GSM története

<<<< vissza

Az 1980-as évek elején az analóg celluláris telefon rendszereknél gyors növekedés volt tapasztalható Európában, különösen Skandináviában és Nagy-Britanniában, de Franciaországban és Németországban is. Minden ország a saját rendszerét fejlesztette, ezek inkompatibilisek voltak mindenkivel a felszerelésben és a működésben. Ez egy nem kívánatos szituáció volt, mert nem egy mobil termék működése volt korlátozva a nemzeti határokon belülre, így az egységes Európa egyre inkább lényegtelenné vált, volt egy nagyon korlátozott piac minden egyes termékfajtára, a termelésnövekedésből való költségmegtakarítás és a későbbi megtakarítások nem voltak realizálhatók.
Az európaiak ezt korán felismerték, és 1982-ben az Conference of European Post and Telegraph (CEPT) alakított egy vizsgálati csoportot, amit Groupe Spécial Mobile (GSM) –nek hívtak, hogy fejlesszen egy pán-európai nyilvános földi mobil rendszert.

A tervezett rendszernek meg kell felelnie bizonyos kritériumoknak:

Jó hangminőség
Alacsony kezelőfelület és szolgáltatási költség
Nemzetközi roaming támogatása
Kézi kezelőfelületek támogatásának képessége
Új szolgáltatások bevezetésének támogatása
Sávszélesség hatékony kihasználása és
ISDN kompatibilitás

1989-ben a GSM kötelező részei el lettek juttatva az European Telecommunication Standards Instituts (ETSI) –hoz, és a GSM specifikációját első fázisa 1990-ben publikálták. A kereskedelmi szolgáltatás 1991 közepén indult és 1993-ra 36 GSM hálózat volt 22 országban, 25 további ország már fontolóra vette a GSM-et. Ez nem csak európai szabvány – Dél-Afrika, Ausztrália, és a közép és távol keleti országok a GSM-et választották. 1994 elejére 1.3 millió előfizetője volt világszerte. A GSM betűszó most Global System for Mobile telecommunication-t jelent.

A GSM fejlesztői egy ki nem próbált (addig) digitális rendszert választottak, ami szemben állt az akkori celluláris analóg szabványokkal, mint AMPS az USA-ban és a TACS Nagy-Britanniában. Meg voltak győződve, hogy a tömörítési algoritmusok fejlődése és a digitális jelprocesszorok lehetővé tennék az eredeti kritérium teljesítését és a rendszer további fejlődését a minőség és a költség szempontjából. A GSM ajánlás 8000 oldala megpróbálja lehetővé tenni a rugalmasságot és a versengő innovációt a szolgáltatók között, de elég irányelvet ad ahhoz, hogy garantálja a rendszer komponenseinek megfelelő együttműködését. Ez majdnem teljesen megadja az interfacek leírását és minden egyes funkcionális entitás működésének leírását a rendszerben.

2. A GSM által nyújtott szolgáltatások

Az előbbiek miatt, a GSM tervezői ISDM kompatibilitást akartak szolgáltatásokban és vezérlő jelek használatában. A rádió kapcsolat néhány korlátozást követel, azonban, mivel a normál ISDN 64 kb/s sebességű, ez nem nagyon érhető el.

Az ITU-T definícióit használva a telekommunikációs szolgáltatások szétoszthatók széles sávú szolgáltatásokra, távszolgáltatásokra és pótlólagos szolgáltatásokra. A GSM digitális mivolta lehetővé teszi az mind a szinkron, min az aszinkron adattovábbítást mintegy szélessávú szolgáltatást egy ISDN terminálhoz vagy onnan. Adat használhat átlátszó szolgáltatást, aminek fix a késleltetése, de nem garantálja az adat integritását, vagy nem-átlátszó szolgáltatás, ami garantálja az adat integritását egy Automatic Repeat Request (ARQ) mechanizmussal, de egy változó késleltetéssel. A GSM által támogatott adatátviteli sebességek 300bps, 600bps, 1200bps, 2400bps, és 9600bps.

A legáltalánosabb távszolgáltatás, amit a GSM támogat az a telefon szolgáltatás. Van egy vészhelyzet szolgáltatás, ahol a legközelebbi vészhelyzet szolgáltatót értesítik három számjegy tárcsázásával (hasonlóan 911-hez). Csoport 3 fax, egy analóg metódus van leírva az ITU-T ajánlásban T.30, szintén támogatott használva egy megfelelő fax adaptert. Egy egyedi sajátsága van a GSM-nek összehasonlítva a régebbi analóg rendszerekkel a Short Message Service (SMS) Rövid Üzenet Szolgáltatás. SMS egy kétállapotú szolgáltatás rövid alfanumerikus üzenetek küldésére (160 byte-ig) tárold – és - továbbítsd stílusban. A pont-pont SMS –nél, egy üzenet továbbítható egy másik előfizetőnek a szolgáltatásnak, és az átvétel nyugtája visszaadódik a feladónak. Az SMS még cella – műsorszórási funkcióban is használható, olyan üzenetek küldésére, mint a legfrissebb forgalmi helyzet, vagy a legfrissebb hírek. Az üzenet tárolható a SIM kártyában későbbi visszanyerés céljából.

