In perioada anilor '80, sistemele de telefonie celulara analogica au inregistrat o dezvoltare rapida in Europa, in special in tarile scandinave si Marea Britanie, dar si in Franta si Germania. Fiecare tara si-a dezvoltat propriul sistem care era incompatibil cu oricare altul in materie de echipament si operare. S-a generat astfel o situatie indezirabila, deoarece echipamentul mobil era limitat la granitele fiecarei tari si oferta de echipamente specifice era limitata. Tarile europene au realizat acest lucru si in 1982, Comitetul European de Posta si Telegraf (CEPT) a format un grup numit Grup Special Mobil (GSM) pentru a studia si dezvolta un sistem public pan-european de telefonie mobila. Sistemul propus trebuia sa indeplineasca urmatoarele cerinte: calitate buna a transmisiei, costuri mici pentru servicii si terminal, suport pentru deplasari internationale, capacitate de a suporta terminale portabile, suport pentru servicii si facilitati noi, eficienta spectrala precum si compatibilitate cu sistemul ISDN.
In 1989, responsabilitatea GSM a fost transferata Institutului European de Standarde in Telecomunicatii (ETSI), iar faza I a specificatiilor GSM au fost publicate in 1990. Serviciile comerciale au inceput pe la mijlocul anului 1991, pana in 1993 s-au creat 36 de retele in 22 de tari, iar pana in 1997 inca 25 de tari au aderat la acest sistem. Desi a fost standardizat in Europa, GSM nu este doar un standard european. Retelele GSM (inclusiv DCS1800 si PCS1900) sunt operationale sau planificate in peste 80 de tari din toata lumea. La inceputul anului 1994 s-au inregistrat 1,3 milioane de utilizatori in toata lumea, la inceputul anului 1995, peste 5 milioane iar pana in decembrie 1995, 10 milioane de utilizatori numai in Europa. Cu Statele Unite, avand un sistem derivat din GSM numit PCS1900, sistemele GSM exista pe fiecare continent, si acronimul GSM se aplica acum pentru Sistemul Global pentru comunicatii Mobile.
Initiatorii GSM au ales un sistem digital, opus sistemelor celulare analogice standardizate, cum ar fi AMPS in Statele Unite si TACS in Marea Britanie, avand credinta ca dezvoltarea algoritmilor de compresie si a procesoarelor de semnal digitale vor permite indeplinirea cerintelor mentionate si vor imbunatati sistemul in ceea ce priveste costul si calitatea. Cele aproape 6000 de pagini ale recomandarilor GSM incearca sa permita flexibilitate si suficienta standardizare pentru a garanta interconectarea componentelor sistemului. Acest lucru este realizat prin oferirea unei descrieri functionale pentru fiecare entitate functionala definita in sistem.
Conceptul de telefonie celulara a fost inventat in Statele Unite la Bell Laboratories in 1947. Au fost necesari peste 35 de ani pentru a-l pune in practica si a realiza prima retea analogica si terminalele necesare.
O retea celulara este compusa dintr-o serie de statii de baza de joasa putere, fiecare oferind o arie de acoperire relativ mica, care, combinate, asigura o acoperire continua a unei regiuni date. Prin utilizarea acestor statii de putere mica, a devenit posibila reutilizarea frecventelor, ce a condus la o crestere a capacitatii retelei.
Acoperirea oferita de o statie de baza corespunde unui numar de utilizatori care se presupune ca exista in respectiva arie, numita celula. Astfel, arii dens populate necesita celule mai mici ai un aspect inteligent al retelei da posibilitatea unei conversatii sa continue fara intrerupere pe masura ce utilizatorii se deplaseaza intre aceste celule. Procesul prin care o conversatie este pasata dintr-o celula in alta este cunoscuta sub numele de 'hand-off'.
In lume exista peste 50 milioane de utilizatori de telefoane celulare. Atrase de costul relativ scazut si capacitatea ridicata a sistemului GSM, peste 70 de tari au ales aceasta noua tehnologie.
1. Eficienta marita a spectrului radio permite o capacitate crescuta a retelei. (Poate suporta un numar mult mai mare de utilizatori).
2. Permite o sofisticata autentificare a utilizatorului, reducand posibilitatea fraudelor.
3. Previne interceptarea conversatiilor prin tehnici sofisticate de incriptare care sunt aproape in totalitate sigure.
4. Permite o mai buna claritate si consistenta a conversatiei prin eliminarea interferentei in timpul transmisiei digitale.
5. Simplifica transmisia de date, permitand conectarea calculatoarelor portabile la telefoanele celulare GSM.
6. Un singur standard ce permite deplasari internationale intre retelele GSM din lume.
Multe din sistemele analogice pot oferi performante bune, dar GSM-ul a fost proiectat sa fie mai bun decat orice sistem analogic. Calitatea convorbirii GSM este comparabila cu sistemele analogice in conditii medii si bune, dar in conditii de semnal slab sau interferente, sistemul GSM se comporta mult mai bine.
Calitatea radio, marimea si timpul de viata al bateriei sunt de asemenea parametri importanti de performanta. Deoarece se utilizeaza un standard digital, se inregistreaza un nivel ridicat de implementare a noilor tehnologii, ducand la micsorarea marimii si greutatii telefoanelor mobile. Utilizarea puternicului mod 'sleep' automat duce la o semnificativa crestere a timpului de viata al bateriei.
GSM ofera trei niveluri de securitate:
Nivelul de securitate I
· Datele utilizatorului GSM sunt inregistrate in cartela SIM .
