Dodaj tę stronę do książki
Pokaż książkę (0 stron)
Proponowane stronyGSM (ang. Global System for Mobile Communications, pierwotnie Groupe Spécial Mobile) – najpopularniejszy obecnie standard telefonii komórkowej. Sieci oparte na tym systemie telekomunikacji oferują usługi związane z transmisją głosu, danych (na przykład dostęp do Internetu) i wiadomości w formie tekstowej lub multimedialnej.
W maju 2009 na świecie było ok. 3 mld unikatowych numerów abonenckich telefonii GSM (co stanowi około 80% rynku telefonii mobilnej)[1]. Dzięki możliwości międzynarodowego roamingu i umowom między operatorami abonent GSM może, bez podpisywania oddzielnych umów z każdym operatorem z osobna, korzystać z telefonu w większości krajów świata (jednym z ważniejszych wyjątków jest Japonia). Obecnie usługi na bazie tej technologii świadczy ponad 700 operatorów w ponad 200 krajach i terytoriach zależnych[2].
Usługi GSM mogą być udostępnione na zasadzie usługi abonamentowej lub formy przedpłaconej (która nie zobowiązuje użytkownika do zawarcia umowy), a także form mieszanych, co znacznie zwiększa liczbę potencjalnych użytkowników.
Spis treści |
GSM powstał dzięki europejskiej inicjatywie stworzenia jednego, otwartego standardu telefonii komórkowej. Pierwotnie miał to być standard obowiązujący na terenie dwunastu członków Europejskiej Wspólnoty Gospodarczej (EWG). W tym celu wewnątrz Europejskiej Konferencji Administracji Poczty i Telekomunikacji (CEPT) powołany został w 1982 r. instytut Groupe Spécial Mobile (GSM), który miał za zadanie opracowanie standardu telefonii mobilnej działającej w paśmie 900 MHz. Stworzono prototypy urządzeń radiowych, przeprowadzano badania nad optymalnym sposobem dostępu do sieci. Ostateczne wyniki badań stały się podstawą do prac nad specyfikacją. W 1984 r. Komisja Europejska zatwierdziła projekt wspólnego standardu
25 czerwca 1987 r. Rada Europejska wydała dyrektywę[3], w której zalecała wszystkim krajom na obszarze ówczesnej wspólnoty zarezerwować częstotliwości 890–915 i 935–960 MHz dla potrzeb nowego komórkowego cyfrowego systemu łączności ruchomej drugiej generacji, a w podpisanym 7 września 1987 r. Memorandum of Understanding 15 operatorów z 13 krajów zobowiązało się do zaimplementowania technologii GSM[4]. Pierwsza specyfikacja została opublikowana rok później (GSM 900 Phase 1). Znaczenie akronimu GSM zmieniono na Global System for Mobile Communications.
W 1989 r. prace nad rozwojem standardu przejął nowo utworzony Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych (ETSI). W 1990 r. specyfikacje fazy pierwszej zostały zamknięte, dzięki czemu stanowiły oficjalny zbiór dokumentów, na bazie którego można było rozpocząć produkcję sprzętu i budowę opartych na nim sieci.
W roku 1990 rozpoczęto publikacje specyfikacji związanych z fazą drugą systemu GSM. Zdefiniowano standard GSM działający w paśmie 1800 MHz (DCS), uwzględniono przesyłanie SMSów, faxu i danych. W 1991 r. w sieci fińskiego operatora Radiolinja (obecnie już nieistniejącego, jego sieć została przejęta przez fińską firmę telekomunikacyjną Elisa Oyj) wykonano pierwsze na świecie połączenie w standardzie GSM. Rok później operator ten jako pierwszy zaoferował komercyjne usługi bazujące na tym systemie.
W 1993 roku uruchomiono w Wielkiej Brytanii pierwszą sieć DCS, oraz pierwszą sieć GSM poza Europą (sieć australijskiego operatora Telestra). Prace nad specyfikacjami związanymi z drugą fazą systemu GSM zakończono w roku 1995.
