Der ultimative Leitfaden zu GSM: Alles, was Sie wissen müssen

Haben Sie sich jemals gefragt, wie Ihr Mobiltelefon Sie auf magische Weise mit Menschen verbindet, die kilometerweit entfernt sind? Lange vor dem superschnellen Internet, das wir heute nutzen, gab es eine bahnbrechende Technologie, mit der alles begann. Diese Technologie half Milliarden von Menschen, weltweit miteinander zu sprechen und Textnachrichten auszutauschen. Wir sprechen von GSM. Aber was ist GSM wirklich und warum war es so wichtig?

Machen Sie sich bereit, die einfache Geschichte hinter der Technologie zu entdecken, die das Fundament für die mobile Welt legte, die wir heute kennen! Dieser Leitfaden führt Sie leicht verständlich durch alles, was Sie über GSM wissen müssen.

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Was ist GSM?

GSM steht für Global System for Mobile Communications (Globales System für Mobilkommunikation). Es ist im Grunde ein digitaler Standard, eine Reihe von Regeln und Technologien, die Mobiltelefone und Netzwerke verwenden, um miteinander zu kommunizieren. Seine Hauptmerkmale sind:

• Digital: Im Gegensatz zu älteren analogen Systemen (wie verrauschtem Radio) verwendet GSM digitale Signale. Das bedeutet klarere Anrufe und weniger Rauschen.

• Anrufe und SMS: GSM wurde hauptsächlich für Sprachanrufe und einfache Textnachrichten (SMS - Short Message Service) entwickelt.

• SIM-Karten: Eines der bekanntesten Merkmale von GSM ist die SIM-Karte (Subscriber Identity Module). Dieser winzige Chip speichert Ihre Kontoinformationen. Sie können Ihre SIM-Karte in verschiedene GSM-Telefone einlegen, und Ihre Nummer und Ihr Tarifplan gehen mit.

• Globaler Standard: Es wurde der weltweit am weitesten verbreitete Mobilfunkstandard, der in Europa, Asien, Afrika und vielen anderen Regionen verwendet wird.

Stellen Sie sich eine stark befahrene Autobahn vor. Wie passen viele Autos darauf, ohne dass sie zusammenstoßen? GSM verwendet ein System namens TDMA (Time Division Multiple Access - Zeitmultiplexverfahren). Stellen Sie sich die dem Netzwerk zur Verfügung stehende Funkfrequenz (die Autobahn) vor. TDMA teilt diese Frequenz in kleine Zeitschlitze auf. Jeder Anruf erhält seinen eigenen winzigen Zeitabschnitt, um auf dieser Frequenz zu „sprechen“. Dies geschieht so schnell, dass es für Sie wie ein kontinuierliches Gespräch klingt. Es ist, als ob viele Leute sich schnell beim Sprechen auf demselben Funkkanal abwechseln.

GSM arbeitet auch auf bestimmten Frequenzbändern, die wie dedizierte Funkkanäle sind, die von Regierungen für die mobile Nutzung zugewiesen werden. Gängige GSM-Bänder sind 900 MHz und 1800 MHz in vielen Teilen der Welt sowie 850 MHz und 1900 MHz hauptsächlich in Nord- und Südamerika. Ihr Telefon muss die Bänder unterstützen, die in Ihrer Region oder in der Region, in die Sie reisen, verwendet werden.

 

Die Entwicklung von GSM

Mobiltelefone waren nicht immer so intelligent oder vernetzt wie heute. GSM spielte eine massive Rolle dabei, uns hierher zu bringen. Schauen wir uns seine Reise an.

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Frühe Mobilfunknetze

Vor GSM, in den 1980er Jahren, gab es in Europa ein Durcheinander verschiedener analoger Mobilfunksysteme (oft 1G oder Erste Generation genannt). Ein Telefon aus einem Land funktionierte nicht in einem anderen. Anrufe waren nicht sehr klar, und die Sicherheit war schwach. Es war alles verwirrend und begrenzt.