· Cartela SIM poate fi inserata in orice terminal GSM.
· Tariful este inregistrat pentru proprietarul cartelei SIM.
· Sistemul GSM verifica validitatea utilizatorului.
Nivelul de securitate II
· Sistemul GSM identifica localizarea utilizatorului.
· Terminalele furate pot fi depistate sau folosirea lor invalidata.
· Utilizatorul poate fi identificat inainte de acceptarea convorbirii.
Nivelul de securitate III
· Sunt utilizate tehnici avansate de incriptare pentru a face aproape imposibila interceptarea convorbirii.
De la inceput, proiectantii sistemului GSM au dorit o compatibilitate ISDN in termenii serviciilor oferite si controlului semnalizarii utilizate. Totusi, limitarile transmisiei radio, privind largimea de banda si costul, nu permite ratei de transfer standard ISDN de 64 kbps sa fie practic atinsa.
Utilizand definitiile ITU-T, serviciile de telecomunicatii pot fi impartite in servicii de transfer, teleservicii, si servicii suplimentare. Teleserviciul de baza suportat de GSM este telefonia. Semnalul vocal este codat digital si transmis prin reteaua GSM ca un flux de semnal digital. De asemenea, utilizatorii GSM pot trimite si receptiona date, la o rata de pana la 9600 bps, utilizand o varietate de metode de acces si protocoale cum ar fi X.25 sau X.3 Deoarece GSM este o retea digitala, nu este necesara folosirea unui modem intre utilizator si reteaua GSM, dar in interiorul sistemului GSM este necesar un modem pentru conectarea cu sistemul de telefonie obisnuit.
Asa cum este descris in recomandarea ITU-T, T.30, este posibila transmisia si receptionarea fax-urilor, prin folosirea unui adaptor special. Un serviciu unic oferit de GSM, inexistent in sistemele analogice, este Serviciul de Mesaje Scurte (SMS). SMS este un serviciu bidirectional pentru mesaje alfanumerice scurte (pana la 160 caractere). Pentru SMS punct la punct, un mesaj poate fi trimis unui utilizator, cu posibilitate de confirmare a primirii. SMS poate fi utilizat intr-un mod diseminat, pentru a trimite mesaje cum ar fi informari generale asupra traficului, etc. Mesajele pot fi stocate in cartela SIM si citite ulterior.
Servicii suplimentare sunt oferite in specificatiile curente (Faza I), ce includ mai multe forme de transfer al apelului. In specificatiile din Faza 2, sunt oferite alte servicii suplimentare, cum ar fi identificarea apelantului, apel in asteptare, conversatii multiple (conferinte).
Retelele GSM opereaza in benzile de frecventa 890-915/935-960 MHz prin intermediul a 124 canale radio duplex, fiecare cu o largime de banda de 200 KHz. Intervalul de frecventa dintre aceste doua benzi este de 45 MHz, care este si largimea de banda dintre frecventa de transmisie si cea de receptie a unui terminal GSM.
Se foloseste o tehnica numita Time Division Multiple Access (TDMA) pentru a imparti un canal radio de 200 KHz in 8 sloturi de timp, fiecare dintre acestea constituind un canal de semnal vocal separat. Spre deosebire de semnalele analogice obisnuite, transmisia unui canal de semnal vocal nu este continua. Prin utilizarea celor 8 sloturi de timp, fiecare canal transmite semnalul vocal digitizat intr-o serie de impulsuri scurte, totalizand o durata de 1/8 dintr-o secunda. Astfel un terminal GSM transmite o optime din timp. Avantajul tehnicii TDMA rezida in reutilizarea frecventelor intr-o vecinatate apropiata cu o probabilitate mai mica de interferenta. Aceasta asigura o eficienta mult mai mare si permite deservirea mai multor utilizatori.
O retea GSM este compusa din mai multe entitatti functionale, ilustrate in Figura 1. Reteaua GSM poate fi impartita in trei parti. Statia mobila (Mobile Station) este folosita de utilizator, subsistemul statiei de baza (Base Station Subsystem) controleaza legaturile radio cu statia mobila (Mobile Station) si subsistemul retelei (Network Subsystem), partea principala unde se gaseste centrul de comutare al serviciilor mobile (Mobile services Switching Center), asigura comutarea apelurilor intre terminalele mobile sau intre terminale mobile si cele fixe, ca si controlul mobilitatii.
Figura 1. Arhitectura generala a retelei GSM.
Statia mobila si subsistemul statiei de baza comunica prin interfata Um, cunoscuta ca legatura radio. Subsistemul statiei de baza comunica cu centrul de comutare al serviciilor mobile prin interfata A.
Statia mobila (MS) consta in echipamentul mobil (terminalul) si o cartela inteligenta numita 'Subscriber Identity Module' (SIM). Cartela SIM ofera mobilitate personala, astfel incat utilizatorul poate avea acces la serviciile la care a subscris prin inserarea acesteia in orice terminal.
Echipamentul mobil este unic identificat de 'International Mobile Equipment Identity' (IMEI). Cartela SIM contine 'International Mobile Subscriber Identity' (IMSI) utilizat la identificarea de catre sistem a utilizatorului, o cheie secreta pentru autentificare, si alte informatii. IMEI si IMSI sunt independente, permitand mobilitate personala. Cartela SIM poate fi protejata impotriva utilizarii neautorizate printr-o parola sau un numar personal de identitate.
