GSM (ang. Global System for Mobile Communications) jest najpopularniejszym obecnie standardem telefonii komórkowej. Telefonów GSM używa przeszło miliard ludzi w ponad 200 krajach. Dzięki wszechobecności standardu GSM, upowszechnił się międzynarodowy roaming. GSM różni się znacząco od swoich poprzedników w tym sensie, że zarówno kanały sygnalizacyjne jak i mowy są cyfrowe. GSM to otwarty standard obecnie rozwijany przez 3rd Generation Partnership Project (3GPP).
Z punktu widzenia konsumenta, największą zaletą GSM jest wyższa jakość głosu i usługi przesyłania wiadomości tekstowych. Zaletą dla operatorów jest możliwość stosowania urządzeń różnych producentów (nie byłoby to możliwe bez otwartego standardu). Ponadto standaryzacja umożliwiła operatorom oferować usługę roamingu co oznacza, że Abonent może używać telefonu na całym świecie.
GSM utrzymuje kompatybilność wstecz tzn., że stare modele telefonów GSM działają bezproblemowo w dzisiejszych sieciach mimo iż do standardu GSM dodano wiele nowych funkcji.
Różnice pomiędzy GSM a poprzednią generacją telefonii komórkowej
GSM jest dużym technologicznym krokiem na przód w porównaniu do systemów komórkowych pierwszej generacji. Podstawową różnicą jest przejście z analogowego systemu kodowania mowy i sygnalizacji na cyfrowy. Umożliwiło to znaczne polepszenie jakości i bezpieczeństwa transmisji, co zaowocowało wprowadzeniem dodatkowych usług takich jak transmisja danych (GPRS) czy dostęp do internetu (WAP).
Nastąpiła też zmiana w dostępie do kanału radiowego. GSM wykorzystuje wielodostęp czasowy (TDMA) i częstotliwosciowy (FDMA)). Do transmisji użytych jest wiele częstotliwości (rozłożonych co 200 KHz), transmisja odbywająca się na nich, podzielona jest na szczeliny czasowe (ang. time slot) i każdy telefon używany do transmisji głosu wykorzystuje jedną z nich. Na każdej z częstotliwości może być alokowanych 8 lub 16 (w zależnosci od konfiguracji) rozmów.
Odmiany GSM
GSM istnieje w pięciu głównych odmianach, różniących się głównie używanym pasmem radiowym: GSM-400, GSM-900, GSM-1800 (nazywany także DCS), GSM-850 i GSM-1900 (nazywany także PCS). GSM-900 i GSM-1800 są używane w większości krajów z wyjątkiem Stanów Zjednoczonych i Kanady. Na tamtych obszarach używa się w zamian standardów GSM-850 i GSM-1900, ponieważ pozostałe pasma GSM były już wcześniej przydzielone pod inne zastosowania. GSM-400 powstał specjalnie jako alternatywa dla Operatorów sieci NMT 450 i jest dla nich naturalną drogą ewolucji pomiedzy siecią analogową a cyfrową, ponieważ w okresie przejsciowym oba systemy mogą działac razem.
"Pasmo w góre" (ang. uplink) to częstotliwości na których telefon komórkowy transmituje dane odbierane przez Stację Bazową.
"Pasmo w dół" (ang.downlink) to częstotliwości na których Stacja Bazowa transmituje dane odbierane przez telefon komórkowy.
W GSM 900 istnieje mozliwość uruchomienia funkcjonalności extended range, komórka może mieć teoretycznie promień 120 km, dzieje się to jednak kosztem zmniejszenia liczby obsługiwanych rozmów na tym obszarze. Taka funkcjonalność może być wykorzystana wtedy, gdy Operator chce pokryć tanim kosztem, słabo zaludniony obszar.
Usługi w systemie GSM
Transmisja mowy
Do transmisji mowy telefon w systemie GSM używa cyfrowego kanału radiowego przydzielonego mu na czas rozmowy przez Kontroler Stacji Bazowych. W celu poznania szczegółów kodowania i transmisji rozmowy zobacz artykuł: transmisja głosu w sieci GSM.
GPRS
Rozszerzenie GSM nazywane GPRS umożliwia transmisję danych w systemie pakietowym. Często nazywane 2.5G jest postrzegane jako krok w kierunku systemów telefonii komórkowej trzeciej generacji takich jak UMTS czy inne.
Messaging
Usługa pozwalająca wysyłac i odbierać wiadomości w formatach SMS, EMS i MMS.
