Hintergrund

So funktioniert das Telefonieren mit dem Handy

Lesen Sie, was passiert, wenn Sie mit Ihrem Handy telefonieren, wie Hand-Over funktionieren und wie komplex die Funktionen im Handynetz sind.
Von Thorsten Neuhetzki /

Es ist alltäglich: Der Griff geht zum Handy, die gewünschte Nummer wird gewählt, die grüne Taste gedrückt und einige Sekunden später steht das Gespräch. Doch während des Gesprächsaufbaus passieren im Hintergrund zahlreiche Dinge, die der Kunde gar nicht bemerkt. Diese Abläufe wollen wir Ihnen im Detail anhand des Netzes von o2 vorstellen. In den anderen Mobilfunk­netzen sind die Abläufe jedoch weitestgehend identisch.

Details zum technischen Aufbau eines Mobilfunk­netzes, der sogenannten Netzarchitektur, haben wir Ihnen bereits vorgestellt. Dieser Artikel geht daher nicht weiter auf den Aufbau des Netzes an sich ein.

Der Rufaufbau: Darf das Handy überhaupt machen, was es will?

Wenn Sie zu Ihrem Handy greifen und ein Telefonat zu einem anderen Kunden des gleichen Netzanbieters führen, wird Ihr Gespräch über die Sendemasten und die entsprechenden Controller zu der für Sie aufgrund Ihres Aufenthaltsortes zuständigen Vermittlungs­stelle (MSC) geleitet.

Hier wird als erstes geprüft, ob Ihre SIM-Karte echt ist und ob Sie somit berechtigt sind, dieses Telefonat zu führen. Dazu liefert das Authentication Center (AUC) Zahlen­kolonnen (sogenannte Triples), mit deren Hilfe die Vermittlungs­stelle den Teilnehmer authentifiziert. Es handelt sich lediglich um eine technische Überprüfung.

Die Vermittlungs­stelle erkennt aufgrund der gewählten Nummer, dass die Zielrufnummer innerhalb des eigenen Netzes bleibt. Anschließend wird beim Home Location Register (HLR) angefragt, wo sich der Kunde befindet. Das HLR ist so etwas wie die zentrale Kundendatei eines jeden Netzanbieters. Es verknüpft die Rufnummer des Kunden mit der SIM-Karte und kennt die Berechtigungen des Kunden und eventuell programmierte Rufumleitungen.

Telefoniert also ein Kunde, der sich in München befindet, zu einem Kunden, der sich gerade in Berlin aufhält, so weiß das HLR, dass der gesuchte Kunde sich im Bereich der für Berlin zuständigen Vermittlungs­stelle aufhält und nimmt mit dieser Kontakt auf. Die Berliner Vermittlungs­stelle fragt in der Folge beim für diese MSC zuständigen Visitor Location Register (VLR) Daten des Angerufenen ab. Das VLR weiß, in welcher Region in Berlin sich der Angerufene aufhält, welche Dienste unterstützt werden und wie sich das angerufene Handy im Netz identifizieren muss.

Das Netz muss das Zielhandy erst suchen

Über Richfunkschüsseln und Sendemasten kommt das Telefon-Signal zum Endkunden. Über Richtfunkschüsseln und Sendemasten kommt das Telefon-Signal zum Endkunden.
Foto: teltarif.de
In der Folge startet die zuständige Berliner Vermittlungs­stelle so etwas wie einen Ausruf in der Region, in der sich der Angerufene aufhält. Diese Bereiche nennen sich LAC. Sinngemäß gibt es über alle Sende­masten ein Signal, dass für ein bestimmtes Handy ein Anruf vorliegt, das Handy möge sich bitte melden. Eine direkte Ansprache eines einzelnen Sende­mastes oder direkt des Handys erfolgt also nicht. Das angerufene Handy empfängt den Ausruf und meldet sich bei der Vermittlungs­stelle. Diese weiß nun, auf welchem Sender das Handy gerade eingebucht ist. Es wird geprüft, ob die SIM-Karte wirklich die ist, die erwartet wird. Erst dann stellt die Berliner Vermittlungsstelle den Anruf zum Angerufenen durch. Diese ganzen Prozesse laufen sehr schnell ab, dennoch merkt jeder, der von Handy zu Handy telefoniert, dass ein Rufaufbau mitunter einige Sekunden dauern kann. Das liegt vor allem an dem Ausruf des angerufenen Handys aber auch an den diversen Datenbankabfragen.

Was passiert bei Nicht-Empfang?

Hat der Angerufene keinen Empfang, so hat sich das Handy in aller Regel im Netz nicht regulär abgemeldet. Das VLR "denkt" also nach wie vor, der Kunde sei in der Region zu erreichen. Dass dieses nicht so ist, merkt das Netz in der Regel erst, wenn eine Nachricht für den Kunden vorliegt. Auf den dann über den gesamten LAC ausgestrahlten Ausruf kommt vom Handy keine Antwort. Den Vermittlungs­stellen bleibt in der Folge nichts anderes übrig, als die Nichtverfügbarkeit zurück zu melden. Diese Information geht zurück an die Vermittlungs­stelle des Kunden.