A kiegészítő szolgáltatások a távszolgáltatások vagy a nagy sávszélességű szolgáltatások tetejére vannak adva, és olyan információkat hordoz, mint a hívó azonosítás, hívás továbbítás, hívás várakoztatás, sok résztvevős beszélgetés, és kimenő (nemzetközi) hívások korlátozása, mások között.

3. GSM hálózati architektúra

Egy GSM hálózat sok funkcionális entitást tartalmaz, amiknek a funkcióik és az interface-ik definiáltak. A GSM hálózat tág részekre osztható. A Mobil Állomást az előfizető hordozza, a Bázis Állomás Alrendszer vezérli a rádiókapcsolatot a Mobil Állomással. A Hálózat Alrendszer, a legfőbb része a Mobil szolgáltatás Kapcsoló Center, teljesíti a kapcsolásokat a mobil és másik fix vagy mobil hálózati felhasználó között, valamint a mobil szolgáltatások menedzsmentjét, mint az autentikáció. Nem látható a Működtetés és Fenntartás center, ami ellenőrzi a működést és hálózat felépítését. A Mobil Állomás és az Bázis állomás Alrendszer kommunikálnak az Um interface-n keresztül, az is ismert, hogy ez egy levegő interface vagy rádió kapcsolat. Az Bázis Állomás Alrendszer kommunikál a Mobil szolgáltatás Kapcsoló Centerrel az A interface-n keresztül.

3.1 Mobil állomás

A Mobil Állomás (MS) fizikai egységeket tartalmaz, mint rádió adó – vevő, kijelző és digitális jelprocesszor, és egy smart kártyát, amit Előfizető Azonosító Modulnak (SIM) hívnak. A SIM adja a személyes mobilitást, úgy, hogy a felhasználó el tudjon érni minden élőfizetői szolgáltatást tekintet nélkül a terminál helyére és arra, hogy milyen terminált használ. A SIM kártya másik celluláris telefonba helyezésével, a felhasználó képes hívásokat fogadni a telefonnal, hívásokat kezdeményezni azzal a telefonnal, vagy más előfizetői szolgáltatásokat venni.

A mobil berendezés egyértelműen azonosítható a Nemzetközi Mobil Berendezés Azonosítóval (IMEI). A SIM kártya tartalmazza a Nemzetközi Mobil Előfizető Azonosítót (IMSI), az előfizető azonosítására, egy titkos kulcsot használ autentikációra, és más felhasználói információkat. Az IMEI és az IMSI függetlenek, ezáltal nyújtja a személyes mobilitást. A SIM kártya védhető illetéktelen használat ellen jelszóval, vagy személyi azonosító számmal.

3.2 Bázisállomás alrendszer

Az Bázis Állomás Alrendszer két részből áll, az Bázis Adó – Vevő Állomásból (BTS) és az Bázis Állomás Vezérlőből. Ezek az A-bis specifikált interfacen keresztül kommunikálnak, lehetővé téve (mint a rendszer további részében) a különböző gyártóktól származó komponensek közötti működést.

Az Bázis Adó – Vevő állomás ad otthont a rádió adó – vevőnek, ami meghatároz egy cellát és kezeli a rádiókapcsolati protokollt a Mobil Állomással. Egy nagy városi területen potenciálisan nagy lesz a telepített BTS-ek száma. A BTS-el szemben támasztott követelmények a könnyen kezelhetőség, a megbízhatóság, a hordozhatóság és a minimum költség.

Az Bázis Állomás Vezérlő menedzseli a rádió erőforrást egy vagy több BTS számára. Ez kezeli a rádiócsatorna felépítését, a frekvenciaugrásokat mint az alább le van írva. A BSC a kapcsolat a mobil és a Mobil szolgáltatás Kapcsoló Center (MSC) között. A BSC fordítja a 13 kbps-os rádiókapcsolt hangcsatornát a 64 kbps-os csatornára, ami lehet a Nyilvánosan Kapcsolt Telefon Hálózat vagy ISDN.

3.3 Hálózat alrendszer

A Hálózat Alrendszer központi komponense a Mobil szolgáltatás Kapcsoló Center (MSC). Ez úgy működik, mint a PSTN vagy az ISDN egy normál kapcsoló csúcsa, és továbbá minden olyan működtetést szolgáltat, ami szükséges a mobil előfizető kezeléséhez, mint a regisztráció, autentikáció, helyi korszerűsítés, handovers, és hívás irányítás egy roaming előfizetőhöz. Ezek a szolgáltatásokat szolgáltatják sok működő entitás kapcsolatában, amik együtt a Hálózat Alrendszerből valók. A hálózat alrendszer szolgáltatja a kapcsolatot a nyilvános fix hálózattal (PSTN vagy ISDN), és jeleket továbbít a működési entitások közözz, használva a ITU-T Jelzés Rendszer Szám 7 –et (SS7), használt az ISDN-ben és széleskörűen használt az érvényes nyilvános hálózatban.

