jedem Teilnehmer wird ein Timeslot zugeordnet. Die Mobilstation kann innerhalb dieses Timeslots 148 Bit Daten übertragen, davon sind 26 Korrelationsbits und 6 Synchronisationsbits. Die Timeslots der Uplink- und Downlink-Richtung sind um 3 Timeslots verschoben. So kann die Mobilstation mit nur einem Synthesizer Senden und Empfangen. Die maximale Übertragungsgeschwindigkeit für Sprachdaten, die mit diesem Verfahren erreicht werden kann, beträgt pro Timeslot 13,6 KBits/s. Diese hohe Übertragungsgeschwindigkeit wird aber nur durch die optimierte Sprachübertragung auf einem unsicheren Medium erreicht. Die maximale Übertragungsgeschwindigkeit von reinen Daten liegt mit 9,6 KBit/s wesentlich niedriger [Kauer 1994]. Einem Vergleich mit ISDN und seinen 64 KBit/s hält GSM also auf keinen Fall stand. Aber bei GSM ist der ausschlaggebende Punkt auch nicht die Übertragungsgeschwindigkeit, sondern die Ortsunabhängigkeit einer Mobilstation.
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