Глава 1 - Введення в стандарт GSM

Мобільний зв'язок

Стільниковий телефон стрімко увірвався в наше життя, перетворившись з предмету розкоші в недавньому минулому в повсякденне засіб комунікації, без якого в багатьох випадках не можна обійтися. Стільниковий радіотелефонний зв'язок розвивається найбільш динамічно серед сучасних телекомунікаційних засобів. Цікаво, що кількість стільникових телефонів уже перевершила кількість персональних комп'ютерів. Поряд з поняттям стільниковий зв'язок часто використовується і інше поняття - мобільний зв'язок.

У свідомості неспеціаліста воно асоціюється тільки з послугами стільникового зв'язку. Насправді більш широким поняттям є мобільний зв'язок, яка включає в себе, крім стільникового зв'язку, ще зв'язок за допомогою бездротових телефонів, радіостанції цивільного діапазону (Сі-Бі-зв'язок), а також інші рухливі типи зв'язку.

3 квітня 1974р. Віце-президент невеликої компанії «Моторола» Мартін Купер перший раз в історії дзвонив по стільниковому телефону своєму заклятому другові з АТ & Т.

Як згадував винахідник, за габаритами (25х5х5 см) і вазі (приблизно 1.5 кг) перший телефон більше скидався на цеглу. Тільки через десять років, 6 березня 1983 года, «Моторола» представила перший комерційний телефон DynaTAC 8000Х. На його створене пішло п'ятнадцять років роботи і близько 10 мільйонів доларів, габарити його складали 33х4, 4х8, 9 см, вага 794 грами. Ємності акумулятора було достатньо для однієї години розмови або восьми годин очікування.

Коштував він божевільні гроші - майже чотири тисячі доларів (близько $ 10 000 в сучасних цінах). Але, незважаючи на всі ці страхітливі характеристики, американці вишикувалися в багатотисячну чергу за новим апаратом.

Вже в 1984 році кількість абонентів становила близько одного мільйона, в 1990 році це число збільшилося до 11 мільйонів. В результаті стільникові технології стали однією з найголовніших прикмет нашого часу.

Стандарти мобільного зв'язку

Стандарти відіграють важливу роль в телекомунікації, оскільки вони:

• дозволяють забезпечувати взаємозв'язок продукції різних виробників;
• полегшують впровадження нових технологій шляхом створення великих ринків для загальної продукції.

Процес розробки стандартів є процесом кооперації на багатьох рівнях, як на національному, так і на міжнародному і включає в себе взаємодію між:

• Виробничими організаціями всередині країни;
• Цими виробничими організаціями та їх урядами;
• Національними урядами на міжнародному рівні.

Першочерговим метою розробки стандартів для мобільного зв'язку є специфікування того, як мережа мобільного зв'язку повинна обробляти виклики з телефонних апаратів мобільного зв'язку. Наприклад, вони включають в себе специфікацію наступних елементів:

• Процедури прийому і передачі сигналів телефонними апаратами мобільного зв'язку;
• Формат цих сигналів;
• Взаємодія мережевих вузлів;
• Основні мережеві послуги, які повинні бути доступні абонентам мобільного зв'язку;
• Базова структура мережі (наприклад, стільники і т.д.).

На початок 2002 року мережі мобільного зв'язку стандарту GSM займали 71% світового ринку послуг цифрового зв'язку і 68% світового ринку послуг бездротового зв'язку.

З тих пір, як в 1981 році був розроблений перший стандарт мобільного зв'язку NMT 450, в світі було розроблено багато стандартів мобільного зв'язку. Кожен стандарт мобільного зв'язку був розроблений з метою задовольнити конкретні вимоги тих країн, з яких були зібрані дослідницькі групи, залучені в специфікацію стандартів. З цієї причини незважаючи на те, що стандарт міг устоювати одну країну, він міг не підходити для іншої країни. Основні стандарти та основні ринки, в яких використовуються ці стандарти, наведені в наступній таблиці:

Глобальна система для мобільного зв'язку (GSM)

Історія GSM. Основні етапи розвитку стандарту GSM.