Az Otthon Hely Regiszter (HLR) és a Látogató Hely Regiszter (VLR) együtt az MSC-vel szolgáltatják a hívás – útvonalat és (valószínűleg nemzetközi) roaming képességeit a GSM-nek. A HRL tartalmaz minden adminisztratív információt a regisztrált előfizetőkről a megfelelő GSM hálózatban, a mobil pillanatnyi helye mentén. A mobil pillanatnyi helye benne van a Mobil Állomás Roaming Számának egy osztályában, ami egy normális ISDN szám, arra használatos, hogy a hívás eljusson ahhoz az MSC -hez, ahol a mobil pillanatnyilag van. Logikusan egy HLR van GSM hálózatonként, bár megvalósítható elosztott adatbázis is.

A Látogató Hely Regiszter tartalmaz válogatott adminisztratív információkat a HRL -ből, amik szükségesek a hívás vezérléshez és az előfizetői szolgáltatások ellátásához, minden egyes mobil, ami éppen abban a geográfiai területen van az a VLR által vezérelt. Bár minden működő entitás implementálható, mint egy független egység, a legtöbb kapcsoló eszköz gyártó egy VLR –t együtt szerel üzembe egy MSC –vel, így azt a geográfiai területet az MSC vezérli, ami megfelel a VRL –es vezérlésnek, egyszerűsítve a jelzési követelményeket. Megjegyezzük, hogy az MSC nem tartalmaz információkat az egyes mobil állomásokról – ez az információ a helyi regiszterekben van tárolva.

Két másik regiszter van autentikációra és biztonsági célokra használva. A Berendezés Azonosító Regiszter (EIR) egy adatbázis, ami a hálózatbeli érvényes mobil berendezések listáját tartalmazza, ahol az egyes mobil állomások a Nemzetközi mobil Berendezés Azonosítóval (IMEI) vannak azonosítva. Egy IMEI érvénytelenre van állítva, ha jelezték az, hogy ellopták, vagy nem elfogadott a típusa. Az Autentikációs Center egy védett adatbázis, ami azokat a titkos kulcsokat tartalmazza, amik az előfizetők SIM kártyáján található, amit autentikációra, vagy a rádió csatorna titkosítására használnak.

4. Rádió kapcsolati szempontok

A Nemzetközi Telekommunikációs Egyesület (ITU), ami a nemzetközileg lefoglalt rádióspektrumot menedzseli (más dolgok mellett) lefoglalt egy sávot 890-915 MHz a felső kapcsolat számára ( mobil állomástól a bázis állomásig) és a 935-960 MHz a alsó rádió kapcsolat számára (bázis állomástól a mobil állomásig) az európai mobil hálózatok számára. Mivel ez a tartományt már használták az analóg rendszerek 1980-as évek kezdetén, a CEPT előrelátó volt és lefoglalta minden sáv a felső 10 MHz –ét a GSM hálózat számára, ami akkor még fejlesztés alatt volt. Végül is a GSM lefoglalta az egész 2x25 MHz –es sávszélességet.

Mivel a rádió spektrum korlátozott erőforrása minden felhasználó között meg van osztva, egy eljárást kellett kitalálni, hogy a sávszélességet annyi felhasználó között legyen felosztva amennyi között csak lehet. A GSM által választott eljárás a Frekvencia- és Időosztásos Többszörös Elérés (TDMA/FDMA) kombinációja. Az FDMA rész magába foglalja a teljes 25 MHz –es sávszélesség 124db 200kHz –es hordozó frekvenciasávra való osztását. Egy vagy több hordozó frekvenciasáv ki van jelölve az egyes bázis állomások számára. Minden egyes hordozó frekvenciasáv időben is osztva van, használva a TDMA sémát, nyolc időnyílásba. Egy időnyílás a mobil átvitelre van használva és egy a vételre. Ezek időben külön vannak választva úgy, hogy a mobil egység nem tud egy időben adni és venni, tény, hogy ez egyszerűsíti az elektronikát.

Ennek a szekciónak a további részében az eljárás magába foglalja egy hangjel digitális átadásának vizsgálatát GSM hálózaton, néhány tulajdonságát ennek, mint a nem folytonos jel átadását ás vételét, a hang minőségének növelését, a mobil egység energia fogyasztásának csökkentését, és a hálózat általános kapacitásának növelését.

4.2 Csatorna struktúra

A legáltalánosabb idő – osztásos adatköteg struktúra a 2. képen látható. Az összesen 15625 bit 0.577 msec alatt van továbbítva, adott a durva átviteli sebesség 270.833 kbps. Van másik három féle adatköteg struktúra típus keret és hordozó szinkronizációhoz és frekvencia korrekcióhoz. A 26 bit sorrend használatos a kiegyensúlyozásra, mit az alább tárgyaljuk. T 8.25 bit őr időegység figyelembe veszi az időkésleltetéseket az adatköteg megérkezésében.

A nyolcas időrés minden csoportját DTMA keretnek hívjuk, ami minden 4.615 msec –ban el van küldve. A TDMA keretek tovább vannak csoportosítva multikeretekbe, hogy vezérlő jeleket hordozzanak. Két típusa van a multikereketnek a 26 és az 51 TDMA keretes. A 26 keretes multikeret tartalmaz 24 forgalmi csatornát és kettő Lassan Kapcsolódó Vezérlő Csatornát (SACCH), ami ellenőriz minden hívást a folyamatban. Az SACCH a 12-es keretben nyolc csatornát tartalmaz, mind a nyolc kapcsolatból egy hordozza a TCH -kat. A SACCH a 25. kerete nem használt, de nyolc további SACCH csatornát fog hordozni, mikor a félsebességű csatormát bevezetik. Egy Gyors Kapcsolódású Vezérlő Csatorna (FACCH) működik, hogy időréseket lopjon egy forgalmi csatornából energia szabályzási és handover-jelzés célokra. A csatorna lopás kész van egy vezérlő bit beállításával az időrésben.

