GSM
Dipl. Ing. Ulrich Borchert
Fach: Mobile Computing
HS Merseburg (FH)
GSM ▪ Geschichtliches
1915
Drahtlose Sprachübertragung New York - San Francisco
1926
Zugtelefon Hamburg-Berlin
1958
A-Netz in Deutschland
1972
B-Netz in Deutschland
1979
erste IR Produkte
1982
Start GSM Spezifikation
1986
C-Netz in Deutschland
1991
DECT Standard für Schnurlo-Telefone
1992
Einsatz GSM, D-Netz in Deutschland
1994
E-Netz in Deutschland IrDA Standard
1996/1997
Lokale Funknetze (HIPERLAN 23 Mbits/s) Spezifikation Wireless ATM
1998
Spezifikation UMTS drahtlose LAN nach HomeRF
1999
WLAN nach IEEE802.11a Start WAP
2000
Versteigerung UMTS Lizenzen GSM mit höheren Übertragungsraten (HSCSD, GPRS)
2001
GPRS in ganz Deutschland
2002
Start i-Mode in Deutschland
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Frequenzband
System
890-915 MHz
GSM (GSM 900)
935-960 MHz
GSM (GSM 900)
1227,6 MHz
GPS
1575,42 MHz
GPS
1710-1785 MHz
GSM (DCS 1800)
1805-1880 MHz
GSM (DCS 1800)
1880-1900 MHz
DECT
1900-1920 MHz
UMTS (UTRA-TDD)
1920-1980 MHz
UMTS (UTRA-FDD)
2010-2025 MHz
UMTS (UTRA-TDD)
2110-2170 MHz
UMTS (UTRA-FDD)
2400-2483,5 MHz
Rubrik
Mobilfunk
Positionsbestimmung
Mobilfunk
Schnurlos-Telefone
Mobilfunk
WLAN 802.11b.HomeRF.Bluetooth
5120-5300 MHz
HIPERLAN/1
5150-5250 MHz
WLAN 802.11a
5150-5350 MHz
HIPERLAN/2
5470-5725 MHz
HIPERLAN/2
5725-5825 MHz
WLAN 802.11a
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drahtlose lokale Netze
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GSM ▪ Geschichtliches
Netz
Betreiber
A
B
Bundespost
C
D1
Telekom
Zeitraum
Eigenschaften
Frequenzbereich
Nutzer (Jahr)
1958-1977
analog, handvermittelt
150 MHz
10 000 (1970)
1972-1994
analog, Selbstwahl
150 MHz
27 000 (1986)
1986- ca. 2008
analog, zellular
450 MHz
800 000 (1992)
13 Mio. (2000)
ab 1992
digital, GSM 900
900 MHz
D2
Vodafone
ab 1992
19 Mio. (2000)
E1
E-Plus
ab 1994
5,8 Mio. (2000)
digital, DCS 1800
E2
Viag Interkom
1800 MHz
ab 1998
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3,2 Mio. (2000)
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Besonderheiten der Funkkommunikation
• Die meisten Unterschiede zwischen der drahtlosen
und der drahtgebundenen Kommunikation liegen in
der Schicht 1 und 2 im OSI-Referenzmodell.
– Funkkommunikation ist störanfälliger als die drahtgebundene
Kommunikation.
– Problem der Mehrwegausbreitung (erzeugt durch Reflexionen,
Streuung und Beugung)
– Funkkommunikation lässt wesentlich niedrigere Datenraten zu
(eingesetzte Frequenzbänder haben geringe Bandbreiten. Werden
die Frequenzen erhöht, erhöht sich auch die Datenrate. Das
wiederum ist kostenintensiv, energieaufwendiger und störanfälliger.)
– Daten können mitgehört, aber nicht ausgewertet werden. Hier setzen
Sicherheitsmechanismen ein.
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Besonderheiten der Funkkommunikation
– Die Verwendung von Funk unterliegt hoheitlicher Restriktion. Für den
Betrieb müssen Genehmigungen eingeholt werden.
– Die meisten Unterschiede zwischen der drahtlosen und
drahtgebundenen Kommunikation liegen in der Schicht 1 und 2 im
OSI Referenzmodell.
