GSM - Mobilfunknetz in Deutschland

 

Dieses Referat soll den geschichtlichen und technischen Werdegang des GSM-Mobilfunknetzes, und der dafür in Betracht kommenden Modulationsartennäher beleuchten.   Desweiteren wird die Netzarchitektur , wie z.B. Mobiltelefon oder Basisstation mittels Bildern und technischen Erläuterungen näher erklärt.  Zusätzlich wird auch noch auf die wichtigsten Leistungsmerkmale des Netzes eingegangen.

Netzarchitektur der GSM-Netze  1992 beginnt der kommerzielle Start der GSM-Netze. Zunächst gibt es nur die D-Netze mit den Anbietern D1 Telekom und D2privat (später Vodafone). Diese Anbieter benutzen bis heute vorwiegend GSM 900.  Später hinzugekommene Anbieter wie O2 und E-plus benutzen das sogenannte E-Netz(GSM 1800). GSM 900 und GSM 1800 stehen repräsentativ für die Frequenzbänder 900 Mhz und 1800 Mhz.Die Aufteilung des Netzes erfolgt wieder über sogenannte Funkzellen. Zellenradius: (0,5km bis zu 40 km).

Die GSM-Frequenzrahmenstruktur sieht wie folgt aus:

Im D-Netz beispielsweise liegt der Empfangsbereich von der Basisstation zur Mobilstation zwischen 935 Mhz und 960 Mhz. Umgekehrt liegt der Sendebereich von der Mobilstation zur Basisstation zwischen 890 Mhz und 915 Mhz.   Bei einem Kanalabstand von 200 Khz ergeben sich 125 physikalische Kanäle. Da aber ein Kanal für Sonderzwecke reserviert ist, ergeben sich für die Massen- kundschaft nur 124 Kanäle.  Jeder Kanal stellt einen GSM Zeitschlitzrahmen mit 8 Zeitschlitzen dar, welcher genau 4,615 ms lang.  

Im zumeist benutzten Full Rate Modus (FR), der die beste Sprachqualität auf GSM bietet, ergeben sich also pro Basisstation im D-Netz 8*124 = 992 Verbindungen.Versuchen pro Basisstation mehr als 992 Teilnehmer eine Verbindung aufzubauen, verwenden die Mobilfunkanbieter den sogenannten Half Rate Modus (HR).In diesem Modus wird durch höhere Komprimierung erreicht, daß ein Zeitschlitz zweimal genutzt werden kann. Man erreicht damit die doppelte Anzahl von Verbindungen, nämlich 1984. Beim E-Netz sind aufgrund von 374 physikalischen Kanälen bis zu 5952 Verbindungen möglich.

Die GSM-Gesamtinfrastruktur:

Technische Parameter: 

 

 

 

 

 

Parameter GSM -900 DCS-1800

Frequenzbereich (Uplink) 890- 915 MHz1710- 1785

MHz

Frequenzbereich (Downlink)

935 - 960 MHz1805- 1855

MHz

Kanalanzahl ( Fullrate ) 992 2976

Kanalanzahl (Halfrate) 1984 5952

DuplexverfahrenFrequenz-

duplexFrequenz-

duplex

Duplexabstand 45 MHz 95 MHz

Multiplexverfahren FDMA FDMA

Modulation GSMK GSMK

Sprachkodierer RPE-LTP RPE-LTP

Netto-Sprachübertragungsrate

13.000 bps 13.000 bps

Datenübertragungsrate 9.600 bps 9.600 bps

Kanalabstand 200 kHz 200 kHz

Kanalabstand 200 kHz 200 kHz

Trägerfrequenzen 124 374

Zeitschlitze 8 8

Max. Sendeleistung Basisstation

320 W (55 dBm)

20 W (43 dBm)

Max. Sendeleistung Mobilstation

8 W (39 dBm) 1 W (30 dBm)

Min. Sendeleistung Mobilstation

0,02 W (13 dBm)

0,0025 W (4 dBm)

Max. Reichweite < 35 km 8-10 km

Mobile Station (MS)   Unter dem Begriff Mobile Station ist zumeist das Mobilfunktelefon zu verstehen.Es kann sich aber auch um ein GSM-Modem, oder eine PCMCIA-Karte am tragbarenRechner handeln, mit der Daten ausgetauscht werden.Primäre Aufgabe der MS ist die Sprachübermittlung.Neben der Sprachübermittlung finden aber auch andere Dienste wie z.B. SMS, MMS und Datenübertragungen anderer Art statt.Die Sendeleistung beträgt beim D-Netz zwischen 20mW und 8W (E-Netz 1W).