ETSI kontynuował pracę nad specyfikacją GSM pod nazwą Phase 2+. Uwzględniono technologie High Speed Circuit Switched Data (przesyłanie danych z przepływnością 14.4 kb/s) oraz CAMEL - umożliwiającą pełny roaming usług bazujących na platformie sieci inteligentnych (np. Prepaid). W 1997 częścią specyfikacji stała się technologia GPRS. Rozpoczęto też prace nad technologią EDGE.
Wszystkie dokumenty opisujące funkcjonowanie sieci GSM były publikowane przez ETSI w zbiorach specyfikacji oznaczonymi wersjami (tzw. Release), których nazwy związane były z rokiem ich pojawienia się. Podczas fazy 2+ opublikowano Release 96, Release 97 i Release 98[5].
Dzięki różnym wersjom systemu dostosowanym do zakresów częstotliwości dostępnych w róznych częściach świata, GSM stał się globalnym standardem. Na przykład w USA, instytut T1P1, bazując na specyfikacjach opublikowanych przez ETSI opracował standard sieci GSM dostosowany do lokalnego rynku telekomunikacyjnego - tak powstał GSM 1900 (PCS). W grudniu 1998 roku, instytuty standaryzacyjne z Europy, Azji i Ameryki powołały do życia wspólne przedsięwzięcie - konsorcjum 3rd Generation Partnership Project (3GPP), które miało harmonizować prace nad rozwojem UMTS - systemu trzeciej generacji. W roku 2000, ETSI (jeden z członków założycieli) przekazał do 3GPP efekty swoich prac nad standardem GSM[6] w postaci najnowszego (w tym czasie) zbioru specyfikacji, tzw. Release 99. Od tej pory 3GPP zaczęło rozwijać specyfikacje obu systemów: UMTS i GSM. Oba standardy korzystały z takiej samej sieci szkieletowej a różniły się siecią radiową. 3GPP publikuje specyfikacje dla obu rodzajów sieci w podobny sposób jak robiło to wcześniej ETSI - jako kompletny zbiór dokumentów opisujących wszystkie aspekty działania obu systemów - tzw. Release, nie zachowało jednak wcześniejszej numeracji, kolejne zbiory mają nazwy: Release 4, Release 5, itd.
Kolejne wersje specyfikacji uwzględniały między innymi zmiany w interfejsie radiowym (np. nowe metody kodowania i modulacji sygnału poprawiające przepływność danych przesyłanych dzięki technologii EDGE) oraz ewolucję sieci szkieletowych (np. architektura warstwowa, nowe możliwości interakcji pomiędzy siecią a usługami dodanymi czy współpraca sieci GSM z IP Multimedia Subsystem). 3GPP w swoich specyfikacjach uwzględniło także współpracę pomiędzy sieciami GSM i UMTS. Możliwy jest między innymi handover (czyli przeniesienie aktywnego połączenia) pomiędzy obiema rodzajami sieci, operatorzy budujący sieci w obu standardach mogą też korzystać ze wspólnej sieci szkieletowej.
GSM jest obecnie najpopularniejszym systemem telefonii komórkowej na świecie (około 80% wszystkich subskrypcji[1]). Liczba abonentów oraz obszar, na którym dostępne są usługi, sprawiają, że operatorzy nadal rozwijają sieci zbudowane w tym standardzie, mimo pojawienia się nowszych rozwiązań. Infrastruktura sieciowa rozbudowywana jest tak, aby obsłużyć zwiększającą się liczbę połączeń oraz ilość przesyłanych danych. Architektura sieci ciągle ewoluuje - operatorzy wprowadzają w sieci szkieletowej architekturę warstwową (tzw. Mobile Softswitch Solution), bardziej elastyczne połączenie sieci szkieletowej i radiowej (Iu-flex) oraz warstwę transportu wewnątrz sieci opartą na technologii IP. Nowe specyfikacje uwzględniają także współpracę (między innymi handover) pomiędzy GSM i LTE (tzw. standard czwartej generacji również rozwijany przez 3GPP) oraz znaczne polepszenie wydajności technologii EDGE (tzw. EDGE Evolution), która ma w przyszłości umożliwić transfer z przepływnością około 1 Mb/s.
