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Diensteparameter für Mobilfunkendgeräte

Der Anfang

 Anfang der 80er Jahre war die "Goldgräberzeit" der (damals noch analogen) Mobilfunktelefone. Jedes Land bastelte fleißig an seinem eigenen Netz vor sich hin -mit der Konsequenz, daß an einen grenzüberschreitenden Telefonverkehr nicht zu denken war. War das für die Mobilfunkbenutzer nur ärgerlich, so bedeutete dies für die Hersteller der Systemtechnik natürlich zigfachen Aufwand bei geringen Stückzahlen.
Es spricht deshalb für die europäische Union, daß sie vor diesem Hintergrund 1982handelte: Die CEPT "Conference of European Posts and Telegraphs" bildete eine Arbeitsgruppe namens GSM, die einen gemeinsamen europäischen Standard für Mobilfunksysteme entwickeln sollte.
Wie bei Eurokraten so üblich, dauerte die Findung dieses GSM-Standards ein bißchen Zeit (8 Jährchen), wurde unterwegs an andere Zuständigkeiten verwiesen (1989 an die ETSI), war dann 1990 bei der Verabschiedung recht umfangreich (ca. 6000 Seiten) und natürlich nicht endgültig (die GSM-Empfehlungen sprechen von einer "Phase 1", der Nachschlag in Form der "Phase 2"-Empfehlungen kam dann ordnerweise hinterher).
Bereits drei Jahre später hatten sich über 60 Länder für GSM als Standard entschieden, was eindeutig für die Qualitäten dieses Papiers spricht.
In der Tat hat der Standard die ursprünglichen GSM-Ziele in einer Weise umgesetzt, die detailliert genug war, um Interoperabilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller und Netzbetreiber zu gewährleisten und dennoch genügend Flexibilität für zukünftige Entwicklungen zu lassen.
Insbesondere war der verabschiedete Standard klugerweise ein digitaler Standard, worauf wir später noch ausführlicher zu sprechen kommen werden.

Ein Standard kommt selten allein...

"Das schöne an Standards ist, daß es so viele von ihnen gibt!"
-- Ein frustrierter Programmierer

Nun wären die Briten natürlich nicht die Briten gewesen, wenn sie nicht noch im selben Jahr der Veröffentlichung des GSM-Standards (1990) einen eigenen Mobilfunkstandard verlangt hätten: Heraus kam der DCS1800-Standard, der sich vom "normalen" GSM-Standard grob gesehen nur im Frequenzbereich (1800 MHz anstatt 900 MHz) unterscheidet und sich zwischenzeitlich ebenfalls großer Beliebtheit erfreut.

Warum das ganze? Nun, zunächst einmal ist der andere Frequenzbereich Ausweichposition für Länder, in denen der ursprünglich vorgesehene GSM-Frequenzbereich im 900 MHz-Band bereits belegt ist. Außerdem ist absehbar, daß die Kapazität der GSM-Netze im 900 MHz-Bereich nicht ausreichen wird (neueste Analysen (1996) rechnen allein für die BRD mit 25.000.000 Mobilfunkkunden!):
Durch kleinere Funkzellen benötigt der Mobilfunkbetreiber zwar mehr Basisstationen, dafür kommen die Handys jedoch mit weniger Sendeleistung aus und die Kanalfrequenzen lassen sich öfters wiederverwenden, was eine höhere Kapazität des Telefonnetzes ermöglicht -nicht umsonst haben sich viele asiatische Länder für diesen Standard entschieden.

In Deutschland führte dies letztlich dazu, daß zwei zueinander leider (noch) nicht kompatible Netze entstanden: Das D-Netz und das E-Netz entstanden; ersteres mit dem ursprünglichen GSM-Frequenzbereich von 900 MHz, letzteres mit dem DCS1800-Standard im 1800 MHz-Band.

 

 

 

 

Die GSM-Systemarchitektur

 

 

Das GSM-Netz läßt sich am besten als ein hierarchisch gegliedertes System verschiedener Netzelemente verstehen: Am unteren Ende stehen zunächst die Mobiltelefone (MS für "Mobile Station"), die über Funk mit der nächstgelegenen Basisstation (BTS für "Base Tranceiver Station") kommunizieren.

Die Reichweite solcher Basisstationen liegt nominell bei bis zu 37,8km (GSM) Radius, fällt in der Praxis jedoch im Mittel deutlich geringer aus (durch geringere Sendeleistungen, Abschattungen, Reflexionen u.ä., durch das Gelände bedingte Ursachen, aber auch durchaus gewollt von den Netzbetreibern, da viele kleine Zellen in Ballungsgebieten mehr Teilnehmer versorgen können, als wenige große).
Rechnet man sich das einmal aus, so kommt man auf mehrere tausend Basisstationen (E-Plus spricht bspw. von 6000 BTSen für den E-Netzaufbau in Deutschland). Zur Lenkung und Kontrolle dieses Datenverkehrs werden die BTSe nun zunächst gebietsweise zusammengefaßt: Die zugehörigen übergeordneten Netzelemente heißen denn auch "Base Station Controller" (BSC). Über Ihnen stehen dann nochmals eine handvoll Mobilvermittlungseinrichtungen, neudeutsch: "Mobile Switching Centers" (MSC), über die u.a. auch der Übergang in andere (in- oder ausländische) Telefonnetze erfolgt:


