Diese Präsentation zeigt die verwendete Infrastruktur und angebotenen Dienstleistungen des Mobilfunkstandards GSM. Eine Studienarbeit an der Fachhochschule HTW Saarbrücken im Studiengang Kommunikationsinformatik. 2014

1. Folie 1 / 64
Global System
for Mobile Communications
Menu-Auswahl
Ulf Marxen & Julian Wiegel
Masterstudiengang Kommunikationsinformatik
Hochschule für Technik und Wirtschaft
Telefonbuch

2. Folie 2 / 64
Gesamt-Übersicht
Inhaltsverzeichnis
 Einleitung
 Konzept der Dienste
 Systemarchitektur
 Protokolle
 Prozeduren
 Datenanbindungen
 Zusammenfassung

3. Folie 3 / 64
Einleitung
Inhaltsverzeichnis
 Geschichte der mobilen Kommunikation
 Einführung von GSM
 Einteilung der Entwicklungsphasen von GSM

4. Folie 4 / 64
Geschichte
der mobilen Kommunikation
Einleitung
 A-Netz (1958-1977)
• Handvermittelt
• Kein Roaming / kein handover
• Standort muss bekannt sein
 B-Netz (1972-1994)
• Begrenztes Roaming (D,AT,NL,Lux)
• Standort muss bekannt sein
• Kein Handover
• Selbstwählverbindung PSTN <-> Mobil
 C-Netz (1984-2000)
• Handover
• Einheitliche Nummer
• Erste Form von SIM

5. Folie 5 / 64
Einführung von GSM
Einleitung
 Erster digitaler Mobilfunkstandart
 Bekannt als „D-Netz“ oder 2G
 1982 Groupe Spécial Mobile (GSM)
 1988 ETSI (European Telecommunication
Standardisation Institute)
 Jetzt 3GPP (3rd Generation Project
Partnership)

6. Folie 6 / 64
Ziele des GSM Standards
Einleitung
 Europaweit einheitlicher Standard
 Mit ISDN und Analog PSTN kompatibel
 Vorhandene Standards (SS7) nutzen
 Frequenzen effektiv belegen
 Kompatibel mit anderen
Datenübertragungsverfahren
 Gute Sprachqualität
 Hoher Sicherheitsstandart

7. Folie 7 / 64
Verwendete Frequenzbänder
Einleitung
GSM 1800
GSM 900

8. Folie 8 / 64
Konzept der Dienste
Inhaltsverzeichnis
 Allgemeine Einteilung der Dienste
 Spezifikation der Dienste

9. Folie 9 / 64
Allgemeine Leistungen
Konzept der Dienste
 Trägerdienste
(Bearer Services)
 Tele(matik)dienste
(Tele Services)
 Zusatzdienste
(Supplementary Services)

10. Folie 10 / 64
Bearer Services
 Dient dem Transport von Nutzdaten
auf den OSI-Schichten 1-3
 Syn-/Asynchrone paket-/leitungsvermittelte
Datenübertragung bis max. 9600bit/s
 Transparente und nicht transparent Modi
Konzept der Dienste

11. Folie 11 / 64
Tele Services
Konzept der Dienste
 Dient der Ende zu Ende Kommunikation unter
Verwendung aller 7 OSI Schichten
 Hauptdienst ist die Sprachtelefonie
 Weitere Dienste sind
• Short Message Service
• Notfallnummer
• Fax Übertragung

12. Folie 12 / 64
Supplementary Services
Konzept der Dienste
 Erweiterung der Dienstnutzung
• Übermittlung der Teilnehmerkennung
• Rufumleitung
• Rufweiterleitung
 Accounting der Teilnehmer für die Nutzung der
Dienste

13. Folie 13 / 64
Systemarchitektur
Inhaltsverzeichnis
 Allgemeine Infrastruktur
 Erläuterung der Arbeitsbereiche
 Erläuterung der einzelnen Komponenten

