Описание стандарта GSM. Как работает радиоинтерфейс в GSM-сетях

Все мы пользуемся мобильными телефонами, но при этом редко кто задумывается - как же они работают? В данной статье мы постараемся разобраться, как, собственно, реализуется связь относительно вашего мобильного оператора.

Когда вы осуществляете звонок своему собеседнику, или кто-то звонит вам, ваш телефон соединяется по радиоканалу с одной из антенн соседней базовой станции (БС, BS, Base Station) .Каждая базовая станция сотовой связи (в простонародье - вышки сотовой связи) включает в себя от одной до двенадцати приемо-передающих антенн , имеющих направления в разные стороны с целью обеспечения качественной связью абонентов в радиусе своего действия. Такие антенны специалисты на своем жаргоне называют «секторами» , представляющими собой серые прямоугольные конструкции, которые вы можете практически каждый день видеть на крышах зданий или специальных мачтах.

Сигнал от такой антенны поступает по кабелю прямо в управляющий блок базовой станции. Базовая станция является совокупностью секторов и управляющего блока. При этом определенную часть населенного пункта или территории обслуживают сразу несколько базовых станций, подключенных к специальному блоку - контроллеру локальной зоны (сокращенно LAC, Local Area Controller или просто «контроллер»). Как правило, один контроллер объединяет до 15 базовых станций определенного района.

Со своей стороны, контроллеры (их также может быть несколько) соединены с самым главным блоком - Центром управления мобильными услугами (MSC, Mobile services Switching Center) , который для упрощения восприятия принято называть просто «коммутатором» . Коммутатор, в свою очередь, осуществляет вход и выход на любые линии связи - как сотовой, так и проводной.

Если отобразить написанное в виде схемы, то получится следующее:
GSM-сети небольшого масштаба (как правило, региональные) могут использовать всего один коммутатор. Крупные же, такие как наши операторы «большой тройки» МТС, Билайн или МегаФон, обслущивающие одновременно миллионы абонентов, используют сразу несколько объединенный между собой устройств MSC.

Давайте разберемся, зачем нужна столь сложная система и почему нельзя подключить антенны базовых станций к коммутатору напрямую? Для этого нужно рассказать про еще один термин, называемый на техническом языке handover (хэндовер) . Он характеризует собой передачу обслуживания в мобильных сетях по эстафетному принципу. Иными словами, когда вы перемещаетесь по улице пешком или в транспортном средстве и говорите при этом по телефону, то, чтобы ваш разговор при этом не прерывался, следует своевременно переключать ваш аппарат из одного сектора БС в другой, из зоны действия одной базовой станции или контроллера локальной зоны в другую и т.д. Следовательно, если бы сектора базовых станций подключались к коммутатору напрямую, ему бы пришлось самому осуществлять данную процедуру хендовера всех своих абонентов, а у коммутатора и без того хватает задач. Поэтому для уменьшения вероятности отказов оборудования, связанных с его перегрузками, схема построения сотовых сетей GSM реализуется по многоуровнему принципу.

В итоге, если вы со своим телефоном перемещаетесь из зоны обслуживания одного сектора БС в зону действия другого, то данное перемещение осуществляет блок управления данной базовой станции, не касаясь при это более «высокостоящих» устройств - LAC и MSC. Если же хэндовер происходит между разными БС, то за него берется уже LAC и т. д.

Коммутатор - ни что иное, как основной «мозг» сетей GSM, поэтому его работу следует рассмотреть более детально. Коммутатор сотовой сети берет на себя примерно те же задачи, что и АТС в сетях проводных операторов. Именно он понимает, куда вы осуществляете звонок или кто звонит вам, регулирует работу дополнительных услуг и, собственно, решает - можете ли вы в настоящее время осуществить свой звонок или нет.

Теперь давайте разберемся, что же происходит, когда вы включаете свой телефон или смартфон?

Итак, вы нажали «волшебную кнопку» и ваш телефон включился. На SIM-карте вашего сотового оператора находится специальный номер, который носит название IMSI - International Subscriber Identification Number (Международный опознавательный номер абонента) . Он является уникальным номером для кажой SIM-карты не только у вашего оператора МТС, Билайн, МегаФон и т.п., а уникальным номером для всех мобильных сетей в мире! Именно по нему операторы отличают абонентов между собой.

В момент включения телефона ваш аппарат посылает данный код IMSI на базовую станцию, которая передает его далее на LAC, он же, в свою очередь, отсылает его на коммутатор. При этом в нашу игру вступают два дополнительных устройства, свзанных непосредственно с коммутатором - HLR (Home Location Register) и VLR (Visitor Location Register) . В переводе на русский это, соответственно, Регистр домашних абонентов и Регистр гостевых абонентов . HLR хранит в себе IMSI всех абонентов своей сети. В VLR же содержится информация о тех абонентах, которые пользуются сетью данного оператора в настоящее время.

