GSM

Логотип стандарту GSM до 2000 року
Логотип стандарту GSM після 2000 року

GSM (від назви групи Groupe Spcial Mobile, пізніше перейменований в Global System for Mobile Communications) (укр. СПС-900) - глобальний стандарт цифрового мобільного стільникового зв'язку, з поділом каналів за часом ( TDMA) і частоті ( FDMA). Розроблено під егідою Європейського інституту стандартизації електрозв'язку (ETSI) наприкінці 80-х років.


1. Загальні відомості

GSM відноситься до мереж другого покоління (2 Generation) (1G - аналоговий стільниковий зв'язок, 2G - цифровий стільниковий зв'язок, 3G - широкосмуговий цифровий стільниковий зв'язок, комутована багатоцільовими комп'ютерними мережами, у тому числі Інтернет).

Стільникові телефони випускаються для 4 діапазонів частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц [1].

В залежності від кількості діапазонів, телефони поділяються на класи і варіацію частот в залежності від регіону використання.

  • Однодіапазонні - телефон може працювати в одній смузі частот. В даний час не випускаються, але існує можливість ручного вибору певного діапазону частот в деяких моделях телефонів, наприклад Motorola C115, або за допомогою інженерного меню телефону.
  • Дводіапазонні (Dual Band) - для Європи, Азії, Африки, Австралії 900/1800 і 850/1900 для Америки і Канади.
  • Трьохдіапазонні (Tri Band) - для Європи, Азії, Африки, Австралії 900/1800/1900 і 850/1800/1900 для Америки і Канади.
  • Чотирьохдіапазонний (Quad Band) - підтримують всі діапазони 850/900/1800/1900.

У стандарті GSM застосовується GMSK модуляція з величиною нормованої смуги ВТ - 0,3, де В - ширина смуги фільтра за рівнем мінус 3 дБ, Т - тривалість одного біта цифрового повідомлення.

GSM на сьогоднішній день є найбільш поширеним стандартом зв'язку. За даними асоціації GSM (GSMA) на даний стандарт доводиться 82% світового ринку мобільного зв'язку, 29% населення земної кулі використовує глобальні технології GSM. У GSMA в даний час входять оператори більш ніж 210 країн і територій.


2. Етапи розвитку

GSM спочатку означало Groupe Spcial Mobile, за назвою групи аналізу, яка створювала стандарт. Тепер він відомий як Global System for Mobile Communications (Глобальна Система для Мобільного Зв'язку), хоча слово "язок" не включається до скорочення. Розробка GSM почалася в 1982 групою з 26 Європейських національних телефонних компаній. Європейська конференція поштових і телекомунікаційних адміністрацій ( CEPT), прагнула побудувати єдину для всіх європейських країн стільникову систему діапазону 900 MГц. Досягнення GSM стали "одними з найбільш переконливих демонстрацій яка співпраця в Європейській промисловості може бути досягнуто на глобальному ринку".

В 1989 Європейський Телекомунікаційний Інститут Стандартів ( ETSI) взяв відповідальність за подальший розвиток GSM. В 1990 були опубліковані перші рекомендації. Специфікація була опублікована в 1991.

Комерційні мережі GSM почали діяти в Європейських країнах в середині 1991 р. GSM розроблений пізніше, ніж аналоговий стільниковий зв'язок і у багатьох відношеннях була краще спроектована. Північно-Американський аналог - PCS, виростив зі своїх коренів стандарти включаючи цифрові технології TDMA і CDMA, але для CDMA потенційне покращення якості обслуговування так і не було ніколи підтверджено.


2.1. GSM Phase 1

1982 (Groupe Spcial Mobile) - 1990 р. Global System for Mobile Communications. Перша комерційна мережа в січні 1992 р. Цифровий стандарт, підтримує швидкість передачі даних до 9,6 кбіт / с. Повністю застарів, виробництво обладнання під нього припинено.

У 1991 році були введені послуги стандарту GSM "ФАЗА 1".

