GSM-Netztechnik

 

Das GSM: der grundsaetzliche Aufbau des Netzwerks

Der Aufbau des GSM-Systems sieht vier wichtige Untersysteme vor. Von diesen enthaelt ein jedes eine bestimmte Anzahl von funktionellen Einheiten. Diese Untersysteme sind ueber Standard-Interfacaes miteinander verbunden, die im folgenden beschrieben werden:
  • MS (Mobile Station) 
    • ME (Mobile Equipment) 
    • SIM (Subscriber Identity Module) 
  • BSS (Base Station Sub-System) 
    • BSC (Base Station Controller) 
    • BTS (Base Transceiver Station) 
  • NSS (Network Sub-System) 
    • MSC (Mobile Switching Center) 
    • HLR (Home Location Register) 
    • VLR (Visitor Location Register) 
    • AUC >(Authentication Center) 
    • EIR (Equipment Identity Register) 
  • NMC (Network Management Center) 
  • OMC (Operation and Maintenance Center) 
    Die Mobilstation (MS) ist das Mobiltelefon des Abonnenten. Das Base Station Sub-System ist dazu eingerichtet, die jeweiligen Funkverbindungen der MS zu ueberwachen. Das Network Sub-System erledigt die Weiterleitung der Verbindung, respektive der Gespraeche vom Mobilfunknetze ins Festnetz oder in andere Mobilfunknetze. Zudem ist es fuer die Ueberwachung der Mobilitaet der Mobiltelefonnutzer zustaendig. Vom Network Management Center aus, ist man in der Lage, saemtliche im Moment ausfgefuehrten Operationen zu ueberwachen und zudem das Setup des Netzes durchfuehren.
Es folgt eine Beschreibung der oben angefuehrten Einheiten:

Mobile Station

die Mobile Station besteht aus dem Mobile Equipment (dem GSM-Terminal) und dem Subscriber Identity Module (SIM). Das SIM ist eine mit einem Mikroprozessor bestueckte Smart-Card, die es ermoeglicht den Abonnenten, unabhaengig des von ihm genutzten Terminals zu identifizieren. Das beduetet, dass der Abonnent in der Lage ist Anrufe durchzufuehren und zu empfangen, sowie saemtliche vom Provider angebotenen Services in Anspruch zu nehmen, auch im Falle er seine SIM-Card in ein anderes Mobilterminal als sein eigenes einsetzt.

Mobile Equipment

Das Mobile Equipment wird von der International Mobile Equipment Identity (IMEI) im Inneren eines jeden GSM-Netzes eindeutig identifiziert. Die IMEI ist eine aus 15 Ziffern bestehende Zahlenkombination die folgende Struktur aufweist:

IMEI = TAC/ FAC/ SNR/ sp

TAC = Type Approval Code, (wird bestimmt durch die GSM Zentrale - sechs Ziffern)
FAC = Final Assembly Code, (identifiziert den Hersteller - zwei Ziffern)
SNR = Serial Number (sechs Ziffern)
sp = eine zusaetzliche Reserveziffer - eine Ziffer

Die GSM-Terminals sind in fuenf Klassen unterteilt. Eine jede Klasse richtet sich nach der maximalen Sendeleistung die die Terminals aufbringen koennen. Diese Sendeleistung variiert zwischen 20 Watt, und einem Minimum von 0,8 Watt. Die folgende Tabelle fasst die Charakteristiken dieser fuenf Klassen zusammen.
 

 
KLASSE MAXIMALE SENDELEISTUNG TYP
1 20  VEHICLE
2 8 PORTABLE
3 5 HANDHELD
4 2 HANDHELD
5 0.8 HANDHELD

Sendeleistungs-Klassen fuer die MS

Die Sendeleistung der MS bestimmt die Kapazitaet eines jeden MS, wie weit es sich von einer Sende-Empfangs-Station (BTS) entfernen kann und dennoch den Service in Anspruch nehmen kann, das heisst Gespraeche durchgefuehrt bzw angenommen werden koennen. Eine Besonderheit der MS ist es, dass sie in der Lage sind, die Sendeleistung dynamisch variieren zu koennen; auf bis zu 18 Levels, sodass in jedem Moment die Uebertragungsleistung optimal genutzt werden kann. Dadurch werden Interferenzen mit co-Kanaelen vermieden und somit auch der Batterie-Verbrauch der Terminals gemindert. 

