Im dritten Teil der Mobilfunk-Serie haben wir die Dienste des GSM-Netzes kennengelernt. GSM bot zwar mit CSD und FAX rudimentäre, leitungsvermittelte Datendienste, die aber nur für das Synchronisieren einer Mailbox, Dateidownload oder eben Faxversand durch einen angeschlossenen Computer ausgelegt waren. Der Nachteil der leitungsvermittelten Dienste war, dass jedesmal ein Ruf aufgebaut werden musste, der so lange Bestand hatte, Kosten verursachte und Kanalressourcen verbrauchte, wie die Datenverbindung zur Verfügung stehen sollte. Eine Stunde webbrowsen am Laptop über das Handy war also gleichwertig mit einer Stunde telefonieren, und das war damals richtig teuer.
Als GSM in den 1980ern spezifiziert wurde, dachte noch niemand an das Internet, das damals fast ausschließlich von Instituten und Hochschulen benutzt wurde. Das am CERN erfundene World Wide Web ging im August 1991 an den Start, da war GSM in manchen Ländern schon im Betrieb. So richtig populär wurde das Web dann erst ab Mitte der 90er Jahre, aber das GSM-Netz war damals noch nicht fit für das Web.
General Packet Radio Service – Dschi Pi Ar Ess
Schon kurz nach dem GSM-Start in Deutschland begann in weiser Voraussicht einiger Experten 1993 die Spezifikation von GPRS, dem General Packet Radio Service. Die Idee des Dienstes war, den Kanal nur dann zu belegen und auch entsprechend abzurechnen, wenn wirklich Daten zu übertragen waren, das Handy aber permanent in Sende- und Empfangsbereitschaft zu haben. Außerdem sollte es einen direkten Anschluss ans Internet geben, ohne die Notwendigkeit, irgendein Modem oder Faxgerät auf der Gegenseite anrufen zu müssen.
GPRS wurde 2000 im Netz eingeführt und von den Netzbetreibern heftigst beworben. Allerdings nicht als Technologie, die war den Nutzern schwer zu vermitteln, sondern über die neuen Dienste MMS (dem Multimedia Message Service, der Bilder, Video- und Audiodateien von Endgerät zu Endgerät versenden konnte) und WAP (einem Webbrowser für mobile Webseiten, basierend auf dem HTML-Dialekt WML, Wireless Markup Language), sowie dem unsäglichen Download von Klingeltönen. Mit Grauen denke ich an die Zeit mit dem Crazy Frog zurück, und als in der Werbung gewappt wurde bis der Arzt kam. MMS erfreute sich einer gewissen Beliebtheit; mangels angebotener Inhalte konnte WAP hingegen nur als Flop bezeichnet werden, dafür gingen die Klingeltondownloads durch die Decke – und unzählige Deutsche Mark verschwanden in den Abgründen irgendwelcher halblegal zustande gekommener Abo-Verträge. Erst mit UMTS und Smartphones sowie Daten-Flatrates wurden Datendienste im mobilen Netz schließlich wirklich populär.
Über vom Handy angezeigte GPRS-Versorgung rümpfen wir heute nur noch die Nase, bedeutet es doch endlose Ladezeiten, die wir nicht mehr gewöhnt sind, weil unsere Webseiten an üppigere Übertragungsraten angepasst sind. Dennoch öffnete GPRS das Tor zum Internet, und die aus ihm entstandene Technologie verdrängt mit LTE gerade die alte Leitungsvermittlung komplett aus den Mobilfunknetzen. WhatsApp, Instagram oder Facetime wären ohne die Technik von GPRS undenkbar.
Als Päckchen billiger
Der Name General Packet Radio Service deutet bereits an, dass bei GPRS die Paketvermittlung zum Einsatz kommt: Dateien und Streams werden in Pakete (auch Datagramme genannt) einer bestimmten Länge zerlegt, die mit einem Header mit ihrer Zieladresse und einer laufenden Nummer versehen auf ihren Weg durch das Netz geschickt werden, den sie von Rechner zu Rechner individuell finden, je nachdem welche Route gerade die schnellste ist, und das kann sich sekündlich ändern. Am Ziel können sie anhand ihrer fortlaufenden Nummer wieder zu einer kompletten Datei oder einem Datenstrom zusammengesetzt werden. Verlorene oder fehlerhafte Pakete können etwa im TCP-Protokoll nochmals angefordert werden, so dass eine Datei mit Sicherheit fehlerfrei übertragen werden kann, oder alternativ wie im UDP-Protokoll, das typischerweise zum zeitkritischen Streamen von Audio oder Video verwendet wird, verworfen werden.
