Data aktualizacji: 01.05.1999

GSM

PomiΩdzy magi▒ a wystarczaj▒co zaawansowan▒ technologi▒ nie ma r≤┐nicy. Zw│aszcza ludziom o humanistycznym nastawieniu do ┐ycia lub po prostu ludziom o nietechnicznym wykszta│ceniu mo┐e siΩ wydawaµ, ┐e te wszystkie urz▒dzenia dzia│aj▒ tylko dziΩki magii. Dla wielu ludzi natomiast o zaciΩciu technicznym, technokrat≤w, lub (nie b≤jmy siΩ tego s│owa) technoli - wszystkie urz▒dzenia to systemy sk│adaj▒ce siΩ z podsystem≤w prawie zawsze daj▒cych siΩ │atwo zrozumieµ.

GSM to nie jest jaka╢ tam magia lecz po prostu system telefoni kom≤rkowej trzeciej generacji. W niniejszym tek╢cie postaram siΩ mo┐liwie przystΩpnie przybli┐yµ jego zrozumienie. Strona ta jest skierowana do przeciΩtnego zjadacza bu│eczek a nie do nadΩtych teoretycznie profesor≤w nie potrafi▒cych w praktyce nic zrobiµ ani te┐ do profesjonalist≤w kt≤rzy zarabiaj▒ na chlebek u operator≤w GSMu czyli zgrywus≤w naszych kochanych - ci z koleji je┐d┐▒ na szkolenia za gramanicΩ i tego tekstu nie powinni czytaµ bo jest za prymitywny dla nich. To naprawdΩ jest banalnie proste! To nie krasnoludki powoduj▒, ┐e wszystko dzia│a ale fizyka (elektronika) w po│▒czeniu z matematyk▒ (software).

Nale┐y sobie zdawaµ sprawΩ, ┐e taka wiedza teoretyczna w codziennym u┐ywaniu telefonu kom≤rkowego GSM ma│o (je╢li w og≤le) siΩ przyda ale z drugiej strony warto czasami jest rozszerzaµ swoje horyzonty - choµby po to, ┐eby siΩ nam zwoje m≤zgowe za bardzo nie wyprostowa│y lub po prostu dla jaj!

Poza tym niekt≤re popularne telefony (jak na przyk│ad telefony firmy Siemens) maj▒ wbudowany tryb monitoruj▒cy, dziΩki kt≤remu mo┐na obejrzeµ trochΩ parametr≤w sieci. W tym kontek╢cie ╢mieszy fakt, ┐e niekt≤re inne firmy oferuj▒ specjalne telefony z trybem monitoruj▒cym za kilka tysiΩcy dolar≤w od sztuki. Maj▒c natomiast taki popularny telefon z trybem monitoruj▒cym mo┐na siΩ pozabawiaµ w specjalistΩ a w ka┐dym wypadku nieco lepiej zrozumieµ i por≤wnaµ parametry sieci.

Wprowadzenie og≤lne

Jak daleko ?

Czasami u┐ytkownicy telefon≤w kom≤rkowych GSM zadaj▒ sobie pytanie: "jak daleko mogΩ moim aparatem GSM telefonowaµ?". Odpowied╝ brzmi: "na ca│y ╢wiat". Wielu ludzi myli telefon kom≤rkowy z kr≤tkofal≤wk▒ (lub walkie-talkie). Sygna│y z jednej kr≤tkofal≤wki (ko±cowego urz▒dzenia nadawczo-obiorczego) s▒ wypromieniowane z jej anteny i z│apane przez antenΩ drugiej kr≤tkofal≤wki. Ca│kowita trasa idzie zatem, o dziwo, po powietrzu. A jako, ┐e wraz ze wzrostem odleg│o╢ci pomiΩdzy kr≤tkofal≤wkami sygna│y staj▒ siΩ coraz s│absze maj▒ one tylko ograniczy zasiΩg.

Ca│kiem inaczej sytuacja wygl▒da w telefonii kom≤rkowej. A to dlatego, ┐e po powietrzu sygna│y id▒ zwykle tylko najmniejsz▒ czΩ╢µ ca│ej drogi. WiΩkszo╢µ trasy biegnie, panie dziejku, po miedzi czyli zwyk│ymi, za przeproszeniem drutami.

