Система мобильной сотовой связи GSM

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки России

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

"Инженерно-технологическая академия южного федерального университета"

Реферат

На тему: Система мобильной сотовой связи GSM

Выполнила: Тронева Т.Ю.

Проверил: Дятлов А.П.

Таганрог 2014

История GSM

В 1982 году CEPT (Conference of European Posts and Telegraphs) в целях изучения и разработки общеевропейской системы сотовой подвижной связи общего пользования создала рабочую группу, получившую название GSM (Groupe Special Mobile). Разрабатываемая система должна была удовлетворять следующим критериям:

* высокое качество передачи речевой информации;

* низкая стоимость оборудования и предоставляемых услуг;

* возможность поддержки портативного оборудования пользователя;

* поддержка ряда новых услуг и оборудования;

* спектральная эффективность;

* совместимость с ISDN(Integrated Services Digital Network);

* поддержка международного роуминга, т.е. возможности использования абонентом своего мобильного телефона при перемещении в другую сеть GSM.

В 1989 году дело создания GSM перешло к ETSI (European Telecommunication Standards Institute), а в 1990 году были опубликованы спецификации первой фазы GSM. К середине 1991 года стали поддерживаться коммерческие услуги GSM, а к 1993 году функционировало уже 36 сетей GSM в 22 странах, и еще 25 стран выбрали направление GSM или поставили вопрос о его принятии. Несмотря на то, что система GSM была стандартизована в Европе, на самом деле она не является исключительно европейским стандартом. Сети GSM внедрены, либо планируются к внедрению почти в 75 странах Европы, Ближнего и Дальнего Востока, Африки, Южной Америки и в Австралии. В начале 1994 года число абонентов GSM во всем мире достигло 1,3 миллиона человек. К началу 1995 года их насчитывалось уже более 5 миллионов. Абривиатура GSM приобрела новое значение - Global System for Mobile communications.

Создание сетей подвижной связи (Сотовых сетей) в России по существу находится на начальном этапе. В июле 1992 г. Министерством связи России было принято решение о широкомасштабном развертывании в стране сетей двух стандартов подвижной связи: одной - на основе аналогового стандарта NMT-450, наиболее активным проводником которого стала компания "Московская Сотовая Связь" (МСС), а другой - на базе цифрового стандарта GSM 900, продвигаемого компанией "Мобильные ТелеСистемы" (МТС).

Этапы развития

GSM сначала означало Groupe Spйcial Mobile, по названию группы анализа, которая создавала стандарт. Теперь он известен как Global System for Mobile Communications (Глобальная Система для Мобильной Связи), хотя слово "Связь" не включается в сокращение. Разработка GSM началась в 1982 году группой из 26 Европейских национальных телефонных компаний. Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных администраций (CEPT), стремилась построить единую для всех европейских стран сотовую систему диапазона 900 MГц. Достижения GSM стали "одними из наиболее убедительных демонстраций какое сотрудничество в Европейской промышленности может быть достигнуто на глобальном рынке".

В 1989 году Европейский Телекоммуникационный Институт Стандартов (ETSI) взял ответственность за дальнейшее развитие GSM. В 1990 году были опубликованы первые рекомендации. Спецификация была опубликована в 1991 году.

Коммерческие сети GSM начали действовать в Европейских странах в середине 1991 г. GSM разработан позже, чем аналоговая сотовая связь и во многих отношениях была лучше спроектирована. Северо-Американский аналог - PCS, вырастил из своих корней стандарты, включая цифровые технологии TDMA и CDMA, но для CDMA потенциальное улучшение качества обслуживания так и не было никогда подтверждено.

GSM Phase 1

1982 (Groupe Spйcial Mobile) - 1990 г. Global System for Mobile Communications. Первая коммерческая сеть в январе 1992 г. Цифровой стандарт, поддерживает скорость передачи данных до 9,6 кбит/с. Полностью устарел, производство оборудования под него прекращено.

В 1991 году были введены услуги стандарта GSM "ФАЗА 1".