Der Vermittlungs­stelle ist aufgrund der HLR-Informationen bekannt, ob der Kunde im Falle einer Nicht-Erreichbarkeit eine Rufumleitung programmiert hat. Mit dieser würde dann verfahren werden wie bei einem Anruf. Ist nichts definiert, so wird dem Anrufer mitgeteilt, dass der Teilnehmer nicht verfügbar ist.

Jeder Handynutzer weiß, dass bis zu dieser Ansage einige Zeit vergehen kann. Jeder weiß aber auch, dass die Ansage mitunter "sofort" nach der Anwahl der Handy­nummer kommen kann. In diesem Fall hat der Angerufene sein Handy ausgeschaltet und sich regulär beim Handynetz abgemeldet. Diese Information hat das VLR ans HLR weitergegeben und dieses reagiert auf eine Vermittlungs­stellen-Anfrage entsprechend sofort. Ein Ausruf des Kunden im Netz gibt es folglich nicht.

Was passiert bei Gesprächen in andere Netze?

An den Sendemasten sind oftmals mehrere Sendeelemente montiert. An den Sendemasten sind oftmals mehrere Sendeelemente montiert.
Foto: teltarif.de
Telefoniert der Kunde nicht innerhalb des eigenen Netzes, sondern zu einem anderen Mobilfunk­netz, ins Festnetz oder ins Ausland, so läuft das Gespräch über ein Gateway Mobile Switching Center, also eine Gateway-Vermittlungs­stelle. Diese dient als Schnittpunkt zu anderen Netzen. Geht das Gespräch also beispielsweise von o2 zur Mobilfunksparte der Telekom, übergibt das MSC des Anrufers das Gespräch an das GMSC. Dieses übergibt dann an die Telekom. Die Identifikation, wohin das Gespräch geroutet werden muss, erfolgt über die Rufnummer des Angerufenen, die sogenannte MSISDN.

Was passiert bei portierten Nummern?

Auch wenn eine 0171-Nummer (eigentlich Telekom) inzwischen bei o2 geschaltet ist, wird das Gespräch zunächst in das GMSC der Telekom geroutet, da die Rufnummer (MSISDN) aussagt, dass es sich um eine Telekom-Nummer handelt. Bei der Telekom erfolgt dann die Überprüfung anhand einer Portierungs­datenbank, da das Telekom-HLR keine Daten zu der Nummer findet. Da die Nummer in der Datenbank mit dem Vermerk "o2-Netz" hinterlegt ist, wird das Gespräch dann an o2 gegeben. Rufaufbau im Mobilfunknetz, Copyright teltarif.de

Was passiert bei ankommenden Gesprächen?

Ankommende Gespräche kommen von anderen Netz­betreibern am GMSC an. Mit Hilfe der HLR- und VLR-Datenbanken schickt die Gateway-Vermittlungs­stelle die Gespräche in der Folge weiter an die eigenen Vermittlungs­stellen, die den angerufenen Kunden aktuell versorgen.

Was passiert, wenn das Handy bewegt wird?

Geht ein Kunde in einer Großstadt durch die Straßen, so werden in der Regel nach wenigen hundert Metern schon andere Sendemasten genutzt, als noch kurze Zeit zuvor. Eine Information, in welchem Mast sich das Handy eingebucht hat, hat das Netz aber nicht vorliegen, solange das Handy nicht genutzt wird. Es findet lediglich alle paar Stunden eine Überprüfung statt, ob das Handy noch verfügbar ist. Erst dann würde an das VLR und HLR die Information gegeben werden, dass ein Handy gar nicht mehr erreichbar ist, weil es keinen Empfang mehr hat. Auch sollte in der Zwischenzeit eine Nachricht für das Handy kommen, so wird diese Information dann abgespeichert.

Allerdings: Verlässt der Kunde den Bereich eines Base Station Controllers (BSC), gibt es ein sogenanntes Location Update. Ein BSC ist in der Regel für eine zweistellige Zahl von Sendemasten zuständig. Naturgemäß verlässt man gerade bei größeren Strecken den Bereich einer BSC irgendwann einmal. Theoretisch kann dieses auch bei einem Arbeits­weg von nur einem Kilometer der Fall sein, wenn zwischen Arbeit und Büro eine BSC-Zuständigkeits­grenze verläuft. Oftmals befindet sich der Kunde dann auch in einem neuen LAC. Diese neuen Informationen werden dann wieder neu im VLR gespeichert und das Netz kennt den neuen, groben Standort des Kunden.

Einbuchen nach mehreren Tagen oder im Ausland dauert länger

Sind UMTS und GSM an einem Standort, so stehen in der Regel zwei BTS-Schränke nebeneinander. Sind UMTS und GSM an einem Standort, so stehen in der Regel zwei BTS-Schränke nebeneinander.
Foto: teltarif.de
Ist ein Handy mehrere Tage aus­geschaltet oder meldet es sich erstmals im Netz an (beispielsweise bei einem Neuvertrag oder beim Urlaub im Ausland), reicht ein Location Update nicht aus. Hier muss ein Location Register Update erfolgen.