Ewolucja w telekomunikacji jest procesem ciągłym, cały czas trwają prace badawcze i wdrożenia związane z nowymi standardami. Obecnie działa już wiele sieci 3G, niektórzy operatorzy przymierzają się do uruchomienia pierwszych usług na bazie systemów czwartej generacji. Może minąć dużo czasu, zanim sieci te pokryją obszar, na którym znajduje się większość potencjalnych klientów, a to oznacza, że GSM ciągle będzie używany dla zapewnienia ciągłości usług. Z drugiej strony widać już pierwsze oznaki wypierania tego standardu przez nowsze rozwiązania. W Unii Europejskiej dyrektywa 87/372/EWG opublikowana w 1987 roku zalecała krajom członkowskim zarezerwować częstotliwości 880 - 960 MHz dla potrzeb systemów GSM. Obecnie Komisja Europejska zmieniła tę dyrektywę dopuszczając na terenie Wspólnoty działanie systemów UMTS w tym zakresie częstotliwości. W maju 2009 na świecie było 10 sieci wykorzystujących standardy UMTS900/UMTS850[7], na częstotliwościach wcześniej wykorzystywanych przez GSM.
Podczas tworzenia standardu GSM opierano się na doświadczeniach związanych z rozwijanym standardem ISDN, czyli cyfrową siecią stacjonarną z integracją usług, istnieje więc wiele podobieństw pomiędzy tymi sieciami:
Podstawowym założeniem podczas projektowania standardu GSM była pełna mobilność abonenta, aby ją uzyskać specyfikacja uwzględnia:
Istnieje pięć głównych standardów GSM, różniących się przede wszystkim używanym pasmem radiowym i rozmiarami komórek: GSM 400, GSM 850, GSM 900, GSM-1800 (nazywany także DCS), i GSM 1900 (nazywany także PCS). GSM 850 i GSM 1900 wykorzystywane są w większości państw Ameryki Północnej i Południowej. W pozostałej części świata, używany jest standard GSM 900/1800.
GSM 400 jest rozwiązaniem dla operatorów posiadających sieci NMT 450, którzy są już posiadaczami prawa do używania wykorzystywanych przez ten system częstotliwości, a w okresie przejściowym oba systemy mogą działać razem. Jest też technologią, którą można zastosować do pokrycia dużych niezamieszkanych obszarów.
| Cecha \ System | GSM 400 | GSM 850 | GSM 900 | GSM 1800 | GSM 1900 |
|---|---|---|---|---|---|
| Uplink [MHz] | 450.4 - 457.6 lub 478.8 - 486 |
824 - 849 | 880 - 915 | 1710 - 1785 | 1850 - 1910 |
| Downlink [MHz] | 460.4 - 467.6 lub 488.8 - 496 |
869 - 894 | 925 - 960 | 1805 - 1880 | 1930 - 1990 |
| Liczba częstotliwości | 35 | 124 | 174 | 374 | 299 |
Maksymalny zasięg komórki wynikający ze specyfikacji GSM wynosi około 35 km. Okazuje się jednak, że energia konieczna do emitowania sygnału na częstotliwości 1800/1900 MHz jest tak duża, że rozmiar komórek zasięgu w tych standardach nie przekracza 8 km.
Możliwe jest też rozwiązanie extended range, w którym promień zasięgu komórki może sięgać nawet do 120 km. Związane jest to jednak ze znacznym pogorszeniem "pojemności" sieci. Operatorzy mogą zastosować to rozwiązanie, gdy chcą obniżyć koszty pokrycia dużych, słabo zaludnionych obszarów. Najlepiej nadaje się do tego GSM 400, który ze względu na używane częstotliwości wymaga mniejszej energii do emitowania sygnału na tak duże odległości. Niektórzy dostawcy infrastruktury telekomunikacyjnej, oferują również taką możliwość dla standardu GSM 900.