Die Sendeleistung der MS ist in 22 verschiedenen Leistungsstufen unterteilt.Das heißt, daß die MS von ihrer zugeordneten Basisstation permanent Informationen über die eigene Empfangsfeldstärke bei der Basisstation erhält. Ist die Feldstärke gering, regelt die MS automatisch die Sendeleistung nach oben. Im anderen Fall ist es genau umgekehrt. Erscheinen auf der Anzeige beispielsweise nur sehr wenige Balken, so heißt das, daß die zugehörige Basisstation die MS schlecht empfängt. Das Gerät muß seine Sendeleistung nach oben anpassen und auch umgekehrt.

BSS (Base Station Subsystem) Unter einer BSS versteht man im allgemeinen die Sendemasten die an sendetechnisch günstigen Punkten aufgestellt sind. Sie stellen also einen Teil der Luftschnittstellen zwischen den mobilen Apparaten und dem gesamten Mobilfunksystem dar. Im nachfolgenden Bild ist eine Basisstation des Anbieters D1 zu sehen.

Die Sendeleistung beträgt bei den Basisstationen zwischen 2W und 400 W.Bei größerer Infrastrukturdichte werden die Basisstationen auch mit deutlich wenigerSendeleistung gefahren (z.B. in der Nähe von öffentlichen Einrichtungen). An ungünstigen Orten (z.B. in U-Bahnen) werden sogenannte Mikrozellen errichtet.Damit ist die Nutzung der GSM-Dienste auch an schwierigen Orten, wie in Zügen noch möglich. Aufgrund der vielen Basisstationen erreicht das Netz mittlerweile eine Flächenabdeckung von nahezu 99%.  Die Basisstation verfügt ebenso wie die MS über 22 Leistungsstufen.

Vermittlungsteilsystem, Network Subsystem NSS  Das Netzelement NSS ist die übergeordnete Instanz zur Überwachung der in einem bestimmten Bereich angesiedelten Basisstationen. Zur Überwachung derselben gehört auch noch die Qualitätsüberwachung der Funkverbindungen. Aber auch die Zellenwechsel (Handover), sowie das Weiterleiten der Daten ins VLR beim MSC (Mobile Switching Center) gehören u.a. zu den Aufgaben.  Insgesamt kann gesagt werden, daß das NSS die Vorfeldaufgaben des MSC übernimmt.

Vermittlungshauptsystem, Mobile Switching System MSC

Beim MSC (Mobile Switching System) handelt es sich um die Hauptvermittlungsstelle im GSM-System. Hier werden nicht nur die Dienste im GSM-Netz intern vermittelt, sondern das MSC stellt auch noch die Verbindung nach extern über das GMSC (GatewayMSC) in das digitale ISDN-Netz her.  Im MSC findet zudem die Gesamtüberwachung des Regionalnetzes statt. Weiterhin befinden sich im MSC noch das VLR, HLR, AUC und EIR. Im VLR werden diejenigen Nutzer registriert und organisiert welche in einem anderen MSC beheimatet sind. Das HLR dagegen beinhaltet die Nutzer, welche in dieser MSC dauerhaft gemeldet sind.  Das AUC (Authentication Center) ist zuständig für die Einbuchung der aktivierenden Mobilstationen. Es überprüft aber auch die Berechtigungen für bestimmte Leistungsmerkmale.  Im EIR (Equipment Identity Register) werden die IMEI (Gerätenummern) registriert, um einen statistischen Überblick der eingesetzten Endgeräte zu erhalten.

Leistungsmerkmale im Netz:

Trägerdienste:

Zu den reinen Transportdiensten gehören: 

leitungsvermittelte Datenübertragung (synchron mit 2.400, 4.800 oder 9.600 bps),

 

leitungsvermittelte Datenübertragung (asynchron mit 300 - 1.200 bps),

 

paketvermittelte Datenübertragung (synchron mit 2.400, 4.800 oder 9.600 bps),

 

paketvermittelte Datenübertragung (asynchron mit 300 - 9.600 bps).

 

Telefondienst

SMS (Short Message Service), MMS (Multimedia Message Service)Versenden einer Nachricht mit bis zu 160 Zeichen, bzw. Versenden von Bildern.

Faxservice Gruppe 3 und 4 mit bis zu 64 kbit/s.

Basisdienste:

Rufumleitung bzw. Rufweiterleitung

Konferenzschaltung

Makeln

u.v.m.

Zusatzdienste:

Weiterentwicklungen von GSM