Mobilfunk und Intelligente Netze

Vor unseren Augen vollzieht sich ein Übergang vom Industrie- zum Informationszeitalter. In der Fernsprechtechnik der letzten beiden Jahrzehnte ist ein enormer Fortschritt zu verzeichnen. Diese beschleunigte Entwicklung wurde erst durch den Einsatz von Mikroprozessoren und die Digitalisierung möglich. Die ihr zugrunde liegende Antriebskraft war die Beherrschung der Halbleitertechnologien und der Innovationsgedanke im Telekommunikationsbereich. Die Möglichkeiten vielfältiger Kommunikation und Verständigung mittels Nachrichtenübertragung sind bei weitem nicht ausgeschöpft. Die Telekommunikation ist heute eine der am schnellsten wachsenden Industriezweige der Welt. Sie ist bekanntlich zu einem Schlüsselfaktor des wirtschaftlichen Wachstums geworden. Das Welt-Telefonnetz bildet mit zur Zeit 600 Millionen Telefonen die größte und teuerste Infrastruktur (≈1.8 × 10¹² $), die je entstanden ist. Gerade in diesem Bereich wird stärker denn je investiert und die aktuelle Entwicklung intensiv vorangetrieben. Es entstehen neue Konzepte und Standards, die als Grundlage des weiteren Fortschritts unabdingbar sind.

In diesem Kapitel wird das Konzept der Intelligenten Netze (IN) vorgestellt, dessen Realisierung in Deutschland parallel zu der Entstehung der GSM-PLMN-Netze verläuft. Die beiden Systeme sind wichtige Meilensteine auf dem Entwicklungsweg des Fernsprechnetzes & sie ermöglichen neue, attraktive und kundenfreundliche Massendienste. Für die meisten Systemhersteller bedeutet dieses Nebeneinander mehr als nur eine rein zeitliche Korrelation. Die innovativen Ideen und Techniken beider Systeme lassen sich als ein Gesamtkonzept verfolgen. Auch die einzelnen Netzbetreiber profitieren durch die sich neu eröffnenden Möglichkeiten einer globalen und transparenten Netzstrategie. Es sollte erwähnt werden, daß die Entwicklungsarbeiten zu IN in den USA seit mehreren Jahren laufen (Voruntersuchungen ab 1984, die ersten IN-Services seit 1987) und dort am weitesten fortgeschritten sind. Dies resultiert aus den speziellen Eigenschaften des US-Marktes (hohe Akzeptanz und Nachfrage bezüglich neuer Dienste), der Technologieentwicklung und der Strategie der Telekom-Unternehmen.

In diesem Abschnitt wird zuerst auf die Netzstruktur und Komponenten des GSM-PLMN-Netzes eingegangen. Ein tieferer Einblick in die Art und Weise, wie sie zusammenarbeiten, wird erst in späteren Kapiteln gegeben. Die Beschreibung der GSM-Architektur wird immer abstrakter und führt unausweichlich auf die komplexe Signalisierung. An dieser Stelle werden die Flächeneinteilung des GSM-Versorgungsgebietes und dann die Strukturierung der Funkkanäle beschrieben. Im weiteren Verlauf werden die MF-spezifischen Daten und Parameter sowie andere wichtige Systemdaten aufgeführt.

Die Komplexität des GSM-Systems ist sehr hoch. Die technologisch neuen Aspekte der Mobilkommunikation betreffen die Funkschnittstelle in sehr starkem Maße. Hierfür waren intensive Untersuchungen einschließlich Grundlagenforschungen notwendig.

Der Aufbau des MF-Netzes kann, dank der funktionalen Trennung in mehrere NE’s (Network Entities, Netzkomponenten), unterschiedlich realisiert werden. Dabei werden u.a. die zu erwartenden Teilnehmerzahlen sowie die Kapazität und Leistungsfähigkeit der Komponenten in Betracht gezogen. Beim GSM-System handelt es sich um einen offenen Standard im Sinne der Open Network Architecture (s. IN). Diese Tatsache ist für alle Beteiligten, die Systemtechnik sowie die Vertriebsaktivitäten, von entscheidender Bedeutung. Die wichtigsten Netzelemente wurden bereits im Kapitel 3 vorgestellt. Die detaillierte Funktionsbeschreibung der Signalverarbeitungskomponenten für die RadioSeite erfolgte im Kapitel 4. Im folgenden werden die wichtigsten Systemkomponenten (Network Building Blocks) des GSM-PLMN-Netzes unter Berücksichtigung ihrer Netzfunktionen beschrieben.