Operatorzy posiadający licencje umożliwiające wykorzystywanie częstotliwości z dwóch zakresów (np. 900 MHz i 1800 MHz) najpierw starają się pokryć cały dostępny obszar za pomocą sieci GSM 900 (mniejszy koszt związany z pokryciem dużych obszarów), a następnie w regionach związanych z dużym natężeniem ruchu telekomunikacyjnego (np. centra miast, tereny atrakcyjne turystycznie) wdrażany jest też dodatkowo GSM 1800 (większa liczba dostępnych częstotliwości).
Oferowane telefony umożliwiają transmisję w obu zakresach, możliwe jest też przemieszczanie się podczas rozmowy pomiędzy stacjami bazowymi pracującymi w różnych standardach bez utraty połączenia (handover).
Bezpieczeństwo w sieciach GSM i UMTS - sieci GSM i UMTS oferują zróżnicowane usługi związane z bezpieczeństwem teleinformatycznym. W szczególności są to usługi zapewniające autentyczność abonenta podłączającego się do sieci oraz poufność transmisji głosu i danych. Dla części z tych usług opracowano skuteczne ataki kryptoanalityczne.
Do transmisji sygnałów mowy, telefon w systemie GSM używa cyfrowego kanału radiowego przydzielonego mu na czas połączenia przez Kontroler Stacji Bazowych. Każda z dostępnych częstotliwości podzielona jest na 8 szczelin czasowych, w których mogą być transmitowane pojedyncze rozmowy. W zależności od zajętości sieci w danej komórce (ang. cell), telefon może mieć przyznaną całą lub pół szczeliny czasowej, co wiąże się z pogorszeniem jakości transmisji. Podczas rozmowy wysyła do sieci tzw. raporty pomiarowe (ang. measurement reports), w których zawarte są informacje o sile i jakości sygnału odbieranego z okolicznych stacji bazowych. Na podstawie tych raportów, Kontroler Stacji Bazowych może przyznać częstotliwość związaną z inną stacją, jeśli sygnał ze stacji, z którą telefon nawiązał połączenie staje się zbyt słaby, np. abonent oddala się poza zasięg nadajnika.
Transmisja głosu w sieciach komórkowych napotyka na poważne ograniczenia w porównaniu z transmisją w sieciach stacjonarnych:
Pierwsze specyfikacje GSM opisywały przesyłanie danych o prędkości transmisji 9,6 kb/s (Circuit Switched Data – CSD). Polegało to na zajęciu jednej szczeliny czasowej przyznanej przez Kontroler Stacji Bazowych dokładnie w ten sam sposób jak dla zwykłej rozmowy. Kolejne rozwiązanie nazywane High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) dzięki innemu systemowi kodowania i korekcji błędów dawało możliwość osiągnięcia prędkości transmisji 14,4 kb/s w jednej szczelinie czasowej. Na potrzeby jednej transmisji można było ich przydzielić aż cztery, co dawało 57,6 kb/s. Tego typu rozwiązania miały jednak podstawową wadę: na czas połączenia przyznawane były całe kanały cyfrowe, użytkownik zajmował je nawet w momencie, gdy nie wysyłał ani nie odbierał danych, było to więc rozwiązanie kosztowne.
Nowe możliwości pojawiły się wraz z rozwojem technologii GPRS, która została zintegrowana z siecią GSM i stała się częścią tego standardu. Oferuje ona pakietowe przesyłanie danych, dzięki czemu użytkownik nie zajmuje tylko dla siebie całego kanału cyfrowego i płaci za faktycznie wysłane/odebrane dane. Osiągana w praktyce prędkość transmisji to 30 – 80 kb/s. Rozszerzeniem technologii GPRS jest EDGE, który oferuje jeszcze większą prędkość transmisji i uważany za alternatywę dla telefonii UMTS, która nie wymaga inwestycji w licencje związane z nowymi częstotliwościami oraz w kosztowną rozbudowę sieci radiowych.
