Difference between revisions of "Examples of Communication Systems/General Description of GSM"

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==Cellular structure of GSM ==  
 
==Cellular structure of GSM ==  
 
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Ein Charakteristikum von GSM ist die&nbsp; '''zellulare Netzstruktur''', die für einfache Berechnungen häufig durch Hexagone – also durch Sechsecke – entsprechend der linken Grafik idealisiert beschrieben wird. Dadurch kann ein Versorgungsgebiet mit jeweils einer Basisstation pro Zelle lückenlos versorgt werden, wenn die Reichweite der Basisstation mindestens so groß ist wie der Zellenradius.
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One characteristic of GSM is the&nbsp; '''cellular network structure''', which is often idealized for simple calculations by hexagons according to the graphic on the left. This means that a coverage area with one base station per cell can be supplied without gaps if the range of the base station is at least as large as the cell radius.
  
 
[[File:EN_Mob_T_3_2_S1.png|right|frame| Cellular network structure, idealized (left) and realistic (right)|class=fit]]
 
[[File:EN_Mob_T_3_2_S1.png|right|frame| Cellular network structure, idealized (left) and realistic (right)|class=fit]]
  
Aus dieser zellularen Struktur ergeben sich folgende Konsequenzen für das GSM–System:
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This cellular structure results in the following consequences for the GSM system:
*Der&nbsp; ''Zellenradius''&nbsp; muss umso kleiner gewählt werden, je größer die Trägerfrequenz ist. Beim D-Netz&nbsp; $(f_{\rm T} ≈ 900 \ \rm MHz)$&nbsp; beträgt der maximale Zellenradius etwa&nbsp; $35 \ \rm km$, beim E–Netz ist dieser aufgrund der höheren Frequenz&nbsp; $(f_{\rm T} ≈ 1800 \ \rm MHz)$&nbsp; mit&nbsp; $8 \ \rm km$&nbsp; deutlich geringer.
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*The&nbsp; ''cell radius''&nbsp; must be chosen smaller, the larger the carrier frequency is. For the D network&nbsp; $(f_{\rm T} ≈ 900 \ \rm MHz)$&nbsp; the maximum cell radius is about&nbsp; $35 \ \rm km$, for the E network it is significantly smaller due to the higher frequency&nbsp; $(f_{\rm T} ≈ 1800 \ \ \rm MHz)$&nbsp; with&nbsp; $8 \ \rm km$&nbsp;.
*Bewegt sich ein mobiler Teilnehmer in dem Gebiet, so wird er verschiedene Zellen durchqueren und somit mit verschiedenen Basisstationen in Kontakt stehen. Ein nicht zu vernachlässigendes Problem ist das so genannte&nbsp; ''Handover''&nbsp; beim Überqueren einer Zellgrenze während eines Gesprächs.
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*If a mobile subscriber moves in the area, it will traverse different cells and thus be in contact with different base stations. A problem not to be neglected is the so-called&nbsp; ''handover''&nbsp; when crossing a cell boundary during a call.
*Benutzt man in allen Zellen die gleiche Trägerfrequenz, so kann es bei Überreichweiten zu&nbsp; ''Interzellinterferenzen''&nbsp; kommen. Häufig verwendet man deshalb in benachbarten Zellen andere Frequenzen. Im obigen Beispiel werden drei unterschiedliche Frequenzen benutzt, was durch die Farben weiß, gelb und blau angedeutet ist. Diesem Beispiel liegt der ''Reuse–Faktor'' $3$ zugrunde.
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*If the same carrier frequency is used in all cells, intercell interference can occur in case of overreach. Therefore, different frequencies are often used in neighboring cells. In the example above, three different frequencies are used, indicated by the colors white, yellow and blue. This example is based on the ''Reuse factor'' $3$.
  
  
Die rechte Grafik zeigt ein realistischeres Zellen–Layout mit unterschiedlich großen Zellen – je nach Teilnehmerdichte und Geländetopologie.  
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The right graph shows a more realistic cell layout with different sized cells - depending on subscriber density and terrain topology.  
*Außerdem erkennt man, dass sich die Basisstation nicht immer im Zellenmittelpunkt befinden muss.  
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*In addition, it can be seen that the base station does not always have to be located in the center of the cell.  
*Die Farben "Weiß" und "Rot" haben hier keine besondere Bedeutung.
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*The colors "white" and "red" have no special meaning here.
  
 
 
 
 
==GSM–Systemarchitektur und –Netzkomponenten==   
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==GSM system architecture and network components==   
 
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GSM ist ein hierarchisch gegliedertes System verschiedener Netzkomponenten. Es hat zwei wesentliche Bestandteile, die&nbsp; ''Mobilstationen''&nbsp; (MS, Mobilteilnehmer) und das&nbsp; ''fest installierte GSM–Netz''. Eine jede Mobilstation besteht im Wesentlichen aus zwei Einheiten:
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GSM is a hierarchically structured system of various network components. It has two main components, the&nbsp; ''mobile stations''&nbsp; (MS, mobile subscribers) and the&nbsp; ''fixed GSM network''. Each mobile station consists essentially of two entities:
*dem&nbsp; '''Mobile Equipment'''&nbsp; (ME): Jedem ME ist eine eindeutige Nummer, die so genannte&nbsp; ''International Mobile Equipment Identity''&nbsp; (IMEI) zugeteilt.
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*the&nbsp; '''Mobile Equipment'''&nbsp; (ME): each ME is assigned a unique number called the&nbsp; ''International Mobile Equipment Identity''&nbsp; (IMEI).
*dem&nbsp; '''Subscriber Identity Modul'''&nbsp; (SIM): Dieses ist ein kleiner, durch PIN geschützter Prozessor und Speicher, verantwortlich für die Zuordnung der Benutzerdaten und die Authentifizierung.
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*The subscriber identity module (SIM) is a small PIN-protected processor and memory responsible for user data allocation and authentication.
  