Diese letzten beiden Vorzuege werden durch den Discontinous Transmit (DTX) ermoeglicht. Dieser unterbindet, dank der Voice Activity Detection (VAD), die Uebertragung, im Fall, dass der Teilnehmer nicht spricht. Die VAD ist in der Lage zu unterscheiden zwischen den Momenten in denen gesprochen wird und denen in denen die Leitung ìstummî bleibt. Die Erhoehung oder Absenkung der Sendeleistung des Signals, wird vom MS an das BBS uebermittlet, welches kontinuierlich die Qualitaet der Uebertragung des Gespraechs ueberwacht.

SIM

Die SIM-Karte enthaelt die International Mobile Subscriber Identity (IMSI). Diese wird genutzt, den Abonnenten in jedem GSM-System zu identifizieren. Deweiteren ist sie fuer die Verschluesselung der uebertragenen Daten zustaendig, die eine Abhoersicherheit der Informationen des Nutzers ermoeglichen. So etwa Daten wie den alphanumerischen Speicher des Telefons und den Speicher der Textmitteilungen (SMS). Und schliesslich auch das Password um einen unautorisierten Zugang zur Karte selbst zu verhindern.

The IMSI has the following: 
MCC / MNC / MSIN

where
MCC = Mobile Country Code (zwei oder drei Ziffern, fuer Italien39, fuer Deutschland 49)
MNC = Mobile Network Code (zwei Ziffern)
MSIN = Mobile Station Identification Number (maximal 13 Ziffern)

Base Station Subsystem

Das Base Station Sub-System kontrolliert das Funk-Interface. Dieses ist aus einer odere mehreren Base Transceiver Stations (BTS) und einem Base Station Controller (BSC) zusammengesetzt. Diese Einheiten stehen miteinander ueber standardisierte Interfaces vom Typ A+ in Verbindung, um Operationen zwischen auch zwischen Komponenten verschiedener Hersteller zu gestatten. Darueber hinaus ist der BSC mit dem mobile Switching Center (MSC) ueber ein Interface vom Typ A, verbunden.

Base Transceiver Station

Die Base Transceiver Station beinhaltet saemtliche Empfangs- und Sendeeinheiten, die fuer eine Funkzelle noetig sind, und die dazu dienen, dass Informationen ueber einen Funkkanal gesendet und emfangen werden koennen.Diese bilden ein physisches Interface zwischen Mobile Station und dem BSC. die BTS fuehrt die im folgenden beschriebenen Funktionen durch:

Kapazitaet Full Rate und Half Rate Kanaele zu verwalten

Die Verwaltung der Diversity Antenne, bzw. den Gebrauch zweier Antennen zum Empfang, um die Signalqualitaet des empfangenen Signals zu erhoehen; die beiden Antennen erhalten unabhaengig voneinander das gleiche Signal und werden auf unterschiedliche Weise vom Fading beeinflusst: die Wahrscheinlichkeit, dass beide Antennen gleichzeitig durch ein starkes Fading beeinflusst werden ist sehr gering.

Ueberwachung der Stationary Wave Relation (SWR) in der Antenne.

Frequency Hopping (FH): Wechsel der in einem Funkkanal genutzten Frequenz in regionalen Intervallen; mit dem Ziel, die Qualitaet des Service durch die Nutzung der verschiedenen Frequenzen zu erhoehen.

Discontinuos Transmission (DTC) sowohl beim Up-Link als auch beim Down-Link.

Die Dynamic Power Control (DPC) der MS und der BTS: der BSC bestimmt die optimale Staerke mit der das MS und die BTS auf dem Funkkanal uebertragen sollen (indem er die von der MS und dem BSC durchgefuehrten Messungen nutzt), um die spektrale Effizienz zu verbessern.