Die europäischen Länder erkannten, dass sie einen einzigen, einheitlichen Standard benötigten, um die mobile Kommunikation zu verbessern und den Menschen die Nutzung ihrer Telefone über Grenzen hinweg zu ermöglichen. Deshalb wurde GSM geboren – um ein globales System zu schaffen, das jeder nutzen konnte. Es wurde von Anfang an digital konzipiert und bot bessere Qualität und Sicherheit.

Wichtige Meilensteine (2G, GPRS, EDGE und UMTS)

• GSM (2G - Zweite Generation): Dies ist der ursprüngliche Standard, den wir besprochen haben. In den frühen 1990er Jahren eingeführt, konzentrierte er sich auf digitale Sprachanrufe und SMS-Textnachrichten. Es war eine massive Verbesserung gegenüber 1G.

• GPRS (General Packet Radio Service): Oft als „2.5G“ bezeichnet, war GPRS ein Upgrade für GSM-Netze. Es ermöglichte „Always-on“-Datenverbindungen, obwohl die Geschwindigkeiten recht langsam waren (denken Sie an sehr einfaches mobiles Webbrowsing oder E-Mail).

• EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution): Ein weiteres Upgrade, manchmal als „2.75G“ bezeichnet. EDGE bot schnellere Datengeschwindigkeiten als GPRS, was das mobile Internet etwas nutzbarer machte, aber immer noch viel langsamer als das, was wir jetzt haben.

• UMTS (Universal Mobile Telecommunications System): Dies markierte den Beginn von 3G (Dritte Generation). Obwohl technisch ein anderes Technologiesystem, wurde UMTS als Evolutionspfad von GSM konzipiert. Es bot viel schnellere Datengeschwindigkeiten und ermöglichte Videoanrufe und besseres mobiles Internet. Viele 3G-Netze wurden auf der von GSM etablierten Kerninfrastruktur aufgebaut.

Das Verständnis dessen, was GSM ist, hilft uns zu würdigen, wie diese späteren Technologien auf seinem Erfolg aufbauten.

 

Übergang von GSM zu modernen Netzwerken (4G LTE & 5G)

Da unser Datenbedarf wuchs – für Streaming, Apps, soziale Medien und mehr – war selbst 3G nicht schnell genug. Dies führte zur Entwicklung von 4G LTE (Long-Term Evolution) und jetzt 5G (Fünfte Generation) Netzwerken. Diese Technologien unterscheiden sich grundlegend von GSM und verwenden fortschrittlichere Techniken (wie OFDMA, später diskutiert), um unglaublich schnelle Geschwindigkeiten zu liefern und viele weitere verbundene Geräte gleichzeitig zu unterstützen.

So wie sich Mobilfunknetze von GSM zu den leistungsstarken 4G LTE- und 5G-Technologien entwickelten, tat dies auch die Art und Weise, wie wir uns verbinden. Die eSIM (embedded SIM) stellt den nächsten Meilenstein in dieser Entwicklung dar, eliminiert die Notwendigkeit physischer SIM-Karten und bietet eine reibungslosere, schnellere und flexiblere Möglichkeit, verbunden zu bleiben. So wie GSM den Grundstein für die mobile Kommunikation legte, gestaltet eSIM die Zukunft.

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Wie GSM-Netzwerke strukturiert sind

Ein GSM-Netzwerk besteht nicht nur aus Ihrem Telefon und einem Mobilfunkmast. Es ist ein komplexes System mit mehreren wichtigen Teilen, die zusammenarbeiten. Lassen Sie es uns einfach aufschlüsseln:

• Mobile Endgeräte (Mobile Station - MS): Dies ist Ihr Telefon, Tablet oder jedes Gerät, das sich mit dem Netzwerk verbindet. Der entscheidende Teil hier ist die SIM-Karte, die Sie (den Teilnehmer) gegenüber dem Netzwerk identifiziert. Ohne eine gültige SIM kann Ihr Telefon normalerweise nur Notrufe tätigen.

