Wie funktioniert eigentlich ein Mobilfunknetz? Teil 3, GSM-Dienste

Im ersten 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 Protokollstacks kurz angerissen. Schauen wir uns in diesem Teil die von GSM angebotenen Dienste an. Die meisten von diesen sind auch noch so unter UMTS und LTE verfügbar.

 

Dienste

GSM hatte als Vorbild das digitale Festnetz ISDN. Nicht von ungefähr heißt die Rufnummer eines Teilnehmers im Fachterminus MSISDN (Mobile Subscriber ISDN Number). Es gibt allerdings auch ein paar zusätzliche Funktionen, die nur in Mobilfunknetzen sinnvoll sind, insbesondere im Zusammenhang mit dem Roaming, d.h. Gesprächen, die man mit seinem Gerät im Ausland führt.

 

Sprachrufe

Hierunter fallen Gespräche vom Mobiltelefon zu anderen Mobiltelefonen (Mobile-Mobile Call, M2M), vom Mobilfunknetz ins Festnetz (Mobile Originating Call, MOC) und Ruf aus dem Festnetz ins Mobilfunknetz (Mobile Terminating Call, MTC).

 

Datenrufe

GSM hatte in der Urversion noch keinen Paketdatendienst, der wurde erst später mit GPRS (General Packet Radio Service) eingeführt. Aber es gab einen leitungsvermittelten Datendienst (Circuit Switched Data, CSD), der mit dem zu dieser Zeit üblichen Modemzugang über die analoge Telefonleitung vergleichbar war. Bei leitungsvermittelten Daten wird wie bei Sprachrufen eine permanente Leitung zwischen Quelle und Ziel aufgebaut und bleibt auch dann erhalten, wenn gerade keine Daten versendet werden. Die Datenrate ist konstant und die Daten kommen sicher in der Sendereihenfolge beim Ziel an. Im Gegensatz dazu werden bei Paketvermittlung die Datenpakete individuell durch das Netz geschleust, es wird keine Kapazität verbraucht, wenn nichts gesendet wird, aber die Reihenfolge der Pakete kann durcheinander geraten, da sie nicht alle den gleichen Weg nehmen.

CSD arbeitete wie ein Sprachruf: man musste die Nummer des Ziels wählen, eine Leitung wurde aufgebaut, das Handy und das Modem auf der Gegenseite handelten die Übertragungsmodalitäten aus, und dann konnte man über die Verbindung senden und empfangen.

CSD bot eine “Geschwindigkeit” von 9,6 kbit/s an, die intern mit 14,4 kbit/s inklusive Fehlersicherung kodiert wurden. Damit konnte man z.B. Modems im Festnetz anrufen und so mobile Daten vom am Handy angeschlossenen Computer ins Netz bringen. Später wurde der Dienst durch Bündelung mehrerer Leitungen auf Raten von 28,8, bis zu 57,6 kbit/s erweitert (High Speed CSD, HSCSD).

In den meisten GSM-Netzen wird CSD und HSCSD nicht mehr unterstützt.

 

Faxrufe

Der Faxdienst ist ein CSD-Ruf, bei dem am anderen Ende ein Faxgerät erwartet wird und zusätzliche Übertragungsmodalitäten ausgehandelt werden, die etwa die Kodierung des gescannten Bildes betreffen. Dementsprechend stehen die gleichen Geschwindigkeiten für die Faxübertragung zur Verfügung, die auch bei CSD/HSCSD verfügbar waren.

 

Short Message Service, SMS

Tja, den muss man, glaube ich, nicht erklären. Der Kurznachrichtendienst war ein Gimmick der GSM-Entwickler, der anfangs kostenlos war, weil man nicht davon ausging, dass jemand ernsthaft etwas mit 160 Zeichen langen Textnachrichten anfangen könnte. Die Kurznachrichten werden in GSM nicht wie CSD und Fax über zweckentfremdete Sprachkanäle gesendet, sondern im Rahmen der Signalisierung, die z.B. für den Rufaufbau verwendet wird. Signalisierungsdaten werden über sporadisch dafür reservierte Slots übertragen, da nur wenige Daten mit geringer Dringlichkeit zu übertragen sind.

