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The Global System for Mobile Communications (formerly Groupe Spécial Mobile, GSM) is a mobile radio standard for fully digital mobile radio networks, which is mainly used for telephony, but also for circuit-switched and packet-switched data transmission and short messages. It is the first standard of the so-called second generation ("2G") as successor of the analog systems of the first generation (in Germany: A-net, B-net and C-net) and is the most widely used mobile radio standard worldwide.

GSM was created with the aim of offering a mobile telephone system that allowed subscribers mobility throughout Europe and offered voice services compatible with ISDN or conventional analogue telephone networks.

In Germany, GSM is the technical basis of D and E networks. GSM was introduced here in 1992, which led to the rapid spread of mobile phones in the 1990s. Today, the standard is used as the mobile communications standard in 670 GSM mobile communications networks in around 200 countries and regions of the world; this corresponds to around 78 percent of all mobile communications customers. Later additions to the standard such as HSCSD, GPRS and EDGE have been added for faster data transfer.

Technique

General

In contrast to the fixed network, a mobile network has various additional requirements:

• subscriber authentication
• Channel access method
• Mobility management (HLR, VLR, location update, handover, roaming)
• The subscribers are mobile and can therefore switch from one radio cell to another. If this happens during a call or a data connection, the call connection must be transferred from one base station to the next (handover) so that the mobile phone always gets its radio connection to the most suitable base station. In exceptional cases, the call can also be routed via an adjacent base station to avoid overloading.
• efficient resource utilisation
• Since a lower data transmission rate is available on the radio interface than in the fixed network, the user data must be compressed more strongly. In order to keep the proportion of data transmission rate that must be used for signalling processes small, the signalling messages were specified bit-precisely in order to keep them as short as possible.
• Mobile phones have a limited battery capacity that should be used sparingly. In general, transmitting costs more energy than receiving. Therefore, the amount of data sent and status messages should be kept as low as possible in standby mode.
• Use of external networks (roaming)

Some important functions within mobile networks

handover

→ main article: handover

Inter-Cell handover

One of the most important basic functions in cellular mobile radio networks is the cell change initiated by the network during an ongoing call. This can be necessary for various reasons. Decisive factors include the quality of the radio link, but also the traffic load of the cell. For example, a call can be transferred to a remote cell to avoid overloading.

Intra-cell handover

Here, for example, a new channel is assigned to the MS within a cell due to the channel quality.

roaming

→ main article: roaming

As many mobile phone operators from different countries have signed roaming agreements, it is possible to use the mobile phone in other countries and to continue to be reachable under one's own number and to make calls.

Voice transmission

Over the years, several codecs have been standardized for voice transmission in GSM. The usual speech codecs, which typically manage with a data rate of less than 20 kbit/s, perform a feature extraction adapted to human language, making them usable only for the transmission of speech. Music or other noises can therefore only be transmitted with lower quality. The following is a brief summary of the voice codecs used in the GSM network:

Full Rate Codec (FR)

The first GSM voice codec was the full-rate codec (FR). It has a net data rate of only 13 kbit/s (in contrast to G.711 64 kbit/s with ISDN). The audio signals must therefore be highly compressed, but still achieve an acceptable voice quality. The FR codec uses a mixture of long-term and short-term prediction that enables effective compression (RPE/LTP-LPC voice compression: linear predictive coding, long-term prediction, regular pulse excitation).

Technically, each 20 ms language is sampled and buffered, then subjected to the speech codec (13 kbit/s). For forward error correction (FEC), the 260 bits of such a block are divided into three classes, according to the extent to which a bit error would affect the speech signal. 50 bits of the block are divided into class Ia. They have the highest protection and receive a CRC checksum of 3 bits for error detection and error concealment. Together with 132 bits of class Ib, which are slightly less protectable, they are subjected to a convolutional code that generates 378 output bits from the 185 input bits. The remaining 78 bits are transmitted unprotected. This turns 260 bits of user data into 456 bits of error-protected data, increasing the required bit rate to 22.8 kbps.

interleaving

The 456 bits are divided by interleaving into eight half bursts of 57 bits each. After deinterleaving in the receiver, short-term interference (e.g. one burst long) is minimized by the error spread. By combining the different error protection procedures in the GSM, good voice quality is often achieved even though the radio channel is extremely error-prone.

