Global System for Mobile Communications
Das Global System for Mobile Communications (GSM) ist ein volldigitaler Mobilfunknetz-Standard, der hauptsächlich für Telefonie aber auch für leitungsvermittelte und paketvermittelte Datenübertragung sowie Kurzmitteilungen (SMS) genutzt wird. Es ist der erste Standard der sogenannten zweiten Generation als Nachfolger der analogen Systeme der ersten Generation und ist der weltweit am meisten verbreitete Mobilfunk-Standard.
GSM wurde mit dem Ziel geschaffen, ein mobiles Telefonsystem anzubieten, das Teilnehmern eine europaweite Mobilität erlaubte und mit ISDN oder herkömmlichen analogen Telefonnetzen kompatible Sprachdienste anbot.
In Deutschland ist GSM die technische Grundlage der D- und E-Netze. Hier wurde GSM 1992 eingeführt, was zur raschen Verbreitung von Mobiltelefonen (umgangssprachlich: Handy) in den 1990er-Jahren führte. Der Standard wird heute in rund 200 Ländern und Gebieten der Welt als Mobilfunkstandard genutzt; dies entspricht einem Anteil von etwa 80 Prozent aller Mobilfunkkunden. Es existieren später hinzugekommene Erweiterungen des Standards wie HSCSD, GPRS und EDGE zur schnelleren Datenübertragung.
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.
Die Entstehung von GSM
Ende der 1950er Jahre nahmen die ersten analogen Mobilfunknetze in Europa ihren Betrieb auf (in Deutschland das A-Netz). Ihre Bedienung war jedoch kompliziert, und sie verfügten nur über Kapazitäten für wenige tausend Teilnehmer. Zudem gab es innerhalb Europas nebeneinander mehrere verschiedene Systeme, die zwar teilweise auf dem gleichen Standard beruhten, sich aber in gewissen Details unterschieden. Bei der nachfolgenden Generation der digitalen Netze sollte eine ähnliche Situation vermieden werden.
- 1982: Bei CEPT wird die Groupe Speciale Mobile (etwa Arbeitsgruppe für Mobilfunk) eingerichtet. Ihre Aufgabe war es, einen einheitlichen pan-europäischen Mobilfunkstandard zu entwickeln.
- 1987: 17 GSM-Netzbetreiber in spe aus 15 europäischen Ländern bilden eine Kooperation und unterzeichnen am 7. September in Kopenhagen das GSM MoU (Memorandum of Understanding).
- 1989: Die Groupe Speciale Mobile wird ein Technical Committee beim European Telecommunications Standards Institute (ETSI), das durch die EG-Kommission 1988 gegründet worden war.
- 1989: In Deutschland erhalten die Deutsche Bundespost und Mannesmann die Lizenz, je ein Netz auf GSM-Basis aufzubauen (die sogenannten D-Netze)
- 1990: Die Spezifikationen der Phase 1 des GSM 900-Standards werden eingefroren, d.h. sie werden nicht mehr verändert und können für die Herstellung von Mobiltelefonen und Netztechnik verwendet werden.
- 1990: Die Anpassung der Spezifikationen an den Frequenzbereich bei 1800 MHz (DCS 1800) beginnt.
- 1991: Die Groupe Speciale Mobile wird umgenannt in Standard Mobile Group (SMG). GSM bleibt erhalten als Bezeichnung für den Standard selbst und steht nun für Global System for Mobile Communications.
- 1991: Die Spezifikationen für DCS 1800 werden eingefroren.
- 1991: Die ersten lauffähigen Systeme werden vorgeführt (z.B. auf der Messe Telecom 91).
- 1992: Viele europäische GSM 900-Betreiber beginnen mit dem kommerziellen Netzstart.
- 2000: Die GSM-Standardisierungsaktivitäten werden nach 3GPP überführt. Die Arbeitsgruppe dort trägt die Bezeichnung TSG GERAN (Technical Specification Group GSM EDGE Radio Access Network).