Die Verwaltung der Algorithmen zur Verschluesselung: die Information des Nutzers wird verschluesselt, um dem Abonnenten eine gewisse Sicherheit zu garantieren. Sowohl auf dem Verkehrskanal fuer Gespraeche als auch auf dem Datenkanal. Der Vorgang der Verschluesselung der Daten muss von der BTS anhand der im Funkkanal uebertragenen Daten vorgenommen werden. Der zur Verschluesselung notwendige Algorithmus wird vom BSC an die BTS, auf Basis der vom MSC erhaltenen Hinweise, uebertragen. Der Code zur Verschluesselung ist fuer jeden Nutzer verschieden. Derzeit unterstuezt der GSM-Standard der zweiten Phase, acht Algorithmen zur Veschluesselung.

Ueberwachung der Funkverbindung anhand der Sendesignale, welche im Verlauf an den BSC, zur Verarbeitung uebermittlet werden. Mit dem Ziel einen hohen Qualitaetsstandard der Verbindung zu gewaehrleisten.
 

Base Station Controller

Der Base Station Controller verwaltet die Senderessourcen fuer eine oder mehrere BTS. Er kontrolliert die Verbindung zwischen den BTS und den MSC (fuer den Austausch zustaendige Zentren, welche die Verbindung zum Festnetz oder anderen Mobilfunknetzen herstellen). Desweiteren verwaltet der BSC die Funkkanaele, die Signale, das Frequency Hopping und die Handovers. Im besonderen ermoeglicht er:

die Verwaltung und Konfiguration des Sendekanals: fuer jeden Anruf muss er die entprechende Sendezelle auswaehlen, und innerhalb dieser den Sendekanal der am besten fuer den Verbindungsaufbau geeignet ist.

die Verwaltung der Handovers: auf der Basis der vom BTS erhaltenen Informationen entscheidet der BSC wann er ein Handover durchzufuehren hat; also einen Wechsel von einer Sendezelle zur naechsten, im Fall dass sich der Mobilfunkteilnehmer, in dem vom BSC abgedeckten Gebiet in Bewegung befindet.

Transkodifizierungs-Funktionen der Full Rate (16 kbps) oder der Half Rate (8 kbps) Funkkanaele in 64 kpbs-Kanaele.

Network Sub-System

Das Network Sub-System fuehrt die Funktionen durch, welche noetig sind, um eine Verbindung mit Abonnenten des Festnetzes oder anderer Mobilfunknetze herzustellen. Dies geschieht ueber das MSC und die Database-Funktionen, welche ueber vier intelligente Knoten verteilt sind (HLR, VLR, AUC, EIR) um die Terminals und die Nutzer zu identifizieren, ihre Position zu aktualisieren, Anrufe an einen Roaming-Teilnehmer umzuleiten oder zu autentifizieren.

Mobile Switching Centre

Das Mobile Switching Center (MSC) ist das zentrale Element des NSS. Es ist, auf der Basis der von den HLR- und VLR-Knoten erhaltenen Daten, damit beschaeftigt, die Umleitungen der Verbindungen (Routing) und die Verwaltung der Signale, durchzufuehren. 

Dies fuer alle ankommenden und abgehenden Anrufe aus verschidenenen Netz-Typen; so wie etwa des PSTN, des IDSN, des PLMN und des PDN. Unter anderem fungiert es auch als Gateway, zusammen mit den anderen Komponenten des Systems und verwaltet die Prozesse des Handover, indem es die Anrufe an verschiedene BSC sendet oder ein MSC

Innerhalb eines durch einen Service abgedeckten Gebietes koennen selbstverstaendlich mehrere MSC vorhanden sein. Ein jedes ist fuer die Verwaltung des Gespaechverkehrs eines oder mehrerer BSC zustaendig, ab dem Moment, ab dem sich die Nutzer des Service in dem Gebiet bewegen. Um nun jedem Nutzer einen konstanten Service zu gewaehrleisten, muessen die MSC in der Lage sein, ueber die Quantitaet hinaus auch in Bezug auf die Typologie, eine variable Anzahl von Nutzern verwalten zu koennen. Weitere fondamentale Funktionen des MSC sind im folgenden aufgefuehrt:

Authentifizierung der Anrufe: die Identifizierung der Mobilstation welche den Anruf ausgefuehrt hat ist notwendig, um festzustellen ob der Nutzer berechtigt ist den von ihm gewuenschten Service in Anspruch zu nehmen.