A Kapcsolódó Vezérlő Csatornák mellett létezik sok más vezérlő csatorna, amik (kivéve az Egyedülálló Megjelölt Vezérlő Csatornát) a TDMA keret 0. időrésébe vannak betéve az 51 keretes multikeretben, rá van helyezve a nem ugró hordozó frekvenciára minden cellában. A vezérlő csatornák tartalmazzák:


Műsorszórás Vezérlő Csatorna (BCCH): állandó műsorszórás az alsó kapcsolaton, információ beleértve a bázis állomásazonosítást, frekvenciafoglalást, és frekvenciaugrás sorrendeket.
Egyedülálló Megjelölt Vezérlő Csatorna (SDCCH): Regisztrációra, autentikációra, hívás felépítésre, és helyzet frissítésre használt. Egy működtető által kiválasztott időrésbe van téve, együtt a SACCH –jával.
Általános Vezérlő Csatorna (CCCH): A három vezérlő csatorna magába foglalásával a hívás létrehozás és lapozás közben használatos.
Véletlen Elérésű Csatorna (RACH): Egy réselt Aloha csatorna a hálózat elérés kéréssel.
Lapozó Csatorna (PCH): A mobil állomás riasztására használatos bejövő híváskor.
Elérést Adó Csatorna (AGCH): A mobil számára SDCCH lefoglalására használatos, azt követően, hogy egy kérés van a RACH –on.
4.1 Beszédkódolás

A GSM egy digitális rendszer, így a beszéd jelet, öröklődően analóg, digitalizálni kell. Az eljárás az ISDN által, és a telefonrendszerekben használt a hang multiplexelésre nagy sebességű trönk vezetékeken és optikai szálas hálózaton a Pulzus Kód Moduláció (PCM). A PCM –ből kijövő adatfolyam 64 kbps sebességű, túl nagy ez a sebesség, ahhoz, hogy kivihető legyen rádió kapcsolatra. A 64 kbps –os jel sok redundanciát tartalmaz, bár könnyű megvalósítani. A GSM sok hang kódoló eljárást használ ez egyedi hangminőségek és komplexitások alapján (ami kapcsolatban van a költségekkel, számítási késleltetéssel, energia fogyasztással az egyes megvalósítások) mielőtt megérkezik a választása a Normális Pulzus Gerjesztett – Lineáris Előbecslő Kódolásnak (RPE-LPC) egy Hosszú Tagú Előbecslő ciklussal. Alapvetően, információ az előző mintából, ami nem változik nagyon gyorsan, használatos az aktuális minta becslésére. Az előző minták lineáris kombinációinak koefficiensei, plusz a maradék kódolása, a különbség a becsült és az aktuális minta között, reprezentálja a jelet. A hang szét van osztva 20 milliszekundumos mintákra, minden ilyen 260 bitre van kódolva, ezzel adva a teljes bitsebesség 13 kbps.

4.2 Csatornakódolás és moduláció

A természetes és az emberek által gerjesztett interferenciáknak köszönhetően, a kódolt beszédet vagy adatot a rádió interface felett védeni kell, ahogyan célszerű. A GSM rendszer konvolúciós kódolást használ és blokk besorolást ennek a védelemnek az elvégzéséhez. Az egzakt algoritmus használata különbséget eredményez a beszéd és az adat sebességekben. Az eljárást beszéd blokkokra használják, alább lesz tárgyalva.

Emlékezz, hogy a hang kódolási eredmény egy 260 bites blokk minden 20 milliszekundumban beszéd minta. A szubjektív tesztekből kiderült, hogy néhány bit ezen blokkok közül sokkal fontosabb az észrevehető hangminőség miatt, mit a többi. A biteket így három osztályba sorolták:

Ia Osztály – 50 bit a legérzékenyebb a bithibákra

Ib Osztály – 132 bit közepesen érzékeny a bithibákra

II Osztály – 78 bit legkevésbé érzékeny a bithibákra

Az Ia osztálynak van három bitje a Ciklikus Maradék Kód amit hozzáadtak hiba detekciós célokra. Ha hibát detektál, a keretet túl sérültnek minősíti, ahhoz hogy érthető legyen és azt kidobja. Kicseréli egy kissé tompított változatú előzőleg vett kerettel. Ez 53 bit, együtt a 132 bites Ib osztállyal és 4 bites farok résszel (189 bit összesen) van bevezetve az 1/2 sebességű 4 hosszúságúra kötött konvolúciós kódolóba. Minden bemenő bit két kimenő bittel van kódolva, az előző négy bemeneti bit kombinációján alapulva. A konvolúciós kódoló így 378 bitet ad ki a kimenetére, amihez hozzáadódik a maradék 78 II osztályú bit, amik nem védettek. Így minden 20 milliszekundumos beszédminta 456 bitre van kódolva, az adódó bitsebesség 22.8 kbps.