[[File:P_ID1181__Bei_T_3_1_S3_v1.png|right|frame|GSM&ndash;Systemarchitektur und &ndash;Netzkomponenten]]
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[[File:P_ID1181__Bei_T_3_1_S3_v1.png|right|frame|GSM system architecture and network components]]
  
  
Die Grafik zeigt die Struktur für ein so genanntes&nbsp; ''Public Land Mobile Network''&nbsp; (PLMN) des GSM, also die GSM–Systemarchitektur. Diese ist für die Sprachübertragung ausgelegt, aber auch für die Datenübertragung in eingeschränktem Maße geeignet.  
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The diagram shows the structure for a so-called&nbsp; ''Public Land Mobile Network'''&nbsp; (PLMN) of GSM, i.e. the GSM system architecture. This is designed for voice transmission, but is also suitable for data transmission to a limited extent.  
  
Aus dieser Grafik erkennt man:
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From this graphic, one can see:
*Die Mobilstation (MS) kommuniziert über Funk mit der nächstgelegenen&nbsp; '''Base Transceiver Station'''&nbsp; (BTS, Sende– und Empfangsbasisstation).
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*The mobile station (MS) communicates via radio with the nearest&nbsp; '''Base Transceiver Station''''&nbsp; (BTS).
*Mehrere BTS werden gebietsweise zusammengefasst und sind als Einheit einem&nbsp; '''Base Station Controller'''&nbsp; (BSC, Kontrollstation) unterstellt.
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*Multiple BTSs are grouped together by area and are subordinated as a unit to a&nbsp; '''Base Station Controller''''&nbsp; (BSC).
*Das&nbsp; '''Base Station Subsystem'''&nbsp; (BSS) besteht aus einer Vielzahl von BTS und mehreren BSC. In der Grafik ist ein solches BSS blau&ndash;gestrichelt umrandet.
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*The&nbsp; '''Base Station Subsystem''''&nbsp; (BSS) consists of a large number of BTSs and several BSCs. In the diagram, such a BSS is outlined in blue&ndash;dashed.
*Jede BSC ist schließlich mit einem&nbsp; '''Mobile Switching Center'''&nbsp; (MSC, Vermittlungsrechner) verbunden, dessen Funktion mit einem Vermittlungsknoten im Festnetz vergleichbar ist.
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*Each BSC is finally connected to a&nbsp; '''Mobile Switching Center''''&nbsp; (MSC), whose function is comparable to a switching node in the fixed network.
  
  
  
Die fest installierte GSM-Infrastruktur kann in drei Subnetze untergliedert werden:
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The fixed GSM infrastructure can be subdivided into three subnetworks:
*dem '''Base Station Subsystem''' (BSS, Funknetz-BSS) &nbsp; &rArr; &nbsp; Näheres siehe nächste Seite,
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*the '''Base Station Subsystem''' (BSS, radio network BSS) &nbsp; &rArr; &nbsp; For details see next page,
*dem '''Switching and Management Subsystem''' (SMSS, Mobilvermittlungsnetz) &nbsp; &rArr; &nbsp; Näheres siehe übernächste Seite, und
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*the '''Switching and Management Subsystem'''' (SMSS) &nbsp; &rArr; &nbsp; For details see next page but one, and.
*dem '''Operation and Maintenance Subsystem''' (OMSS, Betrieb und Wartung).  
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*the '''Operation and Maintenance Subsystem'''' (OMSS).  
  
  
Das OMSS sorgt für das Einrichten der Teilnehmer, die Überprüfung der Berechtigungen, die Sperrung der Geräte, die Gebührenerfassung, die Wartung der Netzkomponenten sowie die Steuerung des Verkehrsflusses. Es beinhaltet folgende Komponenten:
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The OMSS provides subscriber setup, credential verification, device blocking, charging, network component maintenance, and traffic flow control. It includes the following components:
*Das&nbsp; '''Operation and Maintenance Center'''&nbsp; (OMC) – grün umrandet – überwacht einen Teil des gesamten Mobilfunknetzes und löst die Steuerfunktionen des Netzes aus. Es unterteilt sich in die Komponenten&nbsp; '''OMC-B'''&nbsp; &rArr; &nbsp; Überwachung der&nbsp; ''Base Station Controller''&nbsp; (BSC) und&nbsp; '''OMC-S'''&nbsp; &rArr; &nbsp; Kontrolle des&nbsp; ''Mobile Switching Centers''&nbsp; (MSC).
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*The&nbsp; '''Operation and Maintenance Center'''&nbsp; (OMC) - outlined in green - monitors a portion of the overall cellular network and triggers the network's control functions. It is divided into the components&nbsp; '''OMC-B''''&nbsp; &rArr; &nbsp; monitoring of&nbsp; ''Base Station Controller'''&nbsp; (BSC) and&nbsp; '''OMC-S''''&nbsp; &rArr; &nbsp; control of&nbsp; ''Mobile Switching Center'''&nbsp; (MSC).
*Die Netzkontrolle kann auch  zentralisiert in einem&nbsp; '''Network Management Center'''&nbsp; (NMC) erfolgen, das den OMCs übergeordnet ist.
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*Network control may also be centralized in a&nbsp; '''Network Management Center''''&nbsp; (NMC) that is superior to the OMCs.
  