Geheimhaltung betreff der Identitaet des Nutzers: um die Geheimhaltung der Identitaet des Nutzers eines Funkkanals zu gewaehrleisten, auch wenn bereits alle gesendeten Informationen verschluesselt wurden, uebermittelt das System niemals die zugeteilte IMSI im Moment in dem der Nutzer das Abonnement unterzeichnet; es wird hingegen die Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI) zugeteilt. Diese wird dem Gespraech selbst zugeteilt und hat einen zeitlich begrenzten Charakter: eine Verbindung zwischen der TMSI und der IMSI herzustellen, ist Aufgabe des MSC. Und im Fall, dass sich das Mobiltelefon aus der von einem bestimmten MSC kontrollierten Location Area herausbewegen sollte, muss ihm eine neue TMSI zugeteilt werden.

Handover-Prozess: im GSM-Netz ist eine Nutzer in der Lage den Service weiterhin zu nutzen, auch im Fall, dass er sich ueber die Grenze des durch eine Sendezelle abgedeckten Gebiets, in dem er sich befindet, hinausbewegt. Es koennen zwei Faelle auftreten:

1. Die Mobilstation bewegt sich in den Bereich einer Sendezelle die vom gleichen MSC kontrolliert wird; in diesem Fall wird der Handover-Prozess von dieser MSC durchgefuehrt.

2. Die neue Sendezelle in dessen Bereich sich die Mobilstation bewegt, wird durch ein anderes MSC kontrolliert; in diesem Fall wird das Handover von beiden MSC, auf Basis der von der BTS ermittelten Signale die sie von der Mobilstation erhaelt, ausgefuehrt.

Home Location Register

Wenn ein Nutzer einen neuen Vertrag mit dem GSM-Netz abschliesst werden alle fuer die zu seiner Identifizierung noetigen Daten im HLR abgespeichert. Dieses hat die Aufgabe in dem Moment in dem sich der Nutzer von eienr Location Area in eine andere bewegt, dem VLR einige den Abonnenten betreffende Daten zu uebermitteln. Im Inneren der HLR sind die Abonnenten wie folgt identifiziert:

MSISDN = CC / NDC / SN

where
CC = Country Code, international prefix (internationale Vorwahl (der deutsche CC ist 49)
NDC = National Destination Code, nationale Vorwahl des Abonnenten ohne die Null
SN = Subscriber Number, Nummer die den Nutzer des Mobilfunknetzes identifiziert.

Das Home Location Register (HLR) ist eine Database (Archiv) die sowohl fuer das ganze System zustaendig sein kann, als auch im System aufgeteilt werden kann; es ist also moeglich MSC vorzufinden die keine Verbindung zur HLR besitzen, aber dafuer mit denen andere MSC verbunden sind. Im Falle dass es mehrere HLR im Netz gibt, wird jedem einzelnen ein Gebiet zur Numerierung zugeteilt; das heisst ein Set von Mobile Stataion ISDN Numbers (MSISDN). Die MSISDN identifizieren eindeutig den Abonnenten eines Mobiltelefons im internationalen oeffentlichen Telefonnetz anhand seiner Nummer. Das HLR, und wie wie wir im folgenden sehen werden alle anderen Databases auch, wird auf Workstations aktiviert deren Leistungen (Speicher, Prozessoren, Plattenkapazitaet) der Anzahl der Abonnenten angepasst werden koennen. Diese enthalten alle bezueglich den Abonnenten wichtigen Daten, und im speziellen die Informationen, in denen folgendes enthalten ist:

Permanente Informationen:

Die International Mobile Subscriber Identity (IMSI). Hier handelt es sich um die Information die den Abonnenten im Inneren eines jeden GSM-Netzes, eindeutig identifiziert und der auch in der SIM-Karte selbst enthalten ist.