14. Folie 14 / 64
Allgemeine
Infrastruktur
Systemarchitektur
HLR VLR
EIR AUC
OMC
BTS
BTS
MSC
BTS
BTS
PSTNGMSC
PDNIWF
MS
MS BSC
BSC
OSS
NSSBSS
SMSC
Nächstes TeilsystemNächstes TeilsystemNächstes Kapitel
PLMN
Public Land
Mobile Network

15. Folie 15 / 64
BSS
Base Station Subsystem
Systemarchitektur
 Zuständig für permanente Funkverbindung zum
MS
 Sprach-(de/)Kodierung
 Anpassung der Datenraten 64 –> 16 ->
13/12,2/5,6 kBit/s durch Transcoding and Rate
Adaption Unit (TRAU)
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16. Folie 16 / 64
MS
Mobile Station
Base Station Subsystem
 Hard- und Software eines mobilen Endgeräts
• Anzeige, Lautsprecher, Mikrofon, Tasten,…
 Nutzerunabhängig
• Mobiltelefon
• IMEI zur Identifikation
 Nutzerspezifisch
• SIM-Karte: alle Daten für GSM

17. Folie 17 / 64
MS
SIM-Karte
 Komplexer Mikrocontroller
 Nutzerspezifische Funktionen
 Geschützt durch PIN / PUK
 Wichtige Daten auf SIM:
• Personal Identity Number (PIN)
• International Mobile Subscriber Identity (IMSI)
• Geheimer Schlüssel Ki
 Nach erfolgter Einbuchung:
• Schlüssel Kc zur Übertragungschiffrierung
• Aufenthaltsinformationen (TMSI,LAI)
Zurück zur ÜbersichtBase Station Subsystem

18. Folie 18 / 64
BTS
Base Transceiver Station
 Sende-/Empfangseinheit (Antenne & Verstärker)
 Radius bis 35 km
• Abhängig von Nutzerzahl und geografischen
Gegebenheiten
 Deckung normal 1 Funkzelle
• Mit sektorisierten Antennen bis zu 3
• Jede Funkzelle hat eine eindeutige Cell-ID
(CID)
 Kommunikation mit MS über Um-Schnittstelle
 Weiterleiten von Signalisierungs- und
Sprachdaten über Abis-Schnittstelle an BSC
Base Station Subsystem

19. Folie 19 / 64
BTS
Aufgaben
 Modulation und Kodierung der Signale
 Fehlerkorrektur
 Messung der Signalqualität und –stärke des
Uplinks
• Regelung der Sendeleistung
 Ver- und Entschlüsselung
Base Station Subsystem

20. Folie 20 / 64
BTS
Base Transceiver Station
3-Sektorantenne im 120 ° Winkel
Folie 20Base Station Subsystem

21. Folie 21 / 64
BTS
Base Transceiver Station
Base Station Subsystem
http://opencellid.org

22. Folie 22 / 64
Aufenthaltsbereiche
 Mehrere Funkzellen (BTS) bilden
einen Aufenthaltsbereich Location Area (LA)
 Zugeordnet wird jeder LA
eine Location Area Identity (LAI)
bestehend aus:
• Mobile Country Code (MCC)
• Mobile Network Code (MNC)
• Location Area Code (LAC)
 LA dient zur Standortbestimmung
Base Station Subsystem

23. Folie 23 / 64
Aufenthaltsbereiche
Base Station Subsystem
(3)
 Ortung innerhalb von LA = Paging
 Wechsel innerhalb von LA = Handover
 Wechsel in andere LA = Location Area Update
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24. Folie 24 / 64
BSC
Base Station Controller
 Dient dem Radio Ressource Management
 Schnittstelle zwischen GSM-Core Netz und MS
 Formt viele Zellen (BTS) mit einem MSC zu LA
 Verwaltet Funkkanäle (Up/Down Frequenzen)
 Überwacht bestehende Funkverbindungen
 Steuert Verbindungsübergabe
(intra BSC handover)
 Steuert Ausgangsleistung der MS und BTS
 Verwaltet Datenkanäle
 Multiplexing der Funkverbindungen über A-
Schnittstelle
Base Station Subsystem