SMS werden dabei stets unter einer bestimmten Rufnummer an ein SMS-Centre (SMSC) im NSS versendet, wo sie zunächst gespeichert werden. Früher musste man diese Rufnummer manuell konfigurieren, heute ist die Nummer auf den SIM-Karten vorgespeichert. Dann wird versucht, den Zielteilnehmer zu erreichen. Wenn das nicht sofort gelingt, wird mit dies mit Zeitabstand wiederholt. Der SMS-Dienst erlaubt die Angabe einer Gültigkeitsdauer, nach der die Nachricht bei Nichterreichen des Zielteilnehmers verfällt. Außerdem kann man eine Empfangsbestätigung verlangen, die der empfangene Teilnehmer aber seinerseits verweigern kann. Alle diese Optionen konnte man früher am Handy einstellen – heute ist dies oft nicht mehr möglich.

Neben dem verbreiteten Punkt-zu-Punkt-SMS-Dienst gibt es auch einen weniger bekannten Cell Broadcast Dienst, mit dem der Netzbetreiber Nachrichten an alle Endgeräte einer Zelle senden kann. Außerdem gibt es Flash-Nachrichten, die sofort in der Anzeige des Mobiltelefons auftauchen und nicht gespeichert werden. Diese sind gebräuchlich, wenn man z.B. vorher mit einem USSD-Befehl (s.u.) den Kontostand angefordert hat. Die Antwort kommt dann als Flash-SMS.

Spätere Erweiterungen von SMS waren EMS (Enhanced Message Service), bei dem eine lange Nachricht über mehrere SMS versendet wird, die beim Empfänger transparent wieder zu einer einzigen Nachricht zusammengesetzt werden, sowie MMS (Multimedia Message Service), bei der eine SMS verwendet wird, um weitere Dateninhalte (Fotos, Audio, Video) auf einem zentralen Server zu verlinken, was aber erst nach der Einführung von GPRS sinnvoll war.

Im angelsächsischen Raum SiMSt man übrigens nicht – man textet. “Sende mir eine SMS” übersetzt man also mit “text me”.

 

Zusatzdienste (Supplementary Services)

GSM bietet angelehnt an ISDN einige Zusatzdienste an, die zum Teil so unbekannt sind, dass selbst die Service-Hotlines der Netzbetreiber sie nicht kennen (persönliche Erfahrung). Manche der Dienste müssen vom Netzbetreiber freigeschaltet werden und benötigen ein vom Netzbetreiber erhältliches Passwort zur Nutzung.

 

Rufumleitungen

Rufe können in bestimmten Situationen auf eine andere Zielnummer umgeleitet werden, zum Beispiel eine Voice-Mailbox oder eine andere Rufnummer. GSM bietet folgende Rufumleitungen an, die (außer CFU) auch kombiniert verwendet werden können:

• Unbedingte Rufumleitung, CFU (Call Forwarding Unconditional)
  Alle einkommenden Rufe werden immer auf die Zielnummer umgeleitet.
• Rufumleitung bei besetzt, CFB (Call Forward on Busy)
  Die Rufumleitung erfolgt nur, wenn der gerufene Teilnehmer gerade ein anderes Gespräch führt und Anklopfen nicht aktiviert ist (s.u.).
• Rufumleitung bei Nichterreichbarkeit, CFNRc (Call Forward on Not Reachable)
  Der Ruf wird umgeleitet, wenn der gerufene Teilnehmer nicht erreichbar ist (Funkloch, ausgeschaltetes Gerät).
• Rufumleitung bei nicht erfolgter Antwort, CFNRy (Call Forward on No Reply)
  Der Ruf wird umgeleitet, wenn der gerufene Teilnehmer den Ruf nicht innerhalb einer bestimmten Zeit annimmt. Man kann einstellen, wie lange es klingeln soll, bevor die Umleitung erfolgt (bis zu 30 s).

 

Rufsperren

Rufe können unter bestimmten Bedingungen auch komplett gesperrt werden, typischerweise um Kosten zu vermeiden (call barring):

• Sperren aller ausgehenden Rufe, BAOC (Barring of All Outgoing Calls)
• Sperren aller eingehenden Rufe, BAIC (Barring of All Incoming Calls)
• Sperren aller ausgehenden Auslandsrufe, BOIC (Barring of Outgoing International Calls)
• Sperren aller ausgehenden Auslandsrufe, außer in das Heimnetz, BOIC-exHC (Barring of Outgoing International Calls EXcept those directed to the Home Country)
• Sperren aller eingehenden Rufe, wenn man sich außerhalb des Heimnetzes bewegt, BIC-Roam (Barring of Incoming Calls when Roaming outside the home country)
  Dies kann sinnvoll im Ausland sein, wenn man als Angerufener an den Gesprächskosten beteiligt wird – der Anrufer zahlt immer nur den Inlandstarif, er könnte ja nicht wissen, dass der Gerufene sich gerade im Ausland aufhält. Also muss der Angerufene die fälligen Roaming-Gebühren entrichten.