• Basisstations-Subsystem (BSS - Base Station Subsystem): Dieser Teil verbindet Ihr Telefon drahtlos mit dem Hauptnetzwerk. Es hat zwei Hauptkomponenten:

  • Basis-Sende-Empfangs-Station (BTS - Base Transceiver Station): Das sind die Mobilfunkmasten, die Sie überall sehen. Sie enthalten die Funkgeräte und Antennen, die Signale direkt zu und von Ihrem Telefon senden und empfangen. Jeder Mast deckt einen bestimmten Bereich ab, der als „Zelle“ bezeichnet wird.
  • Basisstations-Controller (BSC - Base Station Controller): Stellen Sie sich dies als Manager für mehrere Mobilfunkmasten (BTSs) vor. Er steuert Dinge wie die Kanalzuweisung (Zuweisung von Frequenzen und Zeitschlitzen) und „Handovers“ – wenn Ihr Telefon nahtlos von einem Mast zum anderen wechselt, während Sie sich bewegen, ohne den Anruf abzubrechen.

• Netzwerk-Vermittlungs-Subsystem (NSS - Network Switching Subsystem): Dies ist das „Gehirn“ oder der Kern des GSM-Netzwerks. Es verwaltet Anrufe, Nachrichten und verfolgt Benutzer. Wichtige Teile sind:

  • Mobilvermittlungsstelle (MSC - Mobile Switching Center): Das zentrale Koordinierungselement. Es leitet Anrufe an den richtigen Ort weiter (egal ob zu einem anderen Mobiltelefon oder zum regulären Festnetz), wickelt Nachrichtendienste (SMS) ab und kommuniziert mit Datenbanken, um Teilnehmerinformationen zu überprüfen.
  • Heimatregister (HLR - Home Location Register): Eine große Datenbank, die dauerhaft Informationen über jeden Teilnehmer dieses Netzbetreibers speichert, einschließlich seiner Dienste, Berechtigungen und seines allgemeinen Standorts.
  • Besucherregister (VLR - Visitor Location Register): Eine temporäre Datenbank, die einer MSC zugeordnet ist. Wenn Sie in ein von einer bestimmten MSC versorgtes Gebiet reisen, speichert das VLR eine temporäre Kopie Ihrer Informationen aus dem HLR. Dies hilft der MSC, Ihre Anrufe lokal zu bearbeiten, ohne ständig das Haupt-HLR überprüfen zu müssen.

• Betriebs- und Unterstützungs-Subsystem (OSS - Operation and Support Subsystem): Dies ist der Teil hinter den Kulissen, der das gesamte Netzwerk verwaltet. Es kümmert sich um die Netzwerküberwachung (Sicherstellung, dass alles funktioniert), Wartung, Software-Updates, Netzwerkkonfiguration, Fehlererkennung und Sicherheitsmanagement. Es stellt sicher, dass das Netzwerk reibungslos und zuverlässig läuft.

Wenn Sie also einen Anruf tätigen, spricht Ihr Telefon (MS) mit dem nächsten Mobilfunkmast (BTS), der von einem BSC verwaltet wird. Der BSC verbindet sich mit der MSC im NSS. Die MSC überprüft das VLR/HLR, um Ihr Abonnement zu verifizieren, und leitet Ihren Anruf dann zum Ziel weiter, egal ob es sich um einen anderen Mobilfunknutzer (der durch seine Netzwerkanteile geht) oder jemanden im Festnetz handelt.