Um paketdatenfähig zu werden, musste das Netz mit zusätzlichen Komponenten erweitert werden:
![GPRS Netzarchitektur. Neue Knoten im Netz sind der SGSN und der GGSN. Während der SGSN über BSC und BTS die Verbindung zum Endgerät (MS = Mobile Station) hält, vermittelt der GGSN in öffentliche Datennetze (PDN = Packet Data Network) und benachbarte GPRS-Netze (PLMN = Public Land Mobile Network). Die beiden GSN-Typen haben Schnittstellen zu verschiedenen Komponenten des GSM-Netzes wie BSS, GMSC, HLR, VLR und EIR. Bild: [1].](https://i2.wp.com/scienceblogs.de/alpha-cephei/files/2018/09/GPRS-Architektur.jpg?ssl=1)
GPRS Netzarchitektur. Neue Knoten im Netz sind der SGSN und der GGSN. Während der SGSN über BSC und BTS die Verbindung zum Endgerät (MS = Mobile Station) hält, vermittelt der GGSN in öffentliche Datennetze (PDN = Packet Data Network) und benachbarte GPRS-Netze (PLMN = Public Land Mobile Network). Die beiden GSN-Typen haben Schnittstellen zu verschiedenen Komponenten des GSM-Netzes wie BSS, GMSC, HLR, VLR und EIR. Bild: [1].
Gateway GPRS Support Node – GGSN
Der GGSN bildet das eigentliche Tor zum Internet – auf der einen Seite kommuniziert er mit dem GSM-Netz und auf der anderen Seite mit dem Internet. Er erfüllt damit die Funktion eines Routers, er verbindet zwei Netze die mit unterschiedlichen Protokollen arbeiten.
Der GGSN stellt aber auch die Verbindung zu den MMS-Servern der Netzbetreiber her, denn die befinden sich nicht im freien Internet, sondern werden vom Netzbetreiber gehostet, und zu WAP-Gateways, die WWW-Seiten auf WML übersetzen können. In einigen Netzen bietet er über entsprechende Server weitere Dienste wie Push-to-Talk an.
Außerdem stellt er die Verbindung zu ausländischen Mobilfunknetzen her, so dass die heimischen Datendienste den eigenen Nutzern auch im Ausland zur Verfügung stehen.
Des weiteren kommuniziert der GGSN mit dem HLR, einerseits um den Teilnehmer im Falle eines an ihn gerichteten Datendienstes zu lokalisieren, andererseits um bestimmte Dienste abzurechnen.
Der GGSN ist aber vor allem mit den SGSNs verbunden.
Serving GPRS Support Node – SGSN
Der SGSN bedient die einzelnen Endgeräte und nimmt ihre Daten entgegen. Dazu ist er mit BSCs (oder ihren Entsprechungen im UMTS- und LTE-Netz, die wir in einem späteren Artikel kennen lernen werden) verbunden, die wiederum über das BSS mit den Endgeräten im Austausch sind. Sprachdaten leiten die BSCs an das MSC, Paketdaten hingegen an den SGSN, der sie an den GGSN weiterleitet.
Der SGSN sammelt dabei Informationen über das ausgetauschte Datenvolumen zur Abrechnung (und drosselt ggf. die Bandbreite, wenn das Flatrate-Volumen aufgebraucht ist). Daher kommuniziert er auch mit dem HLR, wo die Dienste des Nutzers verwaltet werden, und mit dem EIR, um ggf. gesperrten Geräten den Netzzugang zu verweigern. Der SGSN hat weiterhin eine Schnittstelle zum SMS-Centre, um SMS per GPRS zu übertragen, als deutlich schnellere Alternative zur klassischen SMS-Übertragung in den Signalisierungskanälen von GSM.
Schließlich verfügen einige SGSNs über Verbindungen zu GGSNs anderer Mobilfunknetze, wie oben beim GGSN bereits erwähnt – hier umgekehrt, um ausländischen Nutzern die Nutzung heimischer Datendienste im besuchten Netz zu ermöglichen.
SGSNs und GGSNs bilden somit eine Art parallele Paketdaten-Infrastruktur in Analogie zu den MSCs und Gateway MSCs des Sprachnetzes. Die Zuordnung von SGSNs zu den BSCs ist jedoch verschieden von derjenigen der MSCs zu den BSCs (und meist feinmaschiger), daher gibt es in Analogie zu den MSC-Location Areas separate Routing Areas und ein vom GSM-Sprachnetz separates Mobility Management (GMM, GPRS Mobility Management) mit vom Endgerät durchgeführten Routing Area Updates (RAU). Wenn ein Endgerät eine Routing Area verlässt und dies per RAU mitteilt, dann übernimmt eine andere SGSN die Versorgung des Endgeräts.