Usługa pozwalająca wysyłać i odbierać wiadomości w formatach SMS, EMS i MMS.
|
|
Poniższy opis uwzględnia elementy sieci szkieletowej GSM wspierające komunikację bazującą na zasadzie komutacji łączy, czyli na przykład transmisję głosu lub SMS. W GSM, zupełnie niezależnie rozbudowywana jest sieć szkieletowa związana z komutacją pakietów stosowaną w transmisji GPRS/EDGE - zobacz rozdział Architektura sieci GPRS w haśle GPRS aby zapoznać się z jej budową. |
|
|
Poniżej pokazana jest klasyczna budowa sieci szkieletowej związanej z komutacją łączy opartej na centralach MSC. Obecnie wiele sieci GSM migruje do architektury warstwowej, w której funkcjonalność MSC rozdzielona jest pomiędzy dwa rodzaje elementów sieciowych: MSC Server i Media Gateway. Zobacz artykuł Mobile Softswitch Solution w celu poznania szczegółów związanych z tym rozwiązaniem. |
Oto kilka często spotykanych scenariuszy w sieci GSM.
|
|
Rozdział ten ma za zadanie pokazać współdziałanie elementów sieci GSM i dla przejrzystości opisu zawiera pewne uproszczenia. Jeśli chcesz się zapoznać ze szczegółami związanymi z zestawianiem połączenia głosowego, zobacz artykuł Proces zestawiania połączenia głosowego w sieciach GSM i UMTS |
| Location Area (LA) - obszar składający się zwykle z kilkudziesięciu lub kilkuset komórek sieci GSM. Każda z nich podczas definicji otrzymuje ten sam parametr Location Area Indentity (LAI). Za pomocą tego parametru VLR przechowuje informacje o położeniu Abonenta. |
Technologia GSM jest obecnie najczęściej używanym rozwiązaniem do budowy sieci komórkowych. Telefonów w tym standardzie używa około 1,75 mld abonentów, co stanowi ponad 75% wszystkich użytkowników telefonii mobilnej.
Głównymi uczestnikami rynku GSM są operatorzy telekomunikacyjni, będący właścicielami sieci. Jest ich ponad 650. Do największych można zaliczyć operatorów multiregionalnych, czyli posiadających swoje oddziały w wielu krajach, lub będących udziałowcami większościowymi innych operatorów, tacy jak Vodafone, T-Mobile, oraz działającego na rynku chińskim China Telecom.
Powstaje też coraz więcej operatorów wirtualnych, nieposiadających własnej infrastruktury telekomunikacyjnej, oferujących swoim abonentom usługi na bazie wykupionych hurtowo minut dostępu do istniejących sieci.
Część z nich jest własnością koncernów medialnych, dzięki czemu mogą wyróżniać się na rynku za pomocą oferowanych usług polegających na dostarczaniu swoim klientom wybranych informacji. Przykładem może tu być stacja muzyczna MTV lub amerykański kanał sportowy ESPN, który oferuje abonentom należącego do niego operatora niektóre swoje programy, oraz skróty z najciekawszych wydarzeń sportowych. Największym operatorem wirtualnym jest Virgin Mobile.
Sieć GSM stała się też kolejnym kanałem dystrybucji usług dla firm nie związanych z telekomunikacją. Przykładem może być jeden numer korporacji taksówkowej, dzięki któremu połączenie jest automatycznie przekierowane do jej lokalnego oddziału, położonego najbliżej miejsca, z którego dzwoni abonent, możliwość interakcji widzów z programami rozrywkowymi za pomocą teległosowania SMS-ami, lub udostępnienie plików multimedialnych, które mogą być użyte do personalizacji telefonów. GSM jest też postrzegany jako kolejne medium służące dostarczaniu informacji. Na przykład CNN na początku swojej działalności oferowało swoje serwisy informacyjne tylko za pomocą telewizji, później zaczęło prezentować je w swoim portalu internetowym, a obecnie oferuje usługę CNN Mobile News poprzez telefony komórkowe.
Z rynkiem GSM związani są też dostawcy infrastruktury telekomunikacyjnej. Według raportu firmy Heavy Reading[9], w 2007 roku podział rynku infrastruktury GSM (biorąc pod uwagę przychody ze sprzedaży) przedstawiał się następująco: Ericsson - 36%, Nokia Siemens Networks - 33%, Alcatel-Lucent -10%, Huawei - 10%, pozostali dostawcy - 11%.