Subsistemul statiei de baza este compus din doua parti, 'Base Transceiver Station' (BTS) si 'Base Station Controller' (BSC). Acestea comunica prin interfata standardizata 'Abis', permitand (ca si in restul sistemului) operarea intre componente fabricate de diferiti producatori.
BTS contine unitatile de emisie-receptie radio ce definesc o celula si controleaza protocoalele de legatura radio cu MS. Intr-o arie urbana intinsa pot exista un numar mare de BTS-uri dispuse, astfel incat cerintele pentru un BTS sunt performanta, portabilitate si cost minim.
BSC controleaza resursele radio pentru unul sau mai multe BTS-uri, organizarea canalelor radio si alocarea frecventelor. BSC este conexiunea dintre MS si 'Mobile service Switching Center' (MSC).
Componenta centrala a subsistemului retelei este centrul de comutare a serviciilor mobile, MSC. Se comporta ca un nod normal de comutare PSTN sau ISDN, si in plus ofera functionalitatea necesara controlului unui utilizator mobil, cum ar fi inregistrarea, autentificarea, actualizarea localizarii si transferarea apelului unui utilizator mobil. De asemenea, MSC ofera conexiunea catre retelele fixe (cum ar fi PSTN sau ISDN). Comunicarea intre entitatile functionale in subsistemul retelei foloseste 'Signalling System Number 7' (SS7), utilizat pentru semnalare in ISDN.
Registrul 'Home Location Register' (HLR) si 'Visitor Location Register' (VLR), impreuna cu MSC, ofera transferul apelurilor si capabilitatile de mobilitate ale GSM. HLR contine toate informatiile administrative pentru fiecare utilizator inregistrat in reteaua GSM corespunzatoare, impreuna cu localizarea curenta a terminalului. Intr-o retea GSM exista un singur HLR logic, chiar daca poate fi implementat ca o baza de date distribuita.
Registrul 'Visitor Location Register' (VLR) contine informatii administrative selectate din HLR, necesare pentru controlul apelurilor si resurse pentru serviciile subscrise, pentru fiecare terminal localizat curent in aria geografica controlata de VLR. Chiar daca fiecare entitate functionala poate fi implementata ca o unitate independenta, toti producatorii de echipament pana acum au implementat VLR impreuna cu MSC, astfel incat aria geografica controlata de MSC corespunde cu cea controlata de VLR, in acest fel simplificand modul de realizare al subsistemului. MSC nu contine informatii despre terminale; aceste informatii sunt stocate in registrele de locatie.
Celelalte doua registre sunt utilizate pentru autentificare si securitate. Registrul 'Equipment Identity Register' (EIR) este o baza de date ce contine o lista a tuturor echipamente mobile valide din retea, unde fiecare statie este identificata prin IMEI. Un IMEI este marcat ca invalid daca a fost raportat ca furat sau nu este de tipul aprobat. Centrul de autentificare 'Authentication Center' (AuC) este o baza de date protejata care contine o copie a cheii secrete stocate in fiecare cartela SIM a utilizatorilor, care este utilizata pentru autentificare si incriptare pe un canal radio.
Uniunea Internationala de Telecomunicatii (ITU), care controleaza alocarea internationala a spectrului radio, a alocat benzile 890-915 MHz pentru transmisie (mobil -> baza) si 935-960 MHz pentru receptie (baza®mobil), pentru retelele mobile din Europa. Deoarece acest interval a fost utilizat in anii 1980 de catre sistemele analogice, CEPT a prevazut sa rezerve subbanda inalta de 10 MHz a fiecarei benzi pentru reteaua GSM ce era inca in studiu. Eventual, se va aloca intreaga largime de banda 2x25 MHz pentru GSM.
Deoarece spectrul radio este o resursa limitata folosita de toti utilizatorii, a fost necesara elaborarea unei metode de a diviza banda de frecventa pentru a deservi cat mai multi utilizatori posibili. Metoda aleasa de GSM este o combinatie de acces multiplu cu divizare in timp si frecventa 'Time-Division Multiple Access' si 'Frequency-Division Multiple Access' (TDMA/FDMA). Metoda FDMA implica divizarea in frecventa a unei benzi de maxim 25 MHz in 124 frecvente purtatoare, decalate cu 200 kHz. Una sau mai multe frecvente purtatoare sunt atribuite fiecarei statii de baza. Fiecare din aceste frecvente purtatoare este apoi divizata in timp, utilizand metoda TDMA. Unitatea fundamentala de timp in metoda TDMA este perioada impulsului si dureaza 15/26 ms (aprox. 0,577 ms). Opt perioade de impuls sunt grupate intr-un cadru TDMA (120/26 ms, sau aprox. 4,615 ms), care formeaza unitatea de baza pentru definirea canalului logic. O perioada de impuls pe cadru TDMA reprezinta un canal fizic.
Canalele sunt definite prin numarul si pozitia perioadei de impuls corespunzatoare. Toate aceste definitii sunt ciclice si intregul model se repeta aproximativ la fiecare 3 ore. Canalele pot fi impartite in canale dedicate, care sunt alocate unei statii mobile dedicate si canale comune, care sunt utilizate de statiile mobile nededicate. O statie mobila este numita dedicata daca in momentul respectiv este in uz, si nededicata daca este in modul asteptare.