В них входят:

Переадресация вызова (Call forwarding). Возможность перевода входящих звонков на другой телефонный номер в тех случаях, когда номер занят или абонент не отвечает; когда телефон выключен или находится вне зоны действия сети и т. п. Кроме того, возможна переадресация факсов и данных.

Запрет вызова (Call barring). Запрет на все входящие/исходящие звонки; запрет на исходящие международные звонки; запрет на входящие звонки, за исключением внутрисетевых.

Ожидание вызова (Call waiting). Эта услуга позволяет принять входящий вызов во время уже продолжающегося разговора. При этом первый абонент или по-прежнему будет находиться на связи, или разговор с ним может быть завершён.

Удержание вызова (Call Holding). Эта услуга позволяет, не разрывая связь с одним абонентом, позвонить (или ответить на входящий звонок) другому абоненту.

Глобальный роуминг (Global roaming). При посещении любой из стран, с которой ваш оператор подписал соответствующее соглашение, вы можете пользоваться своим сотовым телефоном GSM без изменения номера.

GSM Phase 2

Стандарт GSM Phase 2 принят в 1993 г.[2] Цифровой стандарт, поддерживает скорость передачи данных до 9.6 кбит/с. С 1995 г. включает диапазон 1900 МГц. Второй этап развития GSM - GSM "Фаза 2", который завершился в 1997 г., предусматривает такие услуги:

Определение номера вызывающей линии (Calling Line Identification Presentation). При входящем звонке на экране высвечивается номер вызывающего абонента.

Антиопределитель номера (Calling Line Identification Restriction). С помощью этой услуги можно запретить определение собственного номера при соединении с другим абонентом.

Групповой вызов (Multi party). Режим телеконференции или конференц-связи позволяет объединить до пяти абонентов в группу и вести переговоры между всеми членами группы одновременно.

Создание закрытой группы до десяти абонентов (Closed User Group). Позволяет создавать группу пользователей, члены которой могут связываться только между собой. Чаще всего к этой услуге прибегают компании, предоставляющие терминалы своим служащим для работы.

Информация о стоимости разговора. Сюда входят таймер, который считает время на линии, и счётчик звонков. Также благодаря этой услуге можно проверять оставшийся на счёте кредит. Возможна и другая услуга: "Совет по оплате" (Advice of Charge). По требованию пользователя происходит проверка стоимости и длительности разговора в то время, когда аппарат находится на связи.

Обслуживание дополнительной линии (Alternative Line Service). Пользователь может приобрести два номера, которые будут приписаны к одному модулю SIM. В этом случае связь выполняется по двум линиям, с предоставлением двух счетов, двух голосовых ящиков и т. п.

Короткие текстовые сообщения (Short Message Service). Возможность приёма и передачи коротких текстовых сообщений (до 160 знаков).

Система голосовых сообщений (Voice Mail). Услуга позволяет автоматически переводить входящие звонки на персональный автоответчик (голосовая почта). Пользоваться этим можно только в том случае, если у абонента активизирована услуга "переадресация вызовов".

Стандарт GSM Phase 2 считается устаревшим; но так как стандарт GSM подразумевает обратную совместимость, то старое оборудование базовых станций и телефоны могут работать (и работают) в современных сетях.

GSM Phase 2+

Следующий этап развития сетей стандарта GSM "ФАЗА 2+" не связан с конкретным годом внедрения. Новые услуги и функции стандартизируются и внедряются после подготовки и утверждения их технических описаний. Все работы по этапу "Фаза 2+" проводились Европейским институтом стандартизации электросвязи (ETSI). Количество уже внедрённых и находящихся в стадии утверждения услуг превышает 50. Среди них можно выделить следующие:

улучшенное программное обеспечение SIM-карты;

улучшенное полноскоростное кодирование речи EFR (Enhanced Full Rate);

возможность взаимодействия между системами GSM и DECT;

повышение скорости передачи данных благодаря пакетной передаче данных GPRS (General Packet RadioService) или за счёт системы передачи данных по коммутируемым каналам HSCSD (High Speed Circuit Switched Data).