Дата	Подія
1982-1985	Європейська конференція поштового зв'язку (CEРT) почала специфікувати європейський цифровий телекомунікаційний стандарт в смузі частот 900 Мгц. Пізніше цей стандарт став відомий як Глобальна система для мобільного зв'язку (GSM).
1986	У Парижі проведені тести для визначення того, яку технологію передачі інформації слід використовувати: з поділом частот (FDMA) або з поділом часу (TDMA).
1987	В якості технології передачі для GSM вибрана комбінація TDMA і FDMA. Оператори з 12 країн підписали Меморандум про розуміння (MoU), в якому вони брали на себе зобов'язання ввести GSM до 1991 року.
1988	CEPT починає створення специфікацій GSM для поетапного впровадження. Ще 5 країн підключилися до MoU. Штаб-квартира MoU знаходиться в Дубліні, Ірландія.
1989	Європейський інститут стандартів в електрозв'язку (ETSI) приймає на себе зобов'язання по розробці специфікації для GSM.
1990	Заморожена розробка специфікацій для фази 1 GSM для того, щоб дати можливість виробникам розробити мережеве обладнання.
1991	Запроваджено стандарт GSM 1800. У MoU з'явилося доповнення, що дозволяє підписувати меморандум країнам, що не входять в CEPT.
1992	Завершено розробку специфікації фази 1. Введено в експлуатацію перші комерційні мережі GSM фази 1. Підписано перша міжнародна угода про роумінг між компаніями Телеком (Фінляндія) і Водафон (Великобританія).
1993	Австралія стає першою не-Європейської країною, що підписала MoU. На даний момент MoU підписали 70 членів. Введено в експлуатацію мережі GSM в Норвегії, Австрії, Ірландії, Гонконгу та Австралії. Число абонентів мереж GSM досягло одного мільйона. У Великобританії введена в експлуатацію перша комерційна система DCS 1800.
1994	MoU налічує вже 100 членів з 60 країн. Виводяться всі нові мережі GSM. Загальне число абонентів мереж GSM перевищила 3 ​​мільйони.
1995	У США розроблена специфікація для стандарту «Персональні послуги зв'язку» (PCS). Ця версія GSM, що працює в діапазоні 1900 МГц.
1996	Стають доступними перші системи GSM 1900. Вони відповідають стандарту PCS 1900.

Дата	Подія
1998	MoU налічує 253 члена в більш ніж 100 країнах і мережі стандарту GSM по всьому світу налічують вже понад 70 мільйонів абонентів. Абоненти мереж GSM складають 31% світового ринку телекомунікаційних послуг.
1999	Мережі GSM існують вже в 179 країнах.
2002	Функціональні можливості GSM розширені до рівня, що дозволяє впроваджувати технології EDGE, AMR, а також підтримувати гнучкі послуги визначення місця розташування абонента.
2003	Очікується зліт числа абонентів понад одного мільйона!

Унаслідок того, що GSM - це загальний стандарт, абоненти стільникового зв'язку можуть використовувати свої телефонні апарати в межах всієї зони обслуговування GSM, яка включає в себе всі країни світу, в який діють мережі стандарту GSM.

Крім того мережі, побудовані на основі стандарту GSM, забезпечують користувачів такими послугами, як високошвидкісна передача даних, передача коротких повідомлень (SMS), послугами Інтелектуальної мережі (IN), наприклад, послугою мобільного віртуальної корпоративної мережі (MVPN). Технічні специфікації GSM розроблені також з урахуванням можливості взаємодії з іншими стандартами, тобто вони гарантують наявність інтерфейсів з мережами мобільного зв'язку інших стандартів.

Ключовим аспектом GSM є те, що специфікації можуть бути модифіковані, вони є «відкритими», тобто не є закінченими в сенсі розвитку і можуть доопрацьовуватись з метою задоволення майбутніх потреб.