Im Fall des Urlaubs im Ausland bedeutet dies, dass im VLR des ausländischen Netzes ein komplett neuer Datensatz für den Gast-Kunden angelegt werden muss. Das VLR fordert sich alle relevanten Informationen vom HLR des Netzbetreibers des Kunden an. Dieses Location Register erklärt, warum das erstmalige Einschalten des Handys nach der Landung im Ausland relativ lange dauert während das Einbuchen des Handys im Netz am nächsten Morgen nicht länger dauert als in Deutschland. Das VLR kennt den Kunden am nächsten Morgen noch und muss keine neuen Datensätze anlegen, sondern lediglich eine Aktualisierung vornehmen.

Hand-Over während eines Gespräches ist nicht immer leicht

Bewegt sich das Handy während einer Daten- oder Sprach­verbindung, verhält sich die Übergabe etwas anders. Schließlich muss der neue Sendemast wissen, dass er ein Gespräch übernehmen soll. Dabei muss unterschieden werden, wie viele Netzebenen die Gesprächsübergabe betrifft. Die einfachste Variante ist die, dass lediglich ein anderer Sektor des gleichen Sendemastes genutzt wird.

Es handelt sich also um den gleichen Mast, nur eine andere Antenne die in eine andere Richtung auf einer anderen Frequenz sendet. Diesen Hand-Over regelt die Basis­station selbst. Muss das Gespräch an einen anderen Sendemast übergeben werden, so regelt die BSC die Übergabe. Befindet sich allerdings die neue Basisstation in einem anderen BSC-Bereich, so müssen die beiden BSCs mit Hilfe der übergeordneten Vermittlung (MSC) die Übergabe regeln. Im "schlimmsten" Fall ist der für den neuen Sendemast zuständige BSC auch noch einer anderen Vermittlung unterstellt, so dass diese Netzelemente die Gesprächsübergabe zunächst auch noch miteinander aushandeln müssen.

Bei einer Übergabe muss zunächst am neuen Sender geprüft werden, ob überhaupt Kapazitäten für ein weiteres Gespräch vorhanden sind. Andernfalls würde die Übergabe scheitern. Im Idealfall werden bei nur vereinzelt überlasteten Sendemasten in Innenstadt­lagen Gespräche von einem überlasteten Sendemast an einen weniger belasteten, geringfügig schlechter zu empfangenem Sendemast übergeben, damit nicht erst im Falle einer ankommenden Gesprächsübergabe andere Gespräche verlagert werden müssen. Diese Aufgabe übernehmen die BSC selbständig.

Sind allerdings alle Sendemasten voll oder die Sender­dichte so gering, dass eine Verlagerung nicht möglich ist - etwa auf dem Land - kommt es bei einem geplanten Hand-Over zum Gesprächsabbruch. Theoretisch kann dieses auch bei einem zu schnellen Wechsel, etwa bei einer Fahrt im ICE geschehen, wenn der neue Sendemast zu spät mit einer guten Qualität verfügbar ist.

Initiiert wird ein Hand-Over durch Kommunikation mit dem Handy. Dieses kontrolliert laufend die Sende- und Empfangs­stärke der Basis­station und empfängt gleichzeitig schon die Signale anderer Sendemasten. Das Netz kennt diese Nachbarschaftszellen und regelt die Gesprächsübergabe dann an eine Zelle, deren Empfangsparameter besser sind. Im Idealfall merkt der Nutzer nichts davon.

Die Abrechnung: Unterschiede zwischen Prepaid und Postpaid

Bei Vertragskunden funktioniert die Rechnungslegung denkbar einfach: Da im HLR festgestellt wurde, dass der Kunde berechtigt ist, die gewünschten Aktionen durchzuführen muss nach Ende der Aktion lediglich noch festgestellt werden, wie lange die Aktion gedauert hat und die entsprechenden Rechnungsinformationen an das Billing­system gegeben werden. Hier wird dann anhand der hinterlegten Tarifinformationen der entsprechende Preis berechnet und in die Rechnungs­legung gegeben, sofern der Kunde nicht eine Flatrate gebucht haben sollte.

Prepaid-Kunden hingegen bekommen vom Abrechnungs­system immer wieder virtuelle Freisekunden. Um nicht zu viele Abfragen beim Abrechnungs­system zu generieren, wird diese Information etwa alle zwei Minuten gesendet. Erst dann, wenn das Guthaben für das nächste Gesprächsintervall nicht mehr reicht, wird die reale Länge des letzten Zeitintervalls gesendet.

Viel Aufwand für einfaches Telefonieren

Die zahlreichen Schritte zeigen, wie viel im Netz eines Mobilfunkanbieters passiert, damit ein einfaches Telefonat geführt werden kann. Diese Abläufe machen auch plausibel, warum nicht alles so perfekt laufen kann wie im Festnetz, wo die Vermittlungsstellen deutlich einfacher aufgebaut sind.

Alle Ratgeber zum Aufbau eines Mobilfunknetzes