Bild: GSM Hierarchie

 

Wie man der Skizze entnimmt, trägt jede der Schnittstellen zwischen den einzelnen Netzelemententypen einen eigenen Namen:

Dabei ist die genaue physikalische Ausprägung der beiden letztgenannten Verbindungen von untergeordneter Bedeutung: Je nach Standort kann dies per Richtfunk, öffentlichen (Telekom-)Mietleitungen oder direkten Kabelanbindungen erfolgen. Für die Netzbetreiber ist dies (aufgrund der Mietleitungskosten unserer allseit beliebten Telekom...) sehr wichtig, für unsere weiteren technischen Betrachtungen dagegen überhaupt nicht.

Betrachtet man das ganze System aus dem Blickwinkel der logischen Aufgabenverteilung, so ergibt sich eine Dreiteilung:

Das Radio-Subsystem (RSS)

Alle Netzelemente bis hinauf zur Vermittlungsstelle: Handy (MS) + Basisstation (BTS) + Basisstationkontrolleinheit (BSC). Hier findet sich die eigentliche "Funktechnik" wieder. Da das Handy (zumindest aus Sicht der Netzbetreiber) eigentlich nur ein Anhängsel darstellt, spricht man von BSC und zugehörigen BTSen zusammen oft auch als "Base Station Subsystem" (BSS).

Das Network Switching Subsystem (NSS)

Wie der Name schon andeutet, ist hiermit die Vermittlungstechnik gemeint. Das NSS umfaßt damit die Netzelemente und Technik ab (und zwischen) der/den MSC. Wie im Bild oben angedeutet, sind der MSC hierzu einige zusätzliche Datenbanken zugeordnet (HLR, VLR, AUC, EIC,...), auf deren genaue Funktion wir später noch zurückkommen werden.

Das Operation and Maintenance Subsystem (OMS)

Dieses Betriebs- und Wartungssystem ist neben die oben aufgezählte Netzelementhierarchie gestellt -logisch, denn es müssen ja alle Netzelemente überwacht werden. Die Überwachungsmaßnahmen selbst werden durch die "Operation and Maintenance Centers" (OMC) -typischerweise bei den MSCen angesiedelt- ferngesteuert.



Die Datenbanken

Um die anfallenden Vermittlungs- und Verwaltungsaufgaben bewältigen zu können, werden eine Reihe von Datenbanken benötigt. Meist sind sie auf der MSC-Ebene angesiedelt (was auch Sinn macht, wenn man bedenkt, daß die MSC ja gerade die Vermittlungsaufgaben wahrnehmen).
Im einzelnen sind dies:

Wie spielen diese Datenbanken nun zusammen? -Angenommen, ein Handybesitzer schaltet sein Mobiltelefon ein, um ein Gespräch zu initiieren. Dann meldet sich das Gerät zunächst mit der aus der SIM-Karte stammenden Teilnehmerdaten und dem aus dem Gerät ausgelesenen Gerätedaten bei der nächsten Basisstation an, die die Daten an "sein" MSC weiterleitet.
Diese schickt die Daten weiter an die zuständige MSC, in deren zugeordnetem HLR die SIM-Karte registriert ist und fordert eine entsprechende Authentisierung der Daten an. Mit den Daten des AUC und EIR wird dann die Erlaubnis zur Teilnahme des Users am Mobilnetz überprüft. Anschließend wird im HLR/VLR die Position und der Status des Teilnehmers als eingebucht vermerkt.
Bei einem Verbindungswunsch wird anhand der gewählten Rufnummer die zuständige MSC ermittelt, in deren HLR der Teilnehmer registriert ist. Da dort gespeichert ist, wo sich der Teilnehmer gerade aufhält (bzw. ob er momentan überhaupt im Netz erreichbar ist), läßt sich der Anruf nun an das MSC weiterleiten, in dessen Zuständigkeitsbereich der Teilnehmer momentan ist. Dieses lenkt über das näheste BSS den Anruf zum Handy des gewünschten Teilnehmers. Auch dessen Handy muß sich nun zunächst gegenüber dem MSC als das "richtige" authentisieren. Erst danach kann das eigentliche Gespräch beginnen.
Wechselt der mobile Teilnehmer während des Gesprächs in den Zuständigkeit eines anderen BSS, so wird die Verbindung vom nächsten BSS übernommen (Handover). Unter Umständen wechselt damit auch die zuständige MSC: In dem Fall werden die HLR/VLR-Daten entsprechend aktualisiert.