  
Weitere wichtige Funktionen/Aufgaben des&nbsp; ''Operation and Maintenance Centers''&nbsp; (OMC) sind die Verwaltung des kommerziellen Betriebs, die Netzkonfiguration, das Sicherheitsmanagement und alle Wartungsarbeiten hinsichtlich Hardware und Software.
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Other important functions/tasks of the&nbsp; ''Operation and Maintenance Center'''&nbsp; (OMC) are the management of commercial operations, network configuration, security management and all maintenance activities regarding hardware and software.
  
  
 
==Base Station Subsystem (BSS) ==
 
==Base Station Subsystem (BSS) ==
 
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Die folgende Grafik zeigt im linken Teil ein&nbsp; '''Base Station Subsystem''', abgekürzt BSS. Ein solches Funknetz besteht aus folgenden Netzkomponenten:
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The following graphic shows in the left part a&nbsp; '''Base Station Subsystem''', abbreviated BSS. Such a radio network consists of the following network components:
*Die&nbsp; '''Base Transceiver Station'''&nbsp; (BTS) stellt mindestens je einen Funkkanal für den Nutzverkehr bzw. die Signalisierung bereit. Sie besitzt neben dem HF–Teil (Sende– und Empfangseinrichtung) noch einige Komponenten zur Signal– und Protokollverarbeitung. An die BTS sind eine oder mehrere Antennen angeschlossen, die meist einen 120°–Sektor versorgen.
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*The&nbsp; '''Base Transceiver Station''''&nbsp; (BTS) provides at least one radio channel each for the useful traffic or the signaling. In addition to the RF part (transmitting and receiving equipment), it also has some components for signal and protocol processing. One or more antennas are connected to the BTS, which usually supply a 120° sector.
*Um die Basisstationseinheiten (BTS) klein halten zu können, ist die wesentliche Steuerungs- und Protokollintelligenz oft in den&nbsp; '''Base Station Controller'''&nbsp; (BSC) verlagert. Dabei können durchaus auch mehrere BTS von einem gemeinsamen BSC gesteuert werden.
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*To keep the base station units (BTS) small, the essential control and protocol intelligence is often shifted to the&nbsp; '''Base Station Controller''''&nbsp; (BSC). It is quite possible for multiple BTSs to be controlled by a common BSC.
*Bevor das Sprachsignal dem Vermittlungssystem übergeben wird, wandelt die&nbsp; '''Transcoding & Rate Adaption Unit'''&nbsp; (TRAU) die Rate des GSM-Sprachsignals von&nbsp; $\text{13 kbit/s}$ auf&nbsp; $\text{64 kbit/s}$. Des Weiteren übernimmt die TRAU auch die Ratenanpassung für die Datendienste.
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*Before the voice signal is transferred to the switching system, the&nbsp; '''Transcoding & Rate Adaption Unit''''&nbsp; (TRAU) converts the rate of the GSM voice signal from&nbsp; $\text{13 kbit/s}$ to&nbsp; $\text{64 kbit/s}$. Furthermore, the TRAU also handles the rate adjustment for the data services.
  
  
 
[[File:P_ID1189__Bei_T_3_1_S4_v1.png|right|frame|GSM:&nbsp; ''Base Station Subsystem'']]
 
[[File:P_ID1189__Bei_T_3_1_S4_v1.png|right|frame|GSM:&nbsp; ''Base Station Subsystem'']]
  
Jeder BTS werden verschiedene Parameter zugeordnet, nämlich:
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Each BTS is assigned various parameters, namely:
*Eine oder mehrere Funkzellen werden zu einer&nbsp; ''Location Area''&nbsp; (LA) zusammengefasst. Jede LA erhält eine eigene Kennziffer – den so genannten&nbsp; ''Location Area Identifier''&nbsp; (LAI). Dieser wird von der Basisstation auf dem&nbsp; ''Broadcast Control Channel''&nbsp; (BCCH) regelmäßig ausgesendet.
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*One or more radio cells are combined into one&nbsp; ''Location Area''&nbsp; (LA). Each LA is assigned its own identification number - the so-called&nbsp; ''Location Area Identifier''&nbsp; (LAI). This is broadcast regularly by the base station on the&nbsp; ''Broadcast Control Channel''&nbsp; (BCCH).
*Dadurch kann jede Mobilstation über die LAI auch ihren aktuellen Aufenthaltsort feststellen. Bei einem Wechsel der&nbsp; ''Location Area''&nbsp; fordert die Mobilstation ein&nbsp; ''Location Update''&nbsp; an.
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*This also allows each mobile station to determine its current location via the LAI. When the&nbsp; ''Location Area''&nbsp; changes, the mobile station requests a&nbsp; ''Location Update''&nbsp;.
  
