GSM‑Netze sind hierarchisch aufgebaut. Das zentrale Netz bilden miteinander verbundene Vermittlungsstellen, SSS (Switching Subsystem) genannt. Einige davon übernehmen auch die Verknüpfung zur Außenwelt, sprich zum stationären Telefonnetz und zu anderen GSM‑Netzen.

Eine SSS enthält eine verteilte Datenbank der Mobilfunkteilnehmer und übernimmt die Authentifizierung der Teilnehmer. Die wichtigste Komponente ist jedoch die eigentliche Vermittlungssteuerung, die als Mobile Switching CenteC (MSC) bezeichnet wird.

An einer SSS sind jeweils mehrere Basisstationssteuerungen (Base Stations Controller, BSC) angeschlossen. Diese wiederum steuern mehrere Basisstationen (Base Transceiver Station, BTS), die die eigentliche Funkübertragung zu den Mobilgeräten übernehmen. Die Struktur eines GSM‑Netzes sieht also folgendermaßen aus:

Basisstationsteuerung:

Jede SS ist für die Benutzerdaten zuständig. Die Auswahl erfolgt über die ersten beiden Stellen. Der Rufnummer. Diese Daten befinden sich in einer DB (HCR: Home Location Register).

VLR = Visitor Location Register

Die BSC verwalten die Basisstationen. Dabei können mehrere Basisstationen zu einem LA (Location area) zusammengefasst werden.

Basisstationen:

-  arbeiten mit einer fest zugewiesenen Frequenz.

Eine Funkzelle kann je nach Topographie und Bebauung eine Ausdehnung zwischen 500 m und 35 km haben. Bei der Planung eines Netzes werden daher umfangreiche Messungen durchgeführt, damit mit möglichst wenigen Basisstationen eine möglichst gute Netzabdeckung erreicht wird.

GSIVI – Funktionsweise:

Anmeldung am Netz und Sicherheit:

Ein Kunde im GSM‑Netz enthält eine Codekarte, die SIM (Subscriber Identity Module). Diese enthält vor allem eine international eindeutige Kennung, mit der das Mobilgerät sich ausweisen kann. Zudem ist eine Codenummer, die PIN, gespeichert, mit der der Benutzer sich zunächst bei der SIM ‑ Karte identifiziert. Die PIN kann selbst gewählt werden und hat mit der Anmeldung am Netz noch nichts zu tun.

Wird ein Mobilgerät neu eingeschaltet und die PIN eingegeben, versucht es sich einzubuchen. Dazu hört es alle GSM‑Frequenzen ab und sucht nach Signalen des eigenen Netzbetreibers. Hat es die stärkste Basisstation ausfindig gemacht, schickt es dieser eine Einbuchungsaufforderung. Diese wird an jene SSS weitergeleitet, die die Heimdatei des Mobilgeräts unterhält. Die darin enthaltene Beglaubigungszentrale ermittelt nun eine Zufallszahl und sendet sie an das Mobilgerät. Nun wird mit Hilfe von Algorithmen, die sowohl in der Heimdatei der SSS als auch in der SIM des Mobilgeräts hinterlegt sind, eine Zahl als Ergebnis bestimmt ‑ und zwar unabhängig voneinander in der Beglaubigungszentrale und im Mobilgerät. Letzteres sendet sein Ergebnis an die SSS. Stimmt es mit dem dortigen Ergebnis überein, ist die SIM – Karte.

gültig. Nun wird in der nächstgelegenen SSS ein Eintrag in der VLR vorgenommen und in der HLR der Heim ‑ SSS ein Verweis darauf hinterlegt. Gleichzeitig wird aus der obigen Zufallszahl ein Schlüssel berechnet, der in der nachfolgenden Verbindung zur Verschlüsselung (Ciphering) der Sprachdaten verwendet wird. Das Mobilgerät erhält zudem eine temporäre Teilnehmerkennung als Adresse für den weiteren Datenaustausch mit der Basisstation. Sie wird mit jedem Gespräch neu bestimmt. Dadurch kann ein "Lauscher" weder das Gespräch mithören, noch anhand der Verbindungsdaten etwas über die Gesprächsteilnehmer erfahren. Nun erst ist das Mobilgerät erfolgreich eingebucht.