Rufsperren gehören zu den Diensten, die vom Netzbetreiber freigeschaltet werden müssen.

 

Anklopfen und Halten, Konferenz (Call Waiting, Call Holding, Multiparty)

Wenn Anklopfen aktiv ist, wird man während eines Gesprächs über eingehende Rufe mit einem Ton informiert und der Anrufende erhält ein Freizeichen statt eines Besetzttons. Man kann dann Ruf dann folgendermaßen weiter behandeln:

• Beenden und annehmen
  Man kann den laufenden Ruf beenden und den eingehenden annehmen.
• Halten und Makeln
  Man kann den aktuellen Ruf auf Halten legen (in den Hintergrund) und den eingehenden annehmen. Danach kann man zwischen beiden hin- und herschalten (makeln).
• Halten und Weiterschalten
  Man kann den aktiven Ruf mit dem gehaltenen vereinen und sich selbst aus dem Ruf verabschieden. Somit wird der Ruf weitergeschaltet. Natürlich muss man nicht auf einen eingehenden Anruf warten, um eine Weiterschaltung durchzuführen, man kann auch einen Ruf aufbauen, diesen halten, einen zweiten aufbauen und dann makeln oder weiterschalten.
• Halten und Konferenz
  Man kann den aktiven und den gehaltenen Ruf auch zu einer Konferenz zusammenschalten und dann mit allen Teilnehmern gleichzeitig sprechen. Man kann den aktuellen Ruf (auch den Konferenzruf) wieder auf Halten legen und weitere Teilnehmer anrufen, deren Gespräch mit dem Konferenzgespräch zusammengeführt wird. Auf diese Weise kann man bis zu 6 Teilnehmer in einem Konferenzgespräch vereinen (Multiparty Call).
• Einzelne Teilnehmerrufe oder die ganze Konferenz lassen sich auch wieder beenden. Dazu muss man allerdings im Kopf haben, welcher Ruf an wievielter Stelle aufgebaut wurde, um diesen per laufender Nummer auszuwählen.

 

Rufnummernanzeige und -unterdrückung

Normalerweise wird die Rufnummer vom Netz übertragen (CLIP, Calling Line Identification Presentation); dies kann man abschalten, dann werden eingehende Rufe nicht mehr angezeigt (wer würde so etwas tun wollen?). Wenn man hingegen nicht möchte, dass die eigene Rufnummer beim Gesprächspartner angezeigt wird, kann man den Dienst CLIR (Calling Line Identification Restriction) einschalten, dann wird die eigene Rufnummer unterdrückt. Das geht wahlweise nur für den nächsten Ruf oder generell.

1997 kamen die Funktionen COLP (Connected Line Presentation) und COLR (Connected Line Presentation Restriction) zum Standard hinzu. COLP erlaubt die Darstellung des endgültig erreichten Anschlusses beim Anrufer – also etwa die Nummer des Anschlusses, auf den der Ruf weitergeleitet wurde. Möchte man dessen Offenlegung verhindern, kann man dies mit COLR tun – dann erscheint beim Anrufer nur die Nummer, die er gewählt hat.

Wer jetzt denkt, prima, kann ich Schabernack mit der Notrufnummer treiben, der sollte besser davon absehen – Notrufdienste wie Polizei und Feuerwehr nutzen das Dienstmerkmal CLIRO (CLIR Override). Sie sehen die Rufnummer des Anrufers oder Angerufenen immer, egal ob man sie vor anderen verbirgt oder nicht.

 

Unstructured Supplementary Services Data (USSD)

USSD wurden dem GSM-Standard 1994 beigefügt. Sie erlauben es den Netzbetreibern, Steuerfunktionen über *#-Codes zu definieren. Damit lassen sich beispielsweise Rufsperren oder Umleitungen aktivieren, deaktivieren oder abfragen. Einige der  Funktionen sind standardisiert (z.B. unterdrückt man seine Rufnummer im nächsten Ruf, wenn man der Rufnummer ein #31# voranstellt). Darüber hinaus gibt es Funktionen, die von Netzbetreiber zu Netzbetreiber unterschiedliche Codes verwenden, z.B. um den Kontostand seiner Prepaid-Karte zu erfragen (der dann oft als Flash-SMS zurückgeliefert wird), oder die Dienste steuern, die nicht von allen Netzbetreibern angeboten werden, wie z.B. ein Rückrufdienst (Callback Service). Beim Callback sendet Teilnehmer A dem Netz kostenlos eine USSD-Nachricht mit der gewünschten Rufnummer. Der anzurufende Teilnehmer B wird dann darüber informiert, dass ein Rückruf gewünscht ist und kann dann auf seine Kosten den Ruf zu A aufbauen lassen.