Die Funkschnittstelle

allgemeines

Die Funkschnittstelle (auch: RadioPath oder Um-Schnittstelle) im GSM unterscheidet zwischen zwei Funkrichtungen: Je nachdem, ob der Funkweg vom Handy zur Basisstation oder die umgekehrte Richtung gemeint ist, spricht man von Uplink bzw. Downlink.
Jeder Funkkanal besteht nunmehr aus einem solchen Uplink- und Downlinkpaar, wobei der Abstand zwischen Up- und Downlinkfrequenz immer identisch ist (sog. Duplexabstand, im GSM 45 MHz kHz).
Insgesamt gibt es 124 solcher Funkkanäle, wobei zwischen zwei benachbarten Kanälen jeweils ein sog. Kanalabstand von 0.2 MHz eingehalten wird. Der erste Kanal beginnt bei 890.2 MHz (uplink) bzw. 890.2+45 = 935.2 MHz (downlink), womit sich die einzelnen Frequenzen der 124 Kanäle nun leicht berechnen lassen:

(i im Bereich [1..124]):
FDMA-Prinzip

In DCS1800-Netzen ist dies vom Prinzip her nicht viel anders, nur daß...

(i im Bereich [1..374])

Die Übertragung von Gesprächen geschieht also bei beiden Systemen auf mehreren Frequenzen gleichzeitig -ein simples Frequenzmultiplex-Verfahren mit dem Namen Frequency Division Multiple Access, kurz: FDMA.

Jeder dieser Frequenzträger wird nun aber noch weiter in 8 sogenannte "Zeitschlitze" (time slots) unterteilt -hierdurch entstehen also acht physikalische Kanäle; das zugehörige Verfahren, die Frequenzträger entsprechend zu zerschnippeln, nennt sich Time Division Multiple Access (TDMA):


TDMA-Prinzip

Kanalstruktur, Datenübertragung

Eine Abfolge von 8 Timeslots heißt auch TDMA-Rahmen (oder einfach "Frame") und dauert 4,615ms; ein Zeitschlitz somit 4,615/8 = 0,576875ms. Die in diesem Zeitintervall übertragenen Daten bezeichnet man als Burst, im GSM sind es 156,25 Bit (1 Bit = 3,692 Mikrosekunden).


Burst

 

Damit gelangen wir allmählich wieder auf halbwegs festen Computerboden, denn letztlich sind diese "Bursts" nichts anderes, als Datenblöcke in einem Computernetz: Bitpakete einer festen Größe mit bestimmten Formaten.
GSM kennt ihrer fünf Arten:

Normal Burst

Der eigentliche "Packesel" im Netz: Mit ihm werden die Nutzdaten des Gesprächs transportiert. 114 der 156.25 Bits sind dabei echte Daten, der Rest geht für die Verwaltung darauf (fast wie im richtigen Leben...)

Frequenzkorrektur-Burst

Eine 142 Bit lange Datensequenz aus lauter Nullen: Durch die Demodulationsstufen der Mobilstation gewurstet ergibt dies nämlich ein unmoduliertes Trägersignal (=Sinus), mit dem sich die Mobilstation abgleichen kann

Synchronisations-Burst

Er dient zur Zeitsynchronisation des Handys und enthält dazu im wesentlichen eine lange Trainingssequenz

Access-Burst

Nein, das ist kein Wutausbruch eines frustrierten MicroSoft-Datenbankprogrammierers, sondern ein Datenpaket für den wahlfreien Zugriff des Handys.

Dummy-Burst

Ein Lückenfüller, der dann gesendet wird, wenn keine Nutzdaten zum Senden da sind

So, tief durchatmen und gedanklich einen Schritt Abstand gewinnen: Man muß sich jetzt zunächst einmal klar darüber werden, daß mit diesem Schema bisher nur der physikalische Aspekt des Datentransportes beschrieben ist: Man spricht deshalb auch von physikalischen Kanälen.
Löst man sich von dieser Betrachtungsweise und sieht die Datenübertragung eher informationsbezogen, so kommt man zu den 11 logischen Kanälen:

Muß man die genauen Funktionen dieser logischen Kanäle, deren recht vertracktes Zusammenspiel und ihre Abbildung auf die darunterliegenden physikalischen Kanäle kennen? -Nein (höchstens man arbeitet für einen der Systemhersteller, im GSM-Normungsausschuß oder bewirbt sich für ein Ratequiz a la "Großer Preis" mit Spezialgebiet GSM-Technik im Fernsehen...)
 

Wichtiger ist stattdessen wieder einmal, das Prinzip zu verstehen:
Ein Traffic Channel (TCH) stellt bspw. die Bandbreite zur Verfügung, die benötigt wird, um ein Gespräch zu übertragen. Momentan entspricht dies (bei einem Full rate channel) einer Datentransferrate von 13kbps. Entsprechend viele Timeslots sind dafür irgendwie reserviert worden -Punkt!

 

 

 

Sprachcodierung

Prinzipielle Anforderungen: Pflicht...

Der GSM-Sprachcodec (="Codierer/Decodierer") stellte technisch eine absolute Herausforderung dar: Die zur Verfügung stehende Bandbreite für die Sprachübertragung war recht gering, die Fehleranfälligkeit auf dem Übertragungsweg "Luft" aber bekannterweise sehr hoch.

