Rechnernetze

Netzstruktur

Ein GSM-Netz ist ein hierarchisch gegliedertes System verschiedener Netzkomponenten. Am unteren Ende steht das Mobiltelefon oder die Mobilstation (MS: Mobile Station), die über Funk mit der nächstgelegenen Basisstation (BTS: Base Transceiver Station) kommunizien. Die Basisstationen werden wiederum gebietsweise zusammengefaßt und einer Kontrollstation (BSC: Base Station Controller) unterstellt. Diese sind schließlich mit einem Vermittlungsrechner (MSC: Mobile Switching Center) verbunden, der einen Übergang zu anderen in- oder ausländischen Netzen ermöglicht. Die folgende Abbildung gibt einen schematischen Überblick über die einzelnen GSM-Systemkomponenten.

In den folgenden Kapiteln wird ein tieferer Einblick in die Art und Weise des Zusammenspiels der einzelnen Komponenten gegeben. Es folgt zunächst eine kurze Vorstellung der Subsysteme, der standardisierten Schnittstellen und der im GSM-System benutzten Protokolle zur Signalisierung. Im Anschluß daran wird das Funk-Subsystem eingehend untersucht.

1 Subsysteme

Die Modularität in der Systemarchitektur spiegelt die Aufgabenverteilung innerhalb des GSM-Systems dar. Insgesamt unterscheidet man drei Subsysteme, wobei die Funk- und Vermittlungssubsysteme wesentliche Bestandteile des GSM-Systems sind.

Funk-Subsystem

Das Funk-Subsystem (RSS -Radio Subsystem) besteht aus den Mobil- und Basisstationen und ist für den funktechnischen Bereich zuständig. Alle nachfolgenden Techniken sind im HFSender integriert:

	Verkehrs- und Burst-Definition,
	Synchronisation, -Multiplexen,
	Leistungsregelung,
	Hand-Over,
	Frequenzspringen,
	Kanalkodierung.

Vermittlungs-Subsystem

Zentraler Bestandteil des Vermittlungs-Subsystem (NSS -Network Subsystem) sind die Vermittlungsrechner (MSC -Mobile Switching Centre), die für die Vermittlung und die Dienststeuerung zuständig sind. Auf dieser Ebene sind die Übergänge (Gateways) zu anderen Netzen angesiedelt. Im MSC sind typischerweise die Aufenthaltsregister der Teilnehmer und die teilnehmerspezifischen Daten gespeichert, also die Datenbanken HLR und VLR.

Betriebs- und Wartungs-Subsystem

Das Betriebs- und Wartungs-SLlbsystem (OMS -Operation and Maintenance System) wird in dieser Arbeit nicht weiter betrachtet. Zu den Aufgaben des OMS gehören:

	Behebung von Fehlersituationen,
	Optimierung der Netzparameter durch Verkehrsmessungen,
	Berechnung der Verbindungsgebühren.

2 Schnittstellen

Zwischen den funktionalen Komponenten eines GSM-System existieren drei standardisierte Schnittstellen (s. Abb. 31), mit ihren zugehörigen Protokollen. Sie definieren Referenzpunkte für das einwandfreie Zusammenwirken verschiedener Geräte und Techniken:

	Um-Interface: Funkschnittstelle. Schnittstelle zur Kommunikation zwischen den Basisstationen.
	Abis-Interface: Schnittstelle zur Kommunikation zwischen den Basisstationen (BTS -Base Transceiverstation) und ihren übergeordneten Kontrollstationen (BSC-Base Station controller). Hier werden Verbindungen mit einer Übertragungsleistung von 64 kbps eingesetzt, die eine Aufteilung in Sub-Multiplexkanäle zu je 16 kbps erlauben.
	A-Interface: Schnittstelle zur Kommunikation zwischen den Kontrollstationen (BSC) und den Vermittlungsrechnern (MSC-Mobile Switching Centre). Hier werden Leitungen mit einer Übertragungsleistung von 2 Mbps eingesetzt. Von den 32 zur Verfügung stehenden Verbindungen mit jeweils 64 kbps, wird eine für die mobilspezifische Signalisierung und eine für die Synchronisation verwendet.