25. Folie 25 / 64
NSS
Network and Switching
Subsystem
 Intelligentes Teilsystem zur Vermittlung von
Gesprächs- und Datenverbindungen
 Bietet Funktionen
• zur Verwaltung der Teilnehmerdaten
• zur Lokalisierung der Teilnehmer
Zurück zur ÜbersichtSystemarchitektur

26. Folie 26 / 64
MSC
Mobile Services
Switching Center
Network & Switching Subsystem Zurück zur Übersicht
 Knotenpunkt aller BSC‘s
 PLMN besteht aus einem oder mehreren MSC
 Kommuniziert mittels SS7 Protokoll ISUP
 Externe Weiterleitungen über das GMSC
 Regelt Signalisierung des PLMN
• Call Management
 Verbindungsaufbau und Verbindungsabbau
 Weiterleitungen von Verbindungen
• Mobility Management
 Authentifizierung
 Location Update
 Handover

27. Folie 27 / 64
Visited - MSCGateway – MSC
GMSC
Gateway Mobile Services
Switching Center
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PSTNG-MSC V-MSC
 Anschluss an das öffentliche Telefonnetz PSTN
 Dient der Weiterleitung von Telefongesprächen
• zu dem Festnetz über SS7 Netzknoten
• zu anderen Mobilfunknetzen PLMN‘s
(über die Schnittstelle Visited-MSC)
Network & Switching Subsystem

28. Folie 28 / 64
HLR
Home Location Register
 Heimatregisters des PLMN
 Speicherung von Benutzerdaten der Mitglieder
des lokalen GSM-Netzes
• Statische Daten:
 MSISDN (Tel.: 00 49 / 178 – 4153736 )
 IMSI (Interne Teilnehmerkennung)
• Dynamische Daten:
 Adresse des eingebuchten MSC und VLR
 Aktuelle LAI (Location Area Identity)
 Temporäre MSRN (Globale Teilnehmerkennung)
 Einstellungen der Zusatzdienste
Zurück zur ÜbersichtNetwork & Switching Subsystem

29. Folie 29 / 64
VLR
Visitor Location Register
 Besucherregister des PLMN
 Temporäre Speicherung der Benutzerdaten aller
Teilnehmer im lokalen GSM-Netz
 Kopie aller Daten aus dem HLR
(MSISDN, IMSI, LA, MSRN, Zusatzdienste)
 Adresse des Herkunfs- MSC / VLR
 Generierte MS-Adresse TMSI
(Temporary Mobile Subscriber Identity)
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30. Folie 30 / 64
IWF
Inter-Working function
 Dient der leitungsvermittelnden
Datenübertragung
 Schnittstelle zum PLN (Public Data Network)
 Umwandlung interner GSM-Daten zu IP-Daten
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31. Folie 31 / 64
SMSC
Short Message Services
Center
 Dienst des SMS-Nachrichtendienst
 Verteilung der SMS an andere SMSC
 Temporäre Speicherung der SMS bis TE wieder
verfügbar
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32. Folie 32 / 64
OSS
Operation Subsystem
Systemarchitektur
 Betriebs- und Wartungseinheit
 Zuständig für reibungslosen Betrieb
 Kommunikation mit Elementen via SS7-
Schnittstellen
 Elemente von OSS:
• Operation and Maintenence Center (OMC)
• Authentication Center (AuC)
• Equipment Identity Register (EIR)
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33. Folie 33 / 64
OMC
Operation and Maintenance
Center
 Überwachung und Steuerung aller Komponenten
• Sicherheitsmanagement
• Konfigurationsmanagement
• Softwaremanagement
• Teilnehmerverwaltung
• Abrechnung
• Komponentenüberwachung
 Verkehrsüberwachung / Quality of Service
Zurück zur ÜbersichtOperation Subsystem