További védelem az adatköteg hibákkal szemben a rádió interface –nél, minden minta diagonálisan van beillesztve. A konvolúciós kódoló kimenetén lévő 457 bitet 8 57 bites blokkra bontják, és ezek a blokkok nyolc egymás utáni időrés adatkötegben továbbítódnak. Mivel minden időrés adatköteg két 57 bites blokkot tud szállítani, minden adatköteg két különböző beszédminta forgalmát viszi.

Emlékezz, hogy minden időrés adatköteg durván 270.833 kbps sebességgel van továbbítva. Ez a digitális jel van modulálva analóg hordozó frekvenciára, aminek a sávszélessége 200 MHz, Gauss szűrőt használva minimum átviteli kulccsal (GMSK). A GMKS más modulációs sémák közül lett kiválasztva, mint egy kompromisszum a spektrális kihasználtság, az adó-vevő komplexitása, és a hamis kibocsátások korlátozása között. Az adó – vevő komplexitása kapcsolatban van az energia fogyasztással, amit a mobil állomásban minimalizálni kellene. A hamis rádiójel kibocsátás, kívül van a sávszélességen, komolyan szabályozni kell, abból a célból, hogy korlátozzuk a határos csatornák interferenciáját, és lehetővé tegyük a GSM és más analóg rendszerek egyesülését (legalább addig az ideig amíg léteznek)

4.3 Többutas kiegyenlítődés

900 MHz –es sebességen a rádióhullám mindenről visszaverődik – épületek, hegyek, autók, repülőgépek, stb. Így sok visszavert jel, mindegyik más fázisban, elérhet egy antennát. Az kiegyenlítést arra használjuk, hogy kinyerjük a kívánt jelet a nem kívánt reflexiók közül. A kiegyenlítődés úgy működik, hogy kitalálja hogyan változott a küldött jel a többutas gyengülés miatt, és előállít egy inverz szűrőt, hogy kinyerje a kívánt jel maradékát. Ez az ismert jel 26 bites gyakorlati sorrendben átadott minden időegység adatköteg közepén. A kiegyenlítő valódi megvalósítását nem specifikálja a GSM specifikáció.

4.4 Frekvencia ugrás

A mobil állomás legyen frekvencia mozgékony, ami azt jelenti, hogy mozoghat az adás és a vétel között, és figyelheti az időrést egy TDMA kereten belül, ami különböző frekvenciákon lehet. A GSM kihasználja a frekvencia fürgeségi tulajdonságát, hogy bevezesse a lassú frekvencia ugrást, ahol a mobil és a BTS ugyanazt a TDMA keretet más hordozófrekvencián adja. A frekvencia ugró algoritmus műsorszórva van a Műsorszórást Vezérlő Csatornán. Mivel a többutas gyengülés (közepesen) függ a hordozó frekvenciától, lassú frekvenciaugrás segíti csillapítani a problémát. Azon felül az együttműködő csatornák interferenciája is hatással van.

4.5 Nem folyamatos átvitel

Az együttműködő csattornák interferenciájának minimalizálása az egyik célja minden celluláris rendszernek, mivel az jobb szolgáltatást tesz lehetővé adott cellaméret mellett, vagy kisebb cellák használata, így növekszik a rendszer teljes kapacitása. Nem folytonos átvitel (DTX) egy eljárás, ami azt a tényt használja ki, hogy egy ember egy normális beszélgetésidejének kevesebb, mint 40 % -ában beszél, ezáltal az adó-vevő kikapcsol a csendes periódusokra. Egy adódó előnye a DTX –nek, hogy a mobil egység megtartja az energiát.

A legfontosabb komponense a DTX-nek, természetesen, a Hang Aktivitás Detektor. Ennek különbséget kell tennie hang és zaj bemenet között, ez nem olyan triviális, mint amilyennek tűnik, tekintettel a háttérzajokra. Ha a hangjel rosszul zajnak értelmezett, az adó – vevő kikapcsol és a nagyon bosszantó hatást nyírásnak nevezzük, ami a vég vételénél hallatszik. Ha, másfelől, ha a zaj van hangnak rosszul értelmezve túl gyakran, a DTX hatásfoka drasztikusan csökken. Másik faktor az, mikor az adó – vevő kikapcsol, akkor egy nagyon csendes csend hallatszik a vétel végekor, a GSM digitális természetéből kifolyólag. A vevő biztosításához, hogy a kapcsolat nem halott, egy vigasz hang van kreálva a vétel végén az átadott vég háttérzajának karakterisztikájának összehangolásának megpróbálására.

4.6 Nem folytonos vétel

Másik eljárás használatos a mobil állomás energiájának megtartására a nem folytonos vétel. A lapozó csatornát használja a bázis állomás, hogy jelezze a bejövő hívást, ez úgy van kialakítva, hogy a mobil állomás tudja mikor szükséges ellenőrizni a lapozó csatornát. Két lapozó jel között a mobil alvó módba mehet, amikor majdnem semmi energiát sem használ.

4.7 Energiaszabályzás

Öt osztály van a definiált mobil állomásoknak, a teljesítmény csúcsuk szerint, ezekben az értékekben 20, 8, 5, 2, 0.8 watt. Az egymásra ható csatornák minimalizálása és a megőrzött energia miatt, mind a mobilok, mind a Bázis Adó - Vevő Állomás a legalacsonyabb energiaszinten működik, ami egy elfogadható jel minőséget tart fenn. Az energiaszintek lefelé és felfelé léphetnek 2 dB –es ugrásokkal az osztály csúcs energiából egy minimum 13 dB -hez (20 milliwatt).