Фази розвитку стандарту GSM

Наприкінці 1980 року група творців-розробників рекомендацій стандарту GSM вирішили, що кількість специфікацій на цей стандарт не достатньо для найбільш повного свого втілення. Тому перше втілення стандарту GSM було позначено як Фаза 1. Усі наступні фази GSM (фаза 2, фаза 2+) були розроблені на основі попередніх фаз.

Фаза 1

Фаза 1 включає в себе найбільш загальні послуги:

• Звукову телефонію;
• Інтернаціональний роумінг;
• Передача факсимільних повідомлень і даних (швидкості до 9.6 Кбіт/сек);
• Переадресація викликів;
• Заборони викликів;
• Передача коротких повідомлень.

Крім перерахованого вище, Фаза 1 включає в себе опції шифрування і Модуль ідентифікації абонента (Subscriber Identity Module - SIM).

Фаза 2

Стандарт для фази 2 був випущений ETSI в листопаді 1996 року і позначався як ETS 300522. Стандарт цієї версії часто позначається як GSM 03.02. Ця фаза щодо фази 1 включає в себе такі додаткові властивості та можливості, як:

• повідомлення про оплату;
• ідентифікація лінії абонента;
• повідомлення про виклик;
• утримання виклику;
• конференц-зв'язок;
• замкнута група користувачів;
• додаткові можливості передачі даних.

Фаза 2+

Групи по стандартизації визначили наступну фазу як 2+. Стандарт для фази 2+ був випущений ETSI в травні 2000 року і часто позначається як GSM 01.04, версія V 8.0.0. Ця програма охоплює можливості надання абонентам множинного номери і різні властивості корпоративних мереж зв'язку. Деякими удосконаленнями, запропонованими у фазі 2+, є:

• множинний профіль абонента;
• приватний план нумерації;
• доступ до послуг Центрекс;
• взаємодія з GSM 1800, GSM 1900 і стандартом DECT - стандартом бездротового абонентського доступу.

Пріоритети і графік появи нових властивостей і функцій залежать в першу чергу від того інтересу, який демонструють компанії-оператори, розробники і виробники обладнання.

Ця фаза включає в себе суттєві удосконалення радіоінтерфейсу, в тому числі:

• EDGE - удосконалений високошвидкісний протокол передачі даних для глобальної еволюції (Enhanced Datarates for Global Evolition);
• CAMEL - удосконалена логіка мобільного зв'язку для користувацьких додатків (Customized Application for Mobile Enhanced Logic), стандарт, який забезпечує абонентам доступ до послуг IN при міжнародному роумінгу;
• HSCSD - високошвидкісна передача даних з комутацією каналів (High Speed ​​Circuit Switched Data, метод забезпечення абоненту більш високої швидкості передачі даних за допомогою призначення збільшеного числа тимчасових інтервалів (каналів) для одного з'єднання.

Опис компонентів мережі GSM

Мережа GSM ділиться на 2 системи. Кожна з цих систем включає в себе ряд функціональних пристроїв, які, в свою чергу є компонентами мережі мобільного радіозв'язку.

Даними системами є:

• Комутаційна система - Switching System (SS)
• Система базових станцій - Base Station System (BSS)

Кожна з цих систем контролюється комп'ютерним центром управління. На рис. 1.2 представлена ​​функціональна схема даних систем.

Нижче наведені розшифровки скорочень, наведених на рис. 1.2.

Система SS виконує функції обслуговування викликів і встановлення з'єднань, а також відповідає за реалізацію усіх призначених абоненту послуг. SS включає в себе наступні функціональні пристрої:

• Центр комутації мобільного зв'язку (MSC)
• Опорний регістр місця розташування (HLR)
• Візитний регістр (VLR)
• Центр аутентифікації (AUC)
• Регістр ідентифікація обладнання (EIR).