Номер IMSI передается в HLR с помощью системы шифрования (за этот процесс отвечает еще одно устройство AuC - Центр аутентификации) . HLR при этом проверяет, существует ли в его базе абонент с данным номером, и если факт его наличия подтверждается, система смотрит, может ли он в настоящее время пользоваться услугами связи или, скажем, имеет финансовую блокировку. Если все нормально, то данный абонент отправляется в VLR и после этого получает возможность звонить и пользоваться другими услугами связи.

Для наглядности отобразим данную процедуру с помощью схемы:

Таким образом, мы коротко описали принцип работы сотовых сетей GSM. На самом деле, это описание достаточно поверхностно, т.к. если углубиться в технические детали подробнее, то материал бы получился во много раз объемнее и гораздо менее понятным для большинства читателей.

Во второй части мы продолжим знакомство с работой сетей GSM и рассмотрим, как и за что оператор списывает средства с нашего с вами счета.

По состоянию на ноябрь 2007г. в России было около 168 млн. абонентов мобильной связи. При этом 85 % из них - клиенты GSM-операторов "большой тройки" - "Мобильных телесистем" (МТС), "Мегафона" и "Вымпелкома". Несмотря на то, что годовые темпы прироста постоянно сокращаются, уровень проникновения сотовых услуг в целом по России составляет 107%, при этом в Московской лицензионной зоне (МЛЗ) этот показатель составил 164%.

Лидерство в приросте абонентской базы в общероссийском масштабе удерживает Мегафон, а в МЛЗ он уступает по этому показателю компании МТС. Среди федеральных и региональных операторов наиболее высокие темпы прироста абонентов в годовом исчислении демонстрируют Tele2, НТК, Байкалвестком и Енисейтелеком.

Региональные GSM-операторы, не входящие в "большую сотовую тройку", ищут способ конкурентной борьбы с гигантами рынка. Большинство независимых GSM-операторов в России появились в последние несколько лет на базе операторов устаревшего стандарта AMPS. Все они в 2001-2002 гг. получили от Минсвязи лицензии, дающие им право на работу в стандарте GSM-1800.
Сейчас эти компании одна за другой запускают GSM-сети, но их абоненты, оказавшись в других регионах, вынуждены платить за связь в роуминге по $1-$1,5 за минуту. Теперь эти компании намерены договориться о единых роуминговых тарифах друг для друга, что позволит абонентам сетей при перемещении по стране ощущать себя не хуже клиентов МТС, "Вымпелкома" и "МегаФона", для которых единые и сравнительно низкие тарифы на внутрисетевой роуминг являются одним из ключевых преимуществ операторов "большой тройки".

Открытое Акционерное Общество «Мобильные ТелеСистемы» (МТС) - крупнейший оператор сотовой связи в России и странах СНГ, обслуживающий более 74 миллионов абонентов. Лицензионный портфель МТС включает большинство регионов России, Украину, Белоруссию, Узбекистан и Туркменистан, а население, проживающее в зоне действия сети МТС, составляет более 230 миллионов человек.
Компания "Мобильные ТелеСистемы" была образована в октябре 1993 года. 19 ноября 1993 года МТС получила первую лицензию на оказание услуг сотовой связи стандарта GSM. 15 мая 1994 г. были совершены первые звонки в сети МТС и уже 7 июля 1994 года МТС начала подключать первых абонентов.
В июне 2002 года МТС запустила сеть в Республике Беларусь. В марте 2003 года МТС приобрела контрольный пакет акций UMC, ведущего оператора мобильной связи в Украине.

ОАО "Мегафон" - общероссийский оператор мобильной связи стандарта GSM 900/1800. Образован в мае 2002 года. Лицензионная территория ОАО "МегаФон" охватывает 100% территории России - все 89 субъектов РФ, где проживает 145 миллионов человек. МегаФон - первый общероссийский оператор мобильной связи стандарта GSM 900/1800.