SMS to krótka (do 160 znaków) wiadomość tekstowa. Nieoczekiwanie dla operatorów ta forma komunikacji stała się jedną z najpopularniejszych usług w sieciach GSM, obecnie wysyła się setki miliardów SMSów rocznie.
Multimedialnym rozszerzeniem SMS jest EMS, który umożliwia zawarcie w treści SMS'a monochromatycznej grafiki oraz zdefiniowanych przez twórców standardu EMS dźwięku lub animacji.
Następcą standardu SMS jest MMS, bazujący na transmisji GPRS. Zawarta w nim informacja może mieć forme audiowizualną (dźwięk, obraz, sekwencje video).
WAP
Technologia sieci analogicznej do WWW, ale okrojonej do potrzeb telefonów komórkowych i innych urządzeń o niewielkim wyświetlaczu. Wbrew oczekiwaniom wady WAP (mała prędkość przesyłu danych, stosunkowo wysokie ceny, niewielka ilość usług dostępnych tą drogą, mała klawiatura do wpisywania adresów) znacznie ograniczyły ilość jego użytkowników.
Obecnie używany przede wszystkim do przesyłania dzwonków i ikonek w celu personalizacji telefonów.
Architektura sieci GSM
Opis elementów Sieci
Komórka (ang. cell) jest obszarem obsługiwanym przez Stację Bazową. Jej maksymalny rozmiar opisany jest w specyfikacji GSM (zobacz rozdział "Odmiany GSM"). Faktyczny rozmiar i kształt zależy od warunków zewnętrznych (ukształtowanie terenu, wysokość masztu, warunki propagacji fal radiowych) oraz od konfiguracji parametrów Stacji Bazowej (np. moc nadawania sygnału).
Stacja Bazowa (Base Trensceiver Station, BTS) jest elementem sieci, który jest interfejsem pomiędzy telefonem komórkowym a siecią GSM. Dzięki systemowi anten transmituje i odbiera na kilku częstotliwosciach (liczba zależaca od konfiguracji sprzetowej i softwarowej)zakodowany cyfrowo sygnał (zobacz transmisja głosu w sieci GSM i kanały radiowe w GSM). Częstotliwości używane przez Stacje Bazowe obsługujące sąsiadujące komórki różnią się, aby nie dochodziło do interferencji fal radiowych. Zwykle od kilkudziesięciu do kilkuset Stacji Bazowych jest podlączonych do jednego Kontrolera Stacji Bazowych za pomocą kabla światłowodowego lub drogą radiową.
Kontroler Stacji Bazowych (Base Station Controler, BSC) jest elementem sieci, odpowiedzialnym za zarządznie Stacjami Bazowymi, oraz transmisję danych pomiędzy Stacjami Bazowymi a resztą sieci. Z poziomu BSC Operator zarządza radiową cześcią sieci zmieniając parametry poszczególnych Stacji Bazowych. BSC odpowiedzialne też jest za przydzielanie telefonowi komórkowemu wolnej szczeliny czasowej na odpowiedniej częstotliwości, oraz za śledzenie jakości rozmowy. W razie jej pogorszenia (np. abonent oddala sie od obsługującej go Stacji Bazowej), zostanie przydzielona mu inna częstoliwość obsługiwana przez inną Stację Bazową, oraz odpowiednia szczelina czasowa. Mechanizm ten nazywa sie handover. Kilka BSC jest podłączonych do jednego Mobile Switching Centre.
Mobile Switching Centre (MSC) jest cyfrową centralą telefoniczną przystosowaną do pracy w sieci GSM. Jest odpowiedzialna ze zestawianie polączeń i wpółpracę z innymi elementami sieci. Ilość MSC w sieci zależy od ilości abonentów i generowanego przez nich obciążenia sieci. Dla przykładu jeden z niemieckich Operatorów ma około 200 MSC w swojej sieci. Niektóre z MSC (nazywane GMSC - Gateway MSC ) mają dodatkową funkcjonalność odpowiadającą za kontakty z MSC bedącymi elementami sieci innych Operatorów, oraz centralami sieci stacjonarnych (PSTN). GMSC ma dodatkowo mozliwość kontaktowania się z bazą danych abonentów - HLR.
Home Location Register (HLR) jest bazą danych, która przechowuje informacje o abonentch, którzy należą do danej sieci. Między innymi IMSI number, MSISDN number, informacje o wykupionych uslugach, informacje o MSC które aktualnie obsługuje abonenta, informacje o jego statusie (np. telefon jest wyłączony, telefon jest włączony do sieci, itp.) Ilość HLR w sieci zależy od ilości abonentów.
