Alcatel 9109 HA (1991-95), eines der ersten GSM-Telefone. Bild: Wikimedia Commons, Vascer, CC BY-SA 3.0.
Alcatel 9109 HA (1991-95), eines der ersten GSM-Telefone. Bild: Wikimedia Commons, Vascer, CC BY-SA 3.0.

Im ersten Teil haben wir den Netzaufbau des GSM-Netzes kennen gelernt. Im heutigen Artikel schauen wir uns exemplarisch drei Netzprozeduren an, die einen groben Eindruck davon vermitteln sollen, wie das GSM-Netz funktioniert.

 

Anmeldung im Netz (IMSI-Attach)

Wenn man sein Handy einschaltet, sucht es zunächst nach Netzen (die zu präferierenden Netze und Unterbänder sind auf der SIM-Karte eingetragen). Im Unterband eines erlaubten Anbieters werden die Kanäle auf der Suche nach Zellen gescannt. Jede Zelle strahlt mit konstanter Leistung den Broadcast Control Channel (BCCH) aus, einer der zahlreichen logischen Kanäle innerhalb der GSM-Rahmenstruktur, die ich hier nicht ausbreiten möchte. Anhand des BCCH findet sich das Endgerät in die Rahmenstruktur und die logischen Kanäle der Zelle ein und kann ihre Sendeleistung bestimmen. Die jeweils 6 stärksten Zellen behält das Endgerät permanent im Auge.

Auf dem Kanal der stärksten Zelle meldet sich das Endgerät an. Die Zelle hat einen logischen Kanal im Uplink für spontane Zugriffe durch Endgeräte reserviert, die noch keinen Kanal zugeteilt bekommen haben, den Random Access Channel (RACH). Wenn die Sendungen zweier Endgeräte im gleichen RACH-Zeitschlitz kollidieren und somit keine Antwort von der Zelle erhalten, versuchen sie es nach zufälliger kurzer Wartezeit erneut. Antwortet die Zelle im dafür vorgesehenen Access Grant Channel (AGCH), dann wird dem Endgerät ein dedizierter Signalisierungskanal (SDCCH, Stand-alone Dedicated Control Channel) zugewiesen, auf dem es seinen Location Update durchführen kann, wobei es (unter anderem) die Identität (International Mobile Subscriber Identity, IMSI) seiner SIM (Subscriber Identity Module) an das Netz mitteilt. Der Location Update läuft bis zum HLR, wo die IMSI überprüft wird und der Netzzugang dann erlaubt oder ggf. verweigert wird. Bei positiver Rückmeldung wird das Endgerät informiert und es wird ihm eine temporäre IMSI (TMSI) zugeteilt, die aus Datenschutzgründen im weiteren verwendet wird und die jederzeit vom Netz durch eine neue ersetzt werden kann. Die TMSI soll es Lauschern auf der Luftschnittstelle erschweren, einen Teilnehmer anhand der eindeutigen IMSI zu verfolgen. Nach Zuteilung horcht der Teilnehmer kontinuierlich passiv auf die BCCHs der stärksten Zellen, sowie deren Paging Channels PCH (s.u.) für den Fall eines einkommenden Anrufs.

 

Rufaufbau

Betrachten wir einen Rufaufbau von Mobilgerät zu Mobilgerät, da hier alle für den Rufaufbau relevanten GSM-Prozeduren zum Einsatz kommen. Der anrufende Teilnehmer wird als A-Teilnehmer bezeichnet, der angerufene als B-Teilnehmer.

Wenn der A-Teilnehmer einen Anrufwunsch absendet, tut er dies wie bei der Anmeldung im RACH, wobei er die gewünschte Rufnummer (Mobile Subscriber ISDN Number, MSISDN) mitteilt. Die MSISDN ist die Rufnummer, die man als Mobiltelefonnutzer kennt und eintippt bzw. im Telefonbuch abspeichert. Sie ist nicht deckungsgleich mit der pro SIM-Karte eindeutigen IMSI; eine SIM-Karte kann mehrere MSISDNs haben, so dass man z.B. dienstlich oder privat auf dem gleichen Gerät unter verschiedenen Nummern erreichbar ist. Eine MSISDN kann aber auch mehreren SIM-Karten zugeordnet sein, z.B. wenn der Nutzer eine Karte nur für das Datenmodem seines PCs verwendet und eine andere im Mobiltelefon, die beide unter dem gleichen Mobilvertrag und Rufnummer laufen.