3 Signalisierung

Mit der Signalisierung (Zeichengabe) bezeichnet man die zur Abwicklung von Verbindungen benötigten Steuerinformationen. Das Zeichengabesystem Nummer 7 (CCSS7 -Common Channel Signalling System Number 7) ist zum integralen Bestandteil heutiger Vermittlungssysteme geworden und wird seit einigen Jahren von fast allen bedeutenden Herstellern der TK-Technik implementiert. Es existiert eine ANSI- und eine CCITT-Variante, die hier vorrangig betrachtet wird. CCSS7 wurde bereits 1980 im Zuge der Digitalisierung des Telefonnetzes durch ISDN von der CCITT definiert und weist folgende Leistungsmerkmale auf [Biala 95] :

	gute Erweiterbarkeit, dank modularer Struktur (Unterstützung verteilter Netzarchitekturen),
	Konzept der Paketvermittlung (Reihenfolge der Meldungen bleibt aber erhalten), -gute Stabilität (auch bei hoher Verkehrslast),
	hohe Signalisierungskapazität,
	kurze Verbindungsaufbauzeiten,
	flexible und effektive Routing-Funktionen (auch über nationale Netzgrenzen hinaus),
	das System ist rekonfigurierbar und fehlertolerant,
	Signalisierung ist unabhängig von der physikalischen Verbindung,
	wirksame Netzmanagementfunktionen (z.B. Selbstüberwachung).

2 Schnittstellen

	Um-Interface: Funkschnittstelle. Schnittstelle zur Kommunikation zwischen den Basisstationen.
	Abis-Interface: Schnittstelle zur Kommunikation zwischen den Basisstationen (BTS-Base Transceiver Station) und ihren übergeordneten Kontrollstationen (BSC-Base Station controller). Hier werden Verbindungen mit einer Übertragungsleistung von 64 kbps eingesetzt, die eine Aufteilung in Sub-Multiplexkanäle zu je 16 kbps erlauben.
	A-Interface: Schnittstelle zur Kommunikation zwischen den Kontrollstationen (BSC) und den Vermittlungsrechnern (MSC-Mobile Switching Centre). Hier werden Leitungen mit einer Übertragungsleistung von 2 Mbps eingesetzt. Von den 32 zur Verfügung stehenden Verbindungen mit jeweils 64 kbps, wird eine für die mobilspezifische Signalisierung und eine für die Synchronisation verwendet.

3 Signalisierung

Mit der Signalisierung (Zeichengabe) bezeichnet man die zur Abwicklung von Verbindungen benötigten Steuerinformationen. Das Zeichengabesystem Nummer 7 (CCSS7 -Common Channel Signalling System Number 7) ist zum integralen Bestandteil heutiger Vermittlungssysteme geworden und wird seit einigen Jahren von fast allen bedeutenden Herstellern der TK-Technik implementiert. Es existiert eine ANSI- und eine CCITT- Variante, die hier vorrangig betrachtet wird. CCSS7 wurde bereits 1980 im Zuge der Digitalisierung des Telefonnetzes mit ISDN von der CCITT definiert und weist folgende Leistungsmerkmale auf [Biala 95]:

	gute Erweiterbarkeit, dank modularer Struktur (Unterstützung verteilter Netzarchitekturen),
	Konzept der Paketvermittlung (Reihenfolge der Meldungen bleibt aber erhalten),
	gute Stabilität (auch bei hoher Verkehrslast),
	hohe Signalisierungskapazität,
	kurze Verbindungsaufbauzeiten,
	flexible und effektive Routing-Funktionen (auch über nationale Netzgrenzen hinaus),
	das System ist rekonfigurierbar und fehlertolerant,
	Signalisierung ist unabhängig von der physikalischen Verbindung,
	wirksame Netzmanagementfunktionen (z.B. Selbstüberwachung).

Signalisierungsprotokolle

Für die Kommunikation zwischen den Vermittlungsknoten wurde ein auf dem OSl-Modell basierendes SS7-Modell verwendet. Abb. 32 zeigt eine Gegenüberstellung beider Modelle.