Tunnelblick
Für den Nutzer bzw. die Applikationen auf seinem Handy ist dies transparent. Ähnlich wie bei VPN-Protokollen baut der SGSN einen Tunnel auf, durch den die Daten in verschlüsselter Form zum GGSN transportiert werden (GPRS Tunnel Protocol, GTP). Für die Datenapplikation auf dem Endgerät sieht es dann so aus, als ob es direkt mit dem Internet, dem WAP-Gateway oder dem MMS-Server spräche, ohne sich um die Details der Übertragung zum SGSN und GGSN kümmern zu müssen. Insbesondere gaukelt der Tunnel der Applikation vor, dass sie permanent online sei – sie bekommt nichts davon mit, dass das Handy nur beim Datenaustausch rasch eine Verbindung zur Funknetz aufbaut. Der Tunnel fungiert also als höhere Schicht oberhalb der GPRS-Protokolle. Auch ein Teil des Verbindungsaufbaus läuft durch den Tunnel, über den die Dateninstanz im Handy direkt mit dem GGSN reden und die Verbindungsmodalitäten wie die gewünschte Kapazität der Verbindung aushandeln kann (s.u. PDP-Kontext-Aktivierung).
Luftschnittstelle
GPRS verwendet wie Sprache und CSD die Zeitschlitze (Slots) der Traffic Channels, allerdings nur temporär und niedriger priorisiert als Sprachkanäle. Wieviele Slots ein Endgerät maximal nutzen kann, ist durch seine Multislot-Klasse definiert. Multislotklasse 1 teilt dem Endgerät einen Slot im Downlink und einen im Uplink zu (1+1), entsprechend 9,05-21,4 kbit/s, je nach Güte der Fehlersicherung, die einen Teil der Nutzdatenrate auffrisst. Redundanz erlaubt es, defekte Bits zu rekonstruieren – je sicherer, desto geringer die Nutzdatenrate. Standard ist Multislotklasse 12 mit 4+4 (entsprechend ca. 56 kbps je Downlink und Uplink bei guter Fehlersicherung), wobei gleichzeitig aber höchstens 5 Zeitslots in Beschlag genommen werden dürfen (Halbduplex-Übertragung). Das ist sinnvoll, denn bei einem Dateidownload oder beim Browsen fließt nur sehr wenig Verkehr in die Uplinkrichtung, im Wesentlichen nur Bestätigungen über den korrekten oder fehlerhaften Empfang von Paketen. Bei Uploads ist es umgekehrt. Die höchste Klasse ist 34 mit 5+5 Slots (und 6 davon parallel). Eine Liste aller definierten Multislotklassen findet sich hier. Nicht alle davon sind im Gebrauch.
Der Kanalzugang erfolgt analog zum Sprachkanal, aber mit eigenen logischen Kanälen, die dem Protokoll zwischen Endgerät und BTS hinzugefügt wurden – es gibt einen extra Packet Broadcast Control Channel (PBCCH), in dem die Zelle ihre Identität und Routing Area kundtut, und einen eigenen Packet Random Access Channel (PRACH), auf dem ein Endgerät sich um die Zuteilung des Kanalzugriffs bewerben kann, der auf einem Packet Access Grant Channel (PAGCH) von der BTS beantwortet wird, wobei ihm eine Packet-TMSI (P_TMSI) zugeteilt wird. Und um ein Endgerät, dem jemand Daten zukommen lassen will, aufzuspüren, gibt es einen eigenen Packet Paging Channel (PPCH). Entsprechend gibt es ein eigenes GPRS Attach, um sich beim GPRS-Netz anzumelden. Der zur Nutzdatenübertragung verwendete Kanal heißt Packet Data Traffic Channel (PDTCH). Sendet eine Zelle keinen PBCCH, dann weiß das Endgerät, dass es in dieser Zelle keine Daten übertragen kann und wird sich eine andere suchen, falls ein GPRS Attach durchgeführt wird. Handys führen meist einen kombinierten Attach für Sprache und Daten durch, aber Datenmodems können sich auch separat nur für GPRS anmelden.