34. Folie 34 / 64
EIR
Equipment Identity
Register
 Optionale Datenbank für alle IMEI
 Möglichkeit MS zu sperren
 Enthält verschiedene Listen:
• Schwarze Liste: alle gesperrten MS
• Graue Liste: MS in Prüfung
• Weiße Liste: Zugriff auf Netz OK
 Unabhängig von SIM
Zurück zur ÜbersichtOperation Subsystem

35. Folie 35 / 64
AUC
Authentication Center
Operation Subsystem
 Verantwortlich für Authentifizierung
 Erzeugung der gesendeten Zufallszahlen (RAND)
 Berechnung der SRES
 Enthält alle Ki für
Teilnehmerauthentifizierung
 Kc Schlüsselgenerierung für jede IMSI
 Übertragung an HLR
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36. Folie 36 / 64
Protokolle
Inhaltsverzeichnis
 Übersicht der Schnittstellen
 Protokollzuordnung der Schnittstellen
 Erläuterung der Funktionen der Protokolle
 Erläuterung der Verwaltung von Zusatzdiensten
mittels CAMEL Protokolls

37. Folie 37 / 64
Schnittstellen
Protokolle
BTS
BTS
MSC
BTS
BTS
GMSC
MS
MS BSC
BSC
Um Abis A E

38. Folie 38 / 64
Protokolle
zwischen MS und MSC
Protokolle
CM - Call Management
MM - Mobility Management
RR - Radio Ressource Management

39. Folie 39 / 64
Call Management
Protokolle
 Bestehend aus 3 Komponenten:
• CC - Call Control
• SMS - Short Message Service
• SS - Supplementary Service
 CC bietet:
• Punkt zu Punkt Sprach-Verbindung zwischen
zwei Teilnehmern
• Verbindungsaufbau / Verbindungsabbau
• Ändern der Verbindungsparameter
• Tonwahlverfahren DTMF
(Dual Tone Multiple Frequency)

40. Folie 40 / 64
Call Management
Protokolle
 SMS bietet:
• Punkt zu Punkt Nachrichtendienst
• Textbasierte Nachricht
 bis 160 Symbole bei englischen Alphabet
 bis 140 Symbole bei anderen Alphabeten
(z.B. arabisch, chinesisch, koreanisch, …)
 SS bietet:
• Zusatzdienste wie
 Mailbox
 Roaming
 Accounting
• Wird durch das Protokoll CAMEL erweitert

41. Folie 41 / 64
Mobility Management
Protokolle
 Verantwortlich für:
• Nutzerregistrierungen
• Authentifizierungen
• Geräteidentifikation
• Standortbestimmung
 Location Update
 Paging
• Standortaktualisierung (Handovermanagement)
• Generierung von temporären Teilnehmerkennungen
(TMSI)

42. Folie 42 / 64
Radio Ressource Management
Protokolle
 Stellt die unterste Vermittlungsschicht dar
(ISO/OSI Layer 3)
 Zuständig für die permanente Funkverbindung
von BTS zu MS
 Sicherstellen der Signalqualität
 Belegung, Aufrechterhaltung und Freigabe von
Trägerfrequenzen
 Allokieren von logischen Kanälen
 Bereitstellung von dedizierten Funkkanälen
für höhere Schichten

43. Folie 43 / 64
CAMEL
Customized Applications for
Mobile network Enhanced Logic
Protokolle
 Dient der Verwaltung von Zusatzdiensten
z.B. 0800-Wahl, Roaming, Pre-Paid Accounting
 Problem:
• unterschiedliche Zusatzdienste je Betreiber
• unterschiedliche Systeme zur Steuerung
• international Nutzung dieser Dienste
 Lösung:
• Anbindung an das IN (Intelligent Network)
• Unterteilung in 3 Dienste Standards (Phasen)
• MSC überwacht mittels IN Funktionen die
Kommunikationszustände
• Änderung der Zustände mittels Regelwerke