Der Anrufwunsch wird bis zum MSC/VLR der lokalen Location Area weitergeleitet und dort geprüft, ob der A-Teilnehmer berechtigt ist und genug Guthaben hat (Prepaid-Karte) oder später abgebucht werden kann (Postpaid-Vertrag). Bei positivem Bescheid wird ihm von der Zelle ein freier Sprachkanal in einem Zeitschlitz einer der BTS-Funkkanäle zugeteilt sowie ein Schlüssel zur Verschlüsselung des Gesprächs. Die Zuteilung ist über den gesamten Ruf fest, es wird eine virtuelle Leitung eingerichtet (Leitungsvermittlung; das Gegenkonzept ist die Paketvermittlung, wo jedes Datenpaket seinen eigenen Weg gehen kann).

Anhand der ersten Ziffern der MSISDN können das Land und der Netzbetreiber ermittelt werden, an den der Anrufwunsch weitergeleitet wird. Der Netzbetreiber kann wiederum die Rufnummer einem HLR zuordnen, in dem dann nachgeschaut wird, wo der entsprechende Teilnehmer sich gemäß Location Update zuletzt aufgehalten hat. Falls der B-Teilnehmer keine Rufumleitung auf eine andere Nummer oder seine Mailbox eingerichtet hat (oder bestimmte Anrufe blockiert), wird der Anrufwunsch dann an das entsprechende MSC/VLR weitergeleitet, in dessen Location Area nun nach dem Teilnehmer gesucht wird, falls er dort als gerade eingebucht vermerkt ist (ansonsten erhält der A-Teilnehmer die Ansage, dass der Teilnehmer nicht erreichbar sei oder er wird auf die Mailbox des B-Teilnehmers umgeleitet). Und zwar wird auf allen Zellen der Location Area seine zugewiesene TMSI auf dem Paging Channel (PCH) ausgestrahlt, auf den alle passiven Endgeräte lauschen.

Wenn der B-Teilnehmer seine TMSI auf dem PCH vernimmt und nicht gerade ein anderes Gespräch führt oder gerade keinen Empfang hat, meldet sich das Endgerät auf dem RACH der signalstärksten Zelle an und erhält, wie zuvor der A-Teilnehmer, einen Sprachkanal zugewiesen. Erst danach läutet das Endgerät und die Gegenstelle wird parallel über den nunmehr gefundenen Weg darüber informiert, dass der B-Teilnehmer gefunden wurde und läutet, dem A-Teilnehmer wird ein Freizeichen signalisiert. Drückt der angerufene Teilnehmer auf den Rufannahmeknopf, dann wird der Ruf endgültig durch eine Verbindungsnachricht von der B- zur A-Seite bestätigt und von da an fließen die Sprachdaten über den in beide Richtungen aufgebauten Sprachkanal. Die MSCs der Location Areas halten dabei die Rufe im Auge, insbesondere die auflaufenden Kosten, die ggf. zu einem Gesprächsabbruch führen können.

 

Handover

Das GSM-Endgerät tauscht sich während eines laufenden Mobilfunkgesprächs jeweils aktiv nur mit einer einzigen Zelle aus, die auch Serving Cell (also bedienende Zelle) genannt wird. Gleichzeitig horcht es aber die Frequenzen der Nachbarzellen ab. Erscheint eine von diesen deutlich empfangsstärker oder hat das Signal eine bessere Qualität (Bitfehlerrate), dann verlangt das Endgerät nach einem Zellwechsel (Handover oder Handoff). Die Entscheidung darüber trifft der Base Station Controller, denn er weiß, ob die gewünschte Zelle überhaupt freie Kapazität hat, und ob eine Nachbarschaftsbeziehung zwischen der Serving Cell und der angefragten Zelle besteht; der Netzbetreiber kann nämlich einen Wechsel bewusst blockieren, es könnte beispielsweise sinnvoll sein, an einer Autobahn nur zwischen den großen Zellen Nachbarschaftsbeziehungen zu definieren, die die Autobahn ausleuchten, aber nicht zu den kleinen Zellen eines Dorfs direkt neben der Autobahn. Wenn nichts dagegen spricht, erlaubt der Base Station Controller der neuen Zelle, das Endgerät zu übernehmen, und idealerweise geht der Übergang nahtlos, ohne dass eine Unterbrechung auftritt. Wenn’s mal nicht funktioniert, dann reisst unter Umständen die Verbindung ab. Hat jeder mal erlebt.