9.1.1. Canalele de Trafic
Un canal de trafic (TCH) este utilizat pentru transportul semnalului vocal si a datelor. Canalele de trafic sunt definite printr-un multicadru sau un grup de 26 de cadre TDMA. Lungimea unui multicadru este de 120 ms, de unde rezulta definirea unei perioade de impuls (120 ms / 26 cadre / 8 perioade de impuls pe cadru). Din 26 de cadre, 24 sunt utilizate pentru trafic, 1 este utilizat pentru 'Slow Associated Control Channel' (SACCH) si 1 nu este utilizat (Figura 2).
Figura Structura impulsurilor, a cadrelor TDMA si a multicadrelor.
TCH-urile pentru transmisie si receptie sunt separate de 3 perioade de impuls, astfel incat statia mobila nu trebuie sa transmita si sa receptioneze simultan, simplificand electronica utilizata.
In plus fata de aceste TCH-uri, sunt definite si TCH-uri cu o optime de durata, si sunt folosite pentru semnalizare. In recomandari, sunt numite canale de control dedicate autonome sau 'Stand-alone Dedicated Control Channels' (SDCCH).
9.1. Canalele de Control
Canalele comune pot fi accesate de statiile mobile atat dedicate cat si nededicate. Canalele comune sunt utilizare de statiile mobile nededicate pentru a schimba informatii necesare pentru intrarea in modul dedicat. Statiile mobile aflate deja in modul dedicat monitorizeaza statia de baza pentru protocol si alte informatii. Canalele comune sunt definite intr-un multicadru de 51 de cadre, astfel incat statiile mobile dedicate utilizand o structura TCH multicadru de 26 de cadre pot in continuare sa monitorizeze canalele de control. Aceste canale de control includ:
Canal de Control 'Broadcast' (BCCH) - Transmit continuu, spre statia mobila, informatii ce includ identitatea statiei de baza, alocarea frecventelor si secventa de comutare a frecventelor.
Canalul de Corectie al Frecventei (FCCH) si Canalul de Sincronizare (SCH) - Canale utilizate la sincronizarea statiei mobile cu structura sloturilor de timp a unei celule prin definirea limitelor perioadelor de impuls si numerotarea sloturilor de timp. Un FCCH si un SCH sunt prin definitie in slotul de timp numarul 0 (intr-un cadru TDMA).
Canal 'Random Access' (RACH) - Canal utilizat de statia mobila pentru a cere acces la retea.
Canal 'Paging' (PCH) - Utilizat pentru a informa statia mobila despre aparitia unui apel.
Canal 'Access Grant' (AGCH) - Utilizat pentru a aloca un SDCCH catre o statie mobila pentru a obtine un canal dedicat, in urma unei cereri RACH.
9.1.3. Structura Impulsului
Exista patru tipuri diferite de impuls pentru transmisie in reteaua GSM. Impulsul normal este utilizat pentru transportul datelor si a majoritatii semnalelor. Acesta are o lungime totala de 156,25 biti, formata din doua secvente de 57 biti, o secventa de 26 biti folosita pentru egalizare, 1 bit pentru fiecare bloc de informatie (utilizat pentru FCCH), 3 biti la fiecare capat, si o secventa de protectie de 8,25 biti, ca in Figura Acesti 156,25 biti sunt transmisi in 0,577 ms, rezultand o rata de transfer de 270,833 kbps.
Impulsul de tip F, utilizat in FCCH si impulsul de tip S, utilizat in SCH, au lungimile identice cu impulsul normal, dar o structura interna distincta, care astfel permite sincronizarile. Impulsul de acces este mai scurt decat cel normal si este folosit pentru RACH.
Sistemul GSM este digital, astfel
incat semnalul vocal care este inerent analogic trebuie digitizat. Metoda
utilizata de ISDN si de sistemele curente de telefonie digitala, pentru
multiplexarea liniilor pe un trunchi de mare viteza si fibre optice, este
'Pulse Coded Modulation' (PCM). Viteza fluxului de la iesirea PCM
este de 64 kbps, prea mare pentru a fi potrivita unei legaturi radio. Semnalul
de 64 kbps, de altfel simplu de implementat, contine multa redundanta. Grupul
GSM a studiat mai multi algoritmi de codare a vocii pe baze subiective de
calitate si complexitate (relative la cost, intarzieri in procesare si putere
consumata) inainte de a ajunge la alegerea algoritmului 'Regular Pulse
Excited - Linear Predictive
Coder' (RPE-LPC) cu ciclu de prezicere lung.
Informatii despre semnalul anterior, care nu se schimba foarte repede, sunt
utilizate pentru a prezice semnalul curent. Coeficientii combinatiei liniare a
semnalului anterior, plus o forma codata a reziduurilor (diferenta dintre
semnalul prezis si cel actual), reprezinta semnalul. Semnalul vocal este codat
in 260 de biti, pentru fiecare durata de 20 ms, rezultand o rata de transfer de
13 kbps.
Din cauza interferentei electromagnetice, semnalul vocal codat sau semnalul de date transmis printr-o interfata radio trebuie sa fie protejat impotriva erorilor. Sistemul GSM utilizeaza codarea convolutiva si organizarea pe blocuri pentru a realiza aceasta protectie. Algoritmii utilizati difera pentru semnalul vocal si semnalul de date. Metoda utilizata pentru semnalul vocal este descrisa mai jos.