ОАО "ВымпелКом" является оператором сотовой связи в России, предоставляющим свои услуги под торговой маркой "Билайн". Лицензии на предоставление услуг сотовой связи группы компаний "ВымпелКом" охватывают территорию, на которой проживает 94% населения России, включая Москву, Московскую область и Санкт-Петербург. Сеть "Билайн" работает на территории 76 субъектов РФ.
Компания "ВымпелКом" организована 15сентября 1992 г. В июне 1997 года осуществлен успешный запуск первой в России сети стандарта GSM-1800- "БИЛАЙН 1800". 21 октября 1998 года компания успешно запустила в Москве первую очередь двухдиапазонной сети GSM-900/1800.
24 марта 1999 года АО "ВымпелКом" вошел в число членов Ассоциации Операторов GSM, которая объединяет компании, работающие встандарте GSM-900 и GSM-1800 на территории России и ряда стран СНГ.

ЗАО «СредневолжскаяМежрегиональная Ассоциация РадиоТелекоммуникационных Систем» (СМАРТС) было основано в мае 1991 г. в Самаре. Учредителями компании на 95% являются физические лица. Сейчас GSM-сеть СМАРТС охватывает 16 регионов России. На сегодняшний день СМАРТС заключила роуминговые соглашения практически со всеми российскими сетями в 74 регионах. Мировой роуминг у компании действует в 78 странах.

ОАО"Уралсвязьинформ" –крупнейший оператор мобильной связи и интернет-услуг Уральского региона. Компания работает на территории семи субъектов РФ общей площадью 1,9 млн. кв. км с населением более 15 млн. человек

НСС Нижегородская Сотовая Связь - в конце июня 1995 года компания начала работу с абонентами. В 1999 году компания наладила связь с миром посредством международного роуминга.

ОАО "Сибирьтелеком" - это крупнейший оператор телекоммуникационных услуг в Сибирском федеральном округе. Компания действует на территории около 5 тыс.кв.км с численностью населения порядка 21 млн. человек.

TELE2 , до 1993года известная под названием Comviq, была основана в Швеции в 1981 году. В России TELE2 являетс явладельцем 12 российских компаний-операторов мобильной связи. Первая в России сеть мобильной связи TELE2 была запущена в Иркутске 1 апреля 2003 года.

Знаете ли вы, что

Стандарт GSM (от названия группы Groupe Special Mobile, позже переименован в Global System for Mobile Communications) (русск. СПС-900) - глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи второго поколения, с разделением канала по принципу TDMA и высокой степенью безопасности благодаря шифрованию с открытым ключом. Разработан под эгидой Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 80-х годов.

Стандарт GSM является цифровым и обеспечивает высокое качество и конфиденциальность связи и предоставляет абонентам большой набор услуг: автоматический роуминг, прием/передача данных,SMS-сервис, голосовая и факсимильная почта. Основные недостатки стандарта: искажение голоса при цифровой обработке и передаче его по радиоканалу, небольшой радиус действия базовой станции, GSM телефон не может работать при расстоянии от базовой станции в 35 км.

Сотовые телефоны стандарта GSM функционирует в 4-х диапазонах частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц. Существуют также, и довольно распространены, мультидиапазонные (Dual-Band, Multi-Band) телефоны, способные работать в диапазонах 900/1800 МГц, 850/1900 МГц, 900/1800/1900 МГц.

В стандарте GSM применяется GMSK модуляция с величиной нормированной полосы В*Т - 0,3, где В - ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т - длительность одного бита цифрового сообщения.

GSM на сегодняшний день является наиболее распространенным стандартом связи. По данным ассоциации GSMA на данный стандарт приходится 82% мирового рынка мобильной связи, 29% населения земного шара использует глобальные технологии GSM. В GSMA в настоящее время входят операторы более чем 210 стран и территорий.

Цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 890 до 915 МГц (от телефона к базовой станции) и от 935 до 960 МГц (от базовой стации к телефону).

В некоторых странах диапазон частот GSM-900 был расширен до 880-915 МГц (MS -> BTS) и 925-960 МГц (MS <- BTS), благодаря чему максимальное количество каналов связи увеличилось на 50. Такая модификация была названа E-GSM (extended GSM).

Цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 1710 до 1880 МГц:

• Максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 - 1Вт, для сравнения у GSM-900 - 2Вт. Большее время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижение уровня радиоизлучения.
• Высокая ёмкость сети, что важно для крупных городов.
• Возможность использования телефонных аппаратов, работающих в стандартах GSM-900 и GSM-1800 одновременно. Такой аппарат функционирует в сети GSM-900, но, попадая в зону GSM-1800, переключается - вручную или автоматически. Но использование аппарата в двух сетях возможно только в тех случаях, когда эти сети принадлежат одной компании, или между компаниями, работающими в разных диапазонах, заключено соглашение о роуминге.

Особенность GSM-1800 состоит в том, что зона охвата для каждой базовой станции значительно меньше, чем в стандартах GSM-900, AMPS/DAMPS, NMT-450 . Необходимо большее число базовых станций. Чем выше частота излучения, тем меньше проникающая способность (характеризуется т. н. глубиной скин-слоя) радиоволн и тем меньше способность отражаться и огибать преграды.