Nicht jeder Handover kann vom gleichen Base Station Controller komplett alleine vollzogen werden. Hängen die beiden Zellen nicht am gleichen Base Station Controller, muss ggf. ein Nachbarcontroller des gleichen MSC mit einbezogen werden. Oder sogar ein BSC eines anderen MSC. Deswegen unterscheidet man zwischen Intra-BSC- (also innerhalb der gleichen BSC), Inter-BSC- (zwischen zwei BSCs des gleichen MSC) und Inter-MSC-Handovern. Beim Intra-BSC-Handover  muss nur die Frequenz und die BTS gewechselt werden, beim Inter-MSC verlässt das Gerät hingegen die Location Area und damit das VLR, die neu betretene Location Area muss folglich bis hinauf zum HLR kommuniziert werden.

 

Netzwerk-Protokolle und -Schichten

Die oben beschriebenen Abläufe erfordern einen umfangreichen Austausch von Signalisierungsnachrichten zwischen den verschiedenen beteiligten Netzwerkkomponenten und den Endgeräten. Diese werden über sogenannte Netzwerk-Protokolle ausgetauscht, das sind Standards, die die Formate und Bedeutungen der Signalisiernachrichten (auch Dienstprimitive genannt) festlegen (hier ein Beispiel für den Ablauf der Signalisierung bei einem Ruf vom Festnetz zum Mobilgerät). Zwischen den einzelnen Komponenten des Netzes sind logische Schnittstellen definiert, die Dienstprimitive übereinander gelagerter Schichten (Layers) umfassen. Die Menge der Protokolle aller übereinander liegenden Schichten einer Schnittstelle nennt sich deshalb auch Protokollstapel (Protocol Stack).

Die Programme, die untereinander Dienstprimitive austauschen, heißen Protokollinstanzen (Protocol Entities). Zusammengehörige Instanzen der gleichen Schicht heißen gleichgestellte Instanzen (Peer Entities). Gleichgestellte Instanzen verschiedener Komponenten reden also  miteinander, wobei sie die Funktionen untergeordneter Schichten verwenden, um ihre Primitive zu übertragen. Auf der obersten Schicht reden die Anwendungen und Dienste der Endpunkte beidseitig des Netzes miteinander. Auf der untersten Schicht reden Instanzen unmittelbar benachbarter Komponenten direkt miteinander und tauschen Primitive aus, deren Inhalte teilweise Primitive höherer Schichten sind, die zwischen entfernteren Komponenten ausgetauscht werden. Die Instanzen der höheren Schichten brauchen sich dann um die Abläufe auf den tiefer liegenden Schichten nicht zu kümmern, diese sind für sie transparent.

Das folgende Bild zeigt zur Illustration die GSM-Schichten und -Instanzen:

GSM-Protokollstack im Endgerät (MS, Mobile Station), der BTS, der BSC und der MSC mit den dazwischen liegenden Schnittstellen. Jedes Rechteck repräsentiert eine Protokolleinheit, die mit einer gleichgestellten Einheit der Nachbarkomponente über die dazwischen liegende Schnittstelle (gestrichelte Linien) redet. Bild: [1]

GSM-Protokollstack im Endgerät (MS, Mobile Station), der BTS, dem BSC und dem MSC mit den dazwischen liegenden Schnittstellen. Jedes Rechteck repräsentiert eine Protokollinstanz, die mit einer gleichgestellten Instanz der Nachbarkomponente über die dazwischen liegende Schnittstelle (gestrichelte Linien) kommuniziert. Bild: [1]

Im GSM-Netz sind liegen auf der gleichen Schicht zum Teil mehrere Instanzen nebeneinander, die sich um unterschiedliche, voneinander unabhängige Aufgaben kümmern. So kümmert sich beispielsweise das Mobility Management (MM) um die Handovers, das Radio Resource Management (RR) um den Kanalzugang, das Verbindungsmanagement (Call Control, CC) um den Rufauf- und -abbau und die Handhabung der Rufe, die SMS-Instanz um die Kurznachrichten und die SS-Instanz um die Zusatzdienste (Supplementary Services; mehr dazu nächstes Mal). Wie man im Bild sieht, reden RR von Endgerät und BTS miteinander, die anderen Komponenten interessieren sich nicht für den Funkkanalzugang. Jedoch tauscht sich die CC des Endgeräts mit einer Peer Entity im MSC aus, BTS und BSC interessieren sich wiederum nicht für die Details des Rufaufbaus.

Neben einfachen Rufen und der Mobilität zwischen Zellen bietet das GSM-Netz eine große Zahl von Diensten an, die im dritten Teil der Serie vorgestellt werden sollen. Sie alle benutzen Protokolle, der Grund dafür, dass der GSM-Standard so umfangreich geworden ist.

 

Referenzen

[1] Hasni Neji, Ridha Bouallegue, “Roadmap for Establishing Interoperability of Heterogeneous Cellular Network Technologies -3-“, International Journal of Computer Applications (0975 8887), Volume 54 No.5, September 2012.