De retinut ca semnalul vocal digitizat este format din blocuri de 260 biti pentru 20 ms de semnal vocal analogic. In urma unor teste subiective, a rezultat ca anumiti biti din fiecare bloc sunt mai importanti pentru calitatea semnalului decat altii. Bitii apartinand unui bloc sunt impartiti in trei clase:
· Clasa Ia 53 biti - sensibilitate mare la erori
· Clasa Ib 132 biti - sensibilitate moderata la erori
· Clasa II 78 biti - sensibilitate mica la erori
Clasa Ia are un cod ciclic redundant de 3 biti in plus pentru detectia erorilor. Daca este detectata o eroare, cadrul este considerat prea deteriorat pentru a fi comprehensiv si este eliminat, fiind inlocuit cu o versiune atenuata a cadrului anterior corect. Acesti 53 biti, impreuna cu cei 132 de biti de Clasa Ib si o secventa terminala de 4 biti (un total de 189 biti), sunt introdusi intr-un codor convolutional cu rata 1/2 cu restrictie de lungime. Fiecare bit de intrare este codat ca doi biti de iesire, bazat pe o combinatie a 4 biti de intrare anteriori. Astfel codorul convolutional scoate la iesire 378 biti, la care sunt adaugati cei 78 de biti de Clasa II ramasi, care sunt neprotejati. Astfel fiecare semnal vocal de 20 ms este codat ca 456 biti, rezultand o rata de 22,8 kbps.
Pentru o protectie mai buna cei 456 biti de la iesirea codorului convolutional sunt organizati in 8 blocuri de 57 biti, si aceste blocuri sunt transmise in opt impulsuri consecutive. Din moment ce fiecare impuls este transmis cu o rata de 270,833 kbps, un impuls poate transmite doua blocuri de 57 biti apartinand de doua cadre diferite.
Acest semnal digital este modulat pe o frecventa purtatoare utilizand un filtru Gaussian de tip GMSK. Filtrul GMSK a fost ales dintre alte scheme de modulatie ca un compromis intre eficienta spectrala, complexitatea emitatorului si limitarea emisiilor adiacente. Complexitatea emitatorului este legata de puterea consumata, ce trebuie minimizata pentru statia mobila. Emisiile radio adiacente, in afara benzii alocate, trebuie strict controlate pentru a limita interferenta canalelor adiacente, si a permite coexistenta sistemului GSM si a vechilor sisteme analogice.
In domeniul de frecvente din jurul valorii de 900 MHz, undele radio se reflecta de orice: cladiri, dealuri, automobile, avioane, etc. Astfel multe din semnalele reflectate, fiecare cu o alta faza, pot ajunge la receptie. Egalizarea este utilizata pentru a extrage semnalul dorit din reflexiile nedorite. Aceasta a fost realizata prin depistarea modului cum un semnal cunoscut transmis este modificat prin reflexie si atenuare, in vederea construirii unui filtru invers pentru a extrage semnalul dorit. Acest semnal cunoscut este o secventa de 26 de biti transmis in centrul fiecarui impuls. Modul de implementare a egalizorului nu este specificat de GSM .
Statia mobila trebuie sa comute, intr-un cadru TDMA intre sloturile de transmisie, receptie si monitorizare, care de obicei sunt pe frecvente diferite. Sistemul GSM utilizeaza acest mod inerent de comutare a frecventelor, deoarece statia mobila si BTS transmit fiecare cadru TDMA pe o frecventa diferita. Algoritmul de comutare al frecventelor este emis pe canalul de control 'Broadcast' BCCH. Deoarece atenuarea semnalului este dependenta de frecventa purtatoare, comutarea frecventelor ajuta la evitarea acestei probleme. In plus este diminuata si interferenta canalelor adiacente.
Minimizarea interferentei canalelor adiacente este esentiala in orice sistem celular, deoarece permite oferirea unor servicii mai bune pentru o celula data, sau utilizarea unor celule mai mici, astfel imbunatatind capacitatea totala a sistemului. Transmisia discontinua (DTX) este o metoda care, bazandu-se pe faptul ca o persoana vorbeste mai putin de 40% din timp intr-o conversatie normala, deconecteaza statia mobila in timpul perioadelor de inactivitate. In plus, este conservata si puterea statiei mobile.
Cea mai importanta componenta a sistemului DTX este, desigur, detectarea activitatii vocale. Aceasta trebuie sa deosebeasca vocea de zgomotul de intrare, un lucru mai complicat decat pare, daca se considera zgomotul de fond. Daca un semnal vocal este interpretat ca zgomot, transmisia este intrerupta si un efect iritant nedorit numit 'clipping' apare la receptie. Daca, pe de alta parte, zgomotul este interpretat ca semnal vocal prea des, eficienta sistemului DTX este diminuata dramatic. Alt factor de luat in seama este ca atunci cand transmisia este intrerupta, datorita naturii digitale a sistemului GSM, nu se mai aude nimic la receptie. In acest scop se genereaza la receptie un zgomot confortabil asemanator cu zgomotul de fond de la emisie, pentru a asigura utilizatorul despre pastrarea conexiunii.
Alta metoda folosita pentru a conserva puterea statiei mobile este receptia discontinua. Canalul 'Paging' (PCH), utilizat de statia de baza pentru a semnala un apel, este structurata in subcanale. Fiecare statie mobila trebuie sa asculte doar pe subcanalul propriu. In timpul dintre subcanalele 'paging' succesive, statia mobila poate intra in modul 'sleep', cu un consum de energie aproape nul.
Exista definite cinci clase de statii mobile relativ la puterea de varf transmisa, si anume 20, 8, 5, 2, si 0.8 W. Pentru a minimiza interferenta canalelor adiacente si a conserva puterea, atat statia mobila cat si statia de baza BTS trebuie sa opereze la cel mai scazut nivel de putere care sa pastreze o calitate acceptabila a semnalului. Nivelele de putere pot fi modificate in trepte de 2 dB de la puterea de varf a clasei respective pana la un minim de 13 dBm (20 mW).