Visitor Location Register (VLR) - baza danych związana z MSC (zawsze w sieci istnieją pary MSC-VLR), która przechowuje informację o abonentach (abonenci danego Operatora, oraz innych Operatorów korzystający z roamingu), ktorzy w danym momencie znajdują się na obszarze obługiwanym przez to MSC. Częśc z tych informacji jest kopiowanych z HLR w momencie gdy abonent pojawia się w "zasięgu" danego MSC, inne, takie jak jego lokalizacja są zmieniane już później.
Flexible Number Register (FNR) - opcjonalny element sieci wykorzystywany w mechaniźmie Number Portability, znanym jako "przenoszenie numeru pomiedzy operatorami". Jest to baza danych wszystkich abonentów w sieciach GSM w danym kraju. Przechowuje proste rekordy typu: numer abonenta (ten który może zachować zmieniając sieć), aktualny Operator, którego abonent jest klientem, numer pod który należy routować rozmowę (poprzez GMSC) do tego Operatora).
SMS Center (SMSC) - element sieci biorący udział w przesyłaniu SMSów pomiędzy abonentami i przechowujący te wiadomości, które nie mogą być w danej chwili dostarczone (np. abonent jest poza zasięgiem, lub ma wyłączony telefon).
Service Control Point (SCP) - element sieci na którym oparte są Sieci Inteligentne. Działające na nim serwisy związane są z usługami dodanymi, które mogą być wykupione dla abonenta. Np. Virtual Private Netwowk lub Prepaid. SCP komunikuje się z MSC dzięki protokołom SS7 i może wpływać na zestawianą (zestawioną) rozmowę: wpływ na sposób naliczania opłat, przekierowanie do innego numeru, dolączenie do rozmowy dodatkowego abonenta itp. MSC może informować SCP o różnych zdarzeniach związanych z rozmową (np. abonent do którego kierowana jest rozmowa jest zajęty, nie podnosi sluchawki itp. ) i na tej podstawie, SCP może podejmowć dalsze decyzje co do tej rozmowy.
Service Data Point (SDP) - baza danych, która zawiera informacje o abonentach wykorzystywane przez aplikacje działające na platformie Sieci Inteligentnych. Np. aplikacja Prepaid przechowuje tam informacje o ilości dostępnych impulsów.
Parlay Gateway - obecnie istnieje możliwość wdrożenia serwisów wchodzących w interakcje z usługami sieci GSM poza sieć telekomunikacyjną, do internetu. Specjalne elementy sieci pośredniczą w komunikacji pomiędzy siecią GSM a Serwerami aplikacyjnymi, zamieniając operacje związane z protokołami SS7 (po stronie Sieci GSM) na wywołania CORBA lub Web Services (po stronie internetu). Nazwa tych elementów sieciowych wzięła sie od nazwy API stosowanego po stronie Serwera Aplikacyjnego (zobacz www.parlay.org).
Scenariusze
Oto kilka czesto spotykanych scenariuszy w sieci GSM. Rozdzial ten ma za zadanie pokazać współdziałanie jej elementow więc zawiera pewne uproszczenia, które wpływają na przejrzystość opisu.
Abonent wlącza telefon
1. Telefon przeszukeje częstotliwości i wybiera tą, na której jest najlepsza jakość sygnału. Wysyła informację o włączeniu się do sieci do Stacji Bazowej, która jest związana z tą częstotliwością.
2. Stacja Bazowa przesyła ją do Kontrolera Stacji Bazowej, a ten do połączonego z nim MSC.
3. MSC zapisuje informację o tym abonencie w VLR, między innymi jego lokalizację w postaci Location Area (Cała siec danego Operatora, podzielona jest na komórki, które zgrupowane są w Location Area, zwykle do jednego LA należy od kilkudziesięciu do kilkuset komórek). Następnie MSC wysyła informację ze swoim adresem do HLRa zawierającego informacje o abonencie.
Abonent A (system abonamentowy) dzwoni do Abonenta B
1. Telefon wysyła poprzez Stację Bazową, która ma najsilniejszy w jego okolicy sygnał, żądanie połączenia z Abonentem B (B-numer).
2. Dociera ono do obsługującego tę Stację Bazową Kontrolera Stacji Bazowych, który forwarduje to do połączonego z nim MSC_A.
3. MSC_A wysyła zapytanie do odpowiedniego HLRa o MSC_B, które kontroluje obszar w którym znajduje się telefon Abonenta B (identyfikowanego po B-numerze).
