SISTEMUL GSM

1. ISTORICUL SISTEMULUI GSM

In perioada 1980, 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
• Compatibilitate cu sistemul ISDN

In 1989, responsabilitatea GSM a fost transfetata Institutului European de Standarde in Telecomunicatii (ETSI), si faza I a specificatiilor GSM au fost publicate in 1990. Serviciile comerciale au inceput pe la mijlocul anului 1991, si pina in 1993 s-au creat 36 de retele in 22 de tari, iar inca 25 de tari ce au aderat la acest sistem. Desi a fost standardizat in Europa, GSM nu este doar un standard European. Retelele GSM (inclusiv DCS1800 si PCS1900) sint operationale sau planificate in peste 80 de tari din toata lumea. La inceputul anului 1994 s-au inregistrat 1,3 millioane de utilizatori in toata lumea, la inceputul anului 1995, peste 5 millioane iar pina in Decembrie 1995, 10 millioane de utilizatori numai in Europa. Cu Statele Unite, avind un sistem derivat din GSM numit PCS1900, systemele 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 systemelor celulara analogice standardizate, cum ar fi AMPS in Statele Unite si TACS in Marea Britanie, avind credinta ca dezvoltarea algoritmilor de compresie si a procesoarelor de semnal digitale vor permite indeplinirea cerintelor mentionate si vor inbunatati sistemul in ceeace 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.

2. PRINCIPIILE DE BAZA ALE TELEFONIEI CELULARE

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 re-utilizarea 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 si 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 aproape 23 millioane de utilizatori de telefoane celulare iar jumatate dintre acestia se gasesc in Statele Unite. In special atrase de costul relativ scazut si capacitatea ridicata a sistemului GSM, peste 60 de tari au ales aceasta noua tehnologie. Explozia inregistrata in utilizarea telefoanelor mobile va dubla numarul utilizatorilor din toata lumea pina la sfirsitul anului 1997.

3. AVANTAJELE SISTEMULUI GSM

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, reducind posibilitatea fraudelor.
3. Previne interceptarea conversatiilor prin tehnici sofisticate de incriptare care sint 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, permitind conectatea calculatoarelor portabile la telefoanele celulare GSM.
6. Un singur standard ce permite deplasari internationale intre retelele GSM din lume.

4. PERFORMATELE GSM

Multe din sistemele analogice pot oferi performante bune, dar GSM-ul a fost proiectat sa fie mai bun decit orice alt sistem.

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 sint de asemenea parametri importanti de performanta. Deoarece se utilizeaza un standard digital, se inregistreaza un nivel ridicat de implementare a noilor tehnologii, ducind la micsorarea marimii si greutatii telefoanelor mobile.

Utilizarea puternicului mod 'sleep' automat duce la o semnificativa crestere a timpului de viata al bateriei.

5. SECURITATEA SISTEMULUI GSM

GSM ofera trei niveluri de securitate.

Nivelul de securitate I

• Datele utilizatorului GSM sint 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

• Sint utilizate tehnici avansate de incriptare pentru a face imposibila interceptarea convorbirii.

6. SERVICII OFERITE DE SISTEMUL GSM

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.

Utilizind definitiile ITU-T, serviciile de telecommunicatii 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. Deasemenea utilizatorii GSM pot trimite si receptiona date, la o rata de pina la 9600 bps, utilizind o varietate de metode de acces si protocoale cum ar fi X.25 sau X.32. 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 (pina la 160 caractere). Pentru SMS punc 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 sint oferite in specificatiile curente (Faza I), ce includ mai multe forme de transfer al apelului. In specificatiile din Faza 2, sint oferite alte servicii suplimentare, cum ar fi identificarea apelantului, apel in asteptare, conversatii multiple (conferinte).

7. INFORMATII GENERALE

Retelele GSM opereza 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, totalizind 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 utilizattori.

8. ARHITECTURA RETELEI GSM

O retea GSM este compusa din mai multe entitati functionale, ilustrate in Figure 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. 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.