![Logische Kanäle im GPRS. Es gibt Kanäle für die Signalisierung (Control) und Nutzlast (Traffic). Broadcastkanäle werden an alle Teilnehmer gesendet, Common-Kanäle werden von allen Teilnehmern geteilt, Dedicated-Kanäle werden dediziert einem Teilnehmer zugewiesen. PBCCH = Packet Broadcast Control Channel (Zellinfo), PCCCH = Packet Common Control Channel, PRACH = Packet Random Access Channel (Anforderung Kanalzugang), PAGCH = Packet Access Grant Channel (Zuweisung Kanalzugang), PPCH = Packet Paging Channel (Teilnehmer aufspüren), PACCH = Packet Associated Control Channel (Verbindungsauf- und -abbau), PTCCH = Packet Timing Control Channel (Timing Advance information), PDTCH = Packet Data Traffic Channel (Nutzdaten). Bild: [1]](https://i2.wp.com/scienceblogs.de/alpha-cephei/files/2018/09/GPRS-Kanäle.jpg?ssl=1)
Logische Kanäle im GPRS. Es gibt Kanäle für die Signalisierung (Control) und Nutzlast (Traffic). Broadcastkanäle werden an alle Teilnehmer gesendet, Common-Kanäle werden von allen Teilnehmern gemeinsam genutzt, Dedicated-Kanäle werden einem Teilnehmer dediziert zugewiesen. PBCCH = Packet Broadcast Control Channel (Ausstrahlung Zellinfo), PCCCH = Packet Common Control Channel betstehend aus PRACH = Packet Random Access Channel (Anforderung Kanalzugang), PAGCH = Packet Access Grant Channel (Zuweisung Kanalzugang) und PPCH = Packet Paging Channel (Teilnehmer aufspüren); PACCH = Packet Associated Control Channel (Signalisierung während der Verbindung), PTCCH = Packet Timing Control Channel (Timing Advance Information), PDTCH = Packet Data Traffic Channel (Nutzdaten). Bild: [1]
Details zu den Prozeduren mit entsprechenden Protokolldiagrammen findet man in diesem schönen Dokument.
Aufbau der Datenverbindung
Wenn das Endgerät am GPRS-Netz angemeldet ist, muss eine Applikation (oder das Handy-Betriebssystem) noch die temporäre Datenverbindung aufbauen, bevor sie mit dem Senden und Empfangen loslegen kann. Im GPRS-Jargon bezeichnet man diese als Temporary Block Flow, TBF. Zum Aufbau des TBF benötigt das Netz Informationen über den gewünschten Datendienst (Ziel, Typ, Anforderungen). Diese werden in einem sogenannten PDP-Kontext festgelegt (PDP = Packet Data Protocol).
Ein PDP-Kontext muss zuerst definiert werden. Dazu gibt die Applikation dem Endgerät den gewünschten Access Point Namen (APN), die gewünschte Dienstgüte (Quality of Service, QoS), das gewünschte Datenprotokoll (PPP, IP), die IP-Adresse des Endgeräts (die aber auch erst noch zugeteilt werden kann) und einige weitere Informationen (wie das Authentifizierungsprotokoll) an. Der PDP-Kontext kann dann unter einer laufenden Nummer abgerufen werden, wenn er benötigt wird.
Der APN dürfte den meisten Nutzern schon begegnet sein, er ist ein vom Netz abhängiger Name des zu nutzenden Gateways im GGSN, also etwa Internet, MMS oder WAP. Beim im O2-Netz aufgegangen E-Plus-Netz lauteten die APNs beispielsweise internet.eplus.de, mms.eplus.de und wap.eplus.de. Bei O2 heißt er jetzt einfach internet und man braucht für MMS und WAP keine Extra-APNs mehr anzugeben.
In der Quality of Service können die gewünschte Datenrate, Verzögerungsklasse (Daten eilig?), Zuverlässigkeitsklasse (Datenverlust tolerierbar?) und Präzedenzklasse (Daten wichtig?) für den TBF angegeben werden (ob die dann genehmigt werden, entscheidet das Netz, aber fragen kostet ja nichts…).
Die IP-Adresse (v4 oder v6) kann statisch bereits beim GPRS-Attach oder dynamisch erst bei der PDP-Kontext-Aktivierung zugeteilt werden. Unter dieser Adresse ist das Endgerät innerhalb des Mobilfunknetzes für Datendienste ansprechbar.
Wenn Daten übertragen werden sollen, muss der PDP-Kontext aktiviert werden. Das Endgerät sendet dann einen PDP Context Activation Request an sein SGSN, das daraufhin einen Create PDP Context Request an den zum APN gehörigen GGSN stellt. Wenn nichts dagegen spricht, erfolgt eine Bestätigung vom GGSN an den SGSN und danach eine vom SGSN an das Endgerät, und dann kann dieses mit dem Datentransfer beginnen.