Das GSM-System bietet Multiservice-Optionen und ist für die Sprachübertragung mit integrierter Datenkommunikation optimiert. In PLMN’s wird durch den Einbezug aller möglichen Telekommunikationsdienste das Konzept der “mobilen Büros” verwirklicht. Die GSM-Dienste (Mobile Services) lassen sich in drei Bereiche gliedern:

Schnittstellen sind definierte Referenzpunkte zwischen funktionalen Komponenten. Die genaue Spezifikation der zahlreichen Schnittstellen und der zugehörigen Protokolle erlaubt eine durchstrukturierte und modulare Bauweise, die auch das Zusammenwirken verschiedener Hersteller und die Verwendung diverser Netzkomponenten und technischer Lösungen ermöglicht. Diese Aufteilung und klare Strukturierung ist besonders bei komplizierten Systemen wie GSM wichtig.

In diesem Kapitel wird auf die Hauptfunktionen und -Prozeduren des GSM-Systems eingegangen. Es wird im allgemeinen zwischen Prozeduren und Subprozeduren (elementare Prozeduren) nicht unterschieden. Die Bezeichnung Prozedur selbst wird in den folgenden Kapiteln zur Spezifizierung von Protokollabläufen verwendet und ist nicht im Sinne einer strengen Definition innerhalb eines Programmpakets aufzufassen. Manche der strukturierten Systemabläufe wie Location Registration, MTC, MOC oder HOV werden in dieser Arbeit als Prozesse bezeichnet. In der Regel können sowohl Prozeduren als auch Prozesse parallel ablaufen. Protokolle wie TCAP oder DTAP unterstützen diese Art von Operationen. Es werden hier die wichtigsten der komplexen Signalisierungs-Prozesse, die mehrere Schnittstellen betreffen, beschrieben. Diese Darstellung der Grundfunktionen soll dabei helfen, die Zusammenhänge des GSM-Systems einschließlich der Informationsverarbeitung zu verstehen. Es werden u.a. Netzfunktionen für den zellularen Netzbetrieb wie das Handover oder die Aufenthaltserfassung (LR) genauer erklärt. Des weiteren werden andere wichtige Begriffe, wie Sicherheitsmaßnahmen im MF erörtert. Manche der komplexen Prozeduren, Abläufe und Signalisierungen sind in anderen Abschnitten beschrieben, so ist z.B. der Kurznachrichtendienst im Kapitel 6 und zugehörige Signalisierung im Kapitel 13 zu finden.

Der Zeichengabe im Telefonnetz kommt eine fundamentale Bedeutung zu. Ihre genaue Kenntnis bedeutet heutzutage so viel wie Verständnis des Gesamtsystems. Die weltweite Einführung des CCS7 war ein Kulminationspunkt der fortschreitenden Entwicklung der computergesteuerten, digitalen Vermittlungstechnik und kann aus der Zeitperspektive als ein revolutionärer Schritt bezeichnet werden. Die Evolution in der Telekommunikation wäre ohne CCS7 nicht denkbar. Dieses System wird seit einigen Jahren von allen bedeutenden Herstellern der Telekommunikationstechnik sehr intensiv implementiert. Es ist inzwischen zum integralen Bestandteil aller modernen Vermittlungssysteme geworden und prägt sowohl das SW- als auch das HW-Design in sehr starkem Masse. Es bildet die Grundlage für PSTN, ISDN, IN und wird in vielen anderen Netzen wie im GSMPLMN zu finden sein. Es stellt einen international anerkannten Standard als Ausgangsbasis für zukünftige, innovative Entwicklungen dar.

