Технологія GSM
Глобальна система мобільного зв'язку (англ. Global System for Mobile Communications, GSM) — міжнародний стандарт для мобільного цифрового стільникового зв'язку з розділенням каналу за принципом TDMA та високим рівнем безпеки за рахунок шифрування з відкритим ключем. Стандарт був розроблений під патронатом Європейського інституту стандартизації електрозв'язку (ETSI) наприкінці 1980-х років.
Технічні відомості
Більшість мереж GSM працюють у діапазоні 900 МГц або 1800 МГц. Деякі країни Америки використовують діапазони 850 МГц та 1900 МГц, оскільки стандартні діапазони 900 та 1800 МГц зайняті іншими системами.
Діапазони 400 та 450 МГц використовуються у деяких країнах (включаючи країни Скандинавії та деякі острівні країни).
При роботі у стандартному діапазоні 900 МГц використовуються діапазон 890—915 МГц для зв'язку від терміналу до базової станції, та 935—960 МГц для зв'язку від базової станції до терміналу. 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).
Смуга у 25 МГц ділиться на 124 канали (несучі), кожен шириною у 200 кГц. Часове розділення каналів (TDMA) дозволяє у кожному каналі розміщувати вісім повношвидкісних (full-rate) чи шістнадцять напівшвидкісних (half-rate) голосових каналів.
Стандарт GSM використовує декілька голосових кодеків, що дозволяють передавати голосовий канал шириною 3.1 кГц на швидкостях від 5.6 до 13 кбіт/с.
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, поліпшення 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.
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'язки 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 цієї 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 цього пробілу. Основною відмінністю між американським стандартом GSM 1900 і GSM 900 є те, що GSM 1900 підтримує сигналізацію ANSI.
Послуги, що можуть надаватися мережами GSM:
- Передача голосової інформації.
- Послуга передачі даних (синхронний та ансинхронний обмін даними, в тому числі пакетна передача даних — GPRS).
- Передача коротних повідомлень (SMS).
- Передача факсів. GSM був прийнятий в 1987 році як Європейський стандарт цифрової мобільної технології і відноситься до мереж другого покоління. Запорукою його успіху стала висока якість передачі голосу, нескладна система міжнародного роумінгу та підтримка нових сервісів, таких як SMS і Інтернет. Перший дзвінок в стандарті мобільного стільникового зв'язку GSM був здійснений 1 липня 1991 прем'єр-міністром Фінляндії Гаррі Холкері до віце-мера міста Тампере Кааріне Суон, вони обговорили переваги нової технології GSM. Одним з головних тез тієї розмови стала чудова якість передачі голосу і безпека комунікації.
Першу мережу в цьому стандарті побудували компанії Telenokia і Siemens. Сьогодні це одна кампанія — Nokia Siemens Networks.
GSM є найпоширенішим стандартом у світі. За 10 років кількість користувачів мереж GSM досягло 500 мільйонів, а через двадцять років їх вже понад 4,4 мільярда. Причому їхній щоденний приріст складає 1 мільйон. Станом на 2011 у світі працює 838 GSM-мереж в 234 країнах.
Зараз з GSM активно конкурують інші мережі EDGE, 3G і LTE. Вони дозволяють передавати набагато більші обсяги інформації.
Основні елементи, що входять до складу системи GSM
Структура системи стільникового зв'язку стандарту 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:
- Система комутації - Network Switching System (NSS)
- Система базових станцій - Base Station System (BSS)
Система NSS виконує функції обслуговування викликів і встановлення з'єднань, а також відповідає за реалізацію усіх призначених абоненту послуг. NSS включає в себе наступні функціональні пристрої:
- Центр комутації мобільного зв'язку (MSC)
- Домашній регістр розташування (HLR)
- Візитний регістр розташування (VLR)
- Центр аутентифікації (AUC)
- Регістр ідентифікація абонентського устаткування (EIR).
Система ВSS відповідає за всі функції, пов'язані з радіопослугами. Ця система включає в себе наступні функціональні блоки:
- Контролер базових станцій (BSC)
- Базову станцію (BTS)
MS (тобто телефон абонента) не належить до жодної з цих систем, але розглядається як елемент мережі.
Тепер розглянемо перераховані елементи більш докладно:
Склад системи комутації NSS.
Центр комутації мобільного зв'язку (MSC).
MSC є головним елементом системи GSM, він здійснює контроль за BTS і BSC, розташовані в його зоні обслуговування. Основна функція MSC полягає у встановленні з'єднання між абонентами мережі. Через нього також здійснюється вихід на інші мережі зв'язку: стаціонарну телефонну мережу, мережі міжміського зв'язку, інші мобільні мережі.
Домашній регістр розташування (HLR).
HLR містить інформацію про абонентів, які приписані до даного MSC. У ньому зберігається інформація про підключених послуги, про його стан (включений, вимкнений, активне з'єднання), місцезнаходження абонента і деяка інша інформація. Інформація про кожного абонента зберігатися лише в одному HLR.
Візитний регістр розташування (VLR).
В VLR зберігається інформація про активні абонентів, які знаходяться в зоні обслуговування даного MSC. У нього занесені дані і про домашніх абонентів, приписаних до даного MSC і про так званих роумерів - абонентів, для яких даний MSC гостьової. Це можуть бути абоненти інших операторів зв'язку, або абоненти того ж оператора, але з інших регіонів. В VLR інформація надходить з HLR.
Центр аутентифікації (AUC).
AUC призначений для аутентифікації абонентів. Ця процедура призначена для запобігання несанкціонованого доступу в мережу. Кожен раз, коли абонент вмикає свій телефон, здійснює голосовий виклик, відправляє SMS і т.п. мережа пропонує пройти процедуру аутентифікації. Її здійснює MSC на підставі даних отриманих з AUC і від MS.
Регістр ідентифікації абонентського обладнання (EIR).
EIR - це база даних, що містить інформацію про ідентифікаційні номери мобільних телефонів GSM. Дана інформація необхідна для здійснення блокування крадених трубок. EIR не є обов'язковим елементом мережі. У світі існує лише кілька операторів, які запровадили його в своїй мережі. Склад системи базових станцій BSS
Контролер базових станцій (BSC).
BSC управляє всіма функціями, що відносяться до роботи радіоканалів в мережі GSМ. Це комутатор великої місткості, 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 трансівери (приймально-передавачі) та антени, які необхідні для обслуговування кожної стільники в мережі. Елементи мережі пов'язані з пакетної передачі даних
Вузол обслуговування абонентів GPRS (SGSN).
Пакетні дані на відміну від голосового трафіку передаються від підсистеми базових станцій не в бік MSC, а в бік SGSN. Цей елемент є маршрутизатор з розширенням функціями. На нього покладені функції встановлення сесії пакетної передачі даних, маршрутизації пакетів, нарахування плати за надані послуги.
Шлюзовий вузол GPRS (GGSN).
GGSN являє собою шлюз мережі. Якщо пакети маршрутизуються за межі мережі оператора, то вони потрапляють саме в GGSN. Цей елемент часто конструктивно об'єднується разом з SGSN в одному пристрої.