Ähnlich wie im Computerbereich (Stichwort: JPEG- und MPEG-Komprimierung) war deshalb von Anfang an klar, daß die Sprachübertragung nur verlustbehaftet erfolgen könnte, d.h.: Die zum Einsatz kommenden Algorithmen müssen irrelevante Sprachanteile erkennen und weglassen. Aufgrund der unvermeidbaren Bitfehler auf der Luftschnittstelle sollte der (De-)Komprimierungsalgorithmus aber zusätzlich auch dann noch ein annehmbares Sprachsignal auf der Empfangsseite erzeugen können, wenn einzelne Bits verfälscht werden -ja sogar dann, wenn einzelne Datenpakete komplett ausfallen, denn aufgrund der Echtzeitübertragung hat das System ja keine Möglichkeit, als verfälscht erkannte Datenpakete neu anzufordern.

Außerdem war es schwierig, entsprechende Algorithmen zu bewerten, denn es gab und gibt keine geeignete Meßmethode, um die vom menschlichen Ohr wahrgenommene Sprachqualität objektiv zu bewerten, d.h.: Es waren aufwendige Hörtests nötig.

In salomonischer Lösung ist der 1987 von der GSM-Gruppe der CEPT gewählte Algorithmus deshalb auch die Kombination zweier Kandidaten mit drei Verfahren:

·         Die Linear Predictive Coding (LPC) Technik und

·         Die Long Term Prediction (LTP) Prädiktionstechnik und Regular Pulse Excitation (RPE)

,zusammen: RPE/LTP-LPC (eine Abkürzung, für die man eigentlich selbst schon eine Abkürzung bräuchte...)

 

...und Kür: DTX, VAD, CN Als wäre das ganze Verfahren der Sprachcodierung und -decodierung nicht allein schon kompliziert genug, wurde der Sprachcodec 1988 und 1989 nochmals erweitert: Eine höchstkomplizierte Sprechpausenerkennung (Voice Activity Detection, VAD) versucht, Sprechpausen zu erkennen und die Datenübertragung für diesen Zeitraum abzuschalten (Discontinous Transmission (DTX)).

Stattdessen wird auf der Empfangsseite ein möglichst passendes Hintergrundgeräusch simuliert (Comfort Noise (CN)), damit der Kunde nicht von der "digitalen Stille" irritiert wird...

Wozu dann überhaupt DTX? Nun, (zumindest zivilisierte) Menschen lassen einander aussprechen, d.h.: Bei einem normalen Gespräch werden allein dadurch schon ca. 50% der (Duplex-)Bandbreite einer Verbindung nicht ausgenutzt.
Rechnet man die Sprachpausen zwischen den einzelnen Wörtern und Sätzen mit, so liegt die theoretisch einsparbare Netzkapazität bei ca. 60% (!)
Da die VAD im Zweifel zugunsten einer Datenübertragung entscheiden muß und die Erkennung einer "Sprachpause" gelinde gesagt sauschwer ist, liegt das tatsächliche Einsparungspotential in der Praxis nicht ganz so hoch, beträgt aber immerhin noch ca. 35..45%.
Ähnliches gilt natürlich auch für den Energieverbrauch des Handys (es sendet in der Zeit ja nicht), allerdings geht ein Teil der hier eingesparten Energie wieder für den zusätzlichen Berechnungsaufwand für die Sprachpausenerkennung drauf.

Vorrangiges Ziel der Sprachcodierung war somit, auf der Empfangsseite eine subjektiv bestmögliche Reproduktion des Sprachsignals zu erreichen -was eben nicht unbedingt gleichbedeutend zu "möglichst bitgenaue Wiedergabe" sein muß: Darum wird in GSM-Netzen auch pingelig zwischen der Übertragung von Sprache und Daten (FAX, Email, etc.) unterschieden!

 

Der CODEC: RPE/LTP-LPC -oder: Von 64kbps zu 13kbps Genug des Vorgeplänkels:

Sprachübertragung

Wie man dem Schaubild entnimmt, wird die Sprache zunächst digitalisiert. Nach dem auch hier gültigen Abtasttheorem muß die Abtastfrequenz mind. das zweifache der Signalbandbreite betragen; da die wichtigsten Sprachanteile der menschlichen Stimme in einem Bereich von knapp 4kHz liegen, wurde eine Abtastrate von 8000 Hz gewählt (zum Vergleich: Das normale Telefonnetz der Telekom überträgt nur den Frequenzbereich von 300..3400Hz).
Die Auflösung eines jeden solchen Abtastpunktes beträgt in der Regel 8 Bit (pseudologarithmische Quantisierung via A-Law gemäß CCITT G.711), manchmal aber auch 13 Bit (lineare Umsetzung, Zweierkomplement-codiert).
Jedenfalls ist der sich daraus ergebende Datenstrom von 8000*8 bzw. 8000*13 Bits pro Sekunde viel zu hoch.

 

Der CODEC: RPE/LTP-LPC -oder: Von 64kbps zu 13kbps

Hier setzt nun der Sprachcodierer an, diesen Datenstrom auf gerade eben mal noch 13kbps einzuköcheln.

Wie macht man das? Eine alte Regel aller datenquetschenden Informatiker lautet: Je mehr Du über Deine Daten weißt, desto besser kannst Du Sie komprimieren!
Ein Beispiel: Angenommen, man wüßte, daß nur Klaviermusik übertragen würde. Dann genügte es, auf beiden Seiten ein Klavier (in Handyformat?...) vorzusehen; ein Algorithmus müßte dann "nur" (ähem...) die Noten und deren Spielweise senderseitig erkennen.
Auf der Leitung würde dann nicht die Musik selbst übertragen, sondern nur noch abstraktere Information, wie "spiele einen Dominant-Sept-Akkord in c-moll" und einige zusätzliche Parameter ("andante", "3/4-Takt" und all die anderen Scheußlichkeiten, mit denen man uns seinerzeit im Musikunterricht getriezt hat...).