У них входять:

  • Переадресація виклику (Call forwarding). Можливість переведення вхідних дзвінків на інший телефонний номер в тих випадках, коли номер зайнятий або абонент не відповідає; коли телефон вимкнений або знаходиться поза зоною дії мережі і т. п. Крім того, можлива переадресація факсів і даних.
  • Заборона виклику (Call barring). Заборона на всі вхідні / вихідні дзвінки; заборона на вихідні міжнародні дзвінки; заборона на вхідні дзвінки, за винятком внутрішньомережевих.
  • Очікування виклику (Call waiting). Ця послуга дозволяє прийняти вхідний виклик під час вже триваючого розмови. При цьому перший абонент або як і раніше буде перебувати на зв'язку, або розмова з ним може бути завершений.
  • Утримання виклику (Call Holding). Ця послуга дозволяє, не розриваючи зв'язок з одним абонентом, подзвонити (або відповісти на вхідний дзвінок) іншому абоненту.
  • Глобальний роумінг (Global roaming). При відвідуванні будь-який з країн, з якою ваш оператор підписав відповідну угоду, ви можете користуватися своїм стільниковим телефоном GSM без зміни номера.

2.2. GSM Phase 2

Стандарт GSM Phase 2 прийнятий в 1993 р. [2] Цифровий стандарт, підтримує швидкість передачі даних до 9.6 кбіт / с. З 1995 р. включає діапазон 1900 МГц. Другий етап розвитку GSM - GSM "Фаза 2", який завершився в 1997 р., передбачає такі послуги:

  • Визначення номера зухвалої лінії ( Calling Line Identification Presentation). При вхідному дзвінку на екрані висвічується номер абонента.
  • Антивизначник номера (Calling Line Identification Restriction). За допомогою цієї послуги можна заборонити визначення власного номера при з'єднанні з іншим абонентом.
  • Груповий виклик (Multi party). Режим телеконференції або конференц-зв'язку дозволяє об'єднати до п'яти абонентів у групу і вести переговори між усіма членами групи одночасно.
  • Створення закритої групи до десяти абонентів (Closed User Group). Дозволяє створювати групи користувачів, члени якої можуть зв'язуватися тільки між собою. Найчастіше до цієї послуги прибігають компанії, що надають термінали своїм службовцям для роботи.
  • Інформація про вартість розмови. Сюди входять таймер, який вважає час на лінії, і лічильник дзвінків. Також завдяки цій послузі можна перевіряти залишився на рахунку кредит. Можлива й інша послуга: "Рада з оплати" (Advice of Charge). На вимогу користувача відбувається перевірка вартості та тривалості розмови в той час, коли апарат знаходиться на зв'язку.
  • Обслуговування додаткової лінії (Alternative Line Service). Користувач може придбати два номери, які будуть приписані до одного модулю SIM. У цьому випадку зв'язок виконується по двох лініях, з наданням двох рахунків, двох голосових ящиків і т. п.
  • Короткі текстові повідомлення ( Short Message Service). Можливість прийому та передачі коротких текстових повідомлень (до 160 знаків).
  • Система голосових повідомлень ( Voice Mail). Послуга дозволяє автоматично переводити вхідні дзвінки на персональний автовідповідач (голосова пошта). Користуватися цим можна тільки в тому випадку, якщо в абонента активовано "переадресація викликів".

Стандарт GSM Phase 2 вважається застарілим, але так як стандарт GSM передбачає зворотну сумісність, то старе обладнання базових станцій та телефони можуть працювати (і працюють) в сучасних мережах.


2.3. GSM Phase 2 +

Наступний етап розвитку мереж стандарту GSM "ФАЗА 2 +" не пов'язаний з конкретним роком впровадження. Нові послуги та функції стандартизуються і впроваджуються після підготовки і затвердження їх технічних описів. Всі роботи по етапу "Фаза 2 +" проводилися Європейським інститутом стандартизації електрозв'язку ( ETSI). Кількість вже впроваджених та знаходяться в стадії затвердження послуг перевищує 50. Серед них можна виділити наступні:

  • покращене програмне забезпечення SIM-карти;
  • поліпшене повношвидкісне кодування мови EFR (Enhanced Full Rate);
  • можливість взаємодії між системами GSM і DECT;
  • підвищення швидкості передачі даних завдяки пакетної передачі даних GPRS (General Packet RadioService) або за рахунок системи передачі даних по комутованих каналах HSCSD (High Speed ​​Circuit Switched Data).

3. Надані послуги

GSM забезпечує підтримку наступних послуг:

  • Послуги передачі даних (синхронний і асинхронний обмін даними, в тому числі пакетна передача даних - GPRS). Дані послуги не гарантують сумісність термінальних пристроїв та забезпечують тільки передачу інформації до них і від них.
  • Передача мовної інформації.
  • Передача коротких повідомлень ( SMS).
  • Передача факсимільних повідомлень.