  
Weitere Parameter des&nbsp; ''Base Station Subsystems''&nbsp; sind unter anderem:
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Other parameters of the&nbsp; ''Base Station Subsystem''&nbsp; include:
*die&nbsp; ''Cell Allocation''&nbsp; (CA): <br>Zuordnung eines Satzes von Frequenzen zu einer BTS,
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*the&nbsp; ''Cell Allocation''&nbsp; (CA): <br>Assignment of a set of frequencies to a BTS,
*der&nbsp; ''Cell Identifier''&nbsp; (CI): <br>Kennzeichnung der einzelnen Zellen innerhalb einer LA,  
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*the&nbsp; ''Cell Identifier''&nbsp; (CI): <br>Labeling of the individual cells within a LA,  
*der&nbsp; ''Base Transceiver Station Identity Code''&nbsp; (BSIC): <br>Kennung der Basisstation.
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*the&nbsp; ''Base Transceiver Station Identity Code''&nbsp; (BSIC): <br>Identifier of the base station.
  
 
   
 
   
 
==Switching and Management Subsystem (SMSS)  ==  
 
==Switching and Management Subsystem (SMSS)  ==  
 
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Das&nbsp; '''Switching and Management Subsystem'''&nbsp; (SMSS, deutsch: Mobilvermittlungsnetz) besteht aus den Mobilvermittlungszentren (MSC bzw. GMSC) und verschiedenen Datenbanken (VLR, HLR, AUC, EIR, etc.), wie die nachfolgende Grafik aus &nbsp;[BVE99]<ref name ='BVE99'>Bettstetter, C.; Vögel, H.J.; Eberspächer, J.: ''GSM Phase 2+ General Packet Radio Service GPRS: Architecture, Protocols, and Air Interface''. In: IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 2 (1999) No. 3, S. 2-14.</ref>&nbsp; zeigt.
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The&nbsp; '''Switching and Management Subsystem'''&nbsp; (SMSS) consists of the mobile switching centers (MSC or GMSC) and various databases (VLR, HLR, AUC, EIR, etc. ), as shown in the following diagram from &nbsp;[BVE99]<ref name ='BVE99'>Bettstetter, C.; Vögel, H.J.; Eberspächer, J.: ''GSM Phase 2+ General Packet Radio Service GPRS: Architecture, Protocols, and Air Interface''. In: IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 2 (1999) No. 3, pp. 2-14.</ref>&nbsp; shows.
  
 
[[File:P_ID1184__Bei_T_3_1_S5_v5.png|right|frame|GSM:&nbsp; ''Switching and Management Subsystem'']]
 
[[File:P_ID1184__Bei_T_3_1_S5_v5.png|right|frame|GSM:&nbsp; ''Switching and Management Subsystem'']]
  
  
Zu dieser Darstellung ist zu bemerken:
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Regarding this illustration, it should be noted:
*Das&nbsp; '''Mobile Switching Center'''&nbsp; (MSC) – also das Mobilvermittlungszentrum – erfüllt die gleichen vermittlungstechnischen Funktionen wie ein Festnetz-Vermittlungsknoten, z.B. die Wegesuche und die Signalwegeschaltung. Zusätzlich muss ein MSC jedoch auch die Mobilität der Teilnehmer berücksichtigen (Aufenthaltsregistrierung, Handover beim Zellwechsel, und einiges mehr).
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*The&nbsp; '''Mobile Switching Center''''&nbsp; (MSC) - i.e., the mobile switching center - performs the same switching functions as a fixed network switching node, e.g., path search and signal path switching. However, in addition, an MSC must also accommodate subscriber mobility (residence registration, handover when changing cells, and some more).
  
  
*Das&nbsp; '''Gateway Mobile Switching Center'''&nbsp; (GMSC) ist für die Verbindung zwischen Festnetz – zum Beispiel dem ISDN – und dem Mobilfunknetz verantwortlich. Wird beispielsweise ein Mobilfunkteilnehmer aus dem Festnetz angerufen, so ermittelt das GMSC im HLR (siehe unten) das zuständige MSC und vermittelt den Ruf weiter.
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*The&nbsp; '''Gateway Mobile Switching Center''''&nbsp; (GMSC) is responsible for the connection between the fixed network - for example the ISDN - and the mobile network. If, for example, a mobile subscriber is called from the fixed network, the GMSC determines the responsible MSC in the HLR (see below) and transfers the call.
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
MSC und GMSC haben Zugriff auf verschiedene Datenbanken:
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MSC and GMSC have access to several databases:
*Das&nbsp; '''Home Location Register'''&nbsp; (HLR, deutsch:&nbsp; Heimatregister)&nbsp; ist ein zentrales Register für die Teilnehmerdaten in einem PLMN. Es beinhaltet permanente Daten, aber auch temporäre, die zur Wegesuche für Rufe der eigenen Mobilteilnehmer benötigt werden.
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*The&nbsp; '''Home Location Register'''&nbsp; (HLR)&nbsp; is a central register for subscriber data in a PLMN. It contains permanent data, but also temporary data needed for routing calls of own mobile subscribers.
*Das&nbsp; '''Visitor Location Register'''&nbsp; (VLR, deutsch:&nbsp; Besucherregister)&nbsp; speichert die Daten aller Mobilstationen, die sich momentan im Verwaltungsbereich des zugehörigen MSC aufhalten, also auch die Teilnehmer anderer Netzbetreiber.
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*The&nbsp; '''Visitor Location Register'''&nbsp; (VLR)&nbsp; stores the data of all mobile stations that are currently in the administrative area of the associated MSC, i.e. also the subscribers of other network operators.
*Das&nbsp; '''Authentication Center'''&nbsp; (AUC) ist für die Speicherung von vertraulichen Daten und von Schlüsseln verantwortlich.
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*The&nbsp; '''Authentication Center'''&nbsp; (AUC) is responsible for storing confidential data and keys.
*Das&nbsp; '''Equipment Identity Register'''&nbsp; (EIR, deutsch: &nbsp;Geräteregister) &nbsp;speichert Seriennummern&nbsp; (''International Mobile Station Equipment Identity'', IMEI)&nbsp; der Endgeräte.
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*The&nbsp; '''Equipment Identity Register''''&nbsp; (EIR) &nbsp;stores serial numbers&nbsp; (''International Mobile Station Equipment Identity'', IMEI)&nbsp; of the terminals.
  