Figura 1. Arhitectura generala a retelei GSM

8.1. Statia Mobila

Statia mobila (MS) consta din echipamentul mobil (terminalul) si o cartela inteligenta numita 'Subscriber Identity Module' (SIM). Cartela SIM ofera mobilitate personala, astfel incit 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 sint independente, permitind mobilitate personala. Cartela SIM poate fi protejata impotriva utilizarii neautorizate printr-o parola sau un numar personal de identitate.

8.2. Subsistemul Statiei de Baza

Subsistemul statiei de baza este compus din doua parti, 'Base Transceiver Station' (BTS) si 'Base Station Controller' (BSC). Acestea comunica prin interfata standardizata 'Abis', permitind (as in the rest of the system) 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 incit cerintele pentru un BTS sint performanta, portabilitate si cost minim.

BSC controleaza resursele radio pentru unul sau mai multe BTS-uri, organizarea canalele radio si alocarea frecventelor. BSC este conexiunea dintre MS si 'Mobile service Switching Center' (MSC).

8.3. Subsistemul Retelei

Componenta centrala a subsistemul retelei este centrul de comutare al 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. Deasemenea 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 informatiiile 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 pina acum au implementat VLR impreuna cu MSC, astfel incit aria geografica controlata de MSC corespunde cu cea controlata de VLR, in acest fel simplificind modul de realizare al subsistemul. MSC nu contine informatii despre terminale - aceste informatii sint stocate in registrele de locatie.

Celelalte doua registre sint 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 cheiei secrete stocate in fiecare cartela SIM a utilizatorilor, care este utilizata pentru autentificare si incriptare pe un canal radio.

9. LEGATURA RADIO

Uniunea Internationala de Telecomunicatii (ITU), care controleaza alocarea internationala a spectrum-ului radio, a alocat benzile 890-915 MHz 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.

9.1. Accesul Multiplu si Structura Canalelor

Deoarece spectrul radio este o resursa limitata folosita de toti utilizatori, a fost necesara elaborarea unei metode de a diviza banda de frecventa pentru citi 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 sint atribuite fiecarei statii de baza. Fiecare din aceste frecvente purtatoare este apoi divizata in timp, utilizind 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 sint 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 sint definite prin numarul si pozitia perioadei de impuls corespunzatoare. Toare aceste definitii sint ciclice si intregul model se repeta aproximativ la fiecare 3 ore. Canalele pot fi impartite in canale dedicate, care sint alocate unei statii mobile dedicate si canale comune, care sint utilizate de statiile mobile nededicate. O satie 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 sint 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 sint utilizate pentru trafic, 1 este utilizat pentru 'Slow Associated Control Channel' (SACCH) si 1 nu este utilizat (Figura 2). TCH-urile pentru transmisie si receptie sint separate de 3 perioade de impuls, astfel incit statia mobila nu trebuie sa transmita si sa receptioneze simultan, siplificind electronica utilizata.

In plus fata de aceste TCH-uri, sint definite si TCH-uri cu o optime de durata, si sint folosite pentru semnalizare. In recomandari, sint numite canale de control dedicate autonome sau 'Stand-alone Dedicated Control Channels' (SDCCH).

Figura 2. Structura impulsurilor, a cadrelor TDMA si a multicadrelor.

9.1.2. Canalele de Control

Canalele comune pot fi accesate de statiile mobile atit dedicate cit si nededicate. Canalele comune sint 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 sint definite intr-un multicadru de 51 de cadre, astfel incit statiile mobile dedicate utilizind o structura TCH multicadru de 26 de cadre poate sa 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)

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 sint 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 Figure 2. Acesti 156,25 biti sint transmisi in 0,577 ms, rezultind 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 strucura interna distincta, care astfel permite sincronizarile. Impulsul de acces este mai scurt decit cel normal si este folosit pentru RACH.