Система ВSS відповідає за всі функції, які стосуються радіопослуга. Ця система включає в себе наступні функціональні блоки:

• Контролер базових станцій (BSC)
• Базову станцію (BTS)

Центр технічного обслуговування (OMC) виконує всі завдання з експлуатаційно-технічного обслуговування для мережі, наприклад, з нього проводиться спостереження за мережевим трафіком, за аварійними сигналами від всіх мережевих елементів. З OMC доступ здійснюється як до системи SS, так і до системи BSS.

MS не належить ні до однієї з цих систем, але розглядається як елемент мережі.

Склад системи комутації SS

Центр комутації мобільного зв'язку (MSC)

MSC виконує функції комутації для мобільного зв'язку. Даний центр контролює всі вхідні і вихідні виклики, що надходять з інших телефонних мереж і мереж передачі даних. До даних мереж можна віднести PSTN, ISDN, мережі даних загального користування, корпоративні мережі, а також мережі мобільного зв'язку інших операторів. Функції перевірки автентичності абонентів також виконуються в MSC. MSC забезпечує маршрутизацію викликів і функції управління викликами. На MSC покладаються функції комутації радіоканалів. До них відносяться « естафетна передача», в процесі якої досягається безперервність зв'язку при переміщенні мобільної станції зі стільника в стільник, і переключення робочих каналів в соте при появі перешкод або несправності.

MSC формує дані, необхідні для виписки рахунків за надані мережею послуги зв'язку, накопичує дані по таким, що відбувся розмовам і передає їх в центр розрахунків (білінг-центр). MSC становить також статистичні дані, необхідні для контролю роботи і оптимізації мережі.

MSC не тільки бере участь в управлінні викликами, але також управляє процедурами реєстрації місцерозташування і передачі управління.

Центр комутації постійно здійснює постійне стеження за мобільними станціями, використовуючи регістри положення (HLR) і переміщення (VLR).

Опорний регістр місця розташування (HLR)

В системі GSM кожен оператор має базою даних, що містить інформацію про всі абонентах належать своїй PLMN. Ця база даних може бути організована в одному або більше HLR. Інформація про абонента заноситься в HLR в момент реєстрації абонента (висновку абонентом контракту на обслуговування) і зберігається до тих пір, доки абонент розірве контракт і не буде видалений з регістра HLR.

Що зберігається інформація в HLR містить у собі:

• Ідентифікатор абонента.
• Додаткові послуги, закріплені за абонентом.
• Інформацію про місцезнаходження абонента.
• аутентифікаційних інформацію абонента.

HLR може бути виконаний як у власному вузлі мережі , так і окремо. Якщо ємність HLR вичерпана, то може бути доданий додатковий HLR. І у випадку організації кількох HLR база даних залишається єдиною - розподіленою. Запис даних про абонента завжди залишається єдиною. До даних , що зберігаються в HLR, можуть отримати доступ MSC і VLR, що відносяться до інших мереж, в рамках забезпечення міжмережевого роумінгу абонентів.

Візитний регістр (VLR)

База даних VLR містить інформацію про всіх абонентів мобільного зв'язку, розташованих в даний момент в зоні обслуговування MSC. Таким чином, для кожного MSC на мережі існує свій VLR. У VLR тимчасово зберігається інформація про абонування, і завдяки цьому пов'язаний з ним MSC може обслуговувати всіх абонентів, що знаходяться в зоні обслуговування даного MSC. VLR може розглядатися як розподілений HLR, оскільки в VLR зберігається копія інформації про абонента, що зберігається в HLR.