  
Zwischen den Datenbanken (VLR, HLR, AUC, etc.) zweier an einer Sprachverbindung beteiligten Mobilvermittlungszentren gibt es einen ständigen Datenabgleich. Hierzu erforderlich sind verschiedene Kennzeichnungen für alle Teilnehmer, zum Beispiel:
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There is constant data reconciliation between the databases (VLR, HLR, AUC, etc.) of two mobile switching centers involved in a voice connection. This requires various identifiers for all subscribers, for example:
*Die&nbsp; ''Mobile Station Roaming Number''&nbsp; (MSRN) ist eine temporäre, aufenthaltsabhängige ISDN-Nummer. Sie wird jeder Mobilstation vom lokal zuständigen VLR zugewiesen und vom HLR auf Anfrage an das GMSC weitergeleitet. Damit werden Rufe zu einer Mobilstation geroutet.
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*The&nbsp; ''Mobile Station Roaming Number''&nbsp; (MSRN) is a temporary, residence-dependent ISDN number. It is assigned to each mobile station by the locally responsible VLR and forwarded by the HLR to the GMSC upon request. This is used to route calls to a mobile station.
*Die&nbsp; ''Temporary Mobile Subscriber Identity''&nbsp; (TMSI) ist eine weitere Kennnummer, die nur im Gebiet des VLR gültig ist und anstelle der&nbsp; ''International Mobile Subscriber Identity''&nbsp; (IMSI) zur Adressierung einer Mobilstation verwendet wird.  
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*The&nbsp; ''Temporary Mobile Subscriber Identity''&nbsp; (TMSI) is another identification number that is only valid in the territory of the VLR and is used instead of the&nbsp; ''International Mobile Subscriber Identity''&nbsp; (IMSI) to address a mobile station.  
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp;
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$\text{Example 1:}$&nbsp;
Wir betrachten das Mobilfunknetz eines Betreibers&nbsp; $\rm A$, dessen Kunde der Teilnehmer&nbsp; '''1'''&nbsp; ist.  
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We consider the mobile network of an operator&nbsp; $\rm A$ whose customer is the subscriber&nbsp; '''1''''&nbsp;.  
*Das&nbsp; ''Visited Location Register''&nbsp; von Betreiber&nbsp; $\rm A$&nbsp; – abgekürzt VLR(A) – enthält Informationen zum genauen Aufenthalt (In welcher Zelle? Welches BTS?) aller Teilnehmer.  
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*The&nbsp; ''Visited Location Register''&nbsp; of operator&nbsp; $\rm A$&nbsp; - abbreviated VLR(A) - contains information about the exact location (In which cell? Which BTS?) of all subscribers.  
*Für diesen Teilnehmer&nbsp; '''1'''&nbsp; stimmt der Eintrag im&nbsp; ''Home Location Register''&nbsp; HLR(A) mit VLR(A) überein. So erkennt Betreiber&nbsp; $\rm A$, dass Teilnehmer&nbsp; '''1'''&nbsp; sein Kunde ist, und es wird eine Verbindung hergestellt.
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*For this subscriber&nbsp; '''1'''&nbsp; the entry in the&nbsp; ''Home Location Register'''&nbsp; HLR(A) matches VLR(A). Thus, operator&nbsp; $\rm A$ recognizes that subscriber&nbsp; '''1'''&nbsp; is its customer and a connection is established.
  
  
Der Teilnehmer&nbsp; '''2'''&nbsp; ist Kunde eines anderen Betreibers&nbsp; $\rm B$, der sich momentan per „Roaming“ im Netz&nbsp; $\rm A$&nbsp; befindet.  
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The subscriber&nbsp; '''2'''&nbsp; is a customer of another operator&nbsp; $\rm B$, who is currently in the network&nbsp; $\rm A$&nbsp; by "roaming".  
*Das&nbsp; ''Visitor Location Register''&nbsp; von Betreiber&nbsp; $\rm A$&nbsp; – abgekürzt VLR(A) – enthält Informationen zum genauen Aufenthalt des fremden Teilnehmers&nbsp; '''2'''&nbsp; und eine Kopie von HLR(B) des Betreibers&nbsp; $\rm B$.  
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*The&nbsp; ''Visitor Location Register''&nbsp; of operator&nbsp; $\rm A$&nbsp; - abbreviated VLR(A) - contains information about the exact whereabouts of the foreign subscriber&nbsp; '''2'''&nbsp; and a copy of HLR(B) of operator&nbsp; $\rm B$.  
*Der Betreiber&nbsp; $\rm A$&nbsp; erkennt so diesen fremden Kunden und erteilt ihm die Freigabe für Roaming in seinem Netz&nbsp; $\rm A$. Voraussetzung ist allerdings, dass zwischen den Netzbetreibern ein Roaming–Vertrag besteht.}}
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*The operator&nbsp; $\rm A$&nbsp; thus recognizes this foreign customer and gives him clearance for roaming in his network&nbsp; $\rm A$. The prerequisite, however, is that a roaming contract exists between the network operators}}.
  