44. Folie 44 / 64
CAMEL
Zustandsmodell
Protokolle
 HLR beinhaltet gebuchte Zusatzdienste
 Regeln werden eingeleitet durch DP
(Detection Points)
 Erkennung von DPs mittels SSF Funktion
(Service Switching Funktion)
 Speicherung der Verbindung als Zustandsmodell

45. Folie 45 / 64
CAMEL
Zustandsmodell
Protokolle
 BCSM - Basic Call State Model

46. Folie 46 / 64
CAMEL
Funktionsprinzip
Protokolle
MSC
SSF
IAM
(MSRN)
ISUP
SCP SCP
MSC
SSF
ISUP ISUP
PSTN
INAP
(MSRN)
INAP
(MSRN)
INAP
(MSRN)
INAP
(MSRN)
HLR
INAP

47. Folie 47 / 64
Prozeduren
Inhaltsverzeichnis
 Lokalisierung eines Teilnehmers
 Mobilitätsverhalten (Handover)
 Anruf aus dem Festnetz zu dem Mobilfunknetz
 Anruf aus dem Mobilfunknetz zum Festnetz

48. Folie 48 / 64
Location Area Update
Prozeduren
MS
BSCBTS MSC
Authentifizierung
Location Update Request
UA ACK Frame
Connection Confirmed
Location Update Accept
TMSI Reallocation Cmd.
TMSI Reallocation Complete
Verbindungsabbau

49. Folie 49 / 64
Handover
Prozeduren
(2)

50. Folie 50 / 64
Clear complete
Clear command
HO complete
Handover (Intra-MSC)
Prozeduren
MS
BSC
alt
MSC
BTS
neu
BSC
neu
Messbericht Messbericht
HO nötig ?
HO required
HO request
Funkkanalreservierung
Ch. activation
HO access
HO request ACK
Link aufgebaut
Ch. activation
ACK
BTS
alt
HO command

51. Folie 51 / 64
Gesprächsaufbau
(Festnetz zu Mobiltelefon)
Prozeduren
MS
BTS VLR
PSTNMSC GMSC
BSC
IAM
(MSISDN)
PRN
(IMSI)
PRN Ack.
(MSRN)
IAM
(MSRN)
Paging
(TMSI)Paging
(TMSI)Paging
(TMSI)
SETUP
(TMSI)
CALL CONFIRMED
(TMSI)
Kanalvergabe
SRI
(MSISDN)
SRI Ack.
(MSRN)
TE im PLMN
klingelt
ACM + ANM
(MSRN)
ACM + ANM
(MSRN)
BTS
HLR

52. Folie 52 / 64
PRIVILEG CHECK
(TMSI)
PRIVILEG ACK
(TMSI)
CALL CONFIRMED
(TMSI)
Gesprächsaufbau
(Mobiltelefon zu Festnetz)
Prozeduren
MS
BTS VLR
PSTNGMSC
BSC
CALL
(MSISDN)
BTS
HLR
CALL
(MSISDN)
MSC
CALL
(MSISDN)
SERVICE
CHECK
IAM
(MSRN)
SERVICE OK
(TMSI)
SETUP
(MSRN)
Kanalvergabe
SERVICE
ACK
IAM
(MSRN)
ACM + ANM
(MSRN)ACM + ANM
(MSRN)
TE im PSTN
klingelt

53. Folie 53 / 64
Datendienste
Inhaltsverzeichnis
 Übertragungsarten
• Leitungsvermittelnd HSCSD
• Paketvermittelnd GPRS / EDGE
 Systemarchitektur

54. Folie 54 / 64
Leitungsvermittelnder
Datendienst
Datendienst
 HSCSD
(High Speed Circuit Switched Data)
 Bündelung von Sprachkanälen (TCHs)
• ETSI 1997c: 4x TCH á 14,4 Kbit/s
 Nur Softwareänderungen (in MS & MSC)
 Keine Änderung in Modulation oder GSM-
Rahmenstruktur