Додаткові (необов'язкові до надання) послуги:

  • Визначення зухвалого номери і обмеження такого визначення.
  • Безумовна і умовна переадресація виклику на інший номер.
  • Очікування та утримання виклику.
  • Конференц-зв'язок (одночасна мовний зв'язок між трьома і більш рухливими станціями).
  • Заборона на певні користувачем послуги (міжнародні дзвінки, роумінгові дзвінки та ін)
  • Голосова пошта.

і багато інших послуг.


4. Переваги та недоліки

Переваги стандарту GSM:

  • Менші в порівнянні з аналоговими стандартами ( NMT-450, AMPS-800) розміри і вага телефонних апаратів при більшому часу роботи без підзарядки акумулятора. Це досягається в основному за рахунок апаратури базової станції, яка постійно аналізує рівень сигналу, прийнятого від апарату абонента. У тих випадках, коли він вище необхідного, на стільниковий телефон автоматично подається команда знизити випромінювану потужність.
  • Хороша якість зв'язку при достатній щільності розміщення базових станцій.
  • Велика ємність мережі, можливість великого числа одночасних з'єднань.
  • Низький рівень індустріальних перешкод в даних частотних діапазонах.
  • Покращена (у порівнянні з аналоговими системами) захист від підслуховування і нелегального використання, що досягається шляхом застосування алгоритмів шифрування з розділяються ключем. [ уточнити ]
  • Ефективне кодування (стиснення) мови. EFR-технологія була розроблена фірмою Nokia і згодом стала промисловим стандартом кодування / декодування для технології GSM (див. GSM-FR, GSM-HR та GSM-EFR)
  • Широке поширення, особливо в Європі, великий вибір обладнання.
  • Можливість роумінгу. Це означає, що абонент однієї з мереж GSM може користуватися стільниковим телефонним номером не тільки у себе "вдома", але й переміщатися по всьому світу переходячи з однієї мережі в іншу не розлучаючись зі своїм абонентським номером. Процес переходу з мережі в мережу відбувається автоматично, і користувачеві телефону GSM немає необхідності заздалегідь повідомляти оператора (в мережах деяких операторів, можуть діяти обмеження на надання роумінгу своїм абонентам, більш детальну інформацію можна отримати звернувшись безпосередньо до свого GSM оператору)

Недоліки стандарту GSM:

  • Спотворення мови при цифровій обробці і передачі.
  • Зв'язок можливий на відстані не більше 120 км [3] [4] від найближчої базової станції навіть при використанні підсилювачів і направлених антен. Тому для покриття певної площі необхідна більша кількість передавачів, ніж у NMT-450 та AMPS.

5. Стандарти і радіоінтерфейс

Стандарти GSM створюються і публікуються Європейським інститутом телекомунікаційних стандартів. Документи позначаються GSM nn.nn, наприклад широко відомий стандарт на GSM SIM картки GSM 11.11.

У стандарті GSM визначено 4 діапазону роботи (ще є п'ятий):

5.1. 900/1800 МГц (використовується в Європі, Азії)

Характеристики GSM-900 GSM-1800
Частоти передачі MS і прийому BTS, МГц 890 - 915 1710 - 1785
Частоти прийому MS і передачі BTS, МГц 935 - 960 1805 - 1880
Дуплексний рознос частот прийому і передачі, МГц 45 95
Кількість частотних каналів зв'язку з шириною 1 каналу зв'язку в 200 кГц 124 374
Ширина смуги каналу зв'язку, кГц 200 200
GSM-900

Цифровий стандарт мобільного зв'язку в діапазоні частот від 890 до 915 МГц (від телефону до базової станції) і від 935 до 960 МГц (від базової станції до телефону). Кількість реальних каналів зв'язку набагато більше ніж написано вище в таблиці, т.к присутній ще й тимчасовий поділ каналів TDMA, т.е на одній і тій же частоті можуть працювати кілька абонентів з поділом у часі.

У деяких країнах діапазон частот GSM-900 був розширений до 880-915 Мгц (MS -> BTS) і 925-960 МГц (MS <- BTS), завдяки чому максимальна кількість каналів зв'язку збільшилася на 50. Така модифікація була названа E-GSM (extended GSM).

GSM-1800

Модифікація стандарту GSM-900, цифровий стандарт мобільного зв'язку в діапазоні частот від 1710 до 1880 МГц.