Half Rate Codec (HR)

With the introduction of the half rate codec it became possible to handle not only one but two calls simultaneously on one time slot of the air interface. As the name says, only half the data rate is available for HR as for the FR codec. To achieve a usable voice quality, a vector quantization is used instead of the scalar quantization used in the FR codec. This means that coding requires approximately three to four times the processing power of the FR codec. Because voice quality is still rather poor, HR is only used by mobile network operators when a radio cell is overloaded.

Enhanced Full Rate Codec (EFR)

EFR works with a data rate similar to the Full Rate Codec, namely 12.2 kbit/s. Due to a more powerful algorithm (CELP) a better voice quality was achieved compared to the full-rate codec, which corresponds approximately to the level of ISDN telephone calls (G.711a) with a good radio channel.

Adaptive Multirate Codec (AMR)

AMR is a parameterizable codec with different data rates between 4.75 and 12.2 kbit/s. In the 12.2 kbit/s setting, it largely corresponds to the GSM-EFR codec in terms of both algorithm and audio quality. The lower the data rate of the voice data, the more bits are available for channel coding and thus for error correction. Thus, the 4.75 kbps codec is described as the most robust, because an understandable conversation is still possible despite the high bit error frequency during radio transmission. During a call, the mobile network measures the bit error frequency and selects the most suitable codec from a list, the Active Codec Set (ACS). The code rate used is thus continuously adapted to the channel quality.

data transmission

If a GSM channel is used for data transmission, a usable data rate of 9.6 kbit/s is obtained after the decoding steps. This type of transmission is called Circuit Switched Data (CSD). Advanced channel coding also enables 14.4 kbit/s, but causes many block errors in poor radio conditions, so that the "download rate" can actually be lower than with increased security on the radio path. Therefore, depending on the bit error frequency, between 9.6 and 14.4 kbit/s is network-controlled (=Automatic Link Adaptation, ALA).

However, both are too few for many Internet and multimedia applications, so that extensions under the names HSCSD and GPRS have been created that enable a higher data rate by allowing more bursts per time unit to be used for transmission. HSCSD uses a fixed assignment of several channel slots, GPRS dynamically uses radio slots for the connected logical connections (better for Internet access). E-GPRS is a further development of GPRS. This is the use of EDGE for packet data transmission.

Extensions and further developments of GSM

GSM was originally designed mainly for telephone calls, faxes and data transmissions at a constant data rate. Burst-type data transmissions with strongly fluctuating data rates, as is usual with the Internet, were not scheduled.

With the success of the Internet, the so-called "evolution of GSM" began, in which the GSM network was completely downwardly compatible with possibilities for packet-oriented data transmission. In addition, only minimal costs should be incurred through the replacement of frequently used components.

CSD

Speeds of up to 14.4 kBit/s are achieved with Circuit Switched Data.

HSCSD

By coupling several channels, HSCSD achieves a higher data rate overall, maximum 115.2 kbit/s. In order to use HSCSD, a compatible mobile phone is required; on the part of the network operator, hardware and software changes are required for components within the base stations and the core network. In Germany, only Vodafone and E-Plus support HSCSD.

GPRS

GPRS allowed packet-switched data transmission for the first time. The actual data throughput depends on the network load and is a maximum of 171.2 kbit/s. At low load a user can use several time slots in parallel, while at high network load each GPRS time slot can also be used by several users. However, GPRS requires additional components (the GPRS packet core) from the network operator within the core network.

EDGE

With EDGE, a new modulation (8PSK) made it possible to increase the data rate. It is a maximum of 384 kbit/s. EDGE expands GPRS to E-GPRS (Enhanced GPRS) and HSCSD to ECSD (Enhanced Circuit Switched Data).

Frequencies used

GSM works with different frequencies for uplink (from mobile phone to network) and downlink (from network to mobile phone). The following frequency bands can be used by the mobile operator:

•     Frequency bands 2 and 5 (blue background color) are commercially used in America.
•     Frequency bands 3 and 8 (yellow background color) are used commercially in Europe, Africa, Asia, Australia, Oceania and partly in America.
•     All other frequency bands are not used commercially in public mobile networks.
•     There is no public GSM mobile phone network in South Korea and Japan.
•     A mobile phone that supports the GSM and UMTS FDD frequency bands 5 (850 MHz), 8 (900 MHz), 2 (1900 MHz) and 1 (2100 MHz) is suitable for worldwide use.

For cost reasons, the construction of new mobile radio networks (e.g. Australia/Telstra) or mobile radio network extensions (e.g. Switzerland/Swisscom) was only carried out with the newer UMTS mobile radio technology. New mobile phone stations are increasingly sending out only one UMTS and LTE signal.

