GSM Netzwerkstruktur

  • GSM / GPRS / EDGE: Diese Technologien stehen für die grundlegenden Mobilfunkstandards, wobei GSM die Basis für digitale Mobilkommunikation bildet. GPRS und EDGE sind Erweiterungen von GSM, die höhere Datenübertragungsraten ermöglichen und eine verbesserte Nutzererfahrung bieten.

  • UMTS / 3G: Das Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) verfolgt das Ziel, eine mobile Breitbandkommunikation zu ermöglichen. UMTS ermöglicht Datenraten bis zu 42 Mbit/s mit Hilfe von Technologien wie HSPA+ und ist entscheidend für die Erhöhung der Netzkapazität und die Unterstützung von Multimediadiensten.

  • LTE / 4G: Long Term Evolution (LTE) ist eine bedeutende Weiterentwicklung, die eine erweiterte Datenrate von bis zu 300 Mbit/s ermöglicht und durch innovative Modulationsverfahren wie OFDM sowie durch Technologien wie MIMO charakterisiert ist. LTE gestaltet den Übergang von 3G-Netzen zu höheren Geschwindigkeiten flüssiger und effizienter.

  • 5G: Die neueste Mobilfunkgeneration (5G) baut auf LTE auf und revolutioniert die mobile Kommunikation durch Datenraten von bis zu 10 Gbit/s. Technologische Verbesserungen umfassen höhere Frequenzbereiche (geplant bis zu 60 GHz) und schnellere Reaktionszeiten, die für Anwendungen wie autonomes Fahren und intelligente Städte entscheidend sind. Das Ziel ist es, 100 Milliarden Geräte gleichzeitig zu verbinden, was neue Anwendungsfelder öffnet.

  • WLAN Netzwerke: WLAN ergänzt Mobilfunknetze durch lokale drahtlose Kommunikationslösungen. Mit verschiedenen Standards von 11 Mbit/s (IEEE 802.11b) bis 1,5 GBit/s (802.11ax) ermöglicht es eine flexible Nutzung von Netzwerkressourcen.

Historische Entwicklung und GSM

  • Global System for Mobile Communications (GSM): Der GSM-Standard wurde als wichtiger Pfeiler für digitale Mobilfunknetze etabliert.

    • Frühere Bezeichnung: Groupe Spécial Mobile.

    • GSM wurde hauptsächlich für die Sprachübertragung sowie für die Übertragung leitungsvermittelter und paketvermittelter Daten genutzt, was seine Vielseitigkeit zeigt.

    • Als erster Standard der 2. Generation (2G) markiert er den Übergang von den analogen Systemen der 1. Generation.

    • GSM ist weltweit der am weitesten verbreitete Mobilfunkstandard und zielt darauf ab, ein mobiles Telefonsystem für europaweite Mobilität mit ISDN- sowie analogen Netzkompatibilitäten zu bieten.

    • Zu Beginn standen Datendienste im Hintergrund, wurden aber im Laufe der Jahre durch verschiedene Erweiterungen vorangetrieben.

GSM und Datendienste

  • Die Einführung von GPRS (General Packet Radio Service) und EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) führte zu signifikanten Fortschritten in den Datenübertragungsraten.

    • Circuit Switched Data (CSD):

    • Bietet die Übertragung von Daten über einen reservierten Sprachkanal, typischerweise mit 9600 bit/s.

    • Bei dieser Methode bleibt der Kanal während der gesamten Verbindung reserviert, auch wenn keine Daten übertragen werden.

    • GPRS:

    • GPRS führte zu einem flexibleren und effizienten Zugang zu Internetdiensten, indem es eine paketorientierte Datenübertragung ermöglichte.

    • Die virtuelle Verbindung besteht nur während der Datensitzung, was die Ressourcennutzung optimiert.

    • Abrechnung erfolgt basierend auf der tatsächlich übertragenen Datenmenge anstelle der Verbindungsdauer.

Vergleich von CSD und GPRS

  • GPRS zeichnet sich durch seine paketorientierte Herangehensweise aus; Daten werden in Pakete umgewandelt, über das Netz transferiert und am Ziel wieder zusammengefügt.

  • EDGE verbessert die Datenübertragungsraten durch die Erhöhung der Bits pro Symbol und die Verwendung zusätzlicher Kanäle zur besseren Nutzung der verfügbaren Bandbreite.