Nach einem ähnlichen Prinzip funktioniert das GSM-Verfahren auch, nur wird hier eben nicht Klaviermusik, sondern menschliche Sprache übertragen. Das heißt:
Ein Modell der Erzeugung menschlicher Sprache muß her! Die dafür verwendeten Modelle zerlegen die Sprache nahezu alle nach dem gleichen Muster:

·         Eine Stufe "entzieht" dem zu codierenden Sprachsignal einen quasi-periodischen Signalanteil, welches für die Formung stimmhafter Anteile (Vokale, Nasale) wichtig ist

·         In weiteren Schritten wird das Restsignal geeignet übertragen

Genauer gesagt geschieht diese sog. "codeerregte lineare Prädiktion" (CELP) in GSM-Systemen mit dem bereits vorhin kurz erwähnten RPE/LTP-LPC-Verfahren (leicht vereinfacht):


RPE/LTP-LPC-Codierung

Zunächst wird die Sprache in 20ms-Happen zerlegt; für jeden solchen Sprachfetzen werden nun aus einem umfangreichen Codebuch möglichst passende Anregungssignale, Verstärkungs- und Filterparameter ausgewählt, die als Eingabe auf der Empfängerseite das Originalsignal am besten synthetisieren können.
(Da ein solcher Sprachblock erst bearbeitet werden kann, wenn er komplett vorliegt, bedeutet dies übrigens auch eine Verzögerung des Signals von mind. 20ms).

Die erste Stufe bestimmt nun einen bestmöglichen Filterparametersatz, wobei zwar auch Sprachinformationen benachbarter Sprachblöcke mitwirken, aber nur sehr begrenzt ("Gedächtnis" nur ca. 1ms). Der Schwerpunkt liegt bei der LPC-Stufe darin, die "Grobstruktur" des Signals zu übertragen und damit das zu übertragende Amplitudenspektrum schon einmal kräftig zu bereinigen.

Das an die LTP-Stufe übergebene Signal wird nun ähnlich gefiltert, allerdings berücksichtigt dieses "Langzeit-Prädiktions-Filter" (20ms sind nun mal computerseitig betrachtet "lange"...) dabei hauptsächlich längerdauernde statistische Abhängigkeiten der menschlichen Sprache (Silben, Lautbildung) und kann dadurch in der menschlichen Stimme auftretende periodische Signalanteile effektiv erfassen.
Auch diese gewonnenen Parameter werden übertragen, das damit empfängerseitig generierbare Näherungssignal vom Ursprungssignal abgezogen und der RPE-Stufe übergeben.

Dieses Restsignal hat nun bereits eine deutlich reduzierte Dynamik (d.h.: Das Amplitudenspektrum ist sehr flach, periodische Anteile nur noch gering ausgeprägt).
Anders gesagt bedeutet dies, daß die "wichtigsten" Sprachanteile schon durch die vorherigen Stufen erfaßt wurden. Die RPE-Stufe darf deshalb nun etwas weniger zimperlich sein und eine verlustbehaftete Codierung durch das Weglassen subjektiv irrelevanter Sprachinformation des Restsignals durchführen.

Aufgrund der geringen Dynamik des Restsignals erlaubt sich die Stufe zunächst eine Tiefpaßfilterung und anschließende Neuabtastung des Signals mit nur noch 1.3kHz (ca. 1/3 der ursprünglichen Abtastrate).
Genaugenommen zerlegt der Algorithmus das Signal in drei Signalfolgen (eine, welche den 1.,4.,7.,10.,.. Wert enthält, eine den 2.,5.,8.,11.,.. und einen den 3.,6.,9.,12.,..; die am besten "passende" dieser drei Folgen wird dann als Restsignal verwendet).

Im zweiten Schritt wird das übriggebliebene Restsignal in einem sog. "Kurzzeit-Prädiktions-Filter" auf statistische Abhängigkeiten benachbarter Abtastwerte untersucht und wieder daraufhin optimierte Parametersätze berechnet.

 

...und weiter zu 6.5kbps: Die Halfrate-Channels Auch die (momentan noch nicht eingesetzte) Halfratechannel-Technik setzt ähnliche CELP-Komprimierungstechnik ein, darf aber bis zu 4x soviel Rechenpower dazu verwenden, um im Ergebnis die benötigte Übertragungsbandbreite zu halbieren. Da letztlich nur noch halb soviele Bits übertragen werden, werden die Bedingungen aber auch bei der Fehleranfälligkeit ungemein härter: Der Ausfall einzelner Bits bei der Übertragung wiegt schwerer und die Informationen eines Sprachblocks lassen sich auch nur mehr über 4 statt 8 Datenpakete verteilen (Bit-Interleaving, s.u.).
Auf der Luftschnittstelle ist deshalb der Anteil der eingefügten Redundanzbits erheblich höher: 6.5kbps Informationen werden mit insgesamt 11.4kbps Datenrate übertragen (zum Vergleich: 13kbps zu 22.8kbps beim normalen Fullrate-Channel).