Einer Übersicht über USSD-Steuercodes findet man in der Wikipedia.

 

Geschlossene Benutzergruppen – Closed User Groups (CUG)

Geschlossene Benutzergruppen kamen 1996 zum Standard hinzu. Damit ist es möglich, Gruppen von Teilnehmern einzurichten, die nur untereinander telefonieren können, aber nicht aus der Gruppe hinaus. Abrechnung der Gespräche kann zentral über ein Konto durchgeführt werden. Dies bietet sich beispielsweise für Firmenhandys an, wenn die Nutzer keine Nummern außerhalb der Firma anzurufen brauchen.

 

Dienste des intelligenten Netzes (Intelligent Network, IN)

Unter diese Dienste fallen eine Reihe sehr unterschiedlicher Dienste und Funktionen, die den reinen Vermittlungsfunktionen vorgeschaltet sind. Diese werden in GSM, UMTS und LTE nach dem CAMEL-Standard (Customised Applications for Mobile networks Enhanced Logic) implementiert. Darüber könnte ich einen eigenen Artikel schreiben. Hier nur ein paar illustrative Beispiele:

• Prepaid Roaming: vor den IN-Diensten konnte ein ausländisches Netz nicht in Erfahrung bringen, wieviel Guthaben auf einem Prepaid-Konto vorhanden war und somit einen Ruf abbrechen, wenn das Konto erschöpft war. Erst seit der Einführung von CAMEL ist es deshalb erlaubt, im Ausland mit Prepaid-Karten zu telefonieren.
• Kurzwahlen: CAMEL erlaubt die Definition von Kurzwahlen (etwa: die letzten beiden Ziffern der vollen Rufnummer), entweder zwischen Mitgliedern einer Gruppe
• Ebenfalls ermöglicht werden einheitliche Rufnummern für Notfalldienste (die 112, die immer mit der lokal zuständigen Notfallzentrale verbindet) oder auf die Voice-Mailbox des anrufenden Teilnehmers – heute Selbstverständlichkeiten.
• Televoting: Bei einer Telefon-Abstimmung rufen alle die gleiche Rufnummer an, werden aber selbstverständlich auf einen großen Pool von Anschlüssen umgeleitet, damit viele Rufe parallel behandelt werden können. Die Umleitung wird vom intelligenten Netz durchgeführt.
• Callback-Service (s.o.)
• Rufnummernmitnahme zu einem anderen Anbieter
• und viele andere.

 

Advanced Speech Call Items (ASCI)

Diese Erweiterung wurden für spezielle sicherheitsrelevante Anwendungen (Feuerwehr, Polizei, Rettungsdienste, aber auch die Eisenbahn) in GSM standardisiert. In Deutschland entschied sich die Bundesregierung allerdings für einen anderen Standard als GSM für den digitalen Polizeifunk und der Standard wurde hierzulande nicht implementiert. ASCI kommt jedoch im GSM-R (wie Railway) Netz der Deutschen Bahn zum Einsatz und bietet unter anderem

• Voice Broadcast Service (VBS)
  Rufe können von einer zentralen Nummer aus gleichzeitig zu einer Gruppe von Endgeräten aufgebaut werden, um Durchsagen zu machen. Der Rufaufbau ist beschleunigt und verdrängt laufende Gespräche.
• Voice Group Service (VGS)
  Ein Gruppenruf kann zwischen mehreren Teilnehmern kann mit einem Knopfdruck aufgebaut werden. Wer sprechen möchte, muss dazu einen Sendeknopf drücken (push to talk). Im Prinzip eine Simulation des Walkie-Talkie-Funks auf der Basis von GSM-R.
• Prioritätsrufe, enhanced Multi-Level Precedence and Pre-emption (eMLPP)
  Rufe erhalten mehrstufige Prioritäten und höher priorisierte Rufe können niedriger priosierte unterbrechen und verdrängen.

Push-to-talk-Dienste ähnlich dem VGS sind in den USA bei gewöhnlichen Nutzern sehr beliebt, werden dort aber nicht über ASCI angeboten, sondern über Paketdienste und Intelligent Network Funktionen. Bei uns konnten sie sich nicht etablieren.

Die schauen wir uns beim nächsten Mal an.

 

Abkürzungen