Lexikon

Global System for Mobile Communications (GSM)

Mobiltelefonnetze gab es schon in den 60er und 70er Jahren – mit dem analogen A-Netz telefonierten von 1958 bis 1977 bis zu 10.000 Teilnehmer. Den technologischen Durchbruch schaffte das mobile Telefonieren aber erst mit der Digitalisierung der Netze Anfang der 90er Jahre. Als Standard für die mobile Sprachtelefonie etablierte sich vor allem in Europa das Global System for Mobile Communications (GSM).

Der weltweit am meisten verbreitete Mobilfunkstandard GSM wurde in den 80er Jahren von einer Arbeitsgruppe der damaligen staatlichen Postbehörden von Frankreich, Italien und Deutschland entwickelt, die 1985 als „Groupe Spéciale Mobile“ firmierten, was GSM ursprünglich den Namen gab. Mittlerweile gibt es GSM-Netze von ca. 300 Betreibern in 130 Ländern, vor allem in Europa. Prinzipiell ist die Nutzung von GSM-Handys in all diesen Ländern möglich, Voraussetzung ist allerdings, dass der Netzbetreiber, über den man telefoniert, mit einem dort ansässigen Netzbetreiber ein sogenanntes Roaming-Abkommen hat, das die Abrechnung der dort geführten Gespräche regelt. Vor allem in Japan und den USA setzte man allerdings auf andere Standards, so dass dort das Telefonieren mit GSM-Handys seltener möglich ist.

Der GSM Standard regelt die technischen Rahmenbedingungen für den Betrieb des Mobiltelefonnetzes. Genutzt werden dabei Frequenzbänder zwischen 900 MHz (GSM900), 1800 MHz (GSM1800) und 1900 MHz (GSM1900). Die deutschen Netze nutzen dabei GSM 900, so dass man von den entsprechenden Geräten als D-Netz-Handys spricht,. Das Frequenzband von GSM1800 nutzten bisher vor allem die beiden sogenannten E-Netze E-Plus und O2. Mittlerweile setzen sich sogenannte Dual- oder Tri-Band-Handys durch, die auf zweien oder allen drei GSM-Frequenzen telefonieren können. GSM1900-Netze gibt es in Deutschland nicht, im Ausland sind vor allem die USA in Ballungsräumen mit GSM1900-Netzen vertreten.

Technische Details

Jedes GSM-Netz unterteilt sich in ein Funknetz und ein Festnetz. Das Funknetz besteht aus Mobiltelefonen und dem sogenannten Basisstationensystem. Diese Basisstationen sind für die Funkversorgung eines bestimmten Gebietes, der sogenannten Funkzelle, verantwortlich. Alle Handys in dieser Funkzelle kommunizieren mit der Basisstation, sind dort „eingebucht“. Die Größe einer Funkzelle kann im GSM900-Netz bis zu 10 km Durchmesser haben, ist in der Praxis vor allem aber in dicht besiedelten Gebieten erheblich kleiner. Der Standort einer Antenne des Funknetzes deckt in der Regel mehrere Zellen ab, in den D-Netzen sind bis zu 20.000 Funkzellen installiert.

Da die technische Reichweite bei GSM1800-Netzen geringer ist, ist auch eine höhere Anzahl von Basisstationen nötig, um die gleiche Fläche abzudecken, der Durchmesser der Funkzellen ist bei diesem System geringer. Das Mobiltelefon meldet sich selbsttätig in der jeweils zuständigen Funkzelle an, beim Übergang von einer Zelle in die nächste, etwa während einer Autobahnfahrt, findet das Umbuchen auch einer laufenden Verbindung in der Regel statt, ohne dass der Nutzer etwas davon merkt.