GSM disconnection

GSM is expected to be replaced by successor standards in the long term. While Australia and Singapore have already decided to switch off in 2017, Germany and Austria, for example, have not yet set a shutdown date, but in Switzerland no public GSM mobile phone network will probably be available from 2021.

Source: https://en.wikipedia.org/wiki/GSM

Das Global System for Mobile Communications (früher Groupe Spécial Mobile, GSM) ist ein Mobilfunkstandard für volldigitale Mobilfunknetze, der hauptsächlich für Telefonie, aber auch für leitungsvermittelte und paketvermittelte Datenübertragung sowie Kurzmitteilungen (Short Messages) genutzt wird. Es ist der erste Standard der sogenannten zweiten Generation („2G“) als Nachfolger der analogen Systeme der ersten Generation (in Deutschland: A-Netz, B-Netz und C-Netz) und ist der weltweit am meisten verbreitete Mobilfunk-Standard.

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 1992 eingeführt, was zur raschen Verbreitung von Mobiltelefonen in den 1990er-Jahren führte. Der Standard wird heute in 670 GSM-Mobilfunknetzen in rund 200 Ländern und Gebieten der Welt als Mobilfunkstandard genutzt; dies entspricht einem Anteil von etwa 78 Prozent aller Mobilfunkkunden. Es existieren später hinzugekommene Erweiterungen des Standards wie HSCSD, GPRS und EDGE zur schnelleren Datenübertragung.

Technik

Allgemein

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)

Einige wichtige Funktionen innerhalb von Mobilfunknetzen

Handover

→ Hauptartikel: Handover

Inter-Cell-Handover

Eine der wichtigsten Grundfunktionen in zellularen Mobilfunknetzen ist der vom Netz angestoßene Zellwechsel während eines laufenden Gesprächs. Dieser kann aus verschiedenen Gründen notwendig werden. Ausschlaggebend ist u. a. die Qualität der Funkverbindung, aber auch die Verkehrslast der Zelle. Es kann zum Beispiel ein Gespräch an eine weiter entfernte Zelle übergeben werden, um eine Überlastung zu vermeiden.

Intra-Cell-Handover

Hier wird zum Beispiel aufgrund der Kanalqualität der MS ein neuer Kanal innerhalb einer Zelle zugewiesen.

Roaming

→ Hauptartikel: Roaming

Da viele Mobilfunkbetreiber aus verschiedenen Ländern Roamingabkommen getroffen haben, ist es möglich, das Mobiltelefon auch in anderen Ländern zu nutzen und weiterhin unter der eigenen Nummer erreichbar zu sein und Gespräche zu führen.

Sprachübertragung

Für die Sprachübertragung bei GSM wurden im Laufe der Jahre mehrere Codecs standardisiert. Die üblichen Sprachcodecs, welche typischerweise mit einer Datenrate von weniger als 20 kbit/s auskommen, führen eine der menschlichen Sprache angepasste Merkmalsextraktion durch, wodurch sie nur für die Übertragung von Sprache brauchbar sind. Musik oder andere Geräusche können sie daher nur mit geringerer Qualität übertragen. Im Folgenden werden die im GSM-Netz verwendeten Sprachcodecs kurz zusammengefasst:

Full Rate Codec (FR)

Der erste GSM-Sprachcodec war der Full-Rate-Codec (FR). Für ihn steht nur eine Netto-Datenrate von 13 kbit/s zur Verfügung (im Unterschied zu G.711 64 kbit/s bei ISDN). Die Audiosignale müssen deshalb stark komprimiert werden, aber trotzdem eine akzeptable Sprachqualität erreichen. Beim FR-Codec wird eine Mischung aus Langzeit- und Kurzzeit-Prädiktion verwendet, die eine effektive Komprimierung ermöglicht (RPE/LTP-LPC Sprachkompression: Linear Predictive Coding, Long Term Prediction, Regular Pulse Excitation).
Technisch werden jeweils 20 ms Sprache gesampelt und gepuffert, anschließend dem Sprachcodec unterworfen (13 kbit/s). Zur Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC) werden die 260 Bits eines solchen Blocks in drei Klassen eingeteilt, dementsprechend, wie stark sich ein Bitfehler auf das Sprachsignal auswirken würde. 50 Bits des Blocks werden in Klasse Ia eingeteilt. Sie sind am stärksten zu schützen und erhalten eine CRC-Prüfsumme von 3 Bits für Fehlererkennung und Fehlerverdeckung (error concealment). Zusammen mit 132 Bits der Klasse Ib, die etwas weniger zu schützen sind, werden sie einem Faltungs-Code unterworfen, der aus den 185 Eingangsbits 378 Ausgangsbits generiert. Die restlichen 78 Bits werden ungeschützt übertragen. So werden aus 260 Bits Nutzdaten 456 Bits fehlergeschützte Daten, wodurch die erforderliche Bitrate auf 22,8 kbit/s steigt.
 
