Die GSM-Fibel enthält:
GSM-Einführung Netzarchitektur Netzschnittstellen RF-Schnittstelle / Slot & Burst GSM-Frames Leistungsklassen & Steuerung Kanäle Audiocodecs / Vocoder Handover

Die GSM-Netzarchitektur bot eine einfache und dennoch effektive Architektur, um die für ein 2G-Zellular- oder Mobilkommunikationssystem erforderlichen Dienste bereitzustellen.

Die Gesamtarchitektur des GSM-Netzes bestand aus vier Hauptelementen, die oft weiter unterteilt werden konnten. Elemente wie der Basisstationscontroller, MSC, AuC, HLR, VLR usw. bilden zusammen das Gesamtsystem.

Die 2G-GSM-Netzarchitektur, obwohl inzwischen überholt, bietet eine ausgezeichnete Einführung in einige der grundlegenden Fähigkeiten, die für die Einrichtung eines Mobilfunknetzes erforderlich sind, und wie alle Einheiten zusammenarbeiten.

Elemente der GSM-Netzarchitektur

Damit das GSM-System als Gesamtsystem funktioniert, vereint die Gesamtnetzarchitektur eine Reihe von Datennetzidentitäten, die jeweils mehrere Elemente umfassen.

Die GSM-Netzarchitektur ist in den GSM-Spezifikationen definiert und kann in vier Hauptbereiche unterteilt werden:

• Netz- und Vermittlungssubsystem (NSS)
• Basisstationssubsystem (BSS)
• Mobilstation (MS)
• Betriebs- und Unterstützungssubsystem (OSS)

Die verschiedenen Elemente des GSM-Netzes arbeiten zusammen und der Benutzer ist sich der verschiedenen Einheiten innerhalb des Systems nicht bewusst.

Da das GSM-Netz durch die Spezifikationen und Normen definiert ist, ermöglicht es dem System, unabhängig vom Lieferanten der verschiedenen Elemente zuverlässig zusammenzuarbeiten.

Ein grundlegendes Diagramm der Gesamtsystemarchitektur für das 2G-GSM-Mobilfunksystem umfasst vier Hauptelemente, die im Folgenden dargestellt sind:

In diesem Diagramm sind die verschiedenen Netzbereiche zu sehen – sie sind in die vier Bereiche gruppiert, die unterschiedliche Funktionen bieten, aber alle funktionieren, um eine zuverlässige Mobilkommunikation zu ermöglichen.

Die gesamte Netzarchitektur erwies sich als sehr erfolgreich und wurde weiterentwickelt, um die 2G-Entwicklung für die Datenübertragung zu ermöglichen und dann mit weiteren Entwicklungen die Einführung von 3G zu ermöglichen.

Network Switching Subsystem (NSS)

Die GSM-Systemarchitektur enthält eine Vielzahl von verschiedenen Elementen und wird oft als Kernnetz bezeichnet. Es handelt sich im Wesentlichen um ein Datennetz mit verschiedenen Einheiten, die die Hauptsteuerung und Schnittstellen für das gesamte Mobilfunknetz bereitstellen. Zu den wichtigsten Elementen des Kernnetzes gehören:

• Mobile Services Switching Centre (MSC): Das Hauptelement im Kernnetzbereich der gesamten GSM-Netzarchitektur ist das Mobile Switching Services Centre (MSC). Die MSC verhält sich wie ein normaler Vermittlungsknoten innerhalb eines PSTN oder ISDN, bietet aber zusätzliche Funktionen, um die Anforderungen eines mobilen Benutzers zu unterstützen. Dazu gehören Registrierung, Authentifizierung, Anrufortung, Übergabe zwischen MSCs und Anrufweiterleitung an einen mobilen Teilnehmer. Außerdem bietet es eine Schnittstelle zum öffentlichen Telefonnetz, so dass Mobilfunkanrufe vom Mobilfunknetz zu einem Festnetztelefon weitergeleitet werden können. Schnittstellen zu anderen MSCs sind vorhanden, um Anrufe zu Mobiltelefonen in anderen Netzen zu ermöglichen.
• Home Location Register (HLR): Diese Datenbank enthält alle administrativen Informationen über jeden Teilnehmer zusammen mit seinem letzten bekannten Standort. Auf diese Weise ist das GSM-Netz in der Lage, Anrufe an die entsprechende Basisstation für den MS weiterzuleiten. Wenn ein Benutzer sein Telefon einschaltet, registriert sich das Telefon im Netz und kann so feststellen, mit welcher BTS es kommuniziert, so dass eingehende Anrufe entsprechend weitergeleitet werden können. Auch wenn das Telefon nicht aktiv (aber eingeschaltet) ist, registriert es sich regelmäßig neu, um sicherzustellen, dass das Netz (HLR) über seine aktuelle Position informiert ist. Es gibt ein HLR pro Netz, obwohl es aus betrieblichen Gründen auf verschiedene Unterzentralen verteilt sein kann.
• Visitor Location Register (VLR): Dieses enthält ausgewählte Informationen aus dem HLR, die es ermöglichen, die ausgewählten Dienste für den einzelnen Teilnehmer bereitzustellen. Das VLR kann als separate Einheit implementiert werden, wird aber üblicherweise als integraler Bestandteil des MSC und nicht als separate Einheit realisiert. Auf diese Weise wird der Zugang schneller und bequemer.
• Geräteidentitätsregister (EIR): Das EIR ist die Instanz, die entscheidet, ob ein bestimmtes mobiles Gerät zum Netz zugelassen werden kann. Jedes mobile Gerät hat eine Nummer, die als International Mobile Equipment Identity bekannt ist. Diese Nummer ist, wie bereits erwähnt, in das Gerät eingebaut und wird vom Netz bei der Registrierung überprüft. Je nach den in der EIR gespeicherten Informationen kann dem Mobiltelefon einer von drei Zuständen zugewiesen werden: der Zugang zum Netz ist erlaubt, er ist gesperrt oder er wird überwacht, falls es Probleme gibt.
• Authentifizierungszentrum (AuC): Das AuC ist eine geschützte Datenbank, die den geheimen Schlüssel enthält, der auch auf der SIM-Karte des Benutzers enthalten ist. Es wird zur Authentifizierung und zur Verschlüsselung auf dem Funkkanal verwendet.
• Gateway Mobile Switching Centre (GMSC): Das GMSC ist der Punkt, an den ein ME-terminierender Anruf zunächst weitergeleitet wird, ohne dass der Standort der MS bekannt ist. Das GMSC ist somit für die Beschaffung der MSRN (Mobile Station Roaming Number) vom HLR auf der Grundlage der MSISDN (Mobile Station ISDN number, die „Verzeichnisnummer“ einer MS) und die Weiterleitung des Anrufs an die richtige besuchte MSC zuständig. Der „MSC“-Teil des Begriffs GMSC ist irreführend, da der Gateway-Betrieb keine Verknüpfung mit einer MSC erfordert.
• SMS-Gateway (SMS-G): SMS-G oder SMS-Gateway ist der Begriff, der verwendet wird, um die beiden in den GSM-Standards definierten Short Message Services Gateways zusammenzufassen. Die beiden Gateways bearbeiten Nachrichten, die in unterschiedliche Richtungen gerichtet sind. Das SMS-GMSC (Short Message Service Gateway Mobile Switching Centre) ist für Kurznachrichten zuständig, die an ein ME gesendet werden. Das SMS-IWMSC (Short Message Service Inter-Working Mobile Switching Centre) wird für Kurznachrichten verwendet, die von einem Mobiltelefon in diesem Netz stammen. Die Rolle des SMS-GMSC ist ähnlich wie die des GMSC, während das SMS-IWMSC einen festen Zugangspunkt zum Short Message Service Centre darstellt.

Diese Einrichtungen waren die wichtigsten im GSM-Netz. Sie waren in der Regel gemeinsam untergebracht, aber oft war das gesamte Kernnetz über das Land verteilt, in dem sich das Netz befand.

Obwohl das GSM-System im Wesentlichen ein Sprachsystem war, war das Kernnetz ein Datennetz, da alle Signale digital verarbeitet wurden.

Base Station Subsystem (BSS)

Das Base Station Subsystem (BSS) ist der Teil der 2G-GSM-Netzarchitektur, der im Wesentlichen mit der Kommunikation mit den Handys im Netz verbunden ist.

Es besteht aus zwei Elementen:

• Base Transceiver Station (BTS): Die BTS, die in einem GSM-Netz verwendet wird, besteht aus den Funksendeempfängern und den dazugehörigen Antennen, die senden und empfangen, um direkt mit den Mobiltelefonen zu kommunizieren. Die BTS ist das bestimmende Element für jede Zelle. Die BTS kommuniziert mit den Mobiltelefonen, und die Schnittstelle zwischen den beiden wird als Um-Schnittstelle mit den zugehörigen Protokollen bezeichnet.
• Base Station Controller (BSC): Der BSC bildet die nächste Stufe im GSM-Netz. Er steuert eine Gruppe von BTSs und ist oft mit einer der BTSs in seiner Gruppe zusammen untergebracht. Er verwaltet die Funkressourcen und steuert z. B. das Handover innerhalb der BTS-Gruppe, weist Kanäle zu und ähnliches. Sie kommuniziert mit den BTSs über die so genannte Abis-Schnittstelle.

Das Teilsystem Basisstation des GSM-Netzes nutzte die Funkzugangstechnologie, um einer Reihe von Benutzern den gleichzeitigen Zugang zum System zu ermöglichen. Jeder Kanal unterstützte bis zu acht Benutzer, und da eine Basisstation über mehrere Kanäle verfügte, konnte sie eine große Anzahl von Teilnehmern aufnehmen.