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Internationale Mobilfunknetze
• NMT 450 (Nordic Mobile Telephone)
– arbeiten mit einer Frequenz von 450 MHz
– Einsatz in: Belgien, Dänemark, Finnland, Island, Luxemburg,
Niederlande, Österreich, Schweden und Spanien
– Weiterentwicklung NMT 900 mit 900 MHz
• AMPS (Advanced Mobile Phone System sowie
AMPS-D)
– Einsatz in: Australien, Kanada, Neuseeland und USA
– mit 800 MHz betrieben
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Internationale Mobilfunknetze
• TACS und J-TACS ([Japan]-Total Access
Communication System)
– Einsatz in: Bahrain, China, Großbritannien, Indien, Irland, Kuwait und
Japan
– auf Basis 900 MHz
• Radiocomm 2000
– Einsatz nur in Frankreich
– 200 und 400 MHz Basis
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Internationale Mobilfunknetze
• PDC (Personal Digital Cellular) Varianten PDC 800
und PDC 1500
– Einsatz in Japan
– Basis 800-900 MHz oder 1500 MHz je nach Variante
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Memorandum of Understanding
• 1987 unterzeichneten 13 Teilnehmer aus 12 Staaten
das Memorandum of Understanding (MoU). Sie
verpflichteten sich innerhalb eines Zeitrahmens, ein
digitales Mobilfunksystem auf der Basis GSM
aufzubauen.
• 1997 gab es 200 GSM-Netze in 109 Staaten mit
folgenden Standards: GSM 900 und DCS 1800.
• Handys, die mit beiden Systemen arbeiten können,
sind Dualbandhandys. Ausnahmen USA und Japan
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Memorandum of Understanding
• In der USA gibt es neben dem analogen AMPSSystem noch eine inkompatible Variante von GSM:
GSM 1900.
• Telefone, die alle Bandbreiten abdecken, sind so
genannte Tribandhandys.
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Memorandum of Understanding
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Umgebung Karlsruhe
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Vorteile zellularer Mobilfunknetze
•
DCS (Digital Cellular System)
Vorteile:
1. Die Distanz, die ein mobiler Teilnehmer überbrücken muss, ist
gering. In D-Netzen beträgt der maximale Abstand 35 km, im E-Netz
nur 8.
2. Die zur Verfügung stehenden Ressourcen, also Frequenzen und
Zeitschlitze, werden ökonomisch genutzt.
So können verschiedene Zellen dieselben Frequenzen benutzen,
ohne sich gegenseitig zu stören. Voraussetzung ist ein gewisser
Abstand voneinander.
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Betrachtung der Nachteile
• Theoretisch physikalisch reduziert sich die Wirkung
elektromagnetischer Wellen im Quadrat zum Abstand
der Sendestation.
• In der Realität nimmt die Wirkung sogar mit der
Potenz vier ab.
• Um gleiche Wirkung zu haben, muss beim doppelten
Abstand zwischen Sende- und Empfangsstation, die
16-fache Sendeleistung aufgebracht werden (ist also
etwas für starke Akkus).
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Betrachtung der Nachteile
• Geringe Abstände der Basisstationen verringern den
Leistungsaufwand, erhöhen jedoch Kosten zum
flächendeckenden Zugriff.
• Für die Infrastruktur mussten für die D-Netze 4,5 Mrd.
DM aufgebraucht werden. Für die E-Netze 7,5 Mrd.
DM. Das D1-Netz verfügte im Jahr 2000 über 39000
Basisstationen.
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GSM-Netze
a) k=3
b) k=4
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c) k=7
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Abstand der Basisstationen
• Der Abstand muss hinreichend groß sein, damit
Störungen minimiert werden.
• Sind Zellradius R und Cluster-Größe bekannt, kann
der Mindestabstand nach
D=R*√3k
errechnet werden.
• In GSM-Netzen wird k = 7 verwendet.
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Mobilfunknetze
• Mobilfunksysteme der ersten Generation:
analoge Netze (A, B, C Netze)
• Mobilfunk der zweiten Generation:
digitale GSM-Netze (D- und E-Netze)
• Mobilfunk der dritten Generation:
UMTS-Netze
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Standard GSM
• Die Group Special Mobile war eine Organisation, die
damit beauftragt wurde, einen europäischen digitalen
Mobilfunkstandard zu entwickeln.