Die Mobile Station ISDN Number (MSISDN).

Die verschiedenen vom Abonnenten angeforderten Services auf die er somit Zugriff hat (Sprache, Datenservice, SMS, eventuell Sperre fuer abgehende internationale Gespraeche und andere Dienstleistungen).

Dynamische Informationen:

Position der sich in Bewegung befindlichen Mobilstation; das heisst die Adresse des VLR in welchem sie registriert ist.
       
Der Zustand der eventuell in Anspruch genommenen DienstleistungenZusammenfassend sind die im HLR enthaltenen Funktionen folgende:
       
Security: dialogue with the AUC and the VLR.Position recording: dialogue with VLR.Cost of the call: dialogue with VLR.Management of subscriber information: dialogue with OMC and VLR.

Administration of statistical data: the data gathered is sent to the OMC.

·Visitor Location Register

Das Visitor Location Register (VLR) ist eine Database, die in Echtzeit die Daten aller Abonnenten abspeichert, welche sich in der Location Area unter seiner Kontrolle befinden. Diese Daten werden von der Herkunfts-HLR des Abonnenten, angefordert. Normalerweise, um die angeforderten Signale und die Struktur des Systems zu vereinfachen, versuchen die Konstrukteure das VLR und das MSC zusammen zu konstruieren. Sodass das vom MSC kontrollierte Gebiet, demjenigen vom VLR kontrollierten entspricht. 

Die in der VLR enthaltenen Informationen sind die folgenden:

Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI). Diese wird dazu verwendet, die Sicherheit der IMSI sicherzustellen. Sie wird jedesmal neu zugeteilt, wenn der Nutzer die Location Area aendert.

Zustand der MS (Stanby, besetzt, ausser Betrieb).

Der Zustand der zusaetzlich angeforderten Diensleistungen wie Call Waiting, Call Divert, Call Barring usw...

Die Art der Services zu denen der Teilnehmer aufgrund des Vertragsabschlusses Zugang hat (Sprache, Datenservice, SMS, weitere Dienstleistungen).

Die Location Area Identity (LAI) in welcher sich die MS unter der Kontrolle der MSC/VLR befindet.

Authentication Centre

Das Autentication Center ist eine Funktion des Systems, dass sich damit befasst, den Service der von einem berechtigen Nutzer angefordert wurde, zu verifizieren. Es uebermittelt sowohl die Codes zur Authentifizierung als auch fuer die Verschluesselung. Um sowohl dem Nutzer als auch dem Anbieter des Netzes zu gewaehrleisten, dass keine unerwuenschten Uebergriffe auf das Netz von Seiten Dritter moeglich sind. Der Mechanismus der Authentifizierung, verifiziert die Legitimitaet der SIM-Karte ohne dass dabei auf dem Funkkanal persoenliche Daten des Abonnenten uebertragen werden muessen; mit dem Ziel, dass es der Abonnent der einen Zugang zum Netz angefordert hat, ist, der diesen auch erhaelt, und nicht etwa ein unberechtigter Dritter. 

Die Verschluesselung hingegen erzeugt einige Geheimcodes, die fuer die Verschluesselung der gesamten Dauer der ausgetauschten Kommunikation ueber den Funkkanal aufrechterhalten werden. Die Codes zur Authentifizierung und Verschluesselung werden fuer jeden einzelnen Abonnenten durch Zufallsmechanismen, durch verschiedene Algorithmen-Sets erzeugt, die durch den jeweiligen Standard des Netzes definiert werden; und werden sowohl vom AUC als auch von der SIM-Karte abgespeichert. 

Die Authentifizierung wird jedes Mal wenn sich die MS mit dem Netz verbindet durchgefuehrt und im besonderen in den folgenden Faellen: o Jedes Mal wenn die MS einen Anruf erhaelt oder einen Anruf ausfuehrt. o Jedes Mal wenn eine Aktualisierung der Position der MS durchgefuehrt wird (location updating). o Jedes Mal wenn eine Aktivierung, eine Abschaltung oder eine Unterbrechung der zusaetzlichen Services, von Seiten des Nutzers angefordert wird. Das AUC kann zusaetzlich zu einer HLR in eine Workstation integriert werden.