Statia mobila masoara calitatea semnalului, si trimite informatia la BSC, care decide daca si cum nivelul de putere trebuie modificat. Controlul puterii trebuie utilizat cu atentie, deoarece exista posibilitatea instabilitatii. Aceasta instabilitate apare la utilizarea statiilor mobile pe canale adiacente ce isi cresc puterea ca raspuns la cresterea interferentei. Acest lucru este putin probabil sa se produca in practica, dar a facut obiectul unui studiu in anul 1991.
Asigurarea transmisiei semnalului vocal sau a datelor de o anumita calitate pe o legatura radio este doar una din functiile unei retele celulare mobile. Datorita faptului ca aria geografica acoperita de retea este divizata in celule necesita implementarea unui protocol. De asemenea, faptul ca utilizatorul are mobilitate nationala si internationala, este necesar ca functiile de inregistrare, autentificare, transfer al apelurilor si actualizare a localizarii sa existe in reteaua GSM.
Protocolul de comunicare in reteaua GSM este structurat pe trei straturi ca in Figura 3. Stratul 1 este stratul fizic, care utilizeaza structura de canale descrisa anterior. Stratul 2 este stratul de legatura al datelor. Prin interfata 'Um', stratul de legatura al datelor este o versiune modificata a protocolului LAPD folosit in ISDN, numit LAPDm. Prin interfata 'A', este utilizat stratul 2 MTP al SSN 7. Stratul 3 al protocolului de comunicare GSM este el insusi impartit in trei substraturi:
Controlul Resurselor Radio (RR) - Controleaza initierea, mentinerea si terminarea canalelor radio si a celor fixe, inclusiv protocolul.
Figura 3. Structura protocolului de comunicare in GSM.
Controlul Mobilitatii (MM) - Controleaza actualizarea localizarii, procedurile de inregistrare, securitatea si autentificarea.
Controlul Conexiunii (CM) - Se ocupa de controlul general al apelurilor, similar cu Recomandarea CCITT Q.931, si controleaza Serviciile Suplimentare si Serviciul de Mesaje Scurte.
Comunicarea dintre diferite entitati in partea fixa a retelei, cum ar fi intre HLR si VLR, este realizata prin 'Mobile Application Part' (MAP). MAP este construit in varful 'Transaction Capabilities Application Part' (TCAP), stratul de varf al SSN7. Specificatiile MAP destul de complexe, descrise in peste 500 pagini, fac obiectul celui mai lung document din recomandarile GSM.
Substratul de control al resurselor radio (RR) supervizeaza stabilirea unei legaturi atat radio cat si fixa, intre statia mobila si MSC. Principalele componente functionale implicate sunt statia mobila, statia de baza si MSC. O sesiune RR reprezinta intervalul de timp an care o statie mobila este in modul dedicat si asigura configurarea si alocarea canalelor radio dedicate.
O sesiune RR este intotdeauna initializata de o statie mobila printr-o procedura de acces, de initializare a unei convorbiri sau de raspuns la un mesaj 'paging'. Detaliile procedurii de acces sau 'paging', cum ar fi atribuirea unui canal dedicat si/sau a unui subcanal de 'paging', sunt controlate de substratul RR. In plus, asigura si controlul altor resurse radio cum ar fi controlul puterii, transmisia si receptia discontinua si facilitatile de sincronizare.
10.1.1. Pasarea Convorbirilor
Intr-o retea celulara, legaturile radio si fixe necesare nu sunt permanent alocate pe durata unei convorbiri. Pasare reprezinta comutarea unei convorbiri pe un canal sau o celula diferita. Executia si masuratorile necesare pentru pasare formeaza unele din functiunile de baza ale substratului RR.
In sistemul GSM exista patru tipuri de pasari ce implica transferul unei convorbiri intre:
· Canale (sloturi de timp) in cadrul aceleiasi celule;
· Celule (BTS) sub controlul aceleiasi BSC;
· Celule sub controlul unor BSC diferite, dar apartinand aceluiasi MSC;
· Celule sub controlul unor MSC diferite.
Primele doua tipuri de pasari, numite pasari interne, implica doar controllerul statiei de baza BSC. Pentru economie, acestea sunt controlate de BSC fara implicarea MSC, exceptand notificarea MSC despre executarea pasarii. Ultimele doua tipuri de pasari, numite pasari externe, sunt controlate de MSC-urile implicate.
Pasarile pot fi initiate atat de statiile mobile sau de MSC (pentru echilibrarea incarcarii traficului). O statie mobila in modul nededicat scaneaza canalul de control 'Broadcast' dupa 16 celule vecine si formeaza o lista cu 6 dintre cei mai buni candidati pentru posibile pasari, bazata pe calitatea semnalelor receptionate. Aceste informatii sunt trimise catre BSC si MSC, cel putin odata pe secunda si sunt folosite de algoritmul de pasare.
Algoritmul dupa care o decizie de pasare trebuie luata nu este specificat in recomandarile GSM. Exista doi algoritmi de baza utilizati, ambii strans legati de controlul puterii. Acest lucru se intampla datorita faptului ca BSC de obicei nu stie daca calitatea slaba a semnalului apare datorita atenuarilor prin reflexie sau a comutarii pe o alta celula, fenomen intalnit la celule urbane mici.
