GSM-Netzarchitektur

Die GSM-Netzarchitektur gliedert sich in 3 Teile. Zum besseren Verständnis werden die Sub-Systeme einzeln beschrieben und die Zusammenhänge dargestellt.

  • Radio Sub-System
  • Switching Sub-System
  • Operation & Maintenance Sub-System

Die Netzarchitektur von GSM ist für die Übertragung von Sprache ausgelegt. Zusätzliche Dienste, z. B. Datenübertragung erfordern Netzelemente, die in den folgenden Ausführungen nicht berücksichtigt sind. Die Darstellungen und Beschreibungen sind trotz der komplexen realen Netzarchitektur so einfach wie möglich gehalten. Veränderungen durch Erweiterungen des GSM-Standards und der Konvergenz der Netze (NGN/IMS) sind in der folgenden Beschreibung nicht berücksichtigt.

Radio Sub-System

GSM - Radio Sub-System
Die Mobile Station (MS) ist in der GSM-Mobilfunkarchitektur das eigentliche Mobilfunktelefon. Aber, es kann sich hier auch um ein GSM-Modem für die Datenübertragung handeln. Die Mobile Station ermöglicht dem Nutzer den Zugang zum Mobilfunknetz. Die Hauptaufgabe ist das Empfangen und Senden von Nutz- und Steuerdaten. Zusätzliche Schnittstellen am Mobiltelefon ermöglichen die Kommunikation mit anderen Geräten.
In der MS befindet sich die SIM-Karte (Subscriber Identify Module). Es handelt sich dabei um eine Smartcard, die die Identifikation ermöglicht und die Zugangsberechtigung zum Mobilfunknetz regelt. Diese Karte kann aber auch als Speicherplatz für das Telefonbuch, Kurzmitteilungen und andere benutzerdefinierte Daten und netzseitig vorgesehene Anwendungen verwendet werden.
Die Versorgung der Funkzelle übernimmt die Base Transceiver Station (BTS). Das ist die Basisstation. Sie übernimmt die Signalverarbeitung für die Funkzelle und kommuniziert über die Um-Schnittstelle (Luft- oder Funkschnittstelle) mit den Mobile Stations (MS).
Der maximal zulässig Funkzellen-Radius von GSM liegt bei 34,88 km. Aufgrund geringerer Sendeleistung, geländebedingter Begebenheiten und kleineren Zellen in Ballungsgebieten, fällt die Reichweite und somit der Radius der Funkzelle in der Praxis deutlich geringer aus. Höchstens auf dem flachen Land kommt es zu einer so hohen Reichweite.
Je nach Netzkonfiguration sind 10 bis 100 Basisstationen an einem Base Station Controller (BSC) angeschlossen. Nicht jede Basisstation hat eine direkte Verbindung zu ihrem BSC. Manchmal wird eine Basisstation über eine andere Basisstation geschleift. Diese sind über Leitungen oder Richtfunkstrecken mit einer anderen Basisstation verbunden.
Der BSC hat die Aufgabe für den Verbindungsaufbau den Funkkanal auszuwählen, über Handover und Leistungsregelung zu entscheiden. Die beiden letzten Punkte werden je nach Hersteller auch in der Basisstation vorgenommen. Den BSC benützt man auch, um den Mobilfunkverkehr in der Systemarchitektur zusammenzufassen und um auf dem Weg zur Vermittlungsstelle Leitungskosten zu sparen.
Durch die geringere Datenrate im Funknetz ist das GSM-Funksignal stark komprimiert und muss zur Weiterverarbeitung in der Vermittlungsstelle (MSC) angepasst werden. Bevor die Sprachübertragung in das Vermittlungssystem (MSC) übergeht, wandelt die Transcoding und Rate Adaption Unit (TRAU) das GSM-Sprachsignal mit 13 kBit/s in ein PCM-Signal mit 64 kBit/s um. Außerdem übernimmt die TRAU auch die Datenratenanpassung für die Datendienste. Obwohl die TRAU dem Radio Sub-System zugeordnet ist, ist sie häufig in die Vermittlungsstelle (MSC) integriert.