 

Merkmale & Vorteile von GSM

GSM wurde aus mehreren guten Gründen so beliebt. Hier sind einige seiner Hauptvorteile:

• Internationales Roaming: Dies war vielleicht das größte Verkaufsargument von GSM. Da so viele Länder den GSM-Standard übernommen haben, konnten Netzbetreiber Vereinbarungen treffen, die es ihren Kunden ermöglichten, ihre Telefone in anderen GSM-Netzen zu nutzen, wenn sie ins Ausland reisten. Dies erleichterte internationalen Reisenden die Nutzung von Mobiltelefonen erheblich.

• Flexibilität der SIM-Karte: Die kleine, herausnehmbare SIM-Karte war eine brillante Idee. Sie speichert Ihre eindeutigen Teilnehmerinformationen. Das bedeutet, dass Sie Ihre Telefonnummer und Ihren Tarifplan problemlos auf ein neues GSM-Telefon übertragen können, indem Sie einfach die SIM-Karte wechseln. Sie waren nicht an ein bestimmtes Gerät gebunden wie in einigen anderen Systemen.

• Sichere Kommunikation (für seine Zeit): Im Vergleich zu älteren analogen Systemen bot GSM verbesserte Sicherheit. Es verwendete digitale Verschlüsselung, um Anrufe zu verschlüsseln, was es für zufällige Lauscher schwieriger machte, mitzuhören. Obwohl nach heutigen Maßstäben nicht perfekt, war es ein bedeutender Fortschritt.

• Weite Verbreitung: GSM erreichte eine massive globale Skalierung. Es wurde zum dominierenden Standard in Europa, Asien, Afrika und Ozeanien und wurde auch in Nord- und Südamerika weit verbreitet eingesetzt. Diese riesige Nutzerbasis schuf Skaleneffekte, die Telefone und Netzwerkausrüstung billiger und leichter verfügbar machten.

• Kompatibilität mit frühen IoT-Geräten: Die Einfachheit und die weit verbreitete Abdeckung von GSM (insbesondere mit GPRS für grundlegende Daten) machten es für frühe Machine-to-Machine (M2M)-Kommunikation und Internet of Things (IoT)-Geräte geeignet. Denken Sie an Dinge wie intelligente Zähler, die Messwerte senden, Verkaufsautomaten, die den Lagerbestand melden, oder grundlegende Fahrzeugverfolgungssysteme.

Foto von Andrey Metelev auf Unsplash

 

GSM vs. CDMA vs. LTE: Hauptunterschiede

GSM war nicht die einzige Mobilfunktechnologie da draußen. In einigen Teilen der Welt, insbesondere in Nordamerika und Teilen Asiens, war auch eine andere 2G/3G-Technologie namens CDMA beliebt. Und heute sind LTE (4G) und 5G die dominierenden Standards. Hier ist ein einfacher Vergleich:

 

Sicherheit in GSM

Als GSM Ende der 1980er Jahre entwickelt wurde, war Sicherheit ein wichtiger Aspekt, insbesondere im Vergleich zu den leicht abhörbaren analogen Netzwerken.

GSM führte Verschlüsselung zum Schutz von Sprachanrufen ein. Die hauptsächlich verwendeten Algorithmen waren A5/1 und später A5/2. Diese Algorithmen verschlüsselten das Gespräch zwischen dem Telefon und dem Mobilfunkmast, was es für jemanden mit einem einfachen Funkscanner schwierig machte, mitzuhören. Authentifizierungsprozesse wurden ebenfalls verwendet, um die SIM-Karte gegenüber dem Netzwerk zu verifizieren, was zur Verhinderung von Klonen beitrug (wenn auch nicht perfekt).

Schwachstellen und Sicherheitsbedenken

Obwohl eine Verbesserung, war die GSM-Sicherheit nicht narrensicher, insbesondere nach modernen Standards.

• Schwache Verschlüsselung: Der A5/1-Algorithmus wurde später als schwach eingestuft und konnte potenziell mit ausreichender Rechenleistung geknackt werden. A5/2 war noch schwächer und wurde absichtlich so konzipiert, dass er von Regierungen leicht geknackt werden konnte.