Das bedeutet aber auch, dass das Handy selbst ohne laufendes Gespräch ein Signal sendet, und dass über das Handy eine räumliche Zuordnung des Besitzers möglich ist – je nach Größe der Funkzelle wird auf wenige Kilometer genau aufgezeichnet, wo sich das Handy befindet. Die Daten über die eingebuchten Mobiltelefone werden von den Basisstationen per Kabel an die Mobilvermittlungsstelle weitergegeben. Hier wird registriert, ob und wo sich ein Handy befindet und der Anruf wird an die entsprechende Basisstation weitergeleitet. Ebenso sorgt die Vermittlungsstelle für die Weiterleitung eines Anrufs des Handys in das richtige Netz: entweder in das Festnetz oder in das eigene oder ein anderes Mobilfunknetz. Gleichzeitig übermittelt die Mobilvermittlungsstelle die entsprechenden Daten an die Heimatdatenbank des Netzbetreibers, etwa zur Kontrolle, ob ein Anschluss gesperrt ist. Auch werden die Daten an das Abrechnungssystem des Betreibers vermittelt.

Die Funkverbindung zwischen dem Handy und der Basisstation funktioniert in den GSM900-Netzen auf dem Frequenzbereich von 890-915 MHz vom Handy zur Basisstation, auf 935-960 MHz für den Rückkanal. Jeder dieser Frequenzbereiche ist in 124 Kanäle aufgeteilt. Die restlichen Kanäle dienen Testzwecken. Konventionell wären damit also pro Betreiber 59 Gespräche in jeder Funkzelle möglich. Bei je 10 Millionen Teilnehmern in den Netzen wäre das zu wenig.

Die Lösung heißt „Multiplex“-Betrieb. Jeder Kanal wird dabei zeitlich unterteilt, so dass sich bis zu acht Gespräche einen Kanal teilen. Jeweils in Sekundenbruchteilen wird zwischen diesen acht Gesprächen umgeschaltet, so dass die Gesprächspartner keine Unterbrechungen bemerken – allerdings leidet darunter die Sprachqualität. Theoretisch wird damit die Kapazität verachtfacht. In Ballungszentren, während Messen und an Flughäfen kann es dennoch eng werden – da hilft entweder der Aufbau weiterer, kleinerer Funkzellen, oder ein weiteres Verfahren, um die Kapazität besser auszunutzen.

Die analoge Sprache wird von einem Baustein im Handy in digitale Signale umgewandelt und beim Empfänger wieder entschlüsselt. Dieser Baustein, Codec genannt, reduziert in seinen neuen Versionen als „Half Rate Codec“ (im Gegensatz zum bisher eingesetzten „Full Rate Codec“) die Datenkompression und schafft so neuen Platz für mehr übertragene Daten. Bei leicht schlechterer Sprachqualität können so mehr Handys in einer Funkzelle telefonieren. Den entgegengesetzten Weg gehen sogenannte „Full enhanced Codecs“, die bei gleich bleibendem Datenvolumen eine deutliche Verbesserung der Sprachqualität bringen. Handys und Empfangsstationen mit diesem Standard gibt es vor allem bei den deutschen GSM1800 Netzen.

Datenübertragung ermöglicht das GSM-Netz mit einer Geschwindigkeit bis zu 9.600 Bit pro Sekunde, was für mobile Internet-Anwendungen zu wenig ist, weswegen neue Standards entwickelt wurden. Eine Fortentwicklung des GSM-Standards ist dabei der „General Packet Radio Service“ GPRS. Wie im Internet werden mit diesem Standard Datenpakete verschickt. Während einer Datenverbindung wird so nicht für die gesamte Zeit ein Kanal (bzw. das Zeitfenster eines Kanals) belegt, sondern die Daten paketweise auch über mehrere Kanäle verschickt. Dadurch werden Übertragungsraten bis 100 kBit pro Sekunde möglich – dreimal mehr als bisher.

Informationen im Netz

Informationen Rund um GSM, technische Standards und Weiterentwicklungen gibt es unter www.gsmworld.com (engl.).