Коли абонент переміщається в зону обслуговування нового MSC, VLR, підключений до даного MSC, запитує інформацію про абонента з того HLR, в якому зберігаються дані цього абонента. HLR надсилає копію інформації в VLR і оновлює у себе інформацію про місцезнаходження абонента. Коли абонент дзвонить з нової зони обслуговування, VLR вже має в своєму розпорядженні всією інформацією, необхідної для обслуговування виклику. У разі роумінгу абонента в зону дії іншого MSC, VLR запитує дані про абонента з HLR, до якого належить даний абонент. HLR в свою чергу передає копію даних про абонента в запитувач VLR і в свою чергу оновлює інформацію про новий місцезнаходження абонента. Після того як інформація оновиться, MS може здійснювати вихідні/вхідні з'єднання.

Центр аутентифікації (AUC)

Для виключення несанкціонованого використання ресурсів системи зв'язку вводяться механізми аутентифікації - посвідчення дійсності абонента. AUC - центр перевірки дійсності абонента складається з декількох блоків і формує ключі й алгоритми аутентифікації (здійснюється генерація паролів). З його допомогою перевіряються повноваження абонента, і здійснюється його доступ до мережі зв'язку. AUC приймає рішення про параметрах процесу аутентифікації і визначає ключі шифрування абонентських станцій на основі бази даних, зосередженої в регістрі ідентифікації устаткування EIR.

Регістр ідентифікації обладнання абонента (EIR)

EIR - це база даних, що містить інформацію про ідентифікаційні номери мобільних трубок. Дана інформація необхідна для здійснення блокування крадених трубок. Даний регістр (EIR) пропонується операторам як опція, тому, багато операторів не використовують даний регістр.

Склад системи базових станцій BSS

Контролер базових станцій (BSC)

BSC управляє всіма функціями, що відносяться до роботи радіоканалів в мережі GSM. Це комутатор великої ємності, який забезпечує такі функції, як хендовер MS, призначення радіоканалів і збір даних про конфігурацію сот. Кожен MSC може керувати кількома BSC.

Базова станція (BTS)

BTS управляє радіоінтерфейсом з MS. BTS включає в себе таке радіоустаткування, як трансивери (приймально-передавачі) і антени, які необхідні для обслуговування кожної соти в мережі. Контролер BSC управляє декількома BTS.

Географічна структура мережі GSM

Кожна телефонна мережа потребує певної структурі для маршрутизації викликів до необхідної станції і далі до абонента. У мережі мобільного зв'язку ця структура особливо важлива, так як абоненти переміщаються по мережі, тобто міняють своє місце розташування і це місце розташування має постійно відслідковуватися.

Сота

Сота є базовим елементом стільникової системи і визначається як область радіопокриття, забезпечуваного однією антеною однієї базової станції. Кожній соте призначається свій унікальною номер, званий Глобальним ідентифікатором стільники (CGI). У мережі, що охоплює, наприклад, цілу країну, число сот може бути дуже великим.

Зона місця розташування (LA)

Зона місця розташування (LA) визначається як група сот. Місце розташування абонента в межах мережі пов'язано з тією LA, в якій в даний момент знаходиться абонент. Ідентифікатор даної LA зберігається в VLR.

Коли MS перетинає кордон між двома сотами , що належать різним LA, вона передає в мережу інформацію про нову LA. Це відбувається тільки в тому випадку, якщо MS знаходиться в режимі «Вільно» (Idle). Інформація про новий місцезнаходження не передається протягом встановленого з'єднання, цей процес відбуватиметься після звільнення з'єднання. Якщо MS перетинає кордон між сотами в межах однієї LA, вона не повідомляє мережі про свій новий розташування. При надходженні дзвінка до MS пейджингового повідомлення поширюється в межах всіх сот, що належать одній LA.

Зона обслуговування MSC (SA)

Зона обслуговування MSC складається з деякого числа LA і відображає географічну частину мережі, що знаходиться під управлінням одного MSC. Для того, щоб направити виклик до MS інформація про зону обслуговування MSC також необхідна, тому зона обслуговування також відстежується і інформація про неї записується в базі даних (HLR).