Предоставляемые услуги

С самого начала разработчики GSM стремились обеспечить совместимость сетей GSM и ISDN по набору предлагаемых услуг. В соответствии с определениями ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunications Standardization Sector), сеть GSM может предоставлять следующие типы услуг:

- услуги по переносу информации (bearer services);

- услуги предоставления связи (teleservices);

- дополнительные услуги (supplementary services).

GSM обеспечивает поддержку следующих услуг:

· Услуги передачи данных (синхронный и асинхронный обмен данными, в том числе пакетная передача данных - GPRS). Данные услуги не гарантируют совместимость терминальных устройств и обеспечивают только передачу информации к ним и от них.

· Передача речевой информации.

· Передача коротких сообщений (SMS).

· Передача факсимильных сообщений.

Дополнительные (необязательные к предоставлению) услуги:

· Определение вызывающего номера и ограничение такого определения.

· Безусловная и условная переадресация вызова на другой номер.

· Ожидание и удержание вызова.

· Конференц-связь (одновременная речевая связь между тремя и более подвижными станциями).

· Запрет на определённые пользователем услуги (международные звонки, роуминговые звонки и др.)

· Голосовая почта.

и многие другие услуги.

Преимущества и недостатки

Преимущества стандарта GSM:

Меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами (NMT-450, AMPS-800) размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора. Это достигается в основном за счёт аппаратуры базовой станции, которая постоянно анализирует уровень сигнала, принимаемого от аппарата абонента. В тех случаях, когда он выше требуемого, на сотовый телефон автоматически подаётся команда снизить излучаемую мощность. связь сотовый полноскоростной

Хорошее качество связи при достаточной плотности размещения базовых станций.

Большая ёмкость сети, возможность большого числа одновременных соединений.

Низкий уровень индустриальных помех в данных частотных диапазонах.

Улучшенная (по сравнению с аналоговыми системами) защита от подслушивания и нелегального использования, что достигается путём применения алгоритмов шифрования с разделяемым ключом.[уточнить]

Эффективное кодирование (сжатие) речи. EFR-технология была разработана фирмой Nokia и впоследствии стала промышленным стандартом кодирования/декодирования для технологии GSM (см. GSM-FR, GSM-HR и GSM-EFR)

Широкое распространение, особенно в Европе, большой выбор оборудования.

Возможность роуминга. Это означает, что абонент одной из сетей GSM может пользоваться сотовым телефонным номером не только у себя "дома", но и перемещаться по всему миру переходя из одной сети в другую не расставаясь со своим абонентским номером. Процесс перехода из сети в сеть происходит автоматически, и пользователю телефона GSM нет необходимости заранее уведомлять оператора (в сетях некоторых операторов, могут действовать ограничения на предоставление роуминга своим абонентам, более детальную информацию можно получить обратившись непосредственно к своему GSM оператору)

Недостатки стандарта GSM:

Искажение речи при цифровой обработке и передаче.

Связь возможна на расстоянии не более 120 км[3][4] от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн. Поэтому для покрытия определённой площади необходимо большее количество передатчиков, чем в NMT-450 и AMPS.

Структура GSM

1. Подсистема базовых станций (BSS - Base Station Subsystem)

BSS тоже складывается из двух частей: из базовой приемопередающей станции BTS (Base Transceiver Station) и контроллера базовой станции BSC (Base Station Controller).Интерфейс Abis, связывающий эти части, позволяет оперировать компонентами, созданными различными производителями. Радиопокрытие BSS делится на территории - их принято называть - "соты", каждая покрывается одной BTS.

BTS управляет протоколами радиоканалов с MS. На крупной густонаселенной территории может располагаться много BTS, и поэтому к ним предъявляются очень строгие требования (четкость границ, надежность, переносимость и малая стоимость). BSC управляет радиоресурсами одного или нескольких BTS, контролирует предоставление радиоканала, регулировку частоты, управление перемещаемыми из ячейки в ячейку вызовами (хендоверами) и является связующим звеном между подвижной станцией и MSC.