Algoritmul de 'Performanta Minim Acceptata' ofera precedenta controlului puterii asupra pasarii, astfel incat atunci cand semnalul este degradat sub un anumit nivel, puterea statiei mobile este crescuta. Daca cresteri ulterioare ale puterii nu imbunatatesc calitatea semnalului, atunci se decide o pasare. Aceasta este cea mai simpla si mai comuna metoda utilizata, dar are cateva neajunsuri relativ la neclaritatea limitelor celulelor.
Metoda de 'economisire a puterii' utilizeaza pasarea pentru a incerca sa mentina sau sa imbunatateasca un anume nivel de semnal la acelasi consum sau mai redus. Astfel da precedenta pasarii peste controlul puterii, evitand fenomenul de neclaritate a limitelor celulelor si reduce interferenta dintre canale, dar este destul de complicata.
Substratul de control al mobilitatii (MM) este construit in varful substratului RR, si controleaza toate functiile relative la asigurarea mobilitatii unui utilizator, ca si cele de autentificare si securitate. Controlul localizarii este legat de procedurile ce permit sistemului sa stie localizarea curenta a unei statii mobile astfel incat sa se poata efectua rutarea apelurilor.
10.1. Actualizarea Localizarii
O statie mobila este informata despre un apel printr-un mesaj de 'paging' trimis pe canalul PAGCH. O varianta extrema ar fi sa se trimita un mesaj de 'paging' fiecarei celule din retea pentru fiecare apel, ceea ce reprezinta evident o incarcare nejustificata a traficului. O alta varianta extrema ar fi pentru statia mobila sa anunte sistemul, prin mesajul de actualizare a localizarii, despre localizarea curenta la nivelul celulei. Aceasta ar necesita trimiterea unui mesaj 'paging' doar catre o singura celula, dar fi o risipa relativ la numarul mare de mesaje de actualizare a localizarii. O solutie de compromis, utilizata in GSM, este de a grupa mai multe celule intr-o arie de localizare. Mesaje de actualizare sunt necesare doar la deplasarile dintre ariile de localizare, iar mesajele 'paging' sunt trimise catre statia mobila de toate celulele aflate in aceeasi arie.
Procedurile de actualizare a localizarii si respectivele rutari ale apelurilor, folosesc MSC si doua registre de localizare, HLR si VLR. Cand o statie mobila se deplaseaza intr-o arie de localizare, sau intr-o retea diferita, trebuie sa se inregistreze in retea pentru a indica localizarea curenta. In mod normal, un mesaj de actualizare este trimis la un nou MSC/VLR, care inregistreaza informatia despre localizare si apoi o trimite la HLR. Informatia trimisa la HLR este in mod normal adresa SS7 a noului VLR, dar poate fi si un numar de rutare. Motivul pentru care in mod normal nu este alocat un numar de rutare, este ca intr-un nou MSC/VLR, exista un numar limitat de numere de rutare disponibile si ele sunt alocate la cerere pentru apeluri. Daca utilizatorul este titularul serviciului, HLR trimite un subset de informatii de inregistrare, necesare pentru controlul apelului, catre noul MSC/VLR apoi trimite un mesaj catre MSC/VLR-ul anterior pentru a sterge vechea inregistrare.
Din motive de performanta, GSM are de asemenea o procedura periodica de actualizare a localizarii. Daca un HLR sau MSC/VLR nu raspunde, a avea fiecare statie mobila inregistrata simultan si a aduce baza de date la zi, va cauza o supraincarcare. Astfel, baza de date este actualizata doar daca apare un eveniment de actualizare a localizarii. Actualizarile periodice si intervalele dintre acestea sunt controlate de operator si reprezinta un compromis intre viteza de reactualizare si incarcarea traficului. Daca o statie mobila nu se inregistreaza dupa perioada de timp de actualizare, ea este radiata.
O procedura legata de actualizarea localizarii este atasarea si detasarea de tip IMSI. Procedura de detasare permite retelei sa stie daca o statie mobila este indisponibila si a evita alocarea canalelor si a trimiterii mesajelor de 'paging'. Procedura de atasare este similara actualizarii localizarii si informeaza sistemul ca statia mobila este din nou disponibila. Activarea procedurilor de atasare/detasare IMSI este la nivelul operatorului pe o celula individuala.
10. Autentificarea si Securitatea
Deoarece mediul radio poate fi accesat de oricine, autentificarea utilizatorilor pentru a proba ca sunt cei care se pretind a fi, este un element foarte important al retelei mobile. Autentificarea implica doua entitati functionale, cartela SIM din statia mobila si Centru de Autentificare (AuC). Fiecarui utilizator ii este atribuita o cheie secreta, stocata atat in cartela SIM cat si in AuC. In timpul autentificarii, AuC genereaza un numar aleator care este trimis statiei mobile. Atat statia mobila cat si AuC folosesc numarul aleator in conjunctie cu cheia secreta a utilizatorului si un algoritm de incriptare numit A3, pentru a genera un raspuns (SRES) care este trimis inapoi la AuC. Daca numarul trimis de statia mobila este acelasi cu cel calculat de AuC, atunci utilizatorul este autentificat.
Acelasi numar aleatoriu ca si cheia secreta sunt folosite pentru a genera cheia incriptata, utilizand un algoritm numit A8. Aceasta cheie incriptata, impreuna cu numarul cadrului TDMA, folosesc algoritmul A5 pentru a genera o secventa de 114 biti care este operata logic XOR cu cei 114 biti ai impulsului (cele doua blocuri de 57 biti). Incriptarea in acest sistem este o optiune relativ paranoica, din moment ce semnalul este deja codat, rearanjat si transmis in mod TMDA, astfel asigurand protectia pentru aproape toate interceptarile voluntare.