Switching Sub-System

GSM - Switching Sub-System
Das Mobile Switching Center (MSC) ist die Mobilfunkvermittlungsstelle. Sie übernimmt die Verwaltung der Verbindungen und der Nutzerdaten. In einer sogenannten Heimatdatei (HLR - Home Location Register) sind die Daten jedes Kunden gespeichert. Unter anderem auch die Rufumleitungen und die Gesprächsdaten für die Gebührenabrechnung.
Schaltet ein Kunde sein Handy ein, stellt es eine Verbindung zur nächsten Basisstation her. Danach werden die Daten der SIM-Karte an die Basisstation gesendet. Die Daten werden mit der Heimatdatei (HLR) abgeglichen und der aktuelle Standort des Handys gespeichert. In der Mobilfunkvermittlungsstelle (MSC), an der die Basisstation angeschlossen ist, wird eine Besucherdatei (VLR - Visitor Location Register) angelegt. Dort wird die Heimatdateiadresse und die Rufnummer des Handys gespeichert. Verlässt ein Handy-Nutzer den Einzugsbereich einer Vermittlungsstelle, wird die Rufnummer in der Besucherdatei wieder gelöscht und in der neuen Vermittlungsstelle gespeichert. Mit Hilfe der Dateien kann jederzeit der Standort eines Handys ermittelt werden, wenn es eingeschaltet ist.
Neben Heimatdatei (HLR) und Besucherdatei (VLR) gibt es eine Beglaubigungszentrale (AuC - Authentication Center). Es handelt sich um eine Datenbank, die Informationen enthält, die die Funkschnittstelle gegen unberechtigtes Abhören schützt. Hierzu zählt der Geheimschlüssel, der auch auf der SIM-Karte abgelegt ist. Dieser wird zur Verschlüsselung und Authentifizierung des Funkkanals verwendet.
Jedes Handy (Mobile Station) ist mit einer international gültigen Kennung gekennzeichnet. Diese Kennung ist die IMEI-Nummer (International Mobile Equipment Identity). Diese Nummer wird in der Identitätsdatei (EIR - Equipment Identity Register) gespeichert, wenn das Gerät als defekt oder gestohlen gemeldet ist.
Eine besondere Rolle hat das Gateway-MSC (GMSC) inne. Es stellt den Übergang in andere Netze dar, die mit dem Mobilfunknetz Verbindung aufbauen wollen. Wird ein Mobilfunkteilnehmer aus dem Festnetz angerufen, so ermittelt das GMSC in der Heimatdatei (HLR) die zuständige MSC und vermittelt den Ruf dorthin weiter. Die Signalisierung innerhalb der Netzelemente des Vermittlungssystems erfolgt über das Zeichengabesystem Nr. 7 (SS7).

Operation and Maintenance Sub-System

GSM - Operation and Maintenance Sub-System
Das Operation and Maintenance Center (OMC) ist die Betriebs- und Wartungszentrale eines GSM-Netzes. Man unterscheidet zwischen den Basisstationen (OMC-B) und den Vermittlungsstellen (OMC-S).
Ein OMC ist ein System, das einen Teil des Gesamtmobilfunknetzes überwacht. An dieser Stelle werden Fehler lokalisiert und behoben. Netzelemente konfiguriert und neue Software eingespielt. Teilnehmer neu eingerichtet und die Gebührenabrechnung erstellt. In der Regel unterhält jeder Netzbetreiber eine einzige Hauptzentrale, die auf 10 oder mehr OMCs zugreift.
Obwohl die EIR und AuC funktionell an die Vermittlungsstellen (MSC) angebunden sind, werden beide Datenbanken organisatorisch den OMCs zugeordnet. Dort werden sie gepflegt.

Übersicht der Netzelemente in der GSM-Netzarchitektur

Abk. Name Beschreibung
AuC Authentication Center Zugangsberechtigungszentrale
BSC Base Station Controller Steuerung mehrer Basisstationen

BTS

Base Transceiver Station Basisstation
EIR Equipment Identity Register Datenbank für die Geräte-Kennung IMEI
GMSC Gateway-MSC Vermittlungsstelle mit Schnittstelle in andere Netze
HLR Home Location Register Heimatdatei
MS Mobile Station Mobilfunktelefon, Handy
MSC Mobile Switching Center Mobilfunkvermittlungsstelle
OMC Operation and Maintenance Center Betriebs- und Wartungszentrale
SIM Subscriber Identify Module Karte mit Chip zum Speichern benutzerdefinierter Daten und Zugriffsberechtigung
TRAU Transcoding und Rate Adaption Unit Umsetzung von Datenraten
VLR Visitor Location Register Besucherdatei

Dienste und Infrastruktur für die Datenübertragung im GSM-Mobilfunknetz

GSM-Technik

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