UMTS

  • Mit UMTS werden größere Frequenzbandbreiten als bei GSM genutzt, und es kommen modernere Modulationsmethoden wie Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) und 64-Quadrature Amplitude Modulation (64-QAM) zum Einsatz.

  • Diese Innovationen ermöglichen höchstmögliche Datenraten von bis zu 42 Mbit/s mit HSPA+ und gewährleisten eine effiziente mobile Datenübertragung.

LTE

  • Die Long Term Evolution (LTE)-Technologie verwendet alternative Modulationsverfahren, die auf OFDM basieren, und optimiert die Signalübertragung durch Mehrwegeausbreitung (MIMO).

  • Maximale Datenübertragungsrate bis zu 300 Mbit/s und eine Vielzahl regional variabler Frequenzbereiche ermöglichen optimale Leistung und Flexibilität im Netz.

5G

  • 5G-Netzwerke setzen neue Maßstäbe in der Mobilfunktechnologie:

    • Die Datenraten können bis zu 10 Gbit/s erreichen, was für datenintensive Anwendungen wie VR und AR entscheidend ist.

    • Höhere Frequenzen (bis zu 60 GHz) werden in Aussicht gestellt, was die Konnektivität revolutionieren könnte.

    • Die Latenz wird unter 1 ms gesenkt, was eine Echtzeitkommunikation ermöglicht.

    • 5G zielt darauf ab, hunderte Milliarden von Mobilfunkgeräten gleichzeitig zu verbinden, was die Grundlage für das Internet der Dinge (IoT) bildet.

5G Dienste

  • Verschiedene Angebote im 5G-Bereich:

    • uRLLC (Ultra-reliable Low Latency Communication): Wichtig für Anwendungen wie autonomes Fahren und industrielle Automatisierung.

    • eMBB (Enhanced Mobile Broadband): Bietet hohe Datenraten für Streaming und fortgeschrittene Multimedia-Anwendungen.

    • mMTC (Massive Machine Type Communication): Unterstützt die Vernetzung von Milliarden von IoT-Geräten mit geringem Energieverbrauch.

Netzwerkebene Technologien

  • Software Defined Networking (SDN): Schafft eine unabhängige Netzwerkarchitektur, in der Netzwerke durch softwarebasierte Lösungen flexibel angepasst werden.

  • Network Function Virtualization (NFV): Ermöglicht die Virtualisierung von Netzwerkfunktionen zur Optimierung der Infrastruktur und Ressourcennutzung.

  • Mobile Edge Computing (MEC): Reduziert die Latenz, indem Datenverarbeitung näher am Endbenutzer oder IoT-Gerät stattfindet.

  • Cloud Radio Access Network (C-RAN): Verbessert die Effizienz der Netzwerknutzung und reduziert den Energieverbrauch durch zentrale Datenverarbeitung.

SIM / USIM

  • Die SIM-Karte ist ein essenzieller Bestandteil der Mobilstation. Sie dient dazu, den Nutzer zu identifizieren und den Zugang zu Mobilfunkdiensten zu ermöglichen.

    • Datenverschlüsselungen, temporäre Daten und bevorzugte Netzwerke können auf der SIM gespeichert werden, was für die Sicherheit der Benutzerdaten entscheidend ist.

Technische Details der SIM-Karte

  • Die technischen Standards und Spezifikationen für SIM-Karten (TS 11.11) regeln das physikalische und logische Verhalten.

  • Die Entwicklung zum USIM-Standard (TS 31.102) fokussiert sich auf verbesserte Sicherheitsfunktionen und Verschlüsselungstechniken, einschließlich der gegenseitigen Authentifizierung.

  • NFC-SIM: Die Kontaktlosnutzung von SIM-Karten wird durch zusätzliche Sicherheitsbereiche (Secure Element) unterstützt.

Datenspeicherung auf SIM-Karten

  • Typische Daten umfassen ICCID, IMSI, Authentifizierungsschlüssel und lokale Gebietkennungen. Jede SIM-Karte hat eine eindeutige ICCID, die gemäß der ITU-T-Empfehlung E.118 definiert ist, und die IMSI identifiziert sie im Mobilfunknetz. Die Authentifizierung stellt sicher, dass nur berechtigte Benutzer Zugang zum Netzwerk haben.