A mobil állomás méri a jel erejét vagy a jel minőségét ( a Bit Hiba Mértékén alapulva), és eljuttatja az információt a Bázis Állomás Vezérlőhöz, ami végül dönt, ha meg kellene változtatni az energiaszintet és mikor. Az energiaszabályzást gondosan kellene kezelni, mivel az instabilitást okozhat. Ez azoknál a mobiloknál jelentkezik , amelyeknek van egymásra ható csatornája és a cellák váltakozva növelik az energiáikat a válaszban ezzel növelva az egymásra ható csatornák interface – ét, amit más mobilok energiájának növelése okoz. Ez valószínűtlen, hogy megtörténik a gyakorlatban, de ez tanulmányozás alatt van (vagy 1991-ben volt).

4.8 Hálózati aspektusok

A hang vagy az adat átvitel adott minőségének biztosítása rádió kapcsolaton keresztül csak a fél probléma egy celluláris mobil hálózatban. Az a tény, hogy a geográfiai terület le van fedve a cellákra osztott hálózattal szükségessé teszi a handover mechanizmus bevezetését. Valamint, az a tény, hogy a mobil bolyonghat nemzeti és nemzetközi környezetben a GSM követelményekben benne van, hogy annak regisztrációja, autentikációja, hívás eljuttatása és a helyzet frissítése funkcióknak létezniük kell a GSM hálózatban.

A GSM –ben a jelzés protokoll három rétegbe van szerkesztve. Az első réteg a fizikai réteg, ami a fent említett csatorna struktúrát használ. A második réteg az adatkapcsolati réteg. Az Um interfacen keresztül, az adatkapcsolati réteg az ISDN által használt LAPD protokollt kevés módosítással használja, amit LAPDm –nek hívnak. Az A interfacen keresztül, a Jelzés Rendszer Szám 7 alsóbb részét használja. A harmadik réteg három alosztályba van sorolva.

4.8.1 Rádió erőforrás menedzsment

Vezérli a rádiócsatornák kapcsolat felépítését, a fenntartását, és a lebontását.

4.8.2 Mobilitás menedzsment

Kezeli a tartózkodási hely frissítést, handover –eket, és a regisztrációs eljárásokat, alább tárgyaljuk.

4.8.3 Kapcsolódás menedzsment

Kezeli a teljes hívás vezérlést, hasonlít a CCITT Q.931 ajánláshoz, és kiegészítő szolgáltatásokat ad.A hálózaton belüli két különböző entitás közötti jelzés, mint a HRL és a VLR között, a Mobil Alkalmazás Részen (MAP) keresztül van megvalósítva. Az alkalmazási rész a legfelső rétege a Jelzés rendszer Szám 7 –nek. A MAP specifikációja komplex. Ez az egyik leghosszabb dokumentum a GSM ajánlásban, több, mint 600 oldal hosszúság hírében áll.

A mobilitás menedzsment alréteg fő funkciói alább tárgyaltak.

5.1 Handover

Handover, vagy handoff mint, ahogy Észak Amerikában hívják, egy folyamatban lévő hívás átkapcsolása másik csatornára vagy cellára. Négy különböző típusú handover van a GSM rendszerben, ami magába foglalja a hívás továbbítást
Csatornák (időrések) között egyazon időben,
Cellák (Bázis Adó - Vevő Állomás) között ugyanazon Bázis Állomás Vezérlő (BSC) vezérlése alatt.
Különböző BSC-k által vezérelt cellák között, de ugyanazon Mobil szolgáltatás Kapcsoló Központhoz (MSC) tartoznak, és
Különböző BSC –k szabályzása alatt lévő cellák között.
Az első két típusát a hanover –eknek belső handover –eknek hívjuk, csak egy Bázis Állomás Vezérlőt magába foglalva. A sávszélesség megőrzése érdekében, a BSC –k vezérlik azokat, a Mobil szolgáltatás Kapcsoló Központot (MSC) nem beleértve, kivéve ha értesítve van a handover befejeztekor. Az utolsó három típusa a handover –eknek, külső handover –eknek hívjuk, az MSC –k kezelése alá tartoznak. Megjegyezzük, hogy a hívás vezérlés, mint a kiegészítő szolgáltatások kikötése és a további handoff –ok miatti kérések, az eredeti MSC által kezeltek.

A handover –eket a mobil vagy az MSC inicializálhatja ( a forgalom elemeinek töltöttségének kiegyensúlyozása). A tétlen időszeletek közben a mobil letapogatja 16 szomszédos celláig azok Műsorszórás Vezérlő Csatornáit, és egy listát készít a legjobb hatról a lehetséges handover –ek miatt, a bejövő jel erősségén alapulva. Ezt az információ eljuttatja a BSC –nek és az MSC –nek, és a handover algoritmus használja.