9.2. Codarea Semnalului Vocal

Sistemul GSM este digital, astfel incit 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 potivita 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, intirzieri 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, sint 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, rezultind o rata de transfer de 13 kbps.

9.3. Modularea si Codarea Canalelor

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 sint mai importanti pentru calitatea semnalului decit altii. Bitii apartinind unui bloc sint 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), sint 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 sint adaugati cei 78 de biti de Clasa II ramasi, care sint neprotejati. Astfel fiecare semnal vocal de 20 ms este codat ca 456 biti, rezultind o rata de 22,8 kbps.

Pentru o protectie mai buna cei 456 biti de la iesirea codorului convolutional sint organizati in 8 blocuri de 57 biti, si aceste blocuri sint 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 apartinind de doua cadre diferite.

Acest semnal digital este modulat pe o frecventa purtatoare utilizind 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.

9.4. Egalizarea Semnalului

In domeniu de frecvente din jurul valorii de 900 MHz, undele radio se reflecta din orice - cladiri, dealuri, automobile, avioane, etc. Astfel multe din semnalele reflectate, fiecare cu o alta faza, por 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 vedera 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 .

9.5. Comutarea Frecventelor

Statia mobila trebuie sa comute, intr-un cadru TDMA intre sloturile de transmisie, receptie si monitorizare, care de obicei sint pe frecvente diferite. Sistemul GSM utilizeaza aceast 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.

9.6. Transmisia Discontinua

Minimizarea interferentei canalelor adiacente este esentiala in orice sistem cellular, 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, bazindu-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 coplicat decit pare, daca se considera zgomutul 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, zgomutul este interpretat ca semnal vocal prea des, eficienta sistemului DTX este diminuata dramatic. Alt factor de luat in seama este ca atunci cind 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 zgomutul de fond de la emisie, pentru a asigura utilizatorul despre pastrarea conexiunii.

9.7. Receptia Discontinua

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.

9.8. Controlul Puterii

Exista definite cinci clase de statii mobile relativ la puterea de virf transmisa, si anume 20, 8, 5, 2, si 0.8 W. Pentru a minimiza interferenta canalelor adiacente si a conserva puterea, atit statia mobila cit 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 virf a clasei respective pina 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.

10. ASPECTE ALE RETELEI

Asigurind transmisia semnalului vocal sau a datelor de o anumita calitate pe o legatura radio este doar o parte din functiile unei retele celulare mobile. Datorita faptului ca aria geografica acoperita de retea este divizata in celule necesita implementarea unui protocol. Deasemeni, 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.

Figure 3. Structura protocolului de comunicare in 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 si a celor fixe, inclusiv protocolul.

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 Serviciu 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 virful 'Transaction Capabilities Application Part' (TCAP), stratul de virf al SSN7. Specificatiiile MAP destul de complexe, descrise in peste 500 pagini, fac obiectul celui mai lung document din recomandarile GSM.

10.1. Controlul Resurselor Radio

Substratul de control al resurselor radio (RR) supervizeaza stabilirea unei legaturi atit radio cit si fixa, intre statia mobila si MSC. Principalele componente functionale implicate sint statia mobila, statia de baza si MSC. O sesiune RR reprezinta intervalul de timp in cate o statie mobila este in modul dedicat si asigura configuratia alocarea canalelor radio dedicated.

O sesiune RR este intotdeauna initializata de o statie mobila print-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', sint 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 sint 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 apartinind aceluiasi MSC.
• Celule sub controlul unor MSC diferite.

Primele doua tipuri de pasari, numite pasari interne, implica doar controlerul statiei de baza BSC. Pentru economie, acestea sint controlate de BSC fara implicarea MSC, exceptind notificarea MSC despre executarea pasarii. Ultimele doua tipuri de pasari, numite pasari externe, sint controlate de MSC-urile implicate.