Die Basisstationen werden vom Netzbetreiber sorgfältig platziert, um eine vollständige Abdeckung eines Gebiets zu ermöglichen. Das Gebiet, das von einer Basisstation abgedeckt wird, wird oft als Zelle bezeichnet.

Da es nicht möglich ist, eine Überlappung der Signale in die benachbarten Zellen zu verhindern, werden Kanäle, die in einer Zelle verwendet werden, in der nächsten nicht genutzt. Auf diese Weise werden Interferenzen, die die Gesprächsqualität beeinträchtigen würden, reduziert und gleichzeitig eine ausreichende Wiederverwendung der Frequenzen gewährleistet.

Es ist wichtig, dass die verschiedenen BTS mit dem BSS und die BSS mit dem Kernnetz verbunden sind.

Um dies zu erreichen, wurden verschiedene Technologien eingesetzt. Da die im GSM-Netz verwendeten Datenraten relativ niedrig waren, wurden häufig E1- oder T1-Leitungen verwendet, insbesondere für die Verbindung der BSS mit dem Kernnetz.

Da mit zunehmender Nutzung des GSM-Netzes immer mehr Daten benötigt wurden und auch andere Mobilfunktechnologien wie 3G sich immer weiter verbreiteten, wurden für viele Verbindungen Carrier-Grade-Ethernet verwendet.

Oft wurden entfernte BTS über kleine Mikrowellenverbindungen verbunden, da dies die Notwendigkeit der Installation spezieller Leitungen verringern konnte, wenn keine vorhanden waren. Da die Basisstationen oft so platziert werden mussten, dass sie eine gute Netzabdeckung boten, und nicht in Gebieten, in denen Leitungen installiert werden konnten, stellte die Option der Mikrowellenverbindung eine attraktive Methode zur Bereitstellung einer Datenverbindung für das Netz dar.

Mobilstation

Mobilstationen (MS), mobile Geräte (ME) oder, wie sie am häufigsten genannt werden, Zellen oder Mobiltelefone sind der Teil eines GSM-Mobilfunknetzes, den der Benutzer sieht und bedient. In den letzten Jahren hat sich ihre Größe drastisch verringert, während der Funktionsumfang stark zugenommen hat. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Zeit zwischen den Ladevorgängen erheblich verlängert hat.

Es gibt eine Reihe von Elementen des Mobiltelefons, obwohl die beiden Hauptelemente die Haupthardware und die SIM-Karte sind.

Die Hardware selbst enthält die Hauptelemente des Mobiltelefons, einschließlich des Displays, des Gehäuses, der Batterie und der Elektronik, die verwendet wird, um das Signal zu erzeugen und die empfangenen und zu übertragenden Daten zu verarbeiten.

Die Mobilstation oder ME enthält auch eine Nummer, die als International Mobile Equipment Identity (IMEI) bekannt ist. Diese wird bei der Herstellung im Telefon installiert und kann nicht geändert werden. Das Netz greift bei der Registrierung darauf zu, um zu prüfen, ob das Gerät als gestohlen gemeldet wurde.

Das SIM oder Subscriber Identity Module enthält die Informationen, die dem Netz die Identität des Benutzers mitteilen. Es enthält eine Reihe von Informationen, darunter eine Nummer, die als International Mobile Subscriber Identity (IMSI) bekannt ist. Da diese Informationen in der SIM-Karte enthalten sind, kann der Nutzer durch den Wechsel der SIM-Karte von einem Mobiltelefon zum anderen problemlos das Mobiltelefon wechseln. Der einfache Wechsel des Mobiltelefons unter Beibehaltung der gleichen Nummer führte dazu, dass die Nutzer regelmäßig ein Upgrade vornahmen, was den Netzbetreibern eine weitere Einnahmequelle verschaffte und dazu beitrug, den finanziellen Gesamterfolg von GSM zu steigern.

Operation and Support Subsystem (OSS)

Das OSS oder Betriebsunterstützungs-Subsystem ist ein Element innerhalb der Gesamtarchitektur des GSM-Mobilfunknetzes, das mit Komponenten des NSS und der BSC verbunden ist. Es dient der Steuerung und Überwachung des gesamten GSM-Netzes und wird auch zur Steuerung der Verkehrslast des BSS eingesetzt. Es ist anzumerken, dass mit zunehmender Teilnehmerzahl die Anzahl der BS steigt und einige Wartungsaufgaben auf die BTS verlagert werden, was zu Einsparungen bei den Betriebskosten des Systems führt.

Die Architektur des 2G-GSM-Netzes folgt einer logischen Betriebsmethode. Sie ist viel einfacher als die derzeitigen Mobilfunknetzarchitekturen, die softwaredefinierte Einheiten verwenden, um einen sehr flexiblen Betrieb zu ermöglichen. Die 2G-GSM-Architektur zeigt jedoch, welche sprachlichen und betrieblichen Grundfunktionen benötigt werden und wie sie zusammenpassen. Da das GSM-System vollständig digital war, handelte es sich um ein Datennetz.

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