Dieses ist das einzige Element mit dem das AUC ueber ein Interface verbunden ist und kommuniziert. Zudem kann das AUC, aus Sicherheitsgruenden, nicht ueber eine Remote Control gesteuert werden.

Equipment Identity Register

Das Equipment Identity Register ist eine Database, die verifiziert, ob ein Mobile Equipment (ME) autorisiert ist, sich in ein System einzuloggen. Die Database ist in drei Sektionen unterteilt:

White List: diese enthaelt all diejenigen IMEI die den Operatoren der verschieden Nationen zugeteilt sind, mit denen Roaming Abkommen bestehen.

Black List: diese enthaelt all diejenigen IMEI die als blockiert gemeldet sind (etwa gestohlene).

Grey List: diese enthaelt all diejenigen IMEI die als ìfaultyî markiert sind, oder an nicht-zugelassene Apparaturen bereits vergeben wurden. Die in die Gey List eingegebenen Terminals, werden den System-Operators mittels eines Alarms angezeigt sobald diese versuchen sich ins Netz einzuloggen. Somit wird es ermoeglicht sowohl den Abonnenten der das Terminal gebraucht, als auch das Gebiet in dem er sich befindet zu erkennen.

Bei jedem Versuch der MS sich in ein Netz einzuloggen, verifiziert das MSC ueber das EIR die Moeglichkeit eines der folgenden Faelle, um den Zugang zuzulassen, oder ihn zu unterbinden:

das Terminal ist ein fuer die Verbindung mit einem GSM-Netz zugelassenes

das Terminal wurde nicht geraubt oder unerlaubt in Gebrauch genommen

das Terminal wurde nicht als ìfaultyî gekennzeichnet

Das EIR kann sowohl fuer das gesamte System zustaendig sein, als auch im System aufgeteilt werden. Es kann sich in der gleichen Workstation befinden wie das HLR und das AUC. In der Regel jedoch bevorzugt man aus Sicherheitsgruenden eine von diesen Einheiten baulich getrennte EIR. Zu dieser ist auch ein Zugang im Remote Modus moeglich, um die Aktualisierung der einzelnen Listen durchzufuehren, die in jedem Punkt des Netzes vorhanden sind. In Zukunft ist eine Verbindung aller EIR der verschiedenen GSM-Operatoren untereinander vorgesehen. Somit ist man in der Lage den Gebrauch von geraubten Geraeten, auch in anderen Laendern als dem der Herkunft des Mobiltelefons, zu unterbinden.

Network Management Centre

Operation and Maintenance Centre

Das Operation and Maintanance Center hat die folgenden Funktionen:

Remote Access zu allen Einheiten aus denen das GSM-Netz zusammengesetzt ist (BSS, MSC, VLR, HLR, EIR und AUC).

Verwaltung der Alarmmitteilungen und des Zustands des Systems, mit der Moeglichkeit verschiedene Arten von Tests durchzufuehren, um die Leistung zu analysieren und die Funktionstuechtigkeit dieser festzustellen.

Sammeln aller Daten bezueglich des Gebrauchs der Abonnenten, die noeitg sind um die Gebuehren zu berechnen.

Ueberwachung des Daten- und Gespraechs-Flusses ueber die Zentralen, und die Einfuehrung moeglicher Veraenderungen in diesem Fluss.

Visualisierung der Network-Konfiguration, mit der Moeglichkeit der Veraenderung dieser durch Remote.

Verwaltung der Abonnenten und die Moeglichkeit diese in dem vom Service abgedeckten Gebiet zu lokalisieren.

In einigen Systemen groesseren Ausmasses, koennen mehrere OMC vorhanden sein. In diesem Fall gibt es ein Zentral-OMC (OMC-N), von dem aus es moeglich ist alles zu kontrollieren, und andere begrenzte OMC (OMC-R) zur Kontrolle einiger bestimmter Zonen.
 

 
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