Особливості:

  • Максимальна випромінювана потужність мобільних телефонів стандарту GSM-1800 - 1Вт, для порівняння у GSM-900 - 2Вт. Більший час безперервної роботи без підзарядки акумулятора і зниження рівня радіовипромінювання.
  • Висока ємність мережі, що важливо для великих міст.
  • Можливість використання телефонних апаратів, що працюють в стандартах GSM-900 та GSM-1800 одночасно. Такий апарат функціонує в мережі GSM-900, але, потрапляючи в зону GSM-1800, перемикається - вручну або автоматично. Це дозволяє оператору раціональніше використовувати частотний ресурс, а клієнтам - економити гроші за рахунок низьких тарифів. В обох мережах абонент користується одним номером. Але використання апарату в двох мережах можливо тільки в тих випадках, коли ці мережі належать одній компанії, або між компаніями, що працюють в різних діапазонах, укладено угоду про роумінг.

Мережа GSM 900-1800 - це єдина мережа, із загальною структурою, логікою і моніторингом в якій телефон нікуди не перемикається. Вручну можна тільки заборонити використовувати один з діапазонів в тестових або дуже старих апаратах.

Проблема полягає в тому, що зона охоплення для кожної базової станції значно менша, ніж в стандартах GSM-900, AMPS / DAMPS -800, NMT-450. Необхідно більше число базових станцій. Чим вище частота випромінювання, тим більше проникаюча здатність (характеризується т. н. Глибиною скін-шару) радіохвиль і тим менше здатність відбиватися і огинати перешкоди.

Дальність зв'язку в GSM лімітована затримкою сигналу Timing advance і становить до 35 км. При використанні режиму extended cell зростає до 75 км. Практично досяжно тільки в море, пустелі і горах.


5.2. 850/1900 МГц (використовується в США, Канаді, окремих країнах Латинської Америки і Африки)

Характеристики GSM-850 GSM-1900
Частоти передачі MS і прийому BTS, МГц 824 - 849 1850 - 1910
Частоти прийому та передачі BTS, МГц 869 - 894 1930 - 1990
Дуплексний рознос частот прийому і передачі, МГц 45 80

6. Структура GSM

Структура мережі GSM

Система GSM складається з трьох основних підсистем:

  • підсистема базових станцій (BSS - Base Station Subsystem),
  • підсистема комутації (NSS - Network Switching Subsystem),
  • центр технічного обслуговування (OMC - Operation and Maintenance Centre).

В окремий клас устаткування GSM виділені термінальні пристрої - рухомі станції (MS - Mobile Station), також відомі як мобільні (стільникові) телефони.


6.1. Підсистема базових станцій

Антени трьох базових станцій на щоглі

BSS складається з власне базових станцій (BTS - Base Transceiver Station) і контролерів базових станцій (BSC - Base Station Controller). Область, накрываемая сетью GSM, разбита на соты шестиугольной формы. Диаметр каждой шестиугольной ячейки может быть разным - от 400 м до 50 км. Максимальный теоретический радиус ячейки составляет 120 км [3], что обусловлено ограниченной возможностью системы синхронизации к компенсации времени задержки сигнала. Каждая ячейка покрывается одной BTS, при этом ячейки частично перекрывают друг друга, тем самым сохраняется возможность передачи обслуживания MS при перемещении её из одной соты в другую без разрыва соединения ( Операция передачи обслуживания мобильного телефона (MS) от одной базовой станции (BTS) к другой в момент перехода мобильного телефона границы досягаемости текущей базовой станции во время разговора, или GPRS-сессии называется техническим термином "Handover"). Естественно, что на самом деле сигнал от каждой станции распространяется, покрывая площадь в виде круга, но при пересечении получаются правильные шестиугольники. Каждая база имеет шесть соседних в связи с тем, что в задачи планирования размещения станций входила такая, как минимизация зон перекрывания сигнала от каждой станции. Большее число соседних станций, чем 6 - особых выгод не несёт. Рассматривая границы покрытия сигнала от каждой станции уже в зоне перекрытия, как раз получаем - шестиугольники.

Базовая станция (BTS) обеспечивает приём/передачу сигнала между MS и контроллером базовых станций. BTS является автономной и строится по модульному принципу. Направленные антенны базовых станций могут располагаться на вышках, крышах зданий и т. д.

Контроллер базовых станций (BSC) контролирует соединения между BTS и подсистемой коммутации. В его полномочия также входит управление очерёдностью соединений, скоростью передачи данных, распределение радиоканалов, сбор статистики, контроль различных радиоизмерений, назначение и управление процедурой Handover.


6.2. Подсистема коммутации

NSS состоит из нижеследующих компонентов.