 

Fehlerschutzmechanismen Die Datenübertragung per Funk ist um einige Zehnerpotenzen fehleranfälliger als die kabelgebundene, so daß es nicht verwundert, daß bei GSM-Systemen ein erheblicher Aufwand zur Sicherung der Daten gegen Übertragungsfehler betrieben wird.
Zum einen wird dazu die gerade eben erst durch die Sprachcodierung mühsam verringerte Bandbreite durch Hinzufügen von Redundanz und Prüfsummen wieder auf 22.8kbps (bzw. 11.4kbps beim Halfratechannel) erhöht, zum anderen werden aber auch raffinierte Übertragungstricks angewendet.

1.      Redundanzerhöhung:
Im GSM-System werden die Daten wie bereits erwähnt in 20ms-Blöcken übertragen. Bei einer Nutzdatenrate von 13kbps entspricht dies also zunächst 260 Bit großen Datenpaketen.
Diese werden nun schrittweise auf 456 Bits ergänzt (=22.8kbps):

o        Umordnen: Die Daten werden gemäß ihrer Wichtigkeit in 3 Klassen aufgeteilt:
50 sehr wichtige Bits + 132 wichtige Bits + 78 weniger wichtige Bits

o        Prüfsumme: Für die als wichtigsten eingestuften Bits wird eine CRC-Summe (3 Bit) berechnet (für die Freaks: Das zugehörige Generatorpolynom lautet g(n):=n^3+n+1):

o        Erweiterung und erneute Umordnung: An die "wichtigen" Klasse1- und Klasse1a-Bits werden nun 4 sogenannte Tailbits "0000" angehängt. Ohne groß auf die dahinterstehende Mathematik eingehen zu wollen: Diese auf den ersten Blick unsinnige Maßnahme erhöht nochmals den Schutz von Bits am Anfang und Ende der (53+132) Bitsequenz, so daß eine erneute Umordnung vorgenommen wird, bei der die wichtigsten Bits an den Rand dieses 185 Bitblocks versetzt werden:
(53 Bits + 132 Bits + 4 Nullbits) + 78 Bits

o        Faltung: Die vorderen Bitblöcke mit den insgesamt 189 als "wichtig" klassifizierten Bits werden nun einem sog. "Faltungscodierer" unterzogen, der den Datenumfang letztlich durch Einfügung von Redundanz verdoppelt:
378 Bits + 78 Bits = 456 Bits

Der verwendete Faltungscodierer ist dabei ein relativ einfach aufgebauter Baustein:

Faltungscodierer

Dieses Verfahren erlaubt im Mittel immerhin die Korrektur von ~25% aller Übertragungsfehler.

2.      Übertragungstricks:
Murphy's "Es kommt immer alles auf einmal!" gilt auch für Übertragungsfehler: Sie haben die Tendenz "en bloque" aufzutreten, d.h.: Sowohl zeitlich als auch frequenzmäßig gehäuft aufzutreten.
Die GSM-Systeme versuchen deshalb, die zu übertragenden Daten über die Zeit und die Frequenz zu streuen, um die Auswirkungen von Blockfehlern so abzumildern, daß sie durch die Redundanz wieder korrigiert werden können:

o        Bit-Interleaving: Das Bit-Interleaving ("Verspreizung") verteilt die 456 Bits eines Sprachblocks über 8 Datenpakete, um Fehler über die Zeit (=mehrere Rahmen) zu streuen. Zusätzlich werden ursprünglich benachbarte Bits möglichst weit über die 8 Datenpakete verstreut, um somit auch die Zerstörung benachbarter Bits zu vermindern.
(Für die GSM-Datendienste wird das Verfahren noch weiter getrieben: Hier werden die Bits auf bis zu 19 Pakete verteilt; das ist bei den Sprachdiensten jedoch nicht möglich, denn das empfängerseitige Zusammenklauben der verteilten Informationen bedeutet längere Wartezeiten, bis der Datenblock vorliegt und die so resultierende Verzögerung wäre für interaktive Sprache zu lang -wer schon mal über Satellit telefoniert hat, kennt den Effekt).

o        Frequency-Hopping: Zusätzlich werden die Informationen auch über das Frequenzspektrum gestreut, d.h.: Die einzelnen Datenpakete werden auf verschiedenen Trägerfrequenzen verschickt, so daß die Störung einer Frequenz weniger ins Gewicht fällt.

o        Extrapolation:
"Na dann... ...versuchen Sie eben, möglichst gut zu schätzen, Mr. Spock!"
--Captain Kirk

Wenn all dies nichts nützt, dann kann sich sich das System auf der Empfangsseite noch mit einem aus der CD-Technik bekannten Trick aushelfen:
Ist das empfangene Datenpaket nicht wiederherstellbar, so wird es schlicht ignoriert und stattdessen der Parametersatz des letzten Sprachrahmens verwendet. Technisch bewirkt dies eine Interpolation der Ausgangswerte, die subjektiv kaum bemerkbar ist. Erst nach 320ms kontinuierlich falschen Sprachrahmen wird der Ausgang komplett stumm geschalt

Modulationstechnik: GMSK

Betrachtet man das Handy als Black-Box (und das dürften die meisten normalerweise tun...), dann bleibt letztlich ein Datenstrom von 156.25 Bit alle 0.577 ms (=270833bps), der an irgendeinem Chip-Ausgang herauspurzelt und per Funk übertragen werden muß. Nun sind dies aber zunächst digitale Daten, die auf einem (200kHz breitem) analogen Frequenzkanal irgendwie gesendet werden müssen.