Interleaving

Die 456 Bits werden durch Interleaving auf acht Halbbursts zu je 57 Bits aufgeteilt. Nach dem Deinterleaving im Empfänger wirken sich kurzzeitige Störungen (zum Beispiel ein Burst lang) durch die Fehlerspreizung nur noch gering aus. Durch die Kombination der unterschiedlichen Fehlerschutzverfahren im GSM, wird, obwohl der Funkkanal äußerst fehleranfällig ist, oft eine gute Sprachqualität erreicht.

Half Rate Codec (HR)

Mit der Einführung des Half-Rate-Codecs wurde es möglich, auf einem Zeitschlitz der Luftschnittstelle nicht nur ein, sondern zwei Gespräche gleichzeitig abzuwickeln. Wie der Name sagt, steht für HR nur die halbe Datenrate zur Verfügung wie für den FR-Codec. Um trotzdem eine brauchbare Sprachqualität zu erreichen, wird anstelle der im FR-Codec verwendeten skalaren Quantisierung eine Vektorquantisierung verwendet. Dadurch ist für die Kodierung ungefähr die drei- bis vierfache Rechenleistung erforderlich wie beim FR-Codec. Weil die Sprachqualität trotzdem eher mäßig ist, wird HR von den Mobilfunknetzbetreibern nur dann eingesetzt, wenn eine Funkzelle überlastet ist.

Enhanced Full Rate Codec (EFR)

EFR arbeitet mit einer ähnlichen Datenrate wie der Full Rate Codec, nämlich 12,2 kbit/s. Durch einen leistungsfähigeren Algorithmus (CELP) wurde, gegenüber dem Full-Rate-Codec, eine bessere Sprachqualität erreicht, welche bei einem guten Funkkanal annähernd dem Niveau von ISDN-Telefongesprächen (G.711a) entspricht.

Adaptive Multirate Codec (AMR)

Bei AMR handelt es sich um einen parametrierbaren Codec mit unterschiedlichen Datenraten zwischen 4,75 und 12,2 kbit/s. In der 12,2-kbit/s-Einstellung entspricht er vom Algorithmus wie auch in der Audioqualität her weitgehend dem GSM-EFR-Codec. Je geringer die Datenrate der Sprachdaten ist, umso mehr Bits stehen für die Kanalkodierung und damit zur Fehlerkorrektur zur Verfügung. Somit wird der 4,75-kbit/s-Codec als der robusteste bezeichnet, weil trotz hoher Bitfehlerhäufigkeit bei der Funkübertragung noch ein verständliches Gespräch möglich ist. Während eines Gespräches misst das Mobilfunknetz die Bitfehlerhäufigkeit und wählt den dafür geeignetsten Codec aus einer Liste, dem Active Codec Set (ACS) aus. Die verwendete Coderate wird somit fortlaufend an die Kanalqualität adaptiert.

Datenübertragung

Wird ein GSM-Kanal für Datenübertragung genutzt, erhält man nach den Dekodierschritten eine nutzbare Datenrate von 9,6 kbit/s. Diese Übertragungsart wird Circuit Switched Data (CSD) genannt. Eine fortschrittliche Kanalkodierung ermöglicht auch 14,4 kbit/s, bewirkt bei schlechten Funkverhältnissen aber viele Blockfehler, so dass die „Downloadrate“ tatsächlich niedriger ausfallen kann als mit erhöhter Sicherung auf dem Funkweg. Deshalb wird in Abhängigkeit von der Bitfehlerhäufigkeit zwischen 9,6 und 14,4 kbit/s netzgesteuert umgeschaltet (=Automatic Link Adaptation, ALA).

Beides ist jedoch für viele Internet- und Multimediaanwendungen zu wenig, so dass Erweiterungen unter dem Namen HSCSD und GPRS geschaffen wurden, die eine höhere Datenrate ermöglichen, indem mehr Bursts pro Zeiteinheit für die Übertragung genutzt werden können. HSCSD nutzt eine feste Zuordnung mehrerer Kanalschlitze, GPRS nutzt Funkschlitze dynamisch für die aufgeschalteten logischen Verbindungen (besser für den Internetzugang). Eine Weiterentwicklung von GPRS ist E-GPRS. Dies ist die Nutzung von EDGE für Paketdatenübertragung.