Sind keine Signale des eigenen Netzbetreibers zu empfangen, wird nach einem Anbieter gesucht, mit dem ein sogenanntes Roamingabkommen besteht. Dies erlaubt den Kunden eines Netzanbieters, die Infrastruktur eines anderen Netzanbieters zu nutzen und umgekehrt. Das funktioniert sowohl national als auch international. Dadurch können GSM‑Handys in fast allen Staaten genutzt werden, in denen ebenfalls GSM‑Netze existieren. Technisch wird dazu in der HLR des Kunden einfach ein Verweis auf die VLR der SSS gemacht, bei der er angebunden ist.

Verbindungsaufbau:

Wird ein Handy angerufen, so kann aus der Vorwahl ermittelt werden, welchem Mobilnetz es angehört. Daher wird zunächst eine Verbindung mit dem nächstgelegenen SSS des gewählten Mobilfunkbetreibers hergestellt und diesem die restliche Rufnummer übergeben. Dieser ermittelt aus den ersten beiden Stellen, in welcher Heimdatei er die Benutzerdaten finden kann. Diese fragt er dann ab und erhält dabei die Information, in welcher Location Area sich der Angerufene aufhält. Nun wird der Anrufer mit der zugehörigen Vermittlungsstelle verbunden und die stellt dann über ihre BSC und BTS die Verbindung zum Angerufenen her.

Wenn ein Mobilgerät eine Verbindung herstellen möchte, wird ebenfalls anhand der Vorwahl ermittelt, in welches Netz die Verbindung gehen soll und dann der nächstgelegene Verbindungspunkt (sprich eine SSS mit Verbindung ins Zielnetz) angesteuert. Soll die Verbindung mit einem Gerät des eigenen Netzes aufgebaut werden, ist der Ablauf wie oben beschrieben.

Übertragungscodierung:

Eine Funkübertragung ist zwangsläufig starken Störeinflüssen unterworfen. Zudem sollten im GSM möglichst viele Funkkanäle in das verfügbare Frequenzspektrum passen, weswegen die Bandbreite eines einzelnen zu übertragenen Signals möglichst gering ausfallen muss. Deswegen wird zur Übertragung der Sprachdaten ein recht großer Aufwand betrieben

GSM – Funkverbindung:

GSM arbeitet mit gepaarten Frequenzbereichen. Für die Verbindung vom Mobilgerät zur Basisstation ist der Bereich 890 ‑ 915 MHz vorgesehen, für die Gegenrichtung der Bereich 935 ‑960 MHz. Die beiden Bereich haben damit einen Abstand von 45 MHz. Ein Handy das z.B. auf 907,2 MHz sendet, empfängt folglich auf 952,2 MHz. Bei DCS 1800 (E‑Netze) sind die Bereiche 1710 ‑ 1785 MHz und 1805 ‑ 1880 MHz. Die Frequenzen sind aufgeteilt in Kanäle, die jeweils eine Bandbreite von 200 kHz haben. Im 900 MHz‑Band haben damit 124 Kanäle Platz ‑ davon gehören 57 zum Dl ‑Netz, 57 zum D2‑Netz und 10 wurden in Reserve gehalten.

Jeder Kanal wird im Zeitmultiplexverfahren (TDMA, Time Division Multiple Access) achtfach belegt. Dazu werden pro Zeitschlitz 142 Bits als so genannter "Burst" übertragen. Acht dieser Bursts bilden einen TDMA ‑ Frame. Die Basisstation überträg solche Frames in ununterbrochener Folge. Ein Mobilgerät, dessen Daten in jedem Frame im 6. Zeitschlitz stecken, muss nun aus seinen Empfangsdaten nur die richtigen Informationen heraussuchen und erhält so einen kontinuierlichen Datenstrom.

8 Zeitschlitze ä 142 Bit:

Nicht alle Zeitschlitze dienen der Übertragung von Nutzdaten, ein Teil wird auch für die Signalisierung im Netz verwendet oder versorgt die Mobilgeräte mit notwendigen Informationen wie z.B. den anderen Frequenzen der selben Basisstation oder den Frequenzen der Nachbarzellen. Ein anderer Kanal enthält Rufinformationen, d.h. darüber erhält ein Mobilgerät die Mitteilung, dass es gerade angerufen wird. Auch SMS‑Nachrichten erreichen das Mobilgerät über einen Signalisierungs‑Kanal.

Das Zeitmultiplexverfahren wird auch für die Obertragung von der Mobilstation zur Basisstation verwendet. Jedes Mobilgerät erhält dafür einen Zeitschlitz und eine Sendefrequenz fest zugewiesen, d.h. auf jeder Frequenz wechseln sich bis zu acht Mobilgeräte mit dem Senden ab.