Az algoritmus nincs specifikálva a GSM ajánlásban arra az esetre, mikor egy handover döntést kellene tenni. Három alapvető algoritmus használatos, mindkettő szorosan az energia szabályzáshoz van kötve. Ez azért van mert a BSC általában nem tudja, hogy a gyenge jel minőség a sokutas gyengülésnek tudható be vagy a mobil ment át egy másik cellába. Ez különösképpen igaz kis városi cellákra.

A ’minimum elérhető teljesítmény’ algoritmus elsőbbséget ad az energia szabályzásnak megelőzve a handover –eket, úgyhogy mikor a jel bizonyos érték alá esik, a mobil energiaszintje emelkedik. Ha további energianövelés nem javítja a jelet, akkor a hanover kerül szóba. Ez az egyszerűkk és sokkal általánosabb eljárás, de ez ’ elmaszatolja’ a cella határokat, mikor a mobil az energiacsúcson adása túlmegy az eredeti cella határán bele másik cellába.

Az ’ energia költségvetés’ eljárás handover –t használ, hogy megpróbálja fenntartani vagy növelni a jelminőséget ugyanazon, vagy alacsonyabb energiaszinten. Ez így azt adja, hogy a handover előzi meg az energia szabályzást. Ez elkerüli az ’ elmaszatolt’ cella határok problémáját és csökkenti az egymásra ható cellák interferenciáját, de ez egészen komplikált.

5.2 Helyszín frissítés és hívás eljuttatás

A GSM ad egy interfacet a GSM mobil hálózat és a nyilvános fix hálózat között. A fix hálózat szempontjából, az MSC csak egy másik kapcsoló csúcs. Azonban a kapcsolás egy kicsit komplikáltabb a mobil hálózatban, mivel az MSC –nek tudnia kell, hogy éppen hol bolyong a mobil – és az GSM –nek még képesnek kell lenni más országbeli roamingra. A GSM a helyzet frissítést és a hívás eljuttatást a mobilhoz két helyi regiszter használatával valósítja meg: az Otthon Hely Regiszter (HLR) és a Látogató Hely Regiszter (VLR).

A helyzet frissítést a mobil kezdeményezi, mikor figyeli a Műsorszórást Vezérlő Csatornát, ez közli azt, hogy a helyi – területi műsorszórás nem ugyanaz, mint az egyel ezelőtt a mobil memóriájában tárolt. Egy frissítés kérés és az IMSI vagy az előző TMSI van elküldve az új VLR –nek az új MSC –n keresztül. Az új VRL lefoglal egy Mobil Állomás Bolyongási Számot (MSRN) és elküldi a mobil HRL –jének (ami mindig a legfrissebb helyzetet tartja). Az MSRN egy rendes telefonszám, ami eljuttatja a hívást az új VLR –nek és utólag továbbítja a mobil TMSI –jének. A HRL visszaküldi a szükséges hívás vezérlés paramétereket, és valamint küld egy cancel üzenetet a régi VLR –vek, úgyhogy az előző MSRM újra lefoglalható. Végül, egy új TMSI lefoglalódik és elküldik a mobilnak, hogy azonosítsa azt a jövőbeni lapozásban vagy a híváskezdeményezés kérést.

A fenti helyszín-frissítő eljárással könnyű megvalósítani a hívás eljuttatása egy bolyongó mobilhoz. A legáltalánosabb eset a 4. Ábrán látható, ahol egy hívás a fix hálózatból (Nyilvánosan kapcsolt Telekommunikációs Hálózat vagy Integrált Szolgáltatású Digitális Hálózat) egy mobil előfizetőhöz van helyezve. Használva a Mobil Előfizető telefonszámát (MSISDN, az ITU –T E.164 ajánlásában lévő ISDN számozási terv), a hívás keresztülmegy a fix hálózaton a GSM kapujához az MSC –hez (az MSC kapcsolja össze a fix földi hálózattal, így szükséges egy visszhang törlő). A kapu MSC az MSISDN –t használja, hogy megkérdezze az Otthoni Hely Regisztert, ami visszaadja az aktuális roaming számot (MSRN). A kapu MSC használja az MSRN –t, hogy eljuttassa a hívást a megfelelő MSC-hez (ami általában párban van a VLR –el). A VLR akkor átalakítja a roaming számot a mobil TMSI –jévé, és egy lapozó hívást közvetít a cellákon az aktuális BSC szabályzása alatt, hogy informálja a mobil.

5.3 Autentikáció és biztonság

Mivel a rádió médium mindenki által elérhető, a felhasználók autentikációja mutatja meg, hogy ki mire formálhat jogot, ez egy nagyon fontos része a mobil hálózatnak. Az autentikáció két funkcionális entitást foglal magába, a SIM kártyát a mobilban, és az Autentikációs Központot (AC). Minden előfizetőnek adnak egy titkos kulcsot, egy másolata ennek a SIM kártyán tárolódik és a másik az Autentikációs Központban. Az autentikáció közben az AC egy véletlen számot generál, amit elküld a mobilnak. Mindkettő, a mobil és az autentikációs központ a véletlen számot használja az előfizető titkos kulcsával és egy A3 –nak hívott rejtjelező algoritmussal való összevetésben, hogy generáljon egy számot, amit visszaküld az Ac –nek. Ha a szám, amit a mobil küldözz azonos azzal, amit az AC számolt, akkor az előfizető azonosítva van.