 
 
 
 
==Von GSM bereitgestellte Dienste ==  
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==Services provided by GSM  ==  
 
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Die GSM-Dienste sind in die drei Kategorien aufgeteilt:
 
Die GSM-Dienste sind in die drei Kategorien aufgeteilt:

Revision as of 19:24, 24 December 2022

# OVERVIEW OF THE THIRD MAIN CHAPTER #


The world's leading mobile communications standard at present (2011) is GSM - Global System for Mobile Communications. This was developed at the end of the 1980s and operates completely digitally. In 2011, it will be used in more than 200 countries, primarily for making calls via cell phones, but also for short messages (SMS) and for mobile circuit- or packet-switched data transmission (HSCSD, GPRS, EDGE).

This chapter contains in detail:

  • the general description of GSM with important definitions of terms,
  • the radio interface of GSM and its logical and physical channels,
  • the main voice coding schemes for data compression,
  • the overall transmission model of GSM for voice and data transmission,
  • the channel coding used in GSM with  interleaving  and  encryption, and
  • the further developments of GSM such as HSCSD, GPRS and EDGE.


Emergence and history of GSM


The GSM standard was introduced around 1990 with the aim of offering a uniform pan-European mobile telephone system and network. Its use for data transmission was not initially the focus, but has since been steadily improved by additional specifications with regard to data rate.

The following is some data on the historical development of GSM:

1982   At the "Conférence Européenne des Postes et Télécommunications" (CEPT), the  Groupe Spécial Mobile  - abbreviated GSM - is established.

1987   A cooperation is formed between $17$ future operators from $15$ European countries and the GSM specification is started.

1990   Phase 1 of the GSM 900 specification (for 900 MHz) is completed and adaptation for the DCS 1800  (Digital Cellular System)  system around the 1.8 GHz frequency begins.

1992   Most European GSM network operators start commercial operation, initially with voice services only. By the end of 1992, 13 networks are already "on air" in seven countries.

1995   Phase 2 of GSM standardization begins. This includes data, SMS roaming, fax and adaptations for GSM/PCS 1900, which goes online in the USA in the same year.

1999   With the introduction of WAP  (Wireless Application Protocol)  it becomes possible for the first time to transfer Internet content and other interactive service offerings to mobile devices.

2000   The GPRS  (General Packet Radio Service)  enhancement also improves and simplifies wireless access to packet-switched data networks such as IP or X.25 protocols.

2000   Phase 2+ simultaneously introduces EDGE  (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)  which increases the data rate by a factor of about $3$ compared to GPRS.

2006   By 2006, the number of network operators had increased to $147$ in $213$ countries/territories worldwide, serving more than two billion subscribers. In Germany alone, there were already more than $70$ million GSM handsets at the end of 2005.

The GSM standards currently (2011) in use are:

  • $\text{GSM 900}$:   Frequency range around 900 MHz (D networks, in Germany TD1, Vodafone D2),
  • $\text{GSM/DCS 1800}$:   Frequency range around 1800 MHz (E networks, in Germany all operators),
  • $\text{GSM/PCS 1900}$:   Frequency range around 1900 MHz (mainly used in the USA).


Cellular structure of GSM


One characteristic of GSM is the  cellular network structure, which is often idealized for simple calculations by hexagons according to the graphic on the left. This means that a coverage area with one base station per cell can be supplied without gaps if the range of the base station is at least as large as the cell radius.

Cellular network structure, idealized (left) and realistic (right)

This cellular structure results in the following consequences for the GSM system:

  • The  cell radius  must be chosen smaller, the larger the carrier frequency is. For the D network  $(f_{\rm T} ≈ 900 \ \rm MHz)$  the maximum cell radius is about  $35 \ \rm km$, for the E network it is significantly smaller due to the higher frequency  $(f_{\rm T} ≈ 1800 \ \ \rm MHz)$  with  $8 \ \rm km$ .
  • If a mobile subscriber moves in the area, it will traverse different cells and thus be in contact with different base stations. A problem not to be neglected is the so-called  handover  when crossing a cell boundary during a call.
  • If the same carrier frequency is used in all cells, intercell interference can occur in case of overreach. Therefore, different frequencies are often used in neighboring cells. In the example above, three different frequencies are used, indicated by the colors white, yellow and blue. This example is based on the Reuse factor $3$.


The right graph shows a more realistic cell layout with different sized cells - depending on subscriber density and terrain topology.

  • In addition, it can be seen that the base station does not always have to be located in the center of the cell.
  • The colors "white" and "red" have no special meaning here.


GSM system architecture and network components


GSM is a hierarchically structured system of various network components. It has two main components, the  mobile stations  (MS, mobile subscribers) and the  fixed GSM network. Each mobile station consists essentially of two entities:

  • the  Mobile Equipment  (ME): each ME is assigned a unique number called the  International Mobile Equipment Identity  (IMEI).
  • The subscriber identity module (SIM) is a small PIN-protected processor and memory responsible for user data allocation and authentication.
GSM system architecture and network components


The diagram shows the structure for a so-called  Public Land Mobile Network'  (PLMN) of GSM, i.e. the GSM system architecture. This is designed for voice transmission, but is also suitable for data transmission to a limited extent.