Также смотрите:

В переводе с английского, GSM переводится как - система глобальной мобильной связи, принадлежащая к сетям второго поколения. Давайте немного вернемся в историю и рассмотрим, как появился и развивался этот популярный стандарт.

Стандарты сети GSM

1. Аналоговая связь – 1G. Данный вид связи начал свое развитие в 1982 году. Во времена появления AMPS – Усовершенствованная Подвижная Телефонная Служба. Данный сервис использовался для голосовых каналов связи, работающих на частоте от 800 МГц.
2. Цифровая связь – 2G. С наступлением 90-х годов, прогресс сделал шаг вперед, и появилось 2-е поколение сотовой связи. Активно развиваясь в направление освоения цифровой связи, были разработаны такие стандарты, как EDGE – 2,7G и GPRS – 2,5G.
3. Широкополосная цифровая связь – 3G. Данный стандарт появился относительно недавно, и помимо услуг сотовой связи предоставляет своим пользователям доступ к сети Интернет. В след за ним появляется улучшенный стандарт HSDPA – 3.5G.
4. Высокоскоростная мобильная связь – 4G. Новое поколение сотовой связи, отличается от предыдущих стандартов более высокой скоростью и качеством сигнала. Так же помимо сотовой связи, поддерживает доступ к сети Интернет.

В наши дни GSM стандарт самый популярный и распространенный не только в России, но и во всем мире. Мобильные телефоны этого стандарта работают в 4-х диапазонах частот – 850 МГц, а так же 900, 1800 и 1900 МГц.

Как все начиналось

Первоначально аббревиатура GSM имела другое значение - Groupe Special Mobile, название группы специалистов создавшей этот стандарт. В последующем значение сменилось на уже привычное - Global System for Mobile Communications, в переводе означающее Система Глобальной Мобильной Связи. Это название и прижилось во всем мире.

Все началось с того, что в 82 году прошлого века, 26 телефонных компаний Европы занялись разработкой общего стандарта телефонной связи. Было решено, что система связи будет работать в частотном диапазоне в пределах 900 MHz.

В 89 году того же века Телекоммуникационный Институт Стандартов взялся за развитие нового стандарта связи. А в 91 году сеть GSM уже функционировала в Европе. В последующем данный стандарт распространился по всему миру, и до сих пор является основным, востребованным стандартом сотовой связи.

Какие услуги доступны с GSM

Основные услуги доступные в сети GSM:

• Обмен данными – синхронный и асинхронный обмен.
• GPRS – пакетная передача данных.
• Голосовая связь.
• Прием и передача текстовых сообщений – SMS.
• Посыл факсимильных сообщений.

Дополнительные услуги доступные в сети GSM:

Определение номера звонящего абонента.

• Анти определение исходящего номера – услуга блокирующая возможность определить ваш номер.
• Переадресация входящего вызова на другой номер.
• Удержание вызова. Режим ожидания.
• Одновременная связь с множеством оппонентов, для создания голосовых конференций.
• Голосовая почта.

Преимущества и недостатки сети GSM.

Преимущества:

1. Телефоны, используемые в сети GSM, отличаются компактностью, малым весом и низкой энергопотребляемостью. Современные аппараты способны работать долгое время без перезарядки аккумулятора, в отличие от своих аналоговых предшественников. Благодаря контролю с базовых станций оператора происходит снижение уровня сигнала, если он превышает необходимый для работы уровень. Все это способствует качеству и удобству связи.
2. Возможность большого количества одновременных соединений. Данная услуга доступна как внутри сети, так и между разными операторами, предоставляющими услуги сотовой связи.
3. Минимальное количество радиопомех. Мобильная связь работает на своих, не зависимых частотных диапазонах. Благодаря этому уровень помех сведен к минимуму, и не что не мешает вашему общению.
4. GSM обладает надежной защитой от вторжения в вашу личную жизнь – незаконное прослушивание личных разговоров, и прочие не легальные действия. Это достигается путем сложных алгоритмов цифрового шифрования. Данная система была разработана фирмой Nokia, и на сегодняшний день является мировым стандартом по защите сетей сотовой связи.
5. Доступность роуминга внутри сети и между разными операторами. Благодаря этому абонент находясь в любой точке планеты, может звонить в разные страны и города, не зависимо от того какой оператор принимает сигнал. Переход сигнала из одной сети в другую происходит автоматически.