2. Подсистема коммутаций (NSS - Network Switching Subsystem), ядром которой является центр коммутации услуг подвижной связи MSC (Mobile services Switching Center), управляет услугами подвижной связи и взаимодействием абонентов сети GSM и других типов сетей.

SS7 стандартизована на международном уровне и предназначена для обмена сигнальной информацией в цифровых сетях связи с цифровыми программно-управляемыми станциями. Система оптимизирована для работы по цифровым каналам со скоростью 64 кбит/с и позволяет управлять процессом соединения, а также передавать информацию техобслуживания и эксплуатации. Кроме того ее можно пименять в качестве надежной транспортной системы для передачи других видов информации между станциями и специализированными центрами в сетях телекоммуникаций.

SS7 использует метод передачи сигнальной информации по специальному каналу, общему для одного или нескольких пучков информационных каналов. Сигнальная информация должна передаваться в правильной последовательности, без потерь, при этом могут быть задействованы и наземные, и спутниковые каналы. Сеть SS7 является обязательным условием создания сети стандарта GSM. Архитектура протоколов SS7 и ее соответствие эталонной модели взаимодействия открытых систем показаны на рис.2.

Рисунок 2.

Система сигнализации SS7.

Опорный регистр местонахождения HLR (Home Location Register) и визитный регистр местонахождения VLR (Visitor Location Register), вместе с MSC, обеспечивают возможности маршрутизации и роуминга. HLR содержит все данные административного характера о каждом зарегистрированном абоненте в соответствующей данному HLR сети GSM, а также информацию о его текущем местонахождении. Информация о местонахождении абонента, как правило, предоставляется в виде сигнального адреса VLR, ассоциированного с подвижной станцией.

VLR содержит выборочную административную информацию из опорного регистра, необходимую для управления вызовом и предоставления всего комплекса услуг для каждого подвижного абонента, который в этот момент находится в географической зоне, управляемой данным VLR.

Другие два регистра используются для обеспечения аутентификации и безопасности.

Радиоканалы

Ширина полосы спектра для действующих в Европе сетей сотовой подвижной связи - 890-915 Мгц для восходящего звена (от подвижной станции к базовой) и 935-960 МГц для нисходящего звена (от базовой стации к подвижной). Поскольку данные диапазоны уже использовались аналоговыми системами в начале 80-х годов, верхние 10 МГц каждой полосы зарезервированы для сети GSM, которая еще только разрабатывается. В конце концов GSM займет всю полосу шириной 2x25 МГц.

3. Центр технического обслуживания (OMC - Operation and Maintenance Centre)

Соединена с остальными компонентами сети и обеспечивает контроль качества работы и управление всей сетью. Обрабатывает аварийные сигналы, при которых требуется вмешательство персонала. Обеспечивает проверку состояния сети, возможность прохождения вызова. Производит обновление программного обеспечения на всех элементах сети и ряд других функций.

Безопасность GSM

С самого начала стандарт GSM преподносился как исключительно безопасный.

Однако впоследствии стало ясно, не все были заинтересованы в "неуязвимости" стандарта. Анализируя алгоритмы A5 и A3/A8 можно прийти к выводу, что их стойкость могла бы быть существенно выше за счет очевидных незначительных усовершенствований (например, увеличение длины регистров сдвига в алгоритме

А 5). В настоящее время все алгоритмы взломаны, и существуют программно-аппаратные комплексы, позволяющие в режиме реального времени прослушивать чужие разговоры. Так, например, для персонального компьютера средней конфигурации (Pentium II, 500MHz) с соотетвтвующим программным обеспечением требуется около двух минут анализа закодированного трафика, после чего его расшифровка занимает менее секунды.

Тем не менее, сложность перехвата сообщений (а следовательно и стоимость оборудования) стандарта GSM существенно выше, чем аналоговых стандартов NMT-450/900, AMPS, TACS. Последние практически никак не защищают передаваемые данные, и для перехвата необходим лишь радиосканер. В аналоговых стандартах вся система безопасности сводится в лучшем случае к обеспечению подлинности подвижной станции.