Für das "irgendwie" muß nun doch wieder die gute alte Analogtechnik herhalten: Man nehme eine analoge Grundfrequenz ("Träger") und packe durch gezielte Änderungen der Frequenz, der Lautstärke oder der Phase des Signals die Informationen auf diesen Träger. Dieses Verfahren namens Modulation ist von seinem Grundprinzip her eigentlich ein uralter Hut allerdings hat die im GSM verwendete Variante namens Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) einige Finessen.

GMSK erlaubt es, den GSM-Datenstrom von 270833bps über einen Kanal von 200kHz Bandbreite zu übertragen. Der Knackpunkt bei der Datenübertragung ist, daß ein typisches Digitalsignal (0->1 oder 1->0) eigentlich senkrechte, d.h.: mathematisch unendlich steile Signalflanken fordert. Das dies in der Praxis Probleme bereitet, wird schon intuitiv klar: Kein real existierendes System kann "unendlich schnell" Zustandsübergänge bewerkstelligen. Ohne groß in die Mathematik der Fouriertransformationen einsteigen zu wollen, besteht mathematisch ein Zusammenhang zwischen der Bandbreite, die zur ordentlichen D/A-Wandlung eines Signals erforderlich ist und der Steilheit seiner Signalflanken. Aus diesem Grund wird das Rechtecksignal absichtlich "verschliffen" (Wen's interessiert: Dazu wird die Signalfunktion mathematisch gesehen mit der Gaußfunktion gefaltet, was einer Tiefpaßfilterung entspricht; die Übertragungsfunktion lautet
T(f)=e(-ln2/(2*B2) * f2), wobei B die 3dB-Bandbreite des Gaußtiefpasses darstellt; der GSM-Standard empfiehlt dabei Bandbreite*Bitrate=0.3).

Der Pferdefuß bei dem Verfahren liegt darin, daß empfangsseitig die Signalflanken nun zeitlich verschmiert sind: Statt eines kurzen Peaks erhält man jetzt einen "Gaußhügel" als Impulsantwort. Mit den GSM-Parametern ist jedes Symbol deshalb mit nicht vernachlässigbaren Signalrestanteilen über 5 Bitzellen verstreut:
Gaußfunktion

(Dabei repräsentiert t/T die Zeit in Symboldauern).

Durch diese "Breite" der einzelnen Bits kommt es zu Signalüberlagerungen benachbarter Bitwerte. Außerdem streuen auch noch Störungen auf der Funkstrecke ein, so daß es auf Empfangsseite zu komplexen Signalmustern kommt, die erst wieder aufgelöst werden müssen.

Aus diesem eintreffenden Signalmix versucht der sog. Viterbialgorithmus nun, diejenige Datenfolge herauszuinterpretieren, die für den empfangenen Signalverlauf am wahrscheinlichsten ist -Keine leichte Aufgabe, denn da die Nutzdaten eines Bursts aus zwei 57 Bitblöcken besteht, gibt es immerhin 2^114 mögliche Kombinationen. Durch geschickte Analyse des Signalabbilds der (bekannten, da immer gleichen!) Trainingssequenz in den Bursts können jedoch Rückschlüsse auf die Art der Signalverfälschungen gezogen und die (unbekannten) Nutzdatenbits leichter gefunden werden. (Wieder etwas für die Freaks: Der Suchraum reduziert sich auf die Breite der Impulsantwort, bei 5 Bits also auf 2^5 Suchpfade).



 

Sicherheitsaspekte

Mobilfunk bedingt logischerweise, daß der Übertragungsweg prinzipiell abgehört werden kann.
Zum Thema "Sicherheit des Mobilunkteilnehmers" fällt den meisten jedoch zunächst nur spontan die "Verschlüsselung" ein, also die Maßnahme, daß die Gesprächsdaten selbst abhörsicher sind (damit Moneten-Theo beispielsweise nicht mitbekommt, wie Sie Ihr Schwarzgeldkonto steuersparend in der Schweiz verwalten).

Hinzukommt aber auch noch ein zweiter Punkt, den die Informatiker in Ihrem Fachchinesisch "Authentisierung" nennen: Dies beschreibt die Maßnahmen, die nötig sind, um sicherzustellen, daß derjenige, welcher ein Gespräch führt, auch wirklich der ist, der er zu sein vorgibt. (Derjenige, der behauptet, den letzten Schachtelsatz, der vor diesem Satz, der in dem Abschnitt der Datei, die Sie hier lesen, die über GSM-Sicherheitstechnik Auskunft gibt, vorkommt, steht, verstanden zu haben, zeigt, daß er deutsch kann... -so, ist der Stapel im Gehirn jetzt leer gepopt?).