• Der Name GSM stand lange Zeit für diese
Organisation, später wurde daraus Global System for
Mobile Communication.
• 1989 wurde die Gruppe durch das Europäische
Telekommunikation Standard Institut (ETSI) als
Technical Committee (TC) aufgenommen.
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Standard GSM
• Ziel ist eine vollständige Flächendeckung.
• Bewegt sich ein Mobilfunkteilnehmer aus dem Bereich
seiner Basisstation, wird durch das so genannte
Handover sichergestellt, dass der Datenaustausch
nicht abbricht.
• Durch das Roaming-Abkommen zwischen den
Netzbetreibern wird gewährleistet, dass der
Teilnehmer im anderen Netz unter dieser Nummer
erreichbar ist.
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GSM-Netze bieten (im Wesentlichen)
• Sprachübertragung
•
SMS (Short Message Service)
•
WAP (Wireless Application Protokoll)
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GSM-Netze bestehen aus 3 Subsystemen
• Betriebssubsystem (Operation and Maintenance
Subsystem, OMSS)
dient der Administration und Kontrolle des Netzwerkes
• Vermittlungssubsystem (Mobile Switching and
Management Subsystem, SMSS)
vermittelt Nutzdaten innerhalb des Netzes und stellt
eine Anbindung an andere Netze zur Verfügung
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GSM-Netze bestehen aus 3 Subsystemen
• Funksubsystem (Basis Station Subsystem, BSS)
bindet die Mobilfunkteilnehmer an das Netz an
• Mehrere Datenbanken speichern relevante
Informationen zur Verwaltung der Teilnehmer und zur
Kontrolle der Datenflüsse.
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Endgeräte in der GSM-Technologie
• Unterscheidung nach Sendeleistung
– Autotelefone 20 W
– tragbare Geräte mit 8 W
– Handgeräte mit 5 W
– Handgeräte mit 2 W
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Weiterentwicklung von GSM
• Eine Datenrate von 9600 bits/s, die GSM zur
Verfügung stellt, ist bei weitem nicht mehr zeitgemäß.
• Deshalb wurden weitere Standards entwickelt.
• Da diese zwischen der 2. und 3. Generation liegen,
werden diese auch als Phase 2+ bezeichnet.
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HSCSD (High Speed Circuit Switched Devices)
• Dieses Verfahren erfordert kaum Veränderung an der
Infrastruktur.
• Steigerung der Datenrate durch:
– Bessere Kodierungsverfahren (von 9600 bits/s auf 14400 bits/s)
– Durch Bündelung mehrerer Kanäle kann Datenrate vervielfacht
werden (theoretisch auf 115,2 kbits/s).
• HSCSD erfordert Veränderungen an den Endgeräten.
• Es ist ein leitungsvermitteltes Verfahren, d.h. der
Nutzer muss auch Kosten tragen, wenn keine Daten
ausgetauscht werden.
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GPRS (General Packet Radio Service)
• Alternative zu HSCSD
• bessere Ausnutzung der Übertragungskapazitäten
• dient als Zugang in verschiedene Netze, z.B. Netze,
die auf IP oder X.25 basieren
• theoretische Datenrate von 171,2 kbits/s
• Geräte, die einmal eingebucht sind, sind quasi ständig
am Netz und benötigen die Infrastruktur nur beim
Datenaustausch (allways online).
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GPRS Klassen
• Änderungen am Netz und an den Endgeräten sind nötig.
• Multislotklassen geben an, wie viele Funkkanäle
gleichzeitig genutzt werden können.
• Endgeräteklassen:
– Klasse A
unterstützt Sprache und Daten gleichzeitig (Leitungsvermittlung [GSM]
und Paketvermittlung [GPRS] gleichzeitig).
– Klasse B
Während Datenverbindung (GPRS) können Anrufe (GMS) nur gemeldet
werden.
– Klasse C
manuelle Umschaltung von Sprache auf Daten und umgekehrt
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EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)
• Steigerung durch neues Modulationsverfahren
• Datenrate pro Kanal 59,2 kbits/s bei 8 Kanälen
473,6 kbits/s
•
in der Praxis 170 kbits/s hohe Fehleranfälligkeit
•
„sanfter“ Übergang zu UMTS
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(2)GSM