Abb. 32: Gegenüberstellung des SS7- und OSI-Modells

Message Transfer Part (MTP)

Dieses benutzerunabhängige Protokoll bis zur dritten OSI-Schicht bildet das gemeinsame Transportsystem für Nachrichten verschiedener Benutzerprotokolle. Es werden nur verbindungslose Dienste und diese teilweise mit eingeschränkter Adressierungsmöglichkeit angeboten. MTP ist für den schnellen und zuverlässigen Transport von Zeichengabe-Nachrichten zuständig, inklusive der Registrierung und Behebung von eventuell auftretenden System- oder Netzwerkfehlern. Zur Fehlererkennung wird eine 16-Bit CRC-Prüfsumme verwendet. Zur Fehlerkorrektur werden zwei Verfahren angeboten:

	Rasic Error Correction (BEC): Das Verfahren ist ein ARQ-Verfahren.
	Preventive Cyclic Retransmission (PCR): Ein Paket wird so lange übertragen, bis der Empfang positiv bestätigt wurde. Dieses Verfahren erlaubt eine einfache Fehlervorwärtkorrektur und wird hauptsächlich bei der Satellitenübertragung eingesetzt.

Das MTP-Protokoll findet hauptsächlich Anwendung in der leitungsvermittelten Datenübertragung und der Verbindungssteuerung. Die Paketbezeichnung ist entweder Signalfing Data Unit (SDU) oder Message Signaffing Unit (MSU)

Signalling Connecting Control Part (SCCP)

Dieses Protokoll erfüllt zusammen mit dem MTP die Anforderungen der Sicherungsschicht-Funktionaliät nach dem OSI-Modell, d.h. es sind nun auch verbindungsorientierte Dienste möglich. MTP und SCCP bilden zusammen den Network Service Part (NSP).

ISDN User Part (ISUP)

Dieses Protokoll ist für die Vermittlung zwischen Gateway-Rechner und dem ISDN-Festnelz implementierte Schnittstellenprotokoll (s.a. ITU-Empfehlungen Q.761 bis Q.766 und ETSI-Empfehlung Q.767). ISUP kann die SCCP-Dienste nutzen, oder direkt auf MTP aufsetzen.

Transaction Capability Application Part (TCAP)

Dieses Protokoll ist in der Anwendungsschicht angesiedelt und bietet unter anderem auch Datenbank-Operationen an. Durch den allgemeinen Aufbau sind verteilte Anwendungen leicht zu implementieren. Die hohe Prozesskapazität (bis zu 1000 Transaktionen pro Sekunde) wird durch den Einsatz leistungsfähiger Rechner und mehrerer PCM-Koppler erreicht. Es werden Prozeduren bereitgestellt, die vom jeweils verwendeten Dienst unabhängig sind. Dadurch lassen sich neue Dienste oder verbesserte Parameter leichter in das System integrieren. Das folgende MAP-Protokoll setzt auf TCAP auf und wird damit zu einem TCAP-Anwender.

Mobile Application Part (MAP)

Dieses Protokoll dient in erster Linie dem Informationsaustausch zwischen den Vermittlungsstellen und den internen Datenbanken. Es sorgt dafür, daß Daten über den aktuellen Aufenthaltsort (z.B. wenn eine Änderung beim Roaming erfolgt) an das Besucherpositionsregister (VLR) weitergeleitet werden. In Spitzenzeiten werden MAP-Nachrichten in Abständen von wenigen Millisekunden abgeschickt, daher spielt die Datenbankstruktur und die Zugriffszeit auf das Speichermedium eine große Rolle. Außerdem gilt MAP als Grundlage weiterer Dienste. Man unterscheidet zwei Phasen:

	Phase 1: Es werden nur die Basisdienste und der Kurznachrichten-Service unterstützt.
	Phase 2: Hier werden weitere Zusatzdienste unterstützt, wie z.B. die Verwaltung der Rufnummer-Anzeige, neue Optionen bei geschlossenen Benutzergruppen oder auch die Möglichkeit, mehrere Kurznachrichten gleichzeitig abzuschicken.

Um die Kommunikation zwischen GSM-Netzen verschiedener Länder zu ermöglichen, muss der Mobile Application Part identisch sein. Das Protokoll ist sehr komplex, die SpezifikatIon umfaßt über 500 Seiten und ist damit eines der längsten Dokumente der GSM-Phase 1.

Weitere TCAP-Anwender sind z.B. das OMAP (Operation and Maintenance Application Part), das zur Beobachtung, Koordinierung und Steuerung von Netzwerkressourcen eingesetzt wird, und das INAP (Intelligent Network Application Part), welches in zukünftigen Systemen wie z.B. UMTS zur Unterstützung von Mobilitätsaspekten eingesetzt werden soll.