• Verbindung Mast-zu-Netzwerk: Oft galt die Verschlüsselung nur zwischen dem Telefon und dem Mobilfunkmast (BTS). Die Verbindung vom Mast zurück ins Kernnetzwerk war nicht immer verschlüsselt, was eine potenzielle Schwachstelle darstellte.

• IMSI-Catcher: Geräte, die als „IMSI-Catcher“ oder „Stingrays“ bekannt sind, können vorgeben, legitime Mobilfunkmasten zu sein, und Telefone dazu verleiten, sich mit ihnen zu verbinden. Dies ermöglicht Angreifern, Anrufe/SMS abzufangen oder den Standort eines Benutzers zu verfolgen.

• Fehlende gegenseitige Authentifizierung (in der ursprünglichen Spezifikation): Anfänglich authentifizierte nur das Netzwerk das Telefon/die SIM. Das Telefon authentifizierte nicht immer das Netzwerk, was es anfällig für Angriffe durch gefälschte Masten machte.

Sind moderne GSM-Netzwerke geschützt?

Es ist wichtig zu bedenken, dass GSM selbst eine alte Technologie ist. Während einige grundlegende GSM-Dienste möglicherweise noch betrieben werden, läuft der größte Teil des Sprach- und Datenverkehrs heute über 3G-, 4G (LTE)- und 5G-Netzwerke. Diese neueren Standards verfügen über viel stärkere Sicherheitsmerkmale:

• Stärkere Verschlüsselung: Algorithmen wie AES werden in 4G/5G verwendet, die viel robuster sind.

• Gegenseitige Authentifizierung: Sowohl das Gerät als auch das Netzwerk authentifizieren sich gegenseitig, was Angriffe durch gefälschte Masten erschwert.

• Ende-zu-Ende-Sicherheit: Es werden Anstrengungen unternommen, um die Kommunikation weiter in den Netzwerkkern hinein zu sichern.

• Regelmäßige Updates: Sicherheitsprotokolle werden kontinuierlich überprüft und aktualisiert.

Obwohl GSM also bekannte Sicherheitslücken aufwies, bieten die Netzwerke, die die meisten Menschen täglich nutzen (4G/5G), einen viel besseren Schutz.

 

Einschränkungen von GSM

Trotz seines Erfolgs hatte GSM seine Nachteile, insbesondere im Zuge des technologischen Fortschritts:

• Interferenzprobleme: Da sie auf Funkwellen basieren, konnten GSM-Signale durch physische Hindernisse wie Gebäude, Hügel oder sogar schlechtes Wetter beeinträchtigt werden. Dies konnte in bestimmten Gebieten zu Gesprächsabbrüchen oder schlechter Signalqualität führen. Elektrische Interferenzen von anderen Geräten konnten manchmal ebenfalls Probleme verursachen.

• Begrenzte Datengeschwindigkeiten: Dies ist die größte Einschränkung von GSM nach heutigen Maßstäben. Während GPRS- und EDGE-Upgrades Datenfähigkeiten hinzufügten, waren die Geschwindigkeiten im Vergleich zu 3G, geschweige denn 4G oder 5G, sehr langsam. Das Streamen von Videos oder die Nutzung komplexer Apps war über eine reine 2G-GSM-Verbindung einfach nicht machbar. Das Verständnis dessen, was GSM inhärent bedeutet, erkennt an, dass es zuerst für Sprache, dann für Daten entwickelt wurde.

• Notwendigkeit von Repeatern in Gebieten mit schwachem Signal: In Gebieten mit schlechter natürlicher Abdeckung (wie tief im Inneren großer Gebäude oder in abgelegenen ländlichen Gebieten) waren oft Signalverstärker oder Repeater erforderlich, um das GSM-Signal zu verstärken und den Dienst nutzbar zu machen. Dies erhöhte die Komplexität und die Kosten, um überall eine Abdeckung sicherzustellen.