55. Folie 55 / 64
Problemstellung
unter HSCSD
Datendienst
 Asynchrone Datenschübe mit langen Zeitpausen
• Typisch für Webanwendungen
 Jeder Kanal wird getrennt signalisiert
• Steuerung der Zellenübergabe
 Reservierung von Kanälen
• Belegung von Ressourcen
• Berechnung ungenutzter Bandbreite

56. Folie 56 / 64
Weiterentwicklung
Datendienste
 GPRS
General Packet Radio Service
 Paketorientierte Datenübertragung (IP)
 Benutzt bestehende BTS-Antennen
 Erweitert Netzarchitektur
 Neue logische Kanäle
 Dynamische Zuweisung von Datenkanälen

57. Folie 57 / 64
Systemarchitektur
der Datenvermittlung
Datendienste
BTS
BTS
MSC
PDN
IWFMS BSC
NSSBSS
PCU SGSN GSGN
paket-
vermittelt
leitungs-
vermittelt
HSCSD
57,6 Kbit/s
GPRS
4x14,4 Kbit/s
=53,6 Kbit/s
EDGE
~ 474 Kbit/s
HLR VLR

58. Folie 58 / 64
PCU
Packet Control Unit
Datendienste
 Erweitert BSC um Pakethandling
 Bereitstellung der Sicherungsschicht auf der
Luftschnittstelle
 Herausfischen von GPRS-Paketen aus GSM-
Datenströmen

59. Folie 59 / 64
GPRS
Support Nodes
Datendienste
 Service GPRS Support Node (SGSN)
• Verhält sich wie ein MSC in GSM
• Bildet mit GSM-BTS eine Routing Area (RA)
• Verantwortlich für (GPRS)-Handover zu anderen
RAs, Netz-Einbuchungen
• Routing von GPRS-Daten zu den GGSN
 Gateway GPRS Support Node (GGSN)
• Schnittstellen zu andere GGSN/Datennetzen/GPRS-
Diensteplattformen/etc…
• Routing zu/von PDN
• Tunnelt Pakete zu den korrekten SGSN
• Zuständig für Roaming und Gebührenerfassung

60. Folie 60 / 64
GPRS
Routing Areas
Datendienste
BTS
Location Area
Routing Area 1
Routing Area 2
Cell 1 BTS Cell 2
BTS Cell 3 BTS Cell 4
BTS Cell 1 BTS Cell 2
BTS Cell 3 BTS Cell 4

61. Folie 61 / 64
EDGE
Enhanced Data Rates for GSM Evolution
Datendienste
 8-PSK ersetzt bisherige GMSK Modulation
• GSMK = 1 Bit pro Symbol
• 8-PSK = 3 Bit pro Symbol
 Brutto bis zu 474 Kbit/s
• Real ca ~150-200 Kbit/s
 GPRS -> EGPRS
 HSCSD -> ECSD

62. Folie 62 / 64
Ausblick
 Trend für private Endverbraucher von Sprach-
hin zu Datendiensten (Smartphones,
Tablets,..)
 Paketvermittlung dominiert
Leitungsvermittlung
• Bandbreite onDemand
• VoIP für Sprachübertragung
• Dienstgütegarantien (QoS)
 Freigabe der GSM Frequenzen zugunsten von
UMTS/LTE ?
• Langfristige Anwendungen die auf GSM/GPRS/EDGE
aufbauen wie M2M ?
Abschluss

63. Folie 63 / 64
ENDE
Sperren
In diesem Sinne
weitere Fragen…?
Ausschalten

64. Folie 64 / 64
Quellen
 (2)http://article.sapub.org/image/10.5923.j.i
jnc.20120204.02_005.gif
 (3)http://doktori.bme.hu/bme_palyazat/2012/ha
llgato/honlap/Tettamanti_Tamas_hu_files/image
08_en.jpg