A fenti számított szám használatos együtt egy TDMA keretszámmal és más A5 –nek nevezett titkosító algoritmussal is, hogy a rádiókapcsolaton való titkosított adatküldés esetén megakadályozzunk másokat, hogy belehallgassanak. A titkosítás egy opció a nagyon paranoiásoknak, mivel a jel már kódolva van, átlapolt, és TDMA formában továbbítva van, így védelmet nyújt mindenkivel szemben a legkitartóbbakkal és a dedikált hallgatózókkal szemben is.

A biztonság másik szintje a mobil felszerelésben van megvalósítva, szemben a mobil előfizetővel. Mint már korábban említettük, minden GSM terminált azonosít egy egyedi Nemzetközi Mobil Berendezés Azonosító (IMEI) szám. Az IMEI –k listája a hálózatban a Berendezés Azonosító Regiszterben (EIR) van eltárolva. Az állapot a válaszban adódik vissza egy IMEI-nek az EIR –hez intézett kérdésre, ami egy a következők közül:

Fehér-tételes

A terminálnak meg van engedve, hogy kapcsolódjon a hálózatra.

Szürke-tételes

A hálózat megfigyelése alatt, lehetséges problémák

Fekete-tételes

Vagy be lett jelentve, hogy a terminált ellopták, vagy az egy nem jóváhagyott típus (megfelelő típusú terminál a GSM hálózathoz). A terminálnak nincs megengedve, hogy a hálózathoz csatlakozzon.

6. Következtetés és megjegyzések

Ezen a papíron megpróbáltam egy GSM rendszer áttekintést adni. Mint bármelyik áttekintésben, és különösképpen amelyikhez a szabvány 8000 oldal hosszú, sok részlet hiányzik. Hiszem azonban, hogy megmutattam a GSM ízét és a tervezés mögötti filozofikus hátteret. Ez egy monumentális feladat volt, amit a GSM bizottság felvállalt, és egy ami már bizonyította a sikert, mutatják azt a nemzetközi együttműködések, olyan projektek amiket akadémiák, gyárak, kormányok sikerrel tudnak teljesíteni. Ez egy szabvány, ami biztosítja a működést fullasztó verseny nélkül és az innovációt a szolgáltatók között, hogy a nyilvánosság hasznát lássa mind a költségek, mind a szolgáltatás minősége szempontjából. Például a Nagyon Nagy Mértékű Integrációt (VLSI) használva a mikroprocesszor technológiában, a mobil állomás sok funkcióját bele lehet építeni egy chipbe, eredményezve egy könnyebb, kisebb, és sokkal energiatakarékosabb terminált.

A telekommunikáció a személyes kommunikációs hálózatok irányába van fejlesztve, aminek a megvalósítása elkezdhető, mint a kommunikációs szolgáltatások hozzáférhetősége bármikor, bárhol, bárkinek, egy egyszerű azonosítószám és egy csomagolható kommunikációs terminál használatával. Egy tömeg inkompatibilis rendszer létezése a világon egyre távolabb megy, nem közelebb, ettől az ötlettől. Az egységes rendszer alkotásából származó termelésnövekedésből származó költségmegtakarítás elég ahhoz, hogy igazolja ennek bevezetését, nem említve az emberek kényelmét, hogy csak egy terminált kell hordozniuk bárhová is mennek, tekintet nélkül a nemzeti határokra.

A GSM rendszer, és ennek iker rendszere, ami 1800 MHz –en működik, DCS 1800 –nak hívják, az első közelítés a valódi személyi kommunikációs rendszerek felé. A SIM kártya egy regényes megközelítés, ami bevezeti a személyes mobilitást a terminál mobilitásával együtt. Együtt a nemzetközi roaming –al, és sok más szolgáltatás támogatásával, int az adat átvitel, fax, Rövid Üzenet Szolgáltatás, és kiegészítő szolgáltatások, emellett a telefon, a GSM közel kerül, ahhoz, hogy teljesítse egy személyes kommunikációs rendszer követelményeit: nagyon elég ahhoz, hogy ez legyen használva bázisként a következő generációs kommunikációs technológiában, Európában.

Másik szempont, ahol a GSM már megmutatta az elkötelezettségeit a nyitottságra, szabványokra és működési kompatibilitásra az Integrált Szolgáltatású Digitális Hálózattal (ISDN), ami fejlesztés alatt van a legtöbb iparosodott országban, és Európában különösképpen (az úgynevezett Euro-ISDN). A GSM az első rendszer, ami az Intelligens Hálózat kiterjedt használatának fogalmát használja az ISDN –ben, amiben a szolgáltatások, úgy 800, néhány centralizált szolgáltatási központba vannak koncentrálva és ott kezelve, ahelyett, hogy minden kapcsolóközpontba szét lenének osztva az országban. Ez a fogalom a különböző regiszterek, mint a HLR, használata mögött van. Továbbá a jelzésrendszer e funkcionális entitások között a a Jelzés Rendszer Szám 7 –et használja, egy nemzetközi szabvány már használatban van sok országban és az ISDN -hez van specifikálva.

A GSM egy nagyon komplex szabvány, de valószínűleg az az ára, hogy meg kell fizetni az integrált szolgáltatások szintjét és a minőségi kínálatot, amíg alá van vetve a rádió környezet szigorú korlátozási kényszereinek.

Vissza a tetejére