Зона обслуговування PLMN

Зона обслуговування PLMN являє собою сукупність сот, що обслуговуються одним оператором і визначається як зона, в якій оператор забезпечує абоненту радіопокриття і доступ до своєї мережі. У будь-якій країні може бути декілька зон обслуговування PLMN, по одній на кожного оператора. Визначення роумінг вживається у разі переміщення MS з однієї області обслуговування PLMN в іншу. На рис. 1.6 представлені співвідношення між різними областями обслуговування.

Зона обслуговування GSM

Зона обслуговування GSM являє собою всю географічну область , в якій абонент може отримати доступ до мережі GSM. Зона обслуговування GSM збільшується в міру того , як нові оператори підписують контракти, що передбачають спільну роботу з обслуговування абонентів. В даний час зона обслуговування GSM охоплює з деякими проміжками багато країн від Ірландії до Австралії і від Південної Африки до Америки. Міжнародний роумінг - це термін , який застосовується в тому випадку , коли MS переміщається від однієї національної PLMN в іншу національну PLMN .

На рис. 1.7, 1.8 представлені різні точки зору на одну й ту ж саму мережу.

Рис. 1.7 відображає розташування вузлів мережі та їх взаємодія на рівні апаратного забезпечення.

Рис. 1.8 відображає географічну структуру мережі на рівні програмного забезпечення.

Частотний діапазон GSM

GSM включає в себе три діапазони частот: 900, 1800, 1900 МГц.

Діапазон 900 МГц

Спочатку під стандарт GSM був виділений діапазон 900 МГц. В даний час даний діапазон залишається всесвітнім. У деяких країнах використовуються розширені діапазони частот, що забезпечують велику ємність мережі. Розширені діапазони частот називаються E-GSM і R-GSM, в той час як звичайний діапазон носить назву P-GSM (primary).

• P-GSM900 890-915/915-960 MHz
• E-GSM900 880-915/925-960 MHz
• R-GSM900 890-920/915-970 MHz

Діапазон 1800 МГц

У 1990 р. для збільшення конкуренції між операторами, United Kingdom почали розвивати нову версію GSM, яка адаптована до діапазону частот 1800. Відразу після затвердження даного діапазону кілька країн зробили заявку на використання даного діапазону частот. Введення даного діапазону збільшило зростання кількості операторів , приводячи до збільшення конкуренції і, відповідно, покращення якості обслуговування. Застосування даного діапазону дозволяє збільшувати ємність мережі за рахунок збільшення смуги пропускання і, відповідно, збільшення несучих. Діапазон частот 1800 використовує наступні пари дуплексних частот: GSM 1710-1805/1785-1880 MHz

До 1997 року стандарт 1800 носив назву Digital Cellular System (DCS) 1800 MHz, в даний час носить назву GSM 1800.

Діапазон 1900 МГц

У 1995 році в США була специфікована концепція PCS (Персональні послуги зв'язку). Основною ідеєю цієї концепції є можливість надання персонального зв'язку, тобто зв'язку між двома абонентами, а не між двома мобільними станціями. PCS не вимагає, щоб ці послуги були реалізовані на основі стільникового технології, але в даний час ця технологія визнана найбільш ефективною для даної концепції. Частоти, доступні для реалізації PCS, знаходяться в області 1900 МГц. Оскільки в Північній Америці стандарт GSM 900 не може бути використаний через те, що ця смуга частот зайнята іншим стандартом, стандарт GSM 1900 є можливістю заповнення цієї прогалини. Основною відмінністю між американським стандартом GSM 1900 і GSM 900 є те, що GSM 1900 підтримує сигналізацію ANSI.

Діапазон GSM 800

Традиційно смуга 800 МГц була зайнята поширеним в США стандартом TDMA (AMPS і D-AMPS). Як і у випадку зі стандартом GSM 1800 цей стандарт дає можливість отримання додаткових ліцензій, тобто розширює область роботи стандарту на національних мережах надаючи операторам додаткову ємність. У таблицю 2 знесені порівняльні дані різних частотних діапазонів.