Vom TCAP werden nicht service-bezogene Prozeduren zur Verfügung gestellt, die eine effiziente Behandlung unterschiedlicher Dienstmerkmale und Features ermöglichen. Darauf können mehrere TCAP-Anwender (TC-User) ihre Services aufbauen. Die Prozeduren und ihre zeitliche Anforderung (Timer-Setzung) müssen für jede Operation individuell spezifiziert werden. Die Adressierung wird auf SCCP-Ebene entweder direkt über SPC’s oder indirekt durch Pseudoadressen (GT) realisiert. Die implementierten Anwendungen werden in Europa überwiegend über SSN’s festgelegt. Außer dem MAP und OMAP (s. NM) wird zur Zeit für IN ein weiteres internationales Protokoll als Anwender-Standard definiert & der Intelligent Network Application Part (INAP). Dieses Protokoll soll unter anderem die UPT-Dienste & also die Mobilitätsaspekte der INSysteme & unterstützen. Außerdem wurden von verschiedenen Herstellern Protokolle bzw. Funktionskomponenten festgelegt, die mit derzeitigen internationalen Trends und nationalen Service-Anforderungen übereinstimmten. Auf diese Protokolle kann nicht eingegangen werden, da es sich überwiegend um firmeneigene Entwicklungen handelt. Auch für die Erweiterung solcher Radio Access-Systeme wie CT2 oder DECT werden die existierenden Mobility Management-Protokolle eine sehr wichtige Ergänzung bieten. Die besten Aussichten für die Festnetzseite bietet dabei das bereits häufig implementierte und weiterentwickelte MAP-Protokoll.

Der Referenzpunkt für die Zeichengabe zwischen BSS und MSC ist die A-Schnittstelle mit einer Übertragungsrate von 64 kbit/s. Da der Verkehr an dieser Schnittstelle sehr hoch ist, wird die Verbindung je nach Versorgungsstruktur mit mehreren PCM30-Systemen realisiert. Die A-Schnittstelle unterstützt alle Dienste, die den MF-Teilnehmern angeboten werden können. Bei einer weiteren Entwicklung von Mobilfunksystemen (Integration in ein universales und globales Netz) ist eventuell mit neuen Spezifikationen bezüglich dieser Schnittstelle zu rechnen.

Die Schnittstellen im BTS sind: U_m zur MS und A_bis zum BSC. Die ZeichengabeProtokolle haben für beide (vor allem auf den höheren Ebenen) recht ähnliche Struktur. Der gravierende Unterschied ist vor allem die physikalische Schicht. Auch die Transportschicht mit abweichenden LAPD-Varianten wird hier betrachtet. Die mobilspezifische Behandlung des Nachrichtentransportes ist in den Protokollen der Schicht 3 deutlich zu erkennen. Die funktionellen Aufgaben der Radio-Seite wurden bereits (z.B. im Kapitel 5) beschrieben. In diesem Abschnitt werden die Zeichengabeaspekte und die Schnittstellenbesonderheiten verdeutlicht.

In diesem Kapitel wird auf die Protokolle des Short Message Services eingegangen. Es wird die MS-MSC-Strecke und die Abbildung der SMS-Protokolle im MSC betrachtet. Die SMS-Prozeduren innerhalb des NSSs wurden im Kapitel 10 (MAP) kurz erwähnt. Zwischen dem SM Service Center (SC) und dem SMS -Gateway (s. Seite 68) kann X.25 oder ein ähnliches Protokoll eingesetzt werden. Vielfältige Möglichkeiten bietet an dieser Stelle SS#7 mit MAP.