W zasadzie mo┐naby rzec, ┐e telefon kom≤rkowy dzia│a nie inaczej ni┐ telefon bezprzewodowy. Telefon bezprzewodowy przesy│a sygna│y radiowe do stacji bazowej pod│▒czonej do zwyk│ego, ordynarnego wrΩcz, gniazdka telefonicznego. A od tego gniazdka sygna│y popylaj▒ po miedzi (po kablu) do obiorcy. Je╢li ten odbiorca te┐ posiada aparat bezdrutowy, pardon, bezprzewodowy to jego stacja bazowa znowu puszcza pogaduszki nadawcy (tzn. sygna│y) po powietrzu do czΩ╢ci ruchomej telefonu bezprzewodowego. Je╢li chlop i baba obydwoje korzystaj▒ z telefon≤w bezprzewodowych a jedno jest w Warsiawie a drugie w Posenstadt to wtedy na ten przyk│ad dajmy na to z 15 metr≤w idzie po powietrzu a 300 kilometr≤w kabluje po miedzi. Tak samo nale┐y sobie wyobra┐aµ rozmowy przez telefon kom≤rkowy.

Obszar jest podzielony na kom≤rki

Sieµ telefoni ruchomej to tak zwana sieµ kom≤rkowa. Oznacza to, ┐e ca│y obszar kt≤ry pokryty jest t▒ sieci▒ podzielony jest w tak zwane kom≤rki. W sieci GSMowej (zwanej inaczej GSM900) maj▒ te kom≤rki ╢rednicΩ od 1 do 35 kilometr≤w. W sieci GSM1800 (pochodna GSMu; zwana dawniej DCS1800) s▒ one nieco mniejsze. W ka┐dej z tych kom≤rek operatorzy sieci postawili stacjΩ bazow▒. Je╢li u┐ytkownik (abonent GSMu) porusza siΩ po Polsce to wtedy przechodzi on wtedy przez wiele takich kom≤rek.

Telefon kom≤rkowy wypromieniowuje fale radiowe we wszystkich kierunkach. Stacja bazowa wy│apuje te sygna│y i przekierunkowuje je dalej do odbiorcy. Je╢li ten odbiorca r≤wnie┐ dysponuje telefonem kom≤rkowym to rozmowa ta zostanie skierowana do stacji bazowej w zakresie kt≤rej siΩ on znajduje. Tamtejsza stacja bazowa znowu puszcza rozmowΩ w powietrze a telefon kom≤rkowy odbiorcy wy│apuje j▒ anten▒ (odbiera sygna│).

Odcinek radiowy jest kr≤tki

Dobra, dobra, ale co siΩ wyprawia panie dziejku pomiΩdzy obydwoma po╢rednicz▒cymi stacjami bazowymi ? Ano pewna centralna stacja kontrolna steruje wieloma stacjami bazowymi. Ta stacja kontrolna jest z koleji po│▒czona z central▒, kt≤ra ustanawia przej╢cie albo do normalnej sieci telefonicznej albo do innej centrali w sieci ruchomej (patrz rysunek poni┐ej).

W opisanym powy┐ej ustawieniu wiΩkszo╢µ drogi idzie po kablu miedzianym, w kt≤rym rozmowy s▒ przesy│ane tak samo jak w normalnej sieci sta│ej. Tylko wtedy gdy dana stacja bazowa stoi w obszarze, kt≤ry jest do╢µ na uboczu po│o┐ony i nie jest ten obszar wyposa┐ony wystarczaj▒co w przewody telefoniczne to wtedy sygna│y ze stacji bazowej do centrali r≤wnie┐ id▒ po powietrzu. U┐ywa siΩ w tym przypadku innej techniki (│▒cza radiowe), kt≤ra z opisan▒ do tej pory technik▒ telefoni kom≤rkowej nie ma nic wsp≤lnego - u┐ywano jej nawet w przesz│o╢ci do transmisji rozm≤w w normalnej sta│ej sieci telefonicznej wtedy kiedy jeszcze wr≤belki o telefoni kom≤rkowej nic nie µwierka│y.

Widaµ wiΩc go│ym okiem z │atwizn▒, ┐e w telefoni kom≤rkowej tylko ma│y odcinek leci po powietrzu (czyli drog▒ radiow▒). WiΩksza czΩ╢µ drogi popyla w rzeczywisto╢ci pomiΩdzy centralami przez normaln▒ sieµ telefoniczn▒. I w tym punkcie znowu jeste╢my przy pytaniu: "jak daleko mo┐na aparatem kom≤rkowym telefonowaµ ?". Ano przecie dlatego, ┐e sygna│y tylko ma│▒ czΩ╢µ drogi pomykaj▒ po powietrzu a wiekszo╢µ drogi odbywa siΩ przez zwyk│▒ sieµ telefoniczn▒ mo┐na osi▒gn▒µ odbiorc≤w na