4. HLR zwraca tę informację i odpowiednie żadanie połączenia z B-numerem jest przesylane do MSC_B.
5. To MSC sprawdza w swoim VLR Location Area w który znajduje się telefon o B-numerze. Wysyła żadanie do odpowiedniego Kontrolera Stacji Bazowych aby nakazał wszystkim zarządzanym przez niego Stacjom Bazowym kontrololującym komórki znajdujące sie w tym Location Area rozgłaszanie informacji o zestawianym połączeniu do B-numeru.
6. Jeśli telefon B Abonenta jest włączony, odpowie na tę informację i połączenie zostanie zestawione. Po zakonczeniu połączenia zostanie wygenerowany Call Data Record, który później będzie miał wpływ na comiesięczny rachunek abonenta A.
Abonent A (telefonu w systemie Prepaid) dzwoni do Abonenta B - scenariusz jest podobny do powyższego, z jednym wyjątkiem.
1. VLR związany z MSC kontrolującym obszar z którego dzwoni Abonent A, zawiera informacje o nim, że ma on subskrypcje na serwis Prepaid. W tym momencie zestawianie rozmowy jest wstrzymywane, a kontrola nad nim jest przekazywana do odpowiedniego SCP, na którym istnieje aplikacja obsługująca Serwis Prepaidowy.
2. To SCP wysyła zapytanie do SDP o ilość minut, które może rozmawiać Abonent A i zwraca kontrolę nad zestawianiem rozmowy do MSC (które dalej postępuje tak samo jak w przykładzie powyżej).
3. Jeśli rozmowa zostanie zakończona przed upływem wszystkich opłaconych z góry minut MSC poinformuje o tym SCP, które wyśle żądanie do SDP w celu zmniejszenia ilości dostępnych minut.
4. Jeśli upłynie maksymalny czas, MSC zwróci kontrolę nad rozmową do SCP, które wyśle żądanie do SDP w celu wyzerowania licznika dostępnych minut, a do MSC w celu natychmiastowego zakończenia rozmowy.
Użytkownik telefonu wysyła SMSa
1. Użytkownik telefonu wysyła SMS, który poprzez Stację Bazową i Kontroler Stacji Bazowych dociera do MSC, na którego obszarze znajduje się telefon wysyłający wiadomość.
2. MSC przesyła tego SMSa do SMSC.
3. SMSC wysyła zapytanie do HLR o adres MSC obsługującego abonenta, do którego skierowany jest SMS (który w tym czasie jest zapisywany na twardym dysku w serwerze SMSC).
4. HLR zwraca informację o adresie MSC i tam przesyłany jest SMS. Poprzez odpowiedni Kontroler Stacji Bazowych i Stacje Bazowe obsługujące komórki, w których może znajdować sie adresat wiadomości rozgłaszana jest informacja o czekającym SMS.
5. Jeśli telefon adresata informacji zgłosi się, SMS zostanie do niego przesłany, a raport o tym fakcie poprzez sieć (docierając po drodzę so SMSC, które uzna że może już usunąć ze swoich dysków tego SMSa) dotrze do nadawcy
6. Jeśli telefon adresata nie odpowie (np. będzie poza zasięgiem, lub będzie wyłączony) informacja o tym fakcie dotrze do nadawcy, ale SMSC nie usunie SMSa z twardego dysku, będzie on potem wykorzystany do ponownej próby dostarczenia wiadomości.
GSM na Świecie
GSM jest obecnie najpopularniejszym standartem telefonii komórkowej. Jego specyfikacja powstała w Europie w The European Telecommunications Standards Institute (ETSI). Obecnie jest rozwijana przez konsorcjum 3GPP, powołane przez ETSI i jego odpowiedniki z innych krajów (USA, Japonia i inne), przez co GSM ma status ogólnoświatowego standartu.
O ile 3GPP dba o techniczne aspekty rozwoju standartu, stowarzyszenie GSM association powołane przez Operatorów i dostawców infrastruktury telekomunikacyjnej dba o kwestie prawne i ekonomiczne związane z rozwojem standartu i rynku oferowanych dzięki niemu usług. Według najnowszysch danych podawanych na stronach tego stowarzyszenia jego czlonkami jest 680 operatorów i 160 dostawców sprzętu telekomunikacyjnego. Z usług sieci opartych o standart GSM korzysta obecnie ponad 1,5 milarda użytkowników.
GSM w Polsce
W Polsce usługi w standardzie GSM świadczy trzech operatorów: Polska Telefonia Cyfrowa, Polkomtel oraz PTK Centertel. W roku 2006 również Netia zamierza rozpocząć świadczenie swych usług w tej dziedzinie.