Die Betrachtung der Netzmanagement-Funktionen gehört üblicherweise zu den abschließenden Aktivitäten der Systemplanung. Diese Domäne entzog sich lange Zeit einer durchgreifend einheitlichen Standardisierung und internationalen Definition wichtigster Merkmale. Dabei stehen die Netzbetreiber beim Netzausbau und -betrieb sowie bei der Einführung neuer Dienste vor immer komplexeren Aufgaben. Neben der Sicherstellung des Netzbetriebs gehören hierzu die Verwaltungs- und Wartungsaufgaben. Die Forderung nach leistungsfähigen neuen Verfahren des Telekommunikations-Managements führt auf offene Systeme, die auf globaler Basis verwaltet werden können. Idealerweise sollte jedes Netzelement von jedem Betriebs- und Wartungsterminal aus erreicht werden können. Das Netzmanagement großer moderner Telekommunikationssysteme erfordert eine sehr komplexe, verteilte Informationsverarbeitung einschließlich der MultiVendor- Betriebsmöglichkeit. NM für das GSM-System (GSM-Empfehlungen 12. xx) basiert hauptsächlich auf den Definitionen des ISO System Managements und auf den CCITT Empfehlungen M.30 und M.60. Die Grundlage für die Realisierung von NM-Systemen bilden die prozessorgesteuerten Netzeinrichtungen mit digitalem Betrieb und standardisierten, leistungsfähigen Protokollen. Die Managementinformationen sollen über ein logisch separates TMN (Telekommunication Management Network) transportiert werden. Die benutzte TMN-Standardisierung ist recht allgemein, so daß genug Raum für individuelle, PLMN-interne, z.B herstellerspezifische oder aus anderen Systemversionen übernommene Lösungen und Erweiterungen (mit Berücksichtigung der zukünftigen Pläne) verbleibt.

Die Steigerung der Komplexität der Netze sowie neue Generationen von Netzkomponenten, die in immer kürzeren Zeitabständen entwickelt werden, machen die Systemintegration und die Testvorgänge zu einem bedeutenden Arbeitsfeld. In diesem Abschnitt werden die gängigen Testmethoden, die in der Systementwicklung und -integration von Kommunikationsnetzen eine wichtige Rolle spielen, erwähnt. Dieses Thema wird in Büchern selten systematisch behandelt. Dabei gehört das Testgeschäft zu den unentbehrlichen Elementen der Systementwicklung, und das schon in ihrem Anfangsstadium. Das ausführliche Testen sowohl einzelner Komponenten als auch des gesamten Systems hat zum Ziel, teure und zeitaufwendige Fehlentwicklungen auszuschließen bzw. zu minimieren. Die verschiedensten Tests müssen sowohl von dem Netzkomponenten-Hersteller als auch vom Netzbetreiber durchgeführt werden. Sie sind für die Qualitätssicherung des Produkts von vorrangiger Bedeutung und gehören zu den dynamischen Kontrollmaßnahmen.

Die moderne Telekommunikation ist in der heutigen Zeit von essentieller Bedeutung und die Aussichten speziell für die Mobilkommunikation sind hervorragend & es handelt sich hierbei um einen mit am schnellsten wachsenden Bereich der Telekom-Industrie. Das Interesse an der Mobilität der neuen Telekommunikationsdienste ist zu einer führenden Antriebskraft der modernen Netzentwicklung geworden. Mit der paneuropäischen GSMNorm konnte die Eröffnung des europäischen Binnenmarktes durch die Globalisierung der Kommunikationsmärkte eingeleitet werden. Der GSM-Beitrag im Bereich der persönlichen mobilen Telekommunikation ist außerordentlich wichtig und spielt sogar über die europäischen Grenzen hinaus eine Schlüsselrolle. Die GSM-Technik war ursprünglich nur für CEPT-Staaten geplant. Inzwischen haben sich auch mehrere außereuropäische Länder (z.B. Hong Kong, Indien, Golfstaaten, Australien, Neuseeland, Kamerun, Südafrika, Ägypten, Argentinien, Kolumbien) für den GSM-Standard entschieden. Auch zeigen Länder wie die osteuropäischen Staaten¹ oder China ein reges Interesse am GSM-Standard. Diese Tatsache ist für die weltweite Etablierung des GSM-Standards von großer Relevanz und kann die Kostenentwicklung positiv beeinflussen. Vor allem der asiatische und ozeanische Bereich (Welt-Region 3), mit der geplanten pan-asiatischen bzw. pan-pazifischen Kooperation mehrerer Länder, erfreut sich einer wachsenden Beachtung. Das Entwicklungspotential für den GSM-Markt und seine Dienste ist enorm groß. Hunderten Millionen von Menschen werden neue Möglichkeiten der mobilen Kommunikation eröffnet. Dank des günstigen Preisniveaus wird die GSM-Technologie auch für den privaten Sektor immer attraktiver und wird eine Basis für echt personelle Kommunikation bieten.