6.2.1. Центр коммутации (MSC - Mobile Switching Centre)

MSC контролирует определённую географическую зону с расположенными на ней BTS и BSC. Осуществляет установку соединения к абоненту и от него внутри сети GSM, обеспечивает интерфейс между GSM и ТфОП, другими сетями радиосвязи, сетями передачи данных. Также выполняет функции маршрутизации вызовов, управление вызовами, эстафетной передачи обслуживания при перемещении MS из одной ячейки в другую. После завершения вызова MSC обрабатывает данные по нему и передаёт их в центр расчётов для формирования счета за предоставленные услуги, собирает статистические данные. MSC также постоянно следит за положением MS, используя данные из HLR и VLR, что необходимо для быстрого нахождения и установления соединения с MS в случае её вызова.


6.2.2. Домашний регистр местоположения (HLR - Home Location Registry)

Содержит базу данных абонентов, приписанных к нему. Здесь содержится информация о предоставляемых данному абоненту услугах, информация о состоянии каждого абонента, необходимая в случае его вызова, а также Международный Идентификатор Мобильного Абонента (IMSI - International Mobile Subscriber Identity), который используется для аутентификации абонента (при помощи AUC). Каждый абонент приписан к одному HLR. К данным HLR имеют доступ все MSC и VLR в данной GSM-сети, а в случае межсетевого роуминга - и MSC других сетей.


6.2.3. Гостевой регистр местоположения (VLR - Visitor Location Registry)

VLR обеспечивает мониторинг передвижения MS из одной зоны в другую и содержит базу данных о перемещающихся абонентах, находящихся в данный момент в этой зоне, в том числе абонентах других систем GSM - так называемых роумерах. Данные об абоненте удаляются из VLR в том случае, если абонент переместился в другую зону. Такая схема позволяет сократить количество запросов на HLR данного абонента и, следовательно, время обслуживания вызова.

6.2.4. Регистр идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Registry)

Містить базу даних, необхідну для встановлення автентичності MS по IMEI (International Mobile Equipment Identity). Формує три списки: білий (допущений до використання), сірий (деякі проблеми з ідентифікацією MS) і чорний (MS, заборонені до застосування). У російських операторів (і більшої частини операторів країн СНД) використовуються тільки білі списки, що не дозволяє раз і назавжди вирішити проблему крадіжки мобільних телефонів.

6.2.5. Центр аутентифікації (AUC - Authentification Centre)

Тут виробляється аутентифікація абонента, а точніше - SIM (Subscriber Identity Module). Доступ до мережі дозволяється тільки після проходження SIM процедури перевірки автентичності, в процесі якої з AUC на MS приходить випадкове число RAND, після чого на AUC і MS паралельно відбувається шифрування числа RAND ключем Ki для даної SIM за допомогою спеціального алгоритму. Потім з MS і AUC на MSC повертаються "підписані відгуки" - SRES (Signed Response), що є результатом даного шифрування. На MSC відгуки порівнюються, і в разі їх збігу аутентифікація вважається успішною.


6.3. Підсистема OMC (Operations and Maintenance Centre)

З'єднана з іншими компонентами мережі та забезпечує контроль якості роботи і управління всією мережею. Обробляє аварійні сигнали, при яких потрібне втручання персоналу. Забезпечує перевірку стану мережі, можливість проходження виклику. Виробляє оновлення програмного забезпечення на всіх елементах мережі і ряд інших функцій.

Примітки

  1. Андрій Анканов Як вибирати мобільник: стандарти, дизайн, діапазони - www.mobnews.ru/articles/choose_phone/. mobnews.ru. Читальний - www.webcitation.org/6CdFnSADR з першоджерела 3 грудня 2012.
  2. http://www.upspecial.ru/mirovoj-standart-tridcat-let-s-gsm.html - www.upspecial.ru / mirovoj-standart-tridcat-let-s-gsm.html Світовий стандарт. Тридцять років з GSM. Хронологія розвитку стандарту GSM
  3. 1 2 У стандартному режимі теоретичне обмеження дальності - 35 кілометрів, але в режимі Extended Cell (ECell) припустимі розмови на відстанях до 120 кілометрів [1] - amobile.ru / info / phone / sensitivity.htm.
  4. "Extended + Cell" + gsm +120 Wireless Network Evolution: 2G to 3G By Garg - books.google.com / books? id = C3bgCCxHqvIC & pg = PA38 & dq = "Extended cell operation with a range of up to 120 km can also be achieved. "