DATENNETZE - Datennetze / Mobilfunknetze

GSM - Funktionsweise

Anmeldung am Netz und Sicherheit:
Ein Kunde im GSM-Netz enthält eine Codekarte, die SIM (Subscriber Identity Module). Diese enthält vor allem eine international eindeutige Kennung, mit der das Mobilgerät sich ausweisen kann. Zudem ist eine Codenummer, die PIN, gespeichert, mit der der Benutzer sich zunächst bei der SIM-Karte identifiziert. Die PIN kann selbst gewählt werden und hat mit der Anmeldung am Netz noch nichts zu tun.

Wird ein Mobilgerät neu eingeschaltet und die PIN eingegeben, versucht es sich einzubuchen. Dazu hört es alle GSM-Frequenzen ab und sucht nach Signalen des eigenen Netzbetreibers. Hat es die stärkste Basisstation ausfindig gemacht, schickt es dieser eine Einbuchungsaufforderung. Diese wird an jene SSS weitergeleitet, die die Heimdatei des Mobilgeräts unterhält. Die darin enthaltene Beglaubigungszentrale ermittelt nun eine Zufallszahl und sendet sie an das Mobilgerät. Nun wird mit Hilfe von Algorithmen, die sowohl in der Heimdatei der SSS als auch in der SIM des Mobilgeräts hinterlegt sind, eine Zahl als Ergebnis bestimmt - und zwar unabhängig voneinander in der Beglaubigungszentrale und im Mobilgerät. Letzteres sendet sein Ergebnis an die SSS. Stimmt es mit dem dortigen Ergebnis überein, ist die SIM-Karte gültig. Nun wird in der nächstgelegenen SSS ein Eintrag in der VLR vorgenommen und in der HLR der Heim-SSS ein Verweis darauf hinterlegt. Gleichzeitig wird aus der obigen Zufallszahl ein Schlüssel berechnet, der in der nachfolgenden Verbindung zur Verschlüsselung (Ciphering) der Sprachdaten verwendet wird. Das Mobilgerät erhält zudem eine temporäre Teilnehmerkennung als Adresse für den weiteren Datenaustausch mit der Basisstation. Sie wird mit jedem Gespräch neu bestimmt. Dadurch kann ein "Lauscher" weder das Gespräch mithören, noch anhand der Verbindungsdaten etwas über die Gesprächsteilnehmer erfahren. Nun erst ist das Mobilgerät erfolgreich eingebucht.

Sind keine Signale des eigenen Netzbetreibers zu empfangen, wird nach einem Anbieter gesucht, mit dem ein sogenanntes Roamingabkommen besteht. Dies erlaubt den Kunden eines Netzanbieters, die Infrastruktur eines anderen Netzanbieters zu nutzen und umgekehrt. Das funktioniert sowohl national als auch international. Dadurch können GSM-Handys in fast allen Staaten genutzt werden, in denen ebenfalls GSM-Netze existieren. Technisch wird dazu in der HLR des Kunden einfach ein Verweis auf die VLR der SSS gemacht, bei der er angebunden ist.

Verbindungsaufbau:
Wird ein Handy angerufen, so kann aus der Vorwahl ermittelt werden, welchem Mobilnetz es angehört. Daher wird zunächst eine Verbindung mit dem nächstgelegenen SSS des gewählten Mobilfunkbetreibers hergestellt und diesem die restliche Rufnummer übergeben. Dieser ermittelt aus den ersten beiden Stellen, in welcher Heimdatei er die Benutzerdaten finden kann. Diese fragt er dann ab und erhält dabei die Information, in welcher Location Area sich der Angerufene aufhält. Nun wird der Anrufer mit der zugehörigen Vermittlungsstelle verbunden und die stellt dann über ihre BSC und BTS die Verbindung zum Angerufenen her.

Wenn ein Mobilgerät eine Verbindung herstellen möchte, wird ebenfalls anhand der Vorwahl ermittelt, in welches Netz die Verbindung gehen soll und dann der nächstgelegene Verbindungspunkt (sprich eine SSS mit Verbindung ins Zielnetz) angesteuert. Soll die Verbindung mit einem Gerät des eigenen Netzes aufgebaut werden, ist der Ablauf wie oben beschrieben.

Übertragungscodierung:
Eine Funkübertragung ist zwangsläufig starken Störeinflüssen unterworfen. Zudem sollten im GSM möglichst viele Funkkanäle in das verfügbare Frequenzspektrum passen, weswegen die Bandbreite eines einzelnen zu übertragenen Signals möglichst gering ausfallen muss. Deswegen wird zur Übertragung der Sprachdaten ein recht großer Aufwand betrieben:

Zunächst wird der Schall digitalisiert, und zwar wie im Festnetz mit 8000 Abtastungen pro Sekunde und einem 8-Bit A/D-Wandler. Daraus resultiert ein Datenstrom mit 64 kbit/s. Dieser wird per Redundanzreduktion auf 13 kbit/s komprimiert und dann über das Ciphering-Verfahren verschlüsselt. Über eine sogenannte Faltungscodierung werden anschließend wieder Redundanzen eingebaut, die auf Empfängerseite eine Fehlererkennung und -korrektur zulassen. Nun wird das Signal per GMSK-Verfahren (Gussian Minimum Shift Keying) auf die Trägerfrequenz moduliert und in einen TDMA-Kanal eingebaut. Ohne all diese Schritte jetzt im Detail zu beschreiben wird klar, dass ein Handy einiges an Arbeit zu leisten hat, um die Sprache korrekt zu übertragen. Auf der Empfängerseite läuft die gleiche Prozedur natürlich gleichzeitig in umgekehrter Reihenfolge ab.