• Kapazitätsgrenzen: Die TDMA-Struktur, obwohl clever, hatte Grenzen, wie viele Benutzer eine Frequenz in einem bestimmten Gebiet teilen konnten. An sehr dicht besiedelten Orten konnte das Netzwerk zu Spitzenzeiten manchmal überlastet sein.

Diese Einschränkungen trieben die Notwendigkeit der Entwicklung hin zu 3G, 4G und 5G voran, die darauf ausgelegt waren, diese Probleme zu überwinden, insbesondere in Bezug auf Datengeschwindigkeit und Kapazität.

 

GSM in den USA und weltweite Nutzung

Historisch gesehen waren AT&T und T-Mobile die primären GSM-Anbieter in den USA. Dies ändert sich jedoch rapide. Beide Anbieter, wie auch andere weltweit, sind dabei, ihre älteren 2G (GSM)- und 3G-Netze abzuschalten. Sie benötigen den von diesen älteren Technologien genutzten Funkfrequenzraum (Spektrum), um ihre schnelleren, effizienteren 4G LTE- und 5G-Netze auszubauen. Während einige minimale GSM-Fähigkeiten für spezifische M2M/IoT-Anwendungen oder Roaming-Vereinbarungen vorübergehend bestehen bleiben könnten, verschwindet die aktive Nutzung durch Verbraucher. Es ist am besten anzunehmen, dass auf Verbraucher ausgerichtete GSM-Netze in den USA effektiv verschwunden sind oder sehr bald verschwinden werden.

Die Situation in den USA spiegelt einen globalen Trend wider. Länder in Europa, Asien und Australien schalten ebenfalls aktiv ihre 2G- und 3G-Netze ab. Der Zeitplan variiert je nach Land und Anbieter, wobei einige die Abschaltungen bereits abgeschlossen haben und andere sie für die nächsten Jahre planen.

Die Gründe sind konsistent: wertvolles Spektrum für 4G/5G zurückgewinnen, die Kosten für die Wartung alter Netzwerke reduzieren und die Nutzer auf modernere, effizientere Technologien zu lenken.

Für die meisten Menschen, die Smartphones verwenden, die in den letzten 5-7 Jahren hergestellt wurden, wird diese Abschaltung wahrscheinlich keine direkten Auswirkungen haben. Moderne Telefone nutzen überwiegend 4G LTE und 5G. Hier ist jedoch, was Sie tun müssen, wenn GSM-Netzwerke abgeschaltet werden:

• Überprüfen Sie Ihr Telefon: Wenn Sie ein sehr altes Telefon haben (ein einfaches Feature-Phone von vor über 10 Jahren), unterstützt es möglicherweise nur 2G/3G. Sobald diese Netzwerke in Ihrer Region abgeschaltet sind, verliert dieses Telefon den Dienst (außer potenziell Notrufe). Sie müssten auf ein Telefon upgraden, das 4G LTE (und idealerweise VoLTE – Voice over LTE) oder 5G unterstützt.

• Überprüfen Sie IoT-Geräte: Einige ältere Smart-Home-Geräte, Alarmsysteme oder Fahrzeug-Tracker könnten auf 2G/3G-Netze angewiesen sein. Benutzer dieser Geräte müssen sich möglicherweise beim Dienstanbieter oder Hersteller über Upgrade-Optionen oder einen möglichen Dienstverlust erkundigen.

• Reisende: Während internationales Roaming eine Stärke von GSM war, wird es mit der weltweiten Abschaltung von Netzen immer weniger praktikabel, sich nur auf 2G/3G für Roaming zu verlassen. Moderne Telefone, die mehrere 4G/5G-Bänder unterstützen, sind für eine zuverlässige internationale Konnektivität unerlässlich.

Foto von Christopher auf Unsplash

 

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