Другое дело - CDMA. Коротко говоря, в этом стандарте конфиденциальность связи максимальная из всех технологий подвижной связи. Это обусловлено типом используемого радиосигнала с широкой базой D=BT=100, где D - база или коэффициент сжатия сигнала, В (МГц) - полоса сигнала cdmaOnе в эфире, а Т (мксек) - длительность информационной посылки. Обнаружить сам факт наличия такого сигнала специальными средствами в эфире гораздо сложнее, чем "простых" узкополосных сигналов, используемых в стандартах GSM, DAMPS, NMT, поскольку спектральная плотность мощности сигнала cdmaOnе в эфире на получается 20дБ ниже при равных скоростях передачи информации и мощности передатчика. Следует попутно отметить, что именно благодаря использованию такого "широкобазового" типа сигнала в радиоинтерфейсе технологии CDMA обеспечивается максимальная надежность связи в условиях многолучевых замираний по сравнению с технологиями стандартов GSM, DAMPS, NMT.

Наивысшая конфиденциальность связи обусловлена многоступенчатым кодированием, расшифровка которого потребует попросту нескольких весьма напряженных лет упорного труда. Так, если сигналы аналоговых стандартов можно прослушать самыми простыми измерительными приемниками, которые свободно продаются в магазинах, то для прослушивания с эфира сигналов стандартов GSM и DAMPS поставляется уже более совершенная аппаратура радиоконтроля.

В рамках перехода к беспроводным сетям третьего поколения, которые обещают быть более унифицированными с точки зрения стандартов и спецификаций, разрабатываются также новые, более совершенные методы защиты, включающие в себя защиту подлинности абонента, аутентификацию и защиту передаваемых данных. Большое количество технической информации на эту тему доступно на сайте организации 3GPP

Множественный доступ и структура каналов

Поскольку радиоспектр имеет ограниченные ресурсы, необходимо оптимально распределить ширину полосы между всеми возможными пользователями. Метод, применяемый с этой целью в GSM, - это комбинация методов множественного доступа TDMA (множественный доступ с временным разделением)и FDMA (множественный доступ с частотным разделением) (Time- and Frequency-Division Multiple Access).

Сначала полоса частот в 25 Мгц делится на полосы в 200 Кгц. Каждой станции соответсвует своя полоса (или несколько полос). Абоненты полосы разделены во времени. Каждому абоненту соответствует один кадр. Восемь кадров объединяются во фрейм. 26 фреймов, в свою очередь, образуют мультифрейм, который повторяется циклически. Длина мультифрейма - 120 миллисекунд. На один кадр приходится 1/200 мультифрейма, т.е. около 0.6 миллисекунды.

Каналы определяются числом и позицией соответствующих им цикличных кадров, и вся палитра повторяется приблизительно каждые 3 часа. Они делятся на предписанные каналы (dedicated channels), или каналы трафика, каждый из которых соответствует одной подвижной станции, и общие каналы (common channels), или каналы управления, используемые подвижными станциями в пассивном режиме.

Каналы трафика (TCH) применяются для переноса речевого потока и потока данных. Эти каналы для восходящего и нисходящего звеньев разделены во времени тремя кадрами, так, чтобы MS мог осуществлять прием и передачу информации в разное время. Это позволяет упростить электронное оборудование MS и сделать подвижный терминал более компактным.

Общие каналы используются свободными подвижными станциями при обмене сигнальной информацией, необходимой для перехода в режим занятости. Подвижные станции, находящиеся в режиме занятости, оповещают близлежащие базовые станции о перемещении в другую ячейку и передают необходимую информацию.

· FDMA (англ. Frequency Division Multiple Access - множественный доступ с разделением каналов по частоте) - способ использования радиочастот, когда в одном частотном диапазоне находится только один абонент, разные абоненты используют разные частоты в пределах соты. Является применением частотного мультиплексирования (FDM) в радиосвязи. Поэтому, пока начальный запрос не закончен, канал закрыт к другим сеансам связи. Полная дуплексная (Full-Duplex) FDMA передача использует 2 канала, один для передачи, другой для приема. FDMA использовался в первом поколении (1G) аналоговой связи и этот принцип реализован в стандартах GSM (совместно с TDMA), AMPS, N-AMPS, NMT, ETACS (американский стандарт).