Erweiterungen und Weiterentwicklungen von GSM

GSM wurde ursprünglich hauptsächlich für Telefongespräche, Faxe und Datensendungen mit konstanter Datenrate konzipiert. Burstartige Datensendungen mit stark schwankender Datenrate, wie es beim Internet üblich ist, wurden nicht eingeplant.

Mit dem Erfolg des Internet begann daher die sogenannte „Evolution von GSM“, bei der das GSM-Netz komplett abwärtskompatibel mit Möglichkeiten zur paketorientierten Datenübertragung erweitert wurde. Außerdem sollten nur minimale Kosten durch den Austausch von vielfach verwendeten Komponenten entstehen.

CSD

Geschwindigkeiten bis zu 14,4 kBit/s werden mit Circuit Switched Data erreicht.

HSCSD

Durch die Kopplung von mehreren Kanälen erreicht HSCSD insgesamt eine höhere Datenrate, maximal 115,2 kbit/s. Um HSCSD nutzen zu können, braucht man ein kompatibles Mobiltelefon, auf Seiten des Netzbetreibers sind Hardware- und Softwareänderungen bei Komponenten innerhalb der Basisstationen und des Kernnetzes erforderlich. In Deutschland unterstützen nur Vodafone und E-Plus HSCSD.

GPRS

GPRS erlaubte erstmals eine paketvermittelte Datenübertragung. Der tatsächliche Datendurchsatz hängt unter anderem von der Netzlast ab und liegt bei maximal 171,2 kbit/s. Bei geringer Last kann ein Nutzer mehrere Zeitschlitze parallel verwenden, während bei hoher Netzlast jeder GPRS-Zeitschlitz auch von mehreren Benutzern verwendet werden kann. GPRS erfordert beim Netzbetreiber allerdings innerhalb des Kernnetzes zusätzliche Komponenten (den GPRS Packet Core).

EDGE

Mit EDGE wurde durch eine neue Modulation (8PSK) eine Erhöhung der Datenrate ermöglicht. Sie beträgt maximal 384 kbit/s. Mit EDGE werden GPRS zu E-GPRS (Enhanced GPRS) und HSCSD zu ECSD (Enhanced Circuit Switched Data) erweitert.

Verwendete Frequenzen

GSM arbeitet mit unterschiedlichen Frequenzen für den Uplink (vom Mobiltelefon zum Netz) und den Downlink (vom Netz zum Mobiltelefon). Die folgenden Frequenzbänder können vom Mobilfunkanbieter verwendet werden:

• Frequenzband 2 und 5 (blaue Hintergrundfarbe) werden in Amerika kommerziell genutzt.
• Frequenzband 3 und 8 (gelbe Hintergrundfarbe) werden in Europa, Afrika, Asien, Australien, Ozeanien und teilweise in Amerika kommerziell genutzt.
• Alle anderen Frequenzbändern werden nicht kommerziell in öffentlichen Mobilfunknetzen eingesetzt.
• In Südkorea und Japan ist kein öffentliches GSM-Mobilfunknetz vorhanden.
• Für den weltweiten Einsatz eignet sich ein Mobiltelefon, welches die GSM- und UMTS FDD-Frequenzbänder 5 (850 MHz), 8 (900 MHz), 2 (1900 MHz) und 1 (2100 MHz) unterstützt.

Aus Kostengründen erfolgte der Bau von neuen Mobilfunknetzen (z. B. Australien/Telstra) oder Mobilfunknetz-Erweiterungen (z. B. Schweiz/Swisscom) nur mit der neueren Mobilfunktechnologie UMTS. Neue Mobilfunkstationen senden immer öfter nur ein UMTS- und LTE-Signal aus.

GSM-Abschaltung

Es wird erwartet, dass GSM langfristig durch Nachfolgestandards ersetzt wird. Während in Australien und Singapur die Abschaltung im Jahr 2017 bereits beschlossen wurde, steht z. B. für Deutschland und Österreich noch kein Abschalt-Termin fest, jedoch wird in der Schweiz wahrscheinlich ab 2021 kein öffentliches GSM-Mobilfunknetz mehr zur Verfügung stehen.

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Global_System_for_Mobile_Communications