mini|GSM-Logo (seit 2000) mini|GSM-Logo (bis 2000)
Das Global System for Mobile Communications (früher Groupe Spécial Mobile, GSM) ist ein 1990 eingeführter Mobilfunkstandard für volldigitale Mobilfunknetze, der hauptsächlich für Telefonie, aber auch für leitungsvermittelte und paketvermittelte Datenübertragung sowie Kurzmitteilungen (Short Messages) genutzt wurde, der damit in Nachfolge der analogen Systeme der ersten Generation (in Deutschland des A-, B- und C-Netzes) der erste Standard der sogenannten zweiten Generation (2G) und als solcher zeitweilig der weltweit am meisten verbreitete Mobilfunk-Standard war.
GSM wurde mit dem Ziel geschaffen, ein mobiles Telefonsystem anzubieten, das Teilnehmern eine europaweite Mobilität erlaubte und mit ISDN oder herkömmlichen analogen Telefonnetzen kompatible Sprachdienste anbot.
In Deutschland ist GSM die technische Grundlage der D- und E-Netze. Hier wurde GSM 1991 eingeführt, was zur raschen Verbreitung von Mobiltelefonen in den 1990er-Jahren führte. Der Standard wurde in 670 GSM-Mobilfunknetzen in rund 200 Ländern und Gebieten der Welt als Mobilfunkstandard genutzt; dies entsprach einem Anteil von etwa 78 Prozent aller Mobilfunkkunden. Es gab später hinzugekommene Erweiterungen des Standards wie HSCSD, GPRS und EDGE zur schnelleren Datenübertragung.
Im März 2006 nutzten weltweit 1,7 Milliarden Menschen GSM und täglich kamen eine Million neue Kunden dazu – hauptsächlich aus den Wachstumsmärkten Afrika, Indien, Lateinamerika und Asien. Rechnete man alle Mobilfunkstandards zusammen, so waren weltweit ca. 2 Milliarden Menschen mobiltelefonisch erreichbar. Das gaben die GSM Association und die GSA im Oktober 2005 bekannt. Im Jahr 2003 wurden (nach Angaben der Deutschen Bank) 277 Milliarden US-Dollar mit GSM-Technik umgesetzt.
Entstehung von GSM mini|hochkant=1|Erste GSM-Telefone (1991)
Ende der 1950er Jahre nahmen die ersten analogen Mobilfunknetze in Europa ihren Betrieb auf; in Deutschland war dies das A-Netz. Ihre Bedienung war jedoch kompliziert, und sie verfügten nur über Kapazitäten für wenige tausend Teilnehmer. Zudem gab es innerhalb Europas nebeneinander mehrere verschiedene Systeme, die zwar teilweise auf dem gleichen Standard beruhten, sich aber in gewissen Details unterschieden. Bei der nachfolgenden Generation der digitalen Netze sollte daher eine ähnliche Situation vermieden werden.
Jahr Ereignis 1982 Bei der CEPT (Europäische Konferenz der Verwaltungen für Post und Telekommunikation) wird die Groupe Spécial Mobile (etwa Arbeitsgruppe für Mobilfunk) eingerichtet. Ihre Aufgabe ist es, einen einheitlichen pan-europäischen Mobilfunkstandard zu entwickeln. Beteiligt sind 26 europäische Telekommunikationsunternehmen.1985 Deutschland, Italien und Frankreich unterzeichnen einen ersten Entwicklungsvertrag für den neuen Standard.1987 17 GSM-Netzbetreiber in spe aus 15 europäischen Ländern bilden eine Kooperation und unterzeichnen am 7. September in Kopenhagen das GSM MoU (Memorandum of Understanding). 1989 Die Groupe Spécial Mobile wird ein Technical Committee beim Europäischen Institut für Telekommunikationsnormen (ETSI), das durch die CEPT 1988 gegründet worden war. Das Projekt erhielt zusätzliche Dynamik, weil am ETSI Netzbetreiber, Hersteller und Regulierer gemeinsam tätig waren.1989 In Deutschland erhalten die Deutsche Bundespost und Mannesmann die Lizenz, je ein Netz auf GSM-Basis aufzubauen (die sogenannten D-Netze). 1990 Die Spezifikationen der Phase 1 des GSM-900-Standards werden eingefroren, d. h., sie werden nicht mehr verändert und können für die Herstellung von Mobiltelefonen und Netztechnik verwendet werden.1990 Die Anpassung der Spezifikationen an den Frequenzbereich bei 1800 MHz (DCS 1800) beginnt.1991 Die Groupe Spécial Mobile wird umbenannt in Standard Mobile Group (SMG). GSM bleibt erhalten als Bezeichnung für den Standard selbst und steht nun für Global System for Mobile Communications.1991 Die Spezifikationen für DCS 1800 werden eingefroren.1991 Die ersten lauffähigen Systeme werden vorgeführt (z. B. auf der Messe Telecom 91).1992 Die ersten GSM-Mobiltelefone kommen auf den Markt. 