Pasarile pot fi initiate atit 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 dintr cei mai buni candidati penru posibile pasari, bazata pe calitatea semnalelor receptionate. Aceste informatii sint trimise catre BSC si MSC, cel putin odata pe secunda si sint 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 strins legati de controlul putereii. Acest lucru se intimpla 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 intilnit la celule urbane mici.

Algoritmul de 'Perfotmanta Minim Acceptata' ofera precedenta controlului puterii deasupra pasarii, astfel incit atunci cind semnalul este degratat sub un anumit nivel, puterea statiei mobile este crescuta. Daca cresterii ulterioare ale puterii nu imbunatatesc calitatea semnalului, atunci se decide o pasare. Aceasta este cea mai simpla si mai comuna metoda utilizata, dar are citeva 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, evitind fenomenul de neclaritate al limitelor celulelor si reduce interferenta dintre canale dar este destul de complicata.

10.2. Controlul Mobilitatii

Substratul de control al mobilitatii (MM) este construit in virful 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 unei statii mobile astfel incit sa se poata efectua rutarea apelurilor.

10.2.1. 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 sint necesare doar la deplasarile dintre ariile de localizare si mesajele 'paging' sint 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. Cind 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 sint 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, daza de date este actualizata doar daca apare un eveniment de actualizare a localizarii. Actualizarile periodice si intervalele dintre acestea sint 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 detesarea 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.

10.2.2. Autentificarea si Securitatea

Deoarede mediul radio poate fi accesat de oricine, autentificarea utilizatorilor pentru a proba ca sint 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 atit in cartela SIM cit si in AuC. In timpul autentificarii, AuC genereaza un numar aleator care este trimis statiei mobile. Atit statia mobila cit 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 sint folosite pentru a genera cheia incriptata, utilizind 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 asigurind 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 Internatinala 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.

10.3. Controlul Conexiunii

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 urmaresc procedurile ISDN specificate in Q.931, chiar daca rutarea spre un utilizator mobil este unica in GSM. Alte functii ale substratului CC includ stabilirea aplelului 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 semi-permanent 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 citeva 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 sint 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 deasemenea definit de planul de numerotare E.164. MSRN-urile sint legate de planul geografic de numerotare si nu sint 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.

11. CONCLUZII SI COMENTARII

In acest document s-a incercat a se oferi o privire de ansamblu asupra sistemului GSM. Ca orice privire de ansambul, si in special una ce acopera un standard de 6000 pagini, lipsesc multe detalii. Totusi aceasta lucrare da o idee generala si descrie filozofia ce se ascunde in spatele sistemului GSM. Activitatea deosebita a grupului original GSM, care s-a dovedit un succes, a aratat ca se poate realiza o cooperare internationala intre cercetare, industrie si guvern pe baza unui proiect. Este un standard care asigura interoperabilitate fara a ingradi competitivitatea si inovatiile producatorilor, in beneficiul public atit in cost cit si in calitatea serviciilor. De exeplu prin utilizarea tehnologiilor VLSI si ASIC, multe din functiile unei statii mobile pot fi implementate pe un singur circuit, rezultind terminale mai usoare, mai compacte si mai eficiente in raport cu consumul de energie.

Telecommunicatiile evolueaza inspre comunicatiile personale, a caror obiectiv este disponibilitatea tuturor serviciilor, oricind, catre oricine si oriunde, printr-un singur numar de identitate si un terminal de comunicatii portabil. Avind o multitudine de sisteme incompatibile este imposibil de a se realiza acest obiectiv. Economiile la scara create de un sistem unic sint suficiente pentru a justifica implementarea acestuia, fara a mentiona comoditatea utilizatorilor, avind un singur terminal, de a se deplasa oriunde, indiferent de granitele nationale.

Sistemul GSM si sistemul similar ce opereaza la 1800 MHz, numit DCS1800, sint 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 citeva 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.

GSM este un standard foarte complex, dar acesta este probabil pretul ce trebuie platit pentru a ajunge la un nivel integrare al serviciilor si calitate oferite relativ la restrictiile severe impuse de mediul radio.