Innym ważnym segmentem rynku jest sprzedaż telefonów komórkowych, ich największymi producentem jest Nokia. Pozostali najwięksi dostawcy (przyjmując jako kryterium ilość sprzedanych telefonów) to Samsung, LG Electronics, Motorola i Sony Ericsson[10]. Innymi ważnymi partnerami dla operatorów są firmy tworzące oprogramowanie rozszerzające podstawową funkcjonalność sieci, np. aplikacje realizujące usługi bazujące na platformie sieci inteligentnych, systemy billingowe, rozwiązania wspomagające zarządzanie siecią (Operations Support System (OSS)) lub relacje z klientami (Business Support System (BSS)).
Operatorzy i dostawcy rozwiązań telekomunikacyjnych mogą również mieć wpływ na rozwój technologii GSM poprzez udział w rozwijaniu jej specyfikacji przez konsorcjum 3GPP. Powołane przez nich stowarzyszenie GSM Association dba o kwestie prawne i ekonomiczne związane z rozwojem standardu i rynku oferowanych dzięki niemu usług.
Dla każdego państwa telekomunikacja jest strategiczną gałęzią przemysłu. Rządy starają się mieć wpływ na operatorów działających na terenie danego kraju, za pomocą podległych im Regulatorów Rynku Telekomunikacyjnego, oraz urzędy antymonopolowe. Duży wpływ na rynek w skali globalnej mają też organizacje regionalne: np. Komisja Europejska zamierza wydać rozporządzenie o maksymalnych stawkach za roaming w połączeniach na terenie Unii Europejskiej.
18 października 1995 roku Ministerstwo Łączności ogłosiło przetarg związany z możliwością wybudowania dwóch sieci w standardzie GSM. Ofertę przetargową zainteresowało się 61 firm (aby przygotować swoją ofertę należało zakupić dokumentację przetargową za 13 000 dolarów)[11]. Ostatecznie do przetargu przystąpiły 3 firmy, składając ofertę w wyznaczonym przez ministerstwo terminie (3 stycznia 1996). Były to C-Line (konsorcjum założone przez Ciech i STET - włoskiego, narodowego operatora), Polkomtel i Polska Telefonia Cyfrowa[11][12]. Licencje otrzymały Polkomtel i PTC. Opłaty licencyjne kosztowały 676 mln dolarów, obaj operatorzy mieli prawo do tej samej liczby częstotliwości w paśmie 900 MHz. Pierwsza polska sieć GSM (Era GSM, operator Polska Telefonia Cyfrowa) została uruchomiona 13 września 1996 r. 1 października 1996 r. usługi na bazie swojej sieci (Plus GSM) zaczął oferować Polkomtel.
W Polsce usługi w standardzie GSM w czerwcu 2009 r. świadczyło czterech operatorów: Polska Telefonia Cyfrowa (sieć T-Mobile), Polkomtel (sieć Plus), PTK Centertel (sieć Orange) oraz P4 (operator sieci Play). Pozostałe wolne częstotliwości zostały rozdzielone na podstawie przetargów spółkom Aero2, Mobyland i Centernet[13][14].
W grudniu 2006 r. rozpoczął działalność pierwszy wirtualny operator telefonii komórkowej w Polsce - mBank mobile, korzystający z infrastruktury Polkomtela. Rynek operatorów wirtualnych rozwija się wolno, według szacunków dziennika Rzeczpospolita[15] pod koniec 2008 roku w Polsce było około 165 000 aktywnych klientów MVNO, co stanowi 0.4% całego polskiego rynku telefonii komórkowej.
Standardy GSM: GSM 400, GSM 700, GSM 850, GSM 900, GSM 1800, GSM 1900, GSM-R.
Elementy architektury sieci GSM
Technologie wykorzystywane w sieci GSM
Usługi oferowane przez sieci GSM
Inne artykuły związane z technologią GSM
|
||||||||||||||||||||