Alt nivel de securitate este asigurat de statia mobila in raport cu utilizatorul. Asa cum s-a mentionat anterior, fiecare terminal GSM este identificat de un numar unic numit Identitatea Internationala a Echipamentului Mobil (IMEI). Intr-o retea este stocata o lista de numere IMEI in Registrul de Identitate al Echipamentului, EIR. Ca raspuns la o cerere IMEI catre EIR exista trei posibilitati:
Lista Alba - Terminalul are permisiunea de a se conecta la retea.
Lista Gri - Terminalul este sub supraveghere pentru posibile probleme.
Lista Neagra - Terminalul sau a fost raportat ca furat, sau nu este de tipul aprobat. Terminalul nu are permisiunea de a se conecta la retea.
Stratul de control al conexiunii (CM) este responsabil de controlul apelurilor (CC), de controlul suplimentar al serviciilor si de controlul serviciului de mesajele scurte. Fiecare dintre acestea pot fi considerate ca substraturi separate in stratul CM. Controlul apelurilor urmareste procedurile ISDN specificate in Q.931, chiar daca rutarea spre un utilizator mobil este unica in GSM. Alte functii ale substratului CC includ stabilirea apelului si selectia tipului de serviciu (inclusiv alternarea intre servicii pe parcursul unui apel).
10.3.1. Rutarea Apelului
In comparatie cu rutarea intr-o retea fixa, unde terminalul este semipermanent conectat la un oficiu central, un utilizator GSM are mobilitate nationala si chiar internationala. Numarul format pentru a apela un utilizator se numeste numar Utilizator Mobil (MSISDN), care este definit de planul de numerotare E.164. Acest numar include un cod de tara si un cod national de destinatie care identifica operatorul utilizatorului. Primele cateva cifre din numarul ramas identifica HLR-ul utilizatorului in reteaua locala.
Un apel de la o statie mobila este directionata catre functia 'Gateway' MSC (GMSC). GMSC este practic un comutator care poate interoga HLR-ul utilizatorului pentru a obtine informatia de rutare si astfel contine o tabela de legaturi intre MSISDN si HLR-ul corespunzator. O simplificare este de a avea un singur GSMC care sa controleze o retea locala. De notat ca functia GMSC este distincta de functia MSC, dat in mod normal sunt implementate in acelasi modul functional.
Informatia de rutare, ce este returnata de GMSC, este numarul mobil al terminalului 'Mobile Station Roaming Number' (MSRN), care este de asemenea definit de planul de numerotare E.164. MSRN-urile sunt legate de planul geografic de numerotare si nu sunt atribuite sau vizibile utilizatorului.
Cea mai generala procedura de rutare incepe cu interogarea HLR-ul unui utilizator apelat de catre un GMSC pentru un MSRN. In mod normal HLR retine numai adresa SS7 a VLR-ului curent al utilizatorului si nu MSRN. Astfel HLR trebuie sa interogheze VLR-ul curent al utilizatorului, care va aloca temporar un MSRN din stiva sa, pentru apel. MSRN este returnat HLR-ului si inapoi catre GMSC, care apoi poate ruta apelul catre un nou MSC. La noul MSC, este depistat IMSI-ul corespunzator MSRN-ului si terminalul este apelat in aria de localizare curenta (Figura 4).
Figura 4. Rutarea apelului pentru o statie mobila.
Telecomunicatiile evolueaza inspre comunicatiile personale, a caror obiectiv este disponibilitatea tuturor serviciilor, oricand, catre oricine si oriunde, printr-un singur numar de identitate si un terminal de comunicatii portabil. Avand o multitudine de sisteme incompatibile este imposibil de a se realiza acest obiectiv. Economiile la scara create de un sistem unic sunt suficiente pentru a justifica implementarea acestuia, fara a mentiona comoditatea utilizatorilor, avand un singur terminal, de a se deplasa oriunde, indiferent de granitele nationale.
Sistemul GSM si sistemul similar ce opereaza la 1800 MHz, numit DCS1800, sunt primele abordari ale unui adevarat sistem personal de comunicatii. Cartela SIM reprezinta o abordare noua ce implementeaza o mobilitate personala in plus fata de mobilitatea terminalului. Impreuna cu mobilitatea internationala si suportul pentru o gama larga de servicii cum ar fi telefonia, transferul de date, serviciul fax, serviciul de mesaje scurte si alte servicii suplimentare, GSM se apropie de indeplinirea cerintelor pentru un sistem de comunicatii personal, suficient pentru a constitui o baza pentru generatia urmatoare de tehnologii de comunicatii in Europa, Sistemul Universal de Telecomunicatii Mobile (UMTS).
Alt punct unde GSM a aratat interes pentru deschidere, standarde si interoperabilitate este compatibilitatea cu sistemul ISDN, care evolueaza in majoritatea tarilor industrializate, si in particular in Europa (asa numitul Euro-ISDN). GSM este primul sistem care utilizeaza extensiv conceptul de retea inteligenta, in care servicii ca numerele 800 sa fie concentrate si controlate de cateva centre, in loc de a fi distribuite pe fiecare centrala din tara. In spatele utilizarii registrelor de tip HLR se ascunde acest concept. In plus, semnalizarile intre entitatile functionale utilizeaza SSN7, un standard international deja adoptat in multe tari si specificat ca baza de semnalizare in retele ISDN.