From this graphic, one can see:

  • The mobile station (MS) communicates via radio with the nearest  Base Transceiver Station'  (BTS).
  • Multiple BTSs are grouped together by area and are subordinated as a unit to a  Base Station Controller'  (BSC).
  • The  Base Station Subsystem'  (BSS) consists of a large number of BTSs and several BSCs. In the diagram, such a BSS is outlined in blue–dashed.
  • Each BSC is finally connected to a  Mobile Switching Center'  (MSC), whose function is comparable to a switching node in the fixed network.


The fixed GSM infrastructure can be subdivided into three subnetworks:

  • the Base Station Subsystem (BSS, radio network BSS)   ⇒   For details see next page,
  • the Switching and Management Subsystem' (SMSS)   ⇒   For details see next page but one, and.
  • the Operation and Maintenance Subsystem' (OMSS).


The OMSS provides subscriber setup, credential verification, device blocking, charging, network component maintenance, and traffic flow control. It includes the following components:

  • The  Operation and Maintenance Center  (OMC) - outlined in green - monitors a portion of the overall cellular network and triggers the network's control functions. It is divided into the components  OMC-B'  ⇒   monitoring of  Base Station Controller  (BSC) and  OMC-S'  ⇒   control of  Mobile Switching Center  (MSC).
  • Network control may also be centralized in a  Network Management Center'  (NMC) that is superior to the OMCs.


Other important functions/tasks of the  Operation and Maintenance Center'  (OMC) are the management of commercial operations, network configuration, security management and all maintenance activities regarding hardware and software.


Base Station Subsystem (BSS)


The following graphic shows in the left part a  Base Station Subsystem, abbreviated BSS. Such a radio network consists of the following network components:

  • The  Base Transceiver Station'  (BTS) provides at least one radio channel each for the useful traffic or the signaling. In addition to the RF part (transmitting and receiving equipment), it also has some components for signal and protocol processing. One or more antennas are connected to the BTS, which usually supply a 120° sector.
  • To keep the base station units (BTS) small, the essential control and protocol intelligence is often shifted to the  Base Station Controller'  (BSC). It is quite possible for multiple BTSs to be controlled by a common BSC.
  • Before the voice signal is transferred to the switching system, the  Transcoding & Rate Adaption Unit'  (TRAU) converts the rate of the GSM voice signal from  $\text{13 kbit/s}$ to  $\text{64 kbit/s}$. Furthermore, the TRAU also handles the rate adjustment for the data services.


GSM:  Base Station Subsystem

Each BTS is assigned various parameters, namely:

  • One or more radio cells are combined into one  Location Area  (LA). Each LA is assigned its own identification number - the so-called  Location Area Identifier  (LAI). This is broadcast regularly by the base station on the  Broadcast Control Channel  (BCCH).
  • This also allows each mobile station to determine its current location via the LAI. When the  Location Area  changes, the mobile station requests a  Location Update .


Other parameters of the  Base Station Subsystem  include:

  • the  Cell Allocation  (CA):
    Assignment of a set of frequencies to a BTS,
  • the  Cell Identifier  (CI):
    Labeling of the individual cells within a LA,
  • the  Base Transceiver Station Identity Code  (BSIC):
    Identifier of the base station.


Switching and Management Subsystem (SMSS)


The  Switching and Management Subsystem  (SMSS) consists of the mobile switching centers (MSC or GMSC) and various databases (VLR, HLR, AUC, EIR, etc. ), as shown in the following diagram from  [BVE99][1]  shows.

GSM:  Switching and Management Subsystem


Regarding this illustration, it should be noted:

  • The  Mobile Switching Center'  (MSC) - i.e., the mobile switching center - performs the same switching functions as a fixed network switching node, e.g., path search and signal path switching. However, in addition, an MSC must also accommodate subscriber mobility (residence registration, handover when changing cells, and some more).


  • The  Gateway Mobile Switching Center'  (GMSC) is responsible for the connection between the fixed network - for example the ISDN - and the mobile network. If, for example, a mobile subscriber is called from the fixed network, the GMSC determines the responsible MSC in the HLR (see below) and transfers the call.


MSC and GMSC have access to several databases:

  • The  Home Location Register  (HLR)  is a central register for subscriber data in a PLMN. It contains permanent data, but also temporary data needed for routing calls of own mobile subscribers.
  • The  Visitor Location Register  (VLR)  stores the data of all mobile stations that are currently in the administrative area of the associated MSC, i.e. also the subscribers of other network operators.
  • The  Authentication Center  (AUC) is responsible for storing confidential data and keys.
  • The  Equipment Identity Register'  (EIR)  stores serial numbers  (International Mobile Station Equipment Identity, IMEI)  of the terminals.


There is constant data reconciliation between the databases (VLR, HLR, AUC, etc.) of two mobile switching centers involved in a voice connection. This requires various identifiers for all subscribers, for example:

  • The  Mobile Station Roaming Number  (MSRN) is a temporary, residence-dependent ISDN number. It is assigned to each mobile station by the locally responsible VLR and forwarded by the HLR to the GMSC upon request. This is used to route calls to a mobile station.
  • The  Temporary Mobile Subscriber Identity  (TMSI) is another identification number that is only valid in the territory of the VLR and is used instead of the  International Mobile Subscriber Identity  (IMSI) to address a mobile station.


$\text{Example 1:}$  We consider the mobile network of an operator  $\rm A$ whose customer is the subscriber  1' .

  • The  Visited Location Register  of operator  $\rm A$  - abbreviated VLR(A) - contains information about the exact location (In which cell? Which BTS?) of all subscribers.
  • For this subscriber  1'  the entry in the  Home Location Register  HLR(A) matches VLR(A). Thus, operator  $\rm A$ recognizes that subscriber  1  is its customer and a connection is established.