· TDMA (англ. Time Division Multiple Access - множественный доступ с разделением по времени) - способ использования радиочастот, когда в одном частотном интервале находятся несколько абонентов, разные абоненты используют разные временные слоты (интервалы) для передачи. Является приложением мультиплексирования канала с разделением по времени (TDM - Time Division Multiplexing) к радиосвязи. Таким образом, TDMA предоставляет каждому пользователю полный доступ к интервалу частоты в течение короткого периода времени (в GSM один частотный интервал делится на 8 временных слотов). TDMA в настоящее время является доминирующей технологией для мобильных сотовых сетей и используется в стандартах GSM, TDMA (ANSI-136), PDC. Также применяется в системах спутниковой связи.

· CDMA (англ. Code Division Multiple Access - множественный доступ с кодовым разделением) - технология связи, обычно радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию. Наибольшую известность на бытовом уровне получила после появления сетей сотовой мобильной связи, ее использующих, из-за чего часто ошибочно исключительно с ней (сотовой мобильной связью) и отождествляется.

Принцип работы

Для радиосистем существует два основных ресурса - частота и время. Разделение пар приёмников и передатчиков по частотам таким образом, что каждой паре выделяется часть спектра на всё время соединения, называется FDMA (Frequency Division Multiple Access). Разделение по времени таким образом, что каждой паре приёмник-передатчик выделяется весь спектр или большая его часть на выделенный отрезок времени, называют TDMA (Time Division Multiple Access). В CDMA (Code Division Multiple Access), для каждого узла выделяется весь спектр частот и всё время. CDMA использует специальные коды для идентификации соединений. [1] Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются посредством применения широкополосного кодо-модулированного радиосигнала - шумоподобного сигнала, передаваемого в общий для других аналогичных передатчиков канал, в едином широком частотном диапазоне. В результате работы нескольких передатчиков эфир, в данном частотном диапазоне, становится ещё более шумоподобным. Каждый передатчик модулирует сигнал с применением присвоенного в данный момент каждому пользователю отдельного числового кода, приёмник, настроенный на аналогичный код, может вычленять из общей какофонии радиосигналов ту часть сигнала, которая предназначена данному приёмнику. В явном виде отсутствует временное или частотное разделение каналов, каждый абонент постоянно использует всю ширину канала, передавая сигнал в общий частотный диапазон, и принимая сигнал из общего частотного диапазона. При этом широкополосные каналы приёма и передачи находятся на разных частотных диапазонах и не мешают друг другу. Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладывается друг на друга, но, поскольку их коды модуляции сигнала отличаются, они могут быть дифференцированы аппаратно-программными средствами приёмника.

При кодовой модуляции применяется техника расширения спектра с множественным доступом. Она позволяет увеличить пропускную способность при неизменной мощности сигнала.

Заключение

GSM (Global System for Mobile communication) - система мобильной сотовой связи изначально разрабатывалась как глобальная система. Уже на стадии разработки стандартов были заложены широкие возможности развития этой системы в будущем. Разработаны стандарты и оборудование для различных частотных диапазонов 900, 1800 и 1900 МГц.

По мере развития техники и технологии в системе GSM внедрялись новые возможности и предоставлялись новые услуги. К настоящему времени пройдены этапы (поколения), называемые фаза 1, фаза 2 и фаза 2+ (Phase 1, Phase 2, Phase 2+), отличающиеся предоставляемыми услугами. Фаза 2+ продолжает совершенствоваться и в настоящее время.

Список литературы

1. Журнал "Сети" №6 1996г. Самуйлов К.Е., Никитина М.В. "Сети сотовой подвижной связи в стандарте GSM"

2. Журнал "Сети" №8 1997г. "GSM на пороге очередного взлета"

3. Журнал "Сети и системы связи" №4 1996 Харри Хонкасало "Эволюция GSM"

4. Журнал "Connect" №3 1997 г. Джон Мерлинг, Ричард Дженс "История сотовой"

Размещено на Allbest.ru