1992 Viele europäische GSM-900-Betreiber beginnen mit dem kommerziellen Netzstart. Im Sommer nehmen in Deutschland die Netze D1 (Betreiber: DeTeMobil Deutsche Telekom Mobilfunk) und D2 (Betreiber: Mannesmann Mobilfunk) den Betrieb auf. In der Schweiz wird Natel D auf GSM-Basis lanciert.2000 Die GSM-Standardisierungsaktivitäten werden nach 3GPP überführt. Die Arbeitsgruppe dort trägt die Bezeichnung TSG GERAN (Technical Specification Group GSM EDGE Radio Access Network).2007 Erste Vorschläge zur Nutzung von SIP-Nummern mit GSM
Technik
Allgemein mini|hochkant=1|Mobilfunk-Sendemast
Im Unterschied zum Festnetz gibt es bei einem Mobilfunknetz diverse zusätzliche Anforderungen: Teilnehmerauthentifizierung Kanalzugriffsverfahren Mobilitätsverwaltung (HLR, VLR, Location Update, Handover, Roaming) Die Teilnehmer sind mobil und können somit von einer Funkzelle in eine andere wechseln. Geschieht dies während eines Gesprächs oder einer Datenverbindung, dann muss die Gesprächsverbindung von einer Basisstation zur nächsten übergeben werden (Handover), damit das Mobiltelefon seine Funkverbindung immer zu der bestgeeigneten Basisstation bekommt. In Ausnahmefällen kann das Gespräch auch über eine benachbarte Basisstation geführt werden, um Überlastungen zu vermeiden. effiziente Ressourcenausnutzung Da auf der Funkschnittstelle eine geringere Datenübertragungsrate als im Festnetz zur Verfügung steht, müssen die Nutzdaten stärker komprimiert werden. Um den Anteil der Datenübertragungsrate, der für Signalisierungsvorgänge verwendet werden muss, klein zu halten, wurden die Signalisierungsnachrichten bitgenau spezifiziert, um sie so kurz wie möglich zu halten. Mobiltelefone verfügen nur über eine begrenzte Akkukapazität, die sparsam genutzt werden sollte. Generell gilt, dass Senden mehr Energie kostet als Empfangen. Deshalb sollte im Standby-Betrieb die Menge der gesendeten Daten und der Statusmeldungen möglichst gering gehalten werden. Nutzung von Fremdnetzen (Roaming)
Standardisierung Die Standardisierung von GSM wurde bei CEPT begonnen, von ETSI (Europäisches Institut für Telekommunikationsnormen) weitergeführt und später an 3GPP (3rd Generation Partnership Project) übergeben. Dort wird GSM in Arbeitsgruppen unter anderem für Core Network und Radio Access Network (GERAN) weiter standardisiert. 3GPP ist somit für GSM, UMTS und auch für weitere Generationen des Mobilfunkstandards verantwortlich.
Reichweite Die mit GSM erzielbaren Reichweiten schwankten stark, je nach Geländeprofil und Bebauung. Im Freien bei Sichtkontakt sind bis zu 35 km erreichbar. Bei größeren Entfernungen verhinderte die Signallaufzeit der Funksignale eine Kommunikation zwischen Basis- und Mobilstation. Es war allerdings mit Hilfe spezieller Tricks möglich, die Zellengröße zu vergrößern, aber auf Kosten der Kapazität, da nur jeder zweite Zeitschlitz belegt werden kann. Anwendung fand dies in Küstenregionen (z. B. Helgoland). In Städten betrug die Reichweite aufgrund von Dämpfungen durch Gebäude und durch die niedrigere Antennenhöhe oft nur wenige hundert Meter, dort standen die Basisstationen allerdings aus Kapazitätsgründen auch dichter beieinander.
Grundsätzlich galt jedoch, dass mit GSM 900 aufgrund der geringeren Funkfelddämpfung und der größeren Ausgangsleistung der Endgeräte größere Reichweiten erzielbar waren als mit DCS 1800.
Entsprechend der Reichweite wurde die Zellengröße festgelegt. Dabei wurde auch die prognostizierte Nutzung berücksichtigt, um Überlastungen zu vermeiden.