Недостатки:

1. Вероятность искажения голоса, происходящая в момент цифровой обработки сигнала. Данный фактор зависит в первую очередь от качества передаваемого сигнала и самого аппарата сотовой связи.
2. Нарушение качества связи вдали от базовой станции оператора. Стабильная связь обеспечивается в радиусе 120 км, между мобильным телефоном и базовой станцией. В городах такое явление практически не наблюдается, но на длинных пригородных трассах сигнал может плавать - пропадать и появляться. Это происходит вследствие отдаления приемника телефона от базовой станции.
3. Повышенный уровень излучения у мобильных телефонов. Данное обстоятельство может принести реальный вред физическому здоровью человека. Чтобы избежать таких последствий используйте чехлы, и не носите телефон во внутренних карманах своей одежды. Хотя прогресс не стоит на месте. Современные телефоны более защищены и не приносят вред здоровью человека, в отличие от своих ранних собратьев.

24 Мар 2015

GSM. Что это такое?

Перед тем как вникать в работу GSM, нужно приложить усилия для понимания самой сути понятия аббревиатуры GSM.

GSM - это цифровой стандарт международного формата планетарного значения, название которого появилось от следующего словообразования - Groupe Special Mobile.

GSM предназначен для сотовой мобильной связи с разделенными каналами. Разделение каналов ведется по принципу TDMA. Сам же стандарт разработан еще в восьмидесятых годах предыдущего века институтом стандартизации электросвязи.

Первый образец подобной системы был изобретен еще в 1946 году в США. Однако глобальное использование мобильной связи приходится на 1979 год.

Стандарт GSM.

Перед запуском GSM, в начале 80-х годов прошедшего века на территории Европы действовало около 25 аналоговых сетей. Они не были переплетены между собой, в связи с этим возник вопрос, который стал на то время актуальным, о изобретении единого стандарта. Нужда в решении сложившейся проблемы стала толчком для создания группы Groupe Special Mobile (GSM). Группу составляли представители 24-х европейских стран. Структура корпорации Mannesmann была избрана в качестве цифровой стандартизации и в дальнейшем была введена уже в Германии в 1991 году.

Под GSM на сегодняшний день понимается уже несколько другое словообразование - Global System for Mobile. Однако сама суть стандарта успешно действует в восьмидесяти странах мира.

Как работает GSM?

Для того чтобы применить такой вид связи в определённом регионе, нужно выполнить некоторые действия:

• Монтаж и обслуживание передающих прием станций непередвижного типа. Каждая из таких установок действует на небольших расстояниях всего лишь в несколько километров диаметром
• Станции монтируются, таким образом, дабы перекрывать сигнал друг друга. Такое расположение способствует постоянному сигналу при перемещении абонента из одной зоны действия в другую.

Для установки такого вида связи, практикуя, соседние станционные установки настроены на разные частоты (в основном частот обычно около трех). Таким образом, при использовании разных частот, установки, которые расположены в виде треугольника, перекрывают зону обслуживания.

Существует в этой цепи и четвертая станции, которая способна использовать одну из частот заново. Такой эффект возможен, потому что она соседствует с 2-мя зонами. Принимая этот факт во внимание, площадь действия станции напоминает шестиугольник, выглядя как пчелиные соты.

Модули GSM.

Каждый имеет у себя на слуху такое понятие как модуль GSM, однако не все понимают что это. Это весьма полезное оборудование, которое использует все принципы GSM. Если принимать во внимание всю конкретику, то модуль GSM - это структура, представленная устройством, которое помогает производить контроль над мониторингом местонахождения, например вашего автомобиля. Такое устройство работает в одной сети и привязано к сигнализации и мобильному телефонному устройству. Также присутствует блокировка работы двигателя посредством таких модулей.

При помощи такого модуля абонент мобильной телефонной связи идентифицируется. Об это было оговорено выше, о том, что такое сеть GSM.

Плюсы и минусы стандарта GSM.

Преимущества:

• В сравнении с аналогичными стандартами имеет в сравнении меньшие вес и размеры.
• Высокий уровень качества связи.
• Помехи на заданных частотах находятся на низшем уровне.
• Защищенность от прослушки. За счет алгоритмов, также защищена от нелегального пользования шифрованная связь.
• Территории распространения внушительных размеров.
• Доступность и возможность использования роуминговой связи (перемещение из одной сети в другую без потери присвоенного номера).

Недостатки:

• Незначительное искажение речи, по причине цифровой обработки.
• Расстояние, покрываемое сетью, незначительно и составляет всего лишь 120 километров.

GSM является перспективной разработкой, однако значение в мировом масштабе переоценить невозможно. Ведь мы используем ее каждый день.