Hierzu werden mehrere Mechanismen eingesetzt, die in recht komplizierter Weise miteinander zusammenarbeiten müssen. Das ganze System bedient sich dazu verschiedener Kryptographie-Algorithmen und elektronischer Schlüssel (also letztlich Nummern).

Da ist zunächst einmal die internationale Mobilteilnehmerkennung IMSI ("International Mobile Subscriber Identity"), eine bis zu 15 Ziffern lange Nummer, die vom Netzbetreiber der SIM-Karte fest zugeordnet wurde. Genaugenommen besteht sie aus einem Ländercodeteil, einer Netz- und einer Teilnehmerkennung, aber da Sie die Zahl eh niemals sehen werden, ist dies gar nicht weiter wichtig. Wichtig ist nur, daß die IMSI durch dieses Verfahren weltweit eindeutig ist und sozusagen Ihre internationale Erkennungsmarke darstellt. Eine Kopie davon existiert auch im HLR/VLR-Register bzw. im AUC.

Dann wäre da noch die Mobilgerätekennung IMEI ("International Mobile-Station Equipment Number") zu nennen, sozusagen das Gegenstück der IMSI, aber diesmal für das Gerät. (An dieser Stelle sieht man übrigens wieder sehr schön die GSM-typische Trennung zwischen Teilnehmer einerseits und dem von ihm verwendeten Gerät andererseits).
Und schließlich gibt es noch den "Individual Subscriber Authentication Key" Ki, ein bis zu 128 Bit langer, geheimer Schlüssel, der von der IMSI abhängt und wie diese nur im SIM und AUC.

 

Authentisierung:

 

Der Authentisierungsvorgang an sich ist ein klassisches Problem der Kryptographie: Sie haben zwei Teilnehmer A und B, die sich "irgendwie" über einen unsicheren Informationskanal gegenseitig davon überzeugen müssen, daß sie auch wirklich A und B sind. ("unsicher" heißt hierbei, daß die Strecke zwischen A und B beliebig abgehört und/oder verfälscht werden könnte). Es reicht nun nicht, daß A einfach seine IMSI an B übermittelt und B sie mit seiner Kopie vergleicht -in dem Fall bräuchte man ja nur A's IMSI einmal mitprotokollieren und fortan könnte sich jeder unbemerkt als A ausgeben (zumindest solange, bis dessen monatliche Telefonrechnung die Höhe des Empire State Buildings erreicht hat). Deshalb kommt ein algorithmisches Verfahren zum Einsatz, bei dem der Schlüssel selbst niemals über die Luftschnittstelle übertragen werden muß: Anstatt den Schlüssel zu schicken, sendet man Informationen, mit denen man nur testen kann, ob die Gegenseite ihn besitzt. Das ganze kann man sich vereinfacht so vorstellen, daß der Schlüssel als Teil einer Funktion benutzt wird: Im GSM heißt diese Funktion "A3"; genauer: A3 ist ein (für alle einheitlicher) Algorithmus, aber der Teilnehmerschlüssel parametrisiert diesen Algorithmus zu einer für den Teilnehmer einmaligen Funktion. Da außer A und B niemand sonst den Schlüssel kennt, ist damit auch diese spezielle teilnehmerspezifische A3()-Funktion nur A und B bekannt. Will sich B davon überzeugen, daß A den Schlüssel kennt, dann erzeugt B eine Zufallszahl RAND und teilt sie A mit: A berechnet A3(RAND) und schickt dieses Ergebnis (auch "signed response", SRES genannt) an B zurück. Da B die Funktion ja ebenfalls kennt, kann es A3(RAND) selber berechnen und mit A's zurückgeschicktem Wert vergleichen: Stimmen die beiden überein, dann kann B davon ausgehen, daß A im Besitz des Schlüssels ist. (RAND ist im GSM-Netz eine 128 Bit große Zahl, A3(RAND) ein 32 Bitwert).

Um das ganze noch ein Stückchen komplizierter zu machen, arbeiten Handy und MSC als konkrete Kommunikationspartner übrigens gar nicht auf der Basis der IMSI-Daten, sondern auf der sogenanten TMSI ("Temporary Mobile Subscriber Identity"), einer vom VLR generierten Teilnehmernummer mit ziemlich kurzem "Verfallsdatum", die z.T. noch während eines Gesprächs ausgewechselt werden kann.
Weiterhin muß die ganze oben beschriebene Authentisierungsprozedur in weniger als 0,5s abgeschlossen sein.

 

 

Verschlüsselung:

Während dieses Authentisierungsprozesses arbeitet noch eine andere Funktion, A8 genannt, nach demselben Schema: Ihr Ergebnis A8(RAND), ein 64 Bitwert, wird jedoch nicht über das Netz übertragen, sondern dient als sog. "Ciphering Key" Kc für die nun einsetzende Verschlüsselung aller Nutzdaten des Gesprächs.

Die Verschlüsselung der Nutzdaten erfolgt mit dem sog. A5 – Algorithmus. Im Gegensatz zu den anderen Funktionen A3 und A8 ist er jedoch für alle GSM-Netze standardisiert.