Physikalische Übertragung über die Funkschnittstelle mini|hochkant=1.4|GSM-Rahmenstruktur, oben Frequenzzuordnung, unten zeitlicher Aufbau
Die digitalen Daten werden mit einer Mischung aus Frequenz- und Zeitmultiplexing übertragen, wobei Sende- und Empfangsrichtung durch Frequenzmultiplexing getrennt werden und die Daten durch Zeitmultiplexing. Das GSM-Frequenzband wird in mehrere Kanäle unterteilt, die einen Abstand von 200 kHz haben. Bei GSM 900 sind im Bereich von 890–915 MHz 124 Kanäle für die Aufwärtsrichtung (Uplink) zur Basisstation und im Bereich von 935–960 MHz 124 Kanäle für die Abwärtsrichtung (Downlink) vorgesehen. Die TDMA-Rahmendauer beträgt exakt 120/26 ms (ca. 4,615 ms) und entspricht der Dauer von exakt 1250 Symbolen. Jeder der acht Zeitschlitze pro Rahmen dauert somit ca. 0,577 ms, entsprechend der Dauer von 156,25 Symbolen. In diesen Zeitschlitzen können Bursts verschiedener Typen gesendet und empfangen werden. Die Dauer eines normalen Bursts beträgt ca. 0,546 ms, in denen 148 Symbole übertragen werden.
Da die Mobilstation jeweils nur in einem Zeitschlitz des Rahmens sendet, ergibt sich eine Pulsrate von 217 Hz.H.-Peter Neitzke, Jürgen van Capelle, Katharina Depner, Kerstin Edler, Thomas Hanisch: Risiko Elektrosmog? Auswirkungen elektromagnetischer Felder auf Gesundheit und Umwelt. Birkhäuser Verlag, 1994, ISBN 3-7643-5014-8, S. 406.
Das Modulationsverfahren ist Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK, dt.: Gauß’sche Frequenzumtastung), eine digitale Frequenzumtastung, bei der die Amplitude konstant bleibt. Mit EDGE wurde dann 8-PSK eingeführt. Während bei GMSK pro Symbol nur 1 bit übertragen wird, sind dies bei 8-PSK 3 bit, jedoch wird für die Funkverbindung ein besseres Signal-Rauschleistungsverhältnis benötigt.
Da bei einer Entfernung von mehreren Kilometern das Funksignal aufgrund der Gruppengeschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit aus der Entfernung plus Kabel der Basisstation) so weit verzögert werden kann, dass der Burst des Mobiltelefons nicht mehr innerhalb des vorgegebenen Zeitschlitzes bei der Basisstation ankommt, ermittelt diese die Signallaufzeit und fordert das mobile Gerät (Mobiltelefon) auf, den Burst etwas früher auszusenden. Dazu teilt sie dem mobilen Gerät den Parameter Timing Advance (TA) mit, der den Sendevorlauf in 3,7-μs-Schritten vorgibt. Dies entspricht jeweils der Zeitdauer eines Bits, wobei die Bitrate 270,833 kbit/s beträgt (siehe unten). Der Timing Advance hat einen Wertebereich von 0 bis 63. Die Dauer eines Bits entspricht einer Wegstrecke von ca. 1,106 km, und da für die Laufzeit Hin- und Rückrichtung zusammen betrachtet werden müssen, entspricht eine Änderung des Timing Advances um eins einer Entfernungsänderung von etwas mehr als 553 m. Somit ergibt sich eine maximale Reichweite von ca. 35,4 km.
Nach dem Empfangsburst schaltet das Mobiltelefon auf die um 45 MHz versetzte Sendefrequenz und sendet dort den Burst des Rückkanals an die Basisstation. Da Downlink und Uplink um drei Zeitschlitze versetzt auftreten, genügt eine Antenne für beide Richtungen. Zur Erhöhung der Störfestigkeit kann auch das Frequenzpaar periodisch gewechselt werden (frequency hopping), so entsteht eine Frequenzsprungrate von 217 Sprüngen pro Sekunde.
Bei einer Bruttodatenübertragungsrate von ca. 270,833 kbit/s pro Kanal (156,25 Bits in jedem Burst zu 15/26 ms) bleiben je Zeitschlitz noch 33,85 kbit/s brutto übrig. Von dieser Datenrate sind 9,2 kbit/s für die Synchronisation des Rahmenaufbaus reserviert, so dass 24,7 kbit/s netto für den Nutzkanal übrig bleiben. Durch die Übertragung per Funk liegen in diesem Bitstrom noch viele Bitfehler vor.
Die Datenrate pro Zeitschlitz von 24,7 kbit/s wird in 22,8 kbit/s für die kodierten und verschlüsselten Nutzdaten des Verkehrskanals (Traffic Channel) und 1,9 kbit/s für die teilnehmerspezifischen Steuerkanäle (Control Channel) aufgeteilt. Die Kanalkodierung beinhaltet eine Reihe von Fehlerschutzmechanismen, sodass für die eigentlichen Nutzdaten noch 13 kbit/s übrig bleiben (im Fall von Sprachdaten). Eine später eingeführte alternative Kanalkodierung erlaubt die Verringerung des Fehlerschutzes zugunsten der Anwendungsdaten, da bei Datenübertragungsprotokollen im Gegensatz zur Sprachübertragung bei Bitfehlern eine Neuanforderung des Datenblocks möglich ist.
Sendeleistung