The subscriber  2  is a customer of another operator  $\rm B$, who is currently in the network  $\rm A$  by "roaming".

  • The  Visitor Location Register  of operator  $\rm A$  - abbreviated VLR(A) - contains information about the exact whereabouts of the foreign subscriber  2  and a copy of HLR(B) of operator  $\rm B$.
  • The operator  $\rm A$  thus recognizes this foreign customer and gives him clearance for roaming in his network  $\rm A$. The prerequisite, however, is that a roaming contract exists between the network operators

.


Services provided by GSM


Die GSM-Dienste sind in die drei Kategorien aufgeteilt:

  • Bearer Services  – Trägerdienste,
  • Teleservices  – Tele(matik)dienste,
  • Supplementary Services  – Zusatzdienste.


Träger– und Teledienste fasst man unter dem Oberbegriff „Telekommunikationsdienste” zusammen. Deshalb muss jedes  Public Land Mobile Network  (PLMN) die entsprechende Festnetz–Infrastruktur und eine Netzübergangsvermittlungsfunktion  (Interworking Function, IWF)  zur Verfügung stellen.

Die  Trägerdienste  sind für die Datenübertragung grundlegend. Sie stellen die notwendigen technischen Einrichtungen zum gesicherten Transport der Nutzdaten bereit. Zu den reinen Transportdiensten gehören:

Klassifizierung der GSM–Dienste
  • synchrone leitungsvermittelte Datenübertragung 
    (mit 2400, 4800 oder 9600 bit/s),
  • asynchrone leitungsvermittelte Datenübertragung 
    (mit 300 oder 1200 bit/s).
  • synchrone paketvermittelte Datenübertragung  
    (mit 2400, 4800 oder 9600 bit/s).
  • asynchrone paketvermittelte Datenübertragung 
    (mit 300 oder 9600 bit/s).


Die Trägerdienste werden dazu noch in zwei verschiedene Modi unterteilt:

  • Im so genannten  transparenten Modus  besteht eine durch Vorwärtsfehlerkorrektur gesicherte Verbindung zwischen Endgerät und MSC. Dieser Modus ist durch eine konstante Bitrate, eine konstante Übertragungsverzögerung und – abhängig vom jeweiligen Kanalzustand – eine schwankende Bitfehlerhäufigkeit gekennzeichnet.
  • Dagegen basiert der  nichttransparente Modus  auf dem  Radio Link Protocol  (RLP). Durch ein zusätzliches ARQ–Verfahren  (Automatic Repeat Request)  werden Blöcke mit zu vielen Bitfehlern zur Wiederübertragung angefordert, so dass die Netto–Bitrate und die Verzögerung stark von den Übertragungsbedingungen abhängen.

Die Teledienste von GSM


Die zweite Kategorie der GSM-Dienste sind  Teledienste. Diese sind Ende-zu-Ende-Dienste, für die in der Regel keine Netzübergangsumsetzung  (Interworking Function, IWF)  erforderlich ist. In obiger Grafik bezeichnet „MS–TE“ das Terminal–Equipment der Mobilstation.

Die wichtigsten Teledienste sind:

  • der  Telefondienst. Dieser Basisdienst für die Übertragung digital–codierter Sprachsignale benutzt eine bidirektionale sowie symmetrische Punkt-zu-Punkt-Verbindung und bietet so genannte „Services” an, wie zum Beispiel Anrufumleitung, Anrufsperre und geschlossene Benutzergruppen;
  • der  Faxdienst, der zur Übertragung der Daten einen transparenten Trägerdienst nutzt;
  • der  Kurznachrichtendienst (englisch:  Short Message Service, SMS), der von GSM seit 1996 bereitgestellt wird. Hiermit können Nachrichten mit einem verbindungslosen paketvermittelten Protokoll von oder zu einer Mobilstation übertragen werden. Hierzu muss ein Netzbetreiber ein Dienstzentrum  (Service Center)  einrichten.


Man unterscheidet zwei Typen von Kurznachrichten:

  • Punkt-zu-Punkt-Nachrichten  zwischen den Mobilstationen und einer Vermittlungsstelle mit einer maximalen Länge von 160 alphanumerischen Zeichen,
  • Short Message Service Cell Broadcast  (SMSCB). Diese Nachrichten werden nur in einem begrenzten, regionalen Gebiet ausgestrahlt und können von der Mobilstation nur im Ruhezustand empfangen werden. Die Länge ist auf 93 Zeichen beschränkt.


Die  Zusatzdienste  als dritte Kategorie der GSM–Dienste modifizieren und ergänzen die Funktionalität eines GSM–Telekommunikationsdienstes. GSM der Phase 1 bietet die gleichen Zusatzdienste an wie  ISDN, beispielsweise Anrufanzeige, Rufumleitung  (Call Forwarding)  und Rufnummernsperre  (Call Restriction).

Neuere GSM–Dienste der Phase 2+ sind:


Aufgaben zum Kapitel


Aufgabe 3.1: GSM–Netzkomponenten

Aufgabe 3.2: GSM–Dienste

Quellenverzeichnis




  1. Bettstetter, C.; Vögel, H.J.; Eberspächer, J.: GSM Phase 2+ General Packet Radio Service GPRS: Architecture, Protocols, and Air Interface. In: IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 2 (1999) No. 3, pp. 2-14.