 

Abkürzungen

AGCH Access Grant Channel
BSC Base Station Controller
BTS Base Transceiver Station (Basisstation)
BCCH Broadcast Control Channel
CC Call Control
GSM Global System for Mobile Communications
HLR Home Location Register
IMSI International Mobile Subscriber Identity
ISDN Integrated Services Digital Network
MM Mobility Management
MSC Mobile Switching Centre (Mobilfunk-Vermittlungsstelle)
MSISDN Mobile Subscriber ISDN Number
PCH Paging Channel
PC Personal Computer
RACH Random Access Channel
RR Radio Resource Management
SDCCH Stand-alone Dedicated Control Channel
SIM Subscriber Identity Module
SS Supplementary Services (Zusatzdienste)
TIMSI Temporary International Mobile Subscriber Identity
VLR Visitor Location Register

Kommentare (9)

  1. #1 HF(de)
    3. September 2018

    Abo.

  2. #2 Intensivpfleger
    4. September 2018

    Wow. Toll geschrieben.
    In meinem analog anmutenden, vom häufigen Lesen phantasiegeplagten Gehirn, sehe ich vor meinem geistigen Auge eine Unzahl Menschen herumwuselnd, in Karteikästen nach Informationen suchend, auf großen Kladden Listen abgleichend, Absprachen haltend, Berge von Papier austauschend….
    … und dann ist da dieser beeindruckende Fakt, dass all dies völlig automatisiert und im Mikrosekundenbereich abläuft.
    Faszinierend.
    Ich freue mich schon auf den nächsten lehrreichen Artikel der Reihe.

    Gruß vom
    Intensivpfleger

  3. #3 Karl Mistelberger
    4. September 2018

    > Ich freue mich schon auf den nächsten lehrreichen Artikel der Reihe.

    Lehrreich sind die Artikel schon, aber bei der Anschaulichkeit liegt die Messelatte hoch:

  4. #4 Alderamin
    4. September 2018

    @Karl Mistelberger

    Es gibt leider nicht allzu viele frei nutzbare Darstellungen auf dem hier angemessenen Detaillevel, die ich verwenden konnte (hätte die dann selbst zeichnen müssen). So was in der Art wie in den folgenden Links wäre sicher hilfreich gewesen.

    Hier wird ein Ruf ins Festnetz aufgebaut (PSTN – Public Switched Telephone Network):

    Ausgehender Ruf

    und hier wird ein Ruf aus dem Festnetz angenommen:

    Eingehender Ruf

    RACH, PCH, AGCH und SDCCH wurden oben genannt. Hier tauchen noch auf
       TCH – Traffic Channel – der zugewiesene Sprachkanal
       SACCH – Slow Associated Control Channel – ein langsamer (weil selten mit Zeitschlitzen bedachter) Signalisierungskanal zur Steuerung des laufenden Rufs.

    Kettet man die beiden bei und anstelle von PSTN zusammen, hat man den oben beschriebenen Mobil-zu-Mobil-Anruf.

  5. #5 Kurt Behnke
    Viersen
    4. September 2018

    Vielen Dank erst mal für den guten Beitrag. Ich finde allerdings wie hier leider immer wieder (und nur) allgemeinverständliche Beiträge zum Mobilfunk, die das antiquarische GSM behandeln. Vielleicht habe ich auch nur eine umfassendere Ankündigung überlesen. Da ich aus anderem Anlass gerade etwas ähnliches für LTE zusammenstelle, wäre ich bereit, in nächster Zeit etwas Ergänzendes beizusteuern, damit auch der aktuelle Stand der Technik — 4G mit Ausblick auf die Veränderungen in 5G — (der bis auf die logischen Namen sehr verschieden ist) dargestellt wird.

    Bei Interesse bitte melden.

  6. #6 Alderamin
    4. September 2018

    @Kurt Behnke

    Danke für das Angebot. Vielleicht komme ich darauf zurück. Der Plan war ohnehin, mich langsam Richtung 5G hochzuarbeiten.

  7. […] soll für heute reichen. Im nächsten Teil der Reihe erläutere ich, wie die wichtigsten GSM-Prozeduren ablaufen, z.B. wie man sich in das Netz einbucht […]

  8. #8 HF(de)
    4. September 2018

    Da kommt ein weiterer Spezialist hinzu und stiftet Insiderwissen, ich bin begeistert :-) :-) Bitte weiter so!

  9. […] Teil haben wir ein wenig über die Historie und die Motivation für das GSM-Netz erfahren. Im zweiten Teil wurden beispielhaft Netzanmeldung, Rufaufbau, und Handover erläutert, sowie der Aufbau der […]