![PDP-Kontext-Aktivierung ausgehend vom Endgerät (MS = Mobile Station). Bild: [2]](https://i2.wp.com/scienceblogs.de/alpha-cephei/files/2018/09/PDP-Kontext-Aktivierung-durch-MS.jpg?ssl=1)
PDP-Kontext-Aktivierung ausgehend vom Endgerät (MS = Mobile Station). Bild: [2]
Auch der GGSN kann einen PDP-Kontext öffnet, um ein Endgerät für ein TBF zu erreichen.
![PDP-Kontext-Aktivierung ausgehend vom GGSN. Bild: [2]](https://i1.wp.com/scienceblogs.de/alpha-cephei/files/2018/09/PDP-Kontext-Aktivierung-durch-GGSN.jpg?ssl=1)
PDP-Kontext-Aktivierung ausgehend vom GGSN. Bild: [2]
Fit für die Zukunft
Fast alles vom hier Gelesenen findet sich auch in UMTS und LTE wieder, und man hat einen Großteil von UMTS und LTE verstanden, wenn man GPRS durchblickt hat. Man kann sagen, dass mit GPRS der Grundstein für UMTS gelegt wurde.
Während die analogen A-, B- und C-Netze als Netze der ersten Generation (1G), das GSM-Netz (wie auch seine damaligen amerikanischen und asiatischen Konkurrenten) als zweite Generation (2G) und UMTS als 3G bezeichnet werden, wird GPRS oft als 2,5G bezeichnet. Die Datenrate war bei der Einführung von GPRS allerdings schon unbefriedigend, weil die Festnetznutzer schon Megabits pro Sekunde gewohnt waren und damit Webseiten mit Grafik und Video herunterladen konnten, was mit dem Laptop über das GPRS-Modem oder -Handy unerträglich lange dauerte. Daher unternahm man vor der Einführung von UMTS den Versuch GPRS mit höherer Datenrate aufzupeppen, ohne das ganze Netz umkrempeln zu müssen. Die entsprechende Netztechnologie (die unter 2,75G läuft) heißt Enhanced Data Rates for GSM Evolution, kurz EDGE. Die schauen wir uns beim nächsten Mal an.
Referenzen
[1] Renju Narayanan, Ljiljana Trajkovic, “General Packet Radio Service OPNET Model“, Proceedings OPNETWORK 2006 Wahington DC, August 2006.
[2] PDP Context Management, eTutorials.
[3] en.wikipedia.org, General Packet Radio Service.
[4] en.wikipedia.org, GPRS Core Network.
Abkürzungen
| APN | Access Point Name |
| BSC | Base Station Controller |
| BSS | Base Station Subsystem |
| BTS | Base Transceiver Station (Basisstation) |
| CSD | Circuit Switched Data |
| EDGE | Enhanced Data Rates for GSM Evolution |
| EIR | Equipment Identity Register |
| GGSN | Gateway GPRS Support Node |
| GMM | GPRS Mobility Management |
| GMSC | Gateway Mobile Switching Centre |
| GPRS | General Packet Radio Service |
| GSM | Global System for Mobile Communications |
| GTP | GPRS Tunnel Protocol |
| HLR | Home LocationRegister |
| IP | Internet Protocol |
| LTE | Long Term Evolution |
| MMS | Multimedia Message Service |
| MS | Mobile Station (Mobiltelefon) |
| MSC | Mobile Switching Centre |
| PACCH | Packet Associated Control Channel |
| PAGCH | Packet Access Grant Channel |
| PBCCH | Packet Broadcast Control Channel |
| PCCCH | Packet Common Control Channel |
| PDN | Packet Data Network (Datennetz) |
| PDP | Packet Data Protocol |
| PDTCH | Packet Data Traffic Channel |
| PLMN | Public Land Mobile Network (Mobilfunknetz) |
| PPCH | Packet Paging Channel |
| PPP | Point-to-Point Protocol |
| PRACH | Packet Random Access Channel |
| P_TMSI | Packet Temporary Mobile Suscriber Identity |
| PTCCH | Packet Timing Control Channel |
| RAU | Routing Area Update |
| SGSN | Serving GPRS Support Node |
| TBF | Temporary Block Flow |
| TCP | Transmission Control Protocol |
| UDP | User Datagram Protocol |
| UMTS | Universal Mobile Telecommunications System |
| VLR | Visitor Location Register |
| VPN | Virtual Private Network |
| WML | Wireless Markup Language |
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