Technik
Allgemein
Im Unterschied zum Festnetz gibt es bei einem Mobilfunknetz diverse zusätzliche Anforderungen:
- Die Teilnehmer sind mobil und können somit von einer Funkzelle in eine andere wechseln. Geschieht dies während eines Gesprächs oder einer Datenverbindung, dann muss die Gesprächsverbindung von einer Basisstation zur nächsten übergeben werden (Handover), damit das Mobiltelefon seine Funkverbindung immer zu der bestgeeigneten Basisstation bekommt. In Ausnahmefällen kann das Gespräch auch über eine benachbarte Basisstation geführt werden um Überlastungen zu vermeiden.
- Da auf der Funkschnittstelle nur eine begrenzte Bandbreite zur Verfügung steht, müssen die Nutzdaten stärker komprimiert werden als im Festnetz. Um den Anteil der Bandbreite, der für Signalisierungsvorgänge verwendet werden muss, klein zu halten, wurden die Signalisierungsnachrichten bitgenau spezifiziert, um sie so kurz wie möglich zu halten.
- Mobiltelefone verfügen nur über eine begrenzte Akkukapazität, die sparsam genutzt werden sollte. Generell gilt, dass Senden mehr Energie kostet als Empfangen. Deshalb werden im Standby-Betrieb so wenig Daten wie möglich gesendet und die Zahl der Status-Meldungen ist gering.
Standardisierung
Die Standardisierung von GSM wurde bei CEPT begonnen, von ETSI (=European Telecommunication Standardisation Institute) weitergeführt und später an 3GPP (=3rd Generation Partnership Project) übergeben. Dort wird GSM unter dem Begriff GERAN (=GSM EDGE Radio Access Network) weiter standardisiert. 3GPP ist somit für UMTS und GERAN verantwortlich.
Reichweite
Die mit GSM erzielbaren Reichweiten schwanken stark, je nach Geländeprofil und Bebauung. Im Freien sind bei Sichtkontakt teilweise 35 km und mehr erreichbar, in den Städten dagegen teilweise nur 200 Meter.
Grundsätzlich gilt jedoch, dass mit GSM 900 aufgrund der längeren Wellenlänge größere Reichweiten erzielbar sind als mit GSM 1800.
Entsprechend der Reichweite wird die Zellengröße festgelegt. Dabei wird auch die prognostizierte Nutzung berücksichtigt, um Überlastungen zu vermeiden.
Verwendete Frequenzen
GSM arbeitet mit unterschiedlichen Frequenzen für den Uplink (vom Mobiltelefon zum Netz) und den Downlink (vom Netz zum Mobiltelefon). Die folgenden Frequenzbänder werden verwendet:
| Frequenzband | Uplink (MHz) | Downlink (MHz) | Kontinent | Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|
| 450 MHz | 450,4 - 457,6 | 460,4 - 467,6 | GSM 400 wird bisher nur von Celtel Tanzania eingesetzt | wird auch als GSM 450 oder GSM 400 bezeichnet |
| 480 MHz | 478,8 - 486 | 488,8 - 496 | GSM 400 wird bisher nur von Celtel Tanzania eingesetzt | wird auch als GSM 480 oder GSM 400 bezeichnet |
| 850 MHz | 824,0 - 849,0 | 869,0 - 894,0 | Amerika | wird auch als GSM 850 oder GSM 800 bezeichnet |
| GSM-R | 876,0 - 880,0 | 921,0 - 925,0 | Asien, Europa | reserviert für Eisenbahngesellschaften |
| 900 MHz | 880,0 - 915,0 | 925,0 - 960,0 | Afrika, Amerika, Asien, Australien, Europa | auch als E-GSM-Band (Extended GSM) bezeichnet da ursprünglich nur 890,0 MHz - 915,0 MHz und 935,0 MHz - 960,0 MHz vorgesehen waren (P-GSM). Allgemeine Bezeichnung: GSM 900 |
| 1800 MHz | 1710,0 - 1785,0 | 1805,0 - 1880,0 | Afrika, Amerika, Asien, Australien, Europa | früher als DCS-Band (Digital Cellular System) bezeichnet; heute GSM 1800 |
| 1900 MHz | 1850,0 - 1910,0 | 1930,0 - 1990,0 | Amerika | früher als PCS-Band (Personal Communication System) bezeichnet; heute GSM 1900 |
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 850 MHz und 1900 MHz). In Deutschland findet GSM-Mobilfunk in den Frequenzbereichen 890-915 MHz, 935-960 MHz, 1725-1780 MHz und 1820-1875 MHz statt. In Österreich sind die Frequenzbereiche 890-914 MHz, 935-960 MHz, 1710-1722 MHz, 1725-1781 MHz, 1805-1817 MHz und 1820-1876 MHz für GSM reserviert. In der Schweiz wird GSM auf den Frequenzen 880-884 MHz, 890-914 MHz, 925-929 MHz, 935-960 MHz, 1710-1759 MHz, 1767-1782 MHz und 1862-1876 MHz verwendet.
Physikalische Übertragung auf der Luftschnittstelle
Die digitalen Daten werden mit einer Mischung aus Frequenz- und Zeitmultiplexing übertragen. Das GSM Frequenzband wird in mehrere Kanäle unterteilt, die einen Abstand von 200 kHz haben, Sende- und Empfangsrichtung sind getrennt. Bei GSM900 sind im Bereich von 890 - 915 MHz 124 Kanäle für die Aufwärtsrichtung (Uplink) zur Basisstation und im Bereich von 935 - 960 MHz 124 Kanäle für die Abwärtsrichtung (Downlink) vorgesehen. Jede Trägerfrequenz transportiert zeitversetzt acht Nutzkanäle. Die TDMA-Rahmendauer beträgt 4,615 ms, jeder Rahmen ist geteilt in acht Zeitschlitze (englisch Timeslots) zu je 0,577 ms langen Bursts.
Als Modulationsverfahren findet Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) Verwendung. Dies ist eine Phasenmodulation, bei der die Amplitude konstant bleibt. Mit EDGE wurde dann 8PSK eingeführt. Dies ist eine achtstufige Phasenmodulation, bei der die Amplitude nicht konstant ist. Während bei GMSK pro Symbol nur 1 bit übertragen werden kann, sind dies bei 8PSK 3 bit, jedoch wird dafür ein höheres Signal-Rauschleistungsverhältnis bei der Funkverbindung benötigt.
Da bei einer Entfernung von mehreren Kilometern das Funksignal durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit - die Lichtgeschwindigkeit - soweit verzögert werden kann, dass der Burst des Mobiltelefones nicht mehr innerhalb des vorgegebenen Zeitschlitzes bei der Basisstation ankommt, ermittelt diese die Signallaufzeit und fordert das Mobiltelefon auf, den Burst etwas früher auszusenden. Dazu teilt sie dem mobilen Gerät den Parameter Timing Advance (TA) mit, der den Sendevorlauf in 3,7 μs-Schritten vorgibt. Dies entspricht jeweils einem Bit. Der Timing Advance hat einen Wertebereich von 0 bis 63. Die Dauer eines Bits entspricht bei Lichtgeschwindigkeit einer Wegstrecke von ca. 1,1 km, und da für die Laufzeit Hin- und Rückrichtung zusammen betrachten werden müssen, entspricht eine Änderung des Timing Advance um eins einer Entfernungsänderung von ca. 550 m. Somit ergibt sich eine maximale Zellengröße von ca. 35 km, die jedoch mit technischen Tricks erweitert werden kann.
Nach dem Sende-Burst schaltet das Mobiltelefon auf die um 45 MHz versetzte Empfangsfrequenz, und empfängt dort 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), so entsteht eine Frequenzsprungrate von 217 Sprüngen pro Sekunde.
Bei einer Bruttodatenübertragungsrate von 271 kbit/s je Funkrahmen bleiben je Kanalschlitz noch 33,9 kbit/s brutto übrig. Von dieser Datenrate sind 9,2 kbit/s für Signalisierung und Synchronisation des Rahmenaufbaus reserviert, so dass 24,7 kbit/s netto für den Nutzkanal übrig bleiben. Durch die Übertragung per Funk liegen in diesem Bitstrom noch viele Bitfehler vor.
Die Datenrate pro Zeitschlitz von 24,7 kbit/s wird in 22,8 kbit/s für die kodierten und verschlüsselten Nutzdaten des Verkehrskanals (Traffic Channel) und 1,9 kbit/s für die teilnehmerspezifischen Steuerkanäle (Control Channel) aufgeteilt. Die Kanalkodierung beinhaltet eine Reihe von Fehlerschutzmechanismen, so dass für die eigentlichen Nutzdaten noch 13 kbit/s übrig bleiben (im Fall von Sprachdaten). Eine später eingeführte alternative Kanalkodierung erlaubt die Verringerung des Fehlerschutzes zugunsten der Anwendungsdaten, da bei Datenübertragungsprotokollen im Gegensatz zur Sprachübertragung bei Bitfehlern eine Neuanforderung des Datenblocks möglich ist.
Netzarchitektur
Hardware
GSM-Netze sind in vier Teilsysteme unterteilt:
- Mobiltelefon, Fachausdruck: Mobile Station (MS)
Die Mobile Station besteht aus einer Antenne, an die eine Sende- und Empfangseinheit angeschlossen ist, Stromversorgung, Lautsprecher und Mikrofon (oder externe Anschlüsse) und einer Möglichkeit, einen anderen Teilnehmer auszuwählen (typischerweise Tastatur oder Spracheingabe). Üblicherweise enthält die Mobile Station zusätzlich ein Display, um die Telefonnummer des Anrufers sowie Kurzmitteilungen anzuzeigen. - Mobilfunksendesystem, Fachausdruck: BSS (Base Station Subsystem).
Es besteht typischweise aus mehreren unterschiedlich ausgerichteten Antennen, auch BTS (Base Transceiver Station) genannt. Die Antennen sind mit einer Steuerungseinheit, verbunden, die in einem geschlossenen Raum in direkter Nähe zu den Antennen untergebracht ist. Mehrere Antennen werden von einer Steuerungseinheit (BSC, Base Station Controller) überwacht, die die Funkverbindungen überwacht und ggf. Zellwechsel (Handover) einleitet. Da bei Telefongesprächen innerhalb des Mobilfunknetzes ein komprimierter Audiocodec verwendet wird, wird eine Umwandlungseinheit (TCE, Transcoding Equipment) für die Konvertierung zwischen GSM- und ISDN-Audiocodec benötigt. - Vermittlungsteilsystem, Fachausdruck: Network Subsystem (NSS).
Bestandteile des NSS sind das MSC (Mobile Switching Center), das die eigentliche Vermittlungsstelle und die Schnittstelle zwischen Funknetz und Telefonnetz darstellt. Ebenfalls zum NSS gehört das VLR (Visitor Location Register), das Informationen über alle mobilen Teilnehmer speichert, die sich innerhalb des Funknetzes aufhalten. Das HLR (Home Location Register) speichert dagegen Informationen über alle Teilnehmer, die Kunden des Funknetzeigentümers sind. Für die Authentifizierung ist das AUC (Authentication Center) zuständig, das EIR (Equipment Identity Register) speichert Informationen über die verwendeten Mobile Stations. - Kontrolle und Überwachung des Mobilfunknetzes erfolgt durch das OMC (Operation and Maintenance Center).
Adressierung
In einem GSM-Netz werden folgende Nummern zur Adressierung der Teilnehmer verwendet: Die MSISDN (Mobile Subscriber ISDN Number) ist die eigentliche Telefonnummer, unter der ein Teilnehmer weltweit zu erreichen ist. Die IMSI (International Mobile Subscriber Identity) ist dementsprechend die interne Teilnehmerkennung, die auf der SIM gespeichert wird und zur Identifizierung eines Teilnehmers innerhalb eines Funknetzes verwendet wird. Aus Datenschutzgründen wird die IMSI nur bei der initialen Authentisierungsprüfung der mobilen Station über das Funknetz gesendet, in weiteren Authentisierungsprüfungen wird stattdessen eine temporär gültige TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) verwendet. Für das Roaming, also das Telefonieren innerhalb eines fremden Mobilfunknetzes wird die MSRN (Mobile Station Roaming Number) verwendet.
Einige wichtige Funktionen innerhalb von Mobilfunknetzen
Handover
Hauptartikel: Handover
Eine der wichtigsten Grundfunktionen in zellularen Mobilfunknetzen ist der vom Netz angestoßene Zellwechsel während eines laufenden Gesprächs, wenn der Teilnehmer sich über Zellgrenzen hinweg bewegt.
Mobility Management
Mehrere Prozeduren im GSM-Netz behandeln die Bewegung (Mobility) der Teilnehmer im Netz. Damit ein mobiler Teilnehmer, der sich irgendwo im Netzgebiet befindet, auch angerufen werden kann oder ihm eine SMS zugestellt werden kann, muss ständig die Voraussetzung dafür bestehen, dass der Teilnehmer eine Suchanfrage (genannt Paging) empfangen kann. Hierzu muss sein aktueller Aufenthaltsort in gewisser Granularität ständig nachgeführt werden.
Zur Verringerung des Aufwands im Kernnetz und zur Verlängerung der Akku-Laufzeit wird zentral nur die Location Area erfasst, in der sich ein eingebuchtes Mobiltelefon befindet. Wo es sich innerhalb dieses Gebietes befindet, ist nicht bekannt. Um Energie und Übertragungskapazität zu sparen, meldet sich das Mobiltelefon im Standby-Betrieb nur in Abständen von mehreren Stunden oder beim Wechsel der Location Area beim Netz. Beim Herstellen der Verbindung wird über alle Basisstationen das Mobiltelefon gesucht und bei Meldung die Basisstation festgelegt.
Dem Mobiltelefon dagegen ist genau bekannt, in welcher Funkzelle es sich befindet. Im Standby-Betrieb scannt es die Nachbarzellen, deren Trägerfrequenzen es von der Basisstation auf speziellen Informationskanälen mitgeteilt bekommt. Wird das Signal einer der Nachbarzellen besser als das der aktuellen Zelle, dann wechselt das Mobiltelefon dort hin. Bemerkt es dabei eine Änderung der Location Area, dann muss es dem Netz seinen neuen Aufenthaltsort mitteilen.
Roaming
Hauptartikel: Roaming
Da viele Mobilfunkbetreiber aus verschiedenen Ländern Roamingabkommen getroffen haben, ist es möglich, das Mobiltelefon auch in anderen Ländern zu nutzen und weiterhin unter der eigenen Nummer erreichbar zu sein und Gespräche zu führen.
Sicherheitsfunktionen
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.
Dienste für den Benutzer
Festnetzseitig basiert der GSM-Standard auf dem ISDN-Standard und stellt deshalb ähnliche vermittlungstechnische Leistungsmerkmale bereit. Mit der Möglichkeit Kurznachrichten (SMS, kurz für Short Message Service) zu senden und zu empfangen, wurde ein neuer Dienst geschaffen, der begeistert angenommen worden ist und mittlerweile eine wichtige Einnahmequelle für die Netzbetreiber geworden ist.
Sprachübertragung
Für die Sprachübertragung bei GSM wurden im Laufe der Jahre mehrere Codecs standardisiert.
Full Rate Codec (FR)
Der erste GSM Sprachcodec war der Full Rate (FR) Codec. Für ihn steht nur eine Datenrate von 13 kbit/s zur Verfügung (im Unterschied zu 64 kbit/s bei ISDN). Die Audiosignale müssen deshalb stark komprimiert werden, um trotzdem eine akzeptable Sprachqualität zu erreichen. Beim FR-Codec wird eine Mischung aus Langzeit- und Kurzzeit-Synthese verwendet, die eine effektive Komprimierung ermöglicht.
Technisch werden jeweils 20 ms Sprache gesampelt und gepuffert, anschließend dem Sprachcodec unterworfen (13 kbit/s). Zur Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC) werden die 260 Bits eines solchen Blocks in drei Klassen eingeteilt, entsprechend, wie stark sich ein Bitfehler im Sprachsignal auswirken würde. 50 Bits des Blocks werden in Klasse Ia eingeteilt. Sie sind am stärksten zu schützen und erhalten eine CRC-Prüfsumme von 3 Bits. Zusammen mit 132 Bits der Klasse Ib, die etwas weniger zu schützen sind, werden sie einem Faltungs-Code unterworfen, der aus den 238 Eingangsbits 378 Ausgangsbits generiert. Die restlichen 78 Bits werden ungeschützt übertragen. So werden aus 260 Bits Nutzdaten 456 Bits fehlergeschützte Daten, wodurch die erforderliche Bitrate auf 22,8 kbit/s steigt.
Die 456 Bits werden auf acht Halbbursts zu je 57 Bits aufgeteilt, so dass kurzzeitige Störungen sich möglichst wenig auswirken. Obwohl ein Funkkanal äußerst fehleranfällig ist, kann so eine sehr gute Sprachqualität erreicht werden, die die analoge Funktelefonie übertrifft.
Half Rate Codec (HR)
Mit der Einführung des Half Rate Codecs wurde es möglich, auf einem Zeitschlitz der Luftschnittstelle nicht nur ein, sondern zwei Gespräche gleichzeitig abzuwickeln. Wie der Name sagt, steht für HR nur die halbe Bandbreite zur Verfügung wie für den FR-codec. Um trotzdem eine brauchbare Sprachqualität zu erreichen, ist für die Kodierung ungefähr die drei- bis vierfache Rechenleistung erforderlich wie beim FR-codec. Weil die Sprachqualität trotzdem eher mäßig ist, wird HR von den Mobilfunknetzbetreibern nur dann eingesetzt, wenn eine Funkzelle überlastet ist.
Enhanced Full Rate Codec (EFR)
EFR arbeitet mit derselben Datenrate wie der Full Rate Codec, nämlich 13 kbit/s. Durch einen leistungsfähigeren Algorithmus wurde eine bessere Sprachqualität erreicht.
Adaptive Multirate Codec (AMR)
Hierbei handelt es sich nicht um einen einzelnen, sondern um acht Codecs. Diese haben unterschiedliche Datenraten von 4,75 bis 12,2 kbit/s. Je geringer die Datenrate der Sprachdaten ist, um so mehr Bits stehen für die Kanalkodierung und damit zur Fehlerkorrektur zur Verfügung. Somit wird der 4,75 kbit/s Codec als der robusteste bezeichnet, weil trotz hoher Bitfehlerhäufigkeit bei der Funkübertragung noch ein verständliches Gespräch möglich ist. Während eines Gespräches misst das Mobilfunknetz die Bitfehlerhäufigkeit und wählt den dafür geeignetsten Codec aus.
Datenübertragung
Wird ein GSM-Kanal für Datenübertragung genutzt, erhält man nach den Dekodierschritten eine nutzbare Datenrate von 9,6 kbit/s. Diese Übertragungsart wird Circuit Switched Data (CSD) genannt. Eine fortschrittliche Kanalkodierung ermöglicht auch 14,4 kbit/s, bewirkt bei schlechten Funkverhältnissen aber viele Blockfehler, so dass die "Downloadrate" tatsächlich niedriger ausfallen kann als mit erhöhter Sicherung auf dem Funkweg. Deshalb wird in Abhängigkeit von der Bitfehlerhäufigkeit zwischen 9,6 und 14,4 kbit/s netzgesteuert umgeschaltet (=Automatic Link Adaptation, ALA).
Beides ist jedoch für viele Internet- und Multimediaanwendungen zu wenig, so dass 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 logischen Verbindungen (besser für den Internetzugang). Eine Weiterentwicklung von GPRS ist E-GPRS. Dies ist die Nutzung von EDGE für Paketdatenübertragung.
Lokalisierung
Im Gesprächsbetrieb kann die Position eines Mobiltelefons genauer bestimmt werden, dabei gibt es mehrere Verfeinerungen. Jede Basisstation befindet sich an einem bekannten Standort und besitzt in der Regel mehrere Richtstrahler (oft drei) mit bekannten Richtungen. Innerhalb der Funkfelds ist der ungefähre Abstand zum Strahler bekannt. Durch Triangulation über Strahler benachbarter Basisstationen kann weiter verfeinert werden. Die meisten Dienste werden allein auf Basis des Standortes einer Basisstation angeboten, nach und nach werden derzeitige Netze umgestellt hin zu stärkerer Genauigkeit der Lokalisierung. Stand der Technik ist eine Genauigkeit von +/- 20m im städtischen sowie +/- 250m im ländlichen Bereich und stellt daher zur Zeit keine Alternative zu GPS dar.
Die Fähigkeit zur Lokalisierung wird verschieden genutzt. Einige Betreiber bieten Infodienste als Location Based Services, so dass Kunden Restaurants oder Hotels in ihrer Nähe finden können. Es gibt auch Routenplaner, die über das Mobiltelefon angeboten werden und diese Informationen auswerten. Durch die ungefähre Ortsbestimmung möglich werden auch Flottenmanagement für Transportunternehmen oder eine Hilfe zum Wiederauffinden eines liegengelassenen Mobiltelefons. Die Verwendung für Rettungsdienste ermöglicht das schnelle Auffinden von Unfallopfern, da diese oft ihren Aufenthalt nicht kennen oder falsch angeben. In manchen Ländern (z.B. den USA) wird bei einem Notruf automatisch die Position des Teilnehmers bestimmt und übermittelt.
Ein Sonderfall ist die lautlose SMS, mit der das Netz zur genauen Lokalisierung eines Mobiltelefons ohne Kenntnisnahme eines Verbindungsaufbaus durch den Nutzer erzwungen werden kann. Dies wird in der Strafverfolgung als Hilfsmittel der Polizei eingesetzt. Mit Verweis auf "Gefahr im Verzug" erfolgt dies zum Teil auch ohne richterliche Prüfung, diese Praxis ist jedoch umstritten.
Erweiterungen und Weiterentwicklungen von GSM
GSM wurde ursprünglich hauptsächlich für Telefongespräche, Faxe und Datensendungen mit konstanter Datenrate konzipiert. Burstartige Datensendungen mit stark schwankender Datenrate, wie es beim Internet üblich ist, wurden nicht eingeplant.
Mit dem Erfolg des Internets begann daher die sog. "Evolution von GSM", bei der das GSM-Netz komplett abwärtskompatibel mit Möglichkeiten zur paketorientierten Datenübertragung erweitert wurde. Es sollten außerdem nur minimale Kosten durch den Austausch von vielfach verwendeten Komponenten entstehen.
HSCSD
Durch die Kopplung von mehreren Kanälen erreicht HSCSD insgesamt eine höhere Datenrate. Um HSCSD nutzen zu können, braucht man ein kompatibles Mobiltelefon, auf Seiten des Netzbetreibers sind Hardware- und Softwareänderungen bei Komponenten innerhalb der Basisstationen und des Kernnetzes erforderlich.
GPRS
GPRS erlaubt zum ersten Mal eine paketbasierte Datenübertragung, bei der sich mehrere Benutzer einen Kanal teilen können. Es erfordert beim Netzbetreiber allerdings innerhalb des Kernnetzes zusätzliche Komponenten (den GPRS Packet Core)
EDGE
Mit EDGE wurde durch eine neue Modulation (8PSK) eine Erhöhung der Datenrate ermöglicht. Mit EDGE werden GPRS zu E-GPRS (Enhanced GPRS) und HSCSD zu ECSD (Enhanced Circuit Switched Data) erweitert.
Streaming
Streaming services erfordern eine minimale garantierte Bandbreite. Dies ist in GPRS ursprünglich nicht vorgesehen. Inzwischen (d.h. ab 3GPP release 99) wurden durch Einführung entsprechender Quality of service Parameter und ein paar anderer Eigenschaften die Voraussetzungen dafür geschaffen, echtes Streaming über GPRS zu ermöglichen.
Generic Access
Seit Mitte 2004 wird in den Standardisierungsgremien an einer Methode gearbeitet, die es Mobilgeräten erlauben soll, GSM-Dienste statt über die GSM-Luftschnittstelle auch über jede Art von anderen (IP-)Übertragungssystemen zu nutzen. Hierzu sollen die Sendestationen von WLAN, Bluetooth, etc. über sogenannte Generic Access Controller ans GSM core network angeschlossen werden. Die GSM-Daten und -Signalisierung wird dann durch das IP-Netz hindurchgetunnelt.
Literatur
- Jochen Schiller: Mobilkommunikation. München 2003, ISBN 3-8273-7060-4
- Eberspächer, Jörg: GSM, Global System for Mobile Communication: Vermittlung, Dienste und Protokolle in digitalen Mobilfunknetzen. Stuttgart, Leipzig 2001, ISBN 3-519-26192-8
- Mouly+Pautet: "The GSM System for Mobile Communications", Frankreich 1992, ISBN 2-9507190-0-7
- Prof. Dr.-Ing. B. Walke: Mobilfunknetze und ihre Protokolle 1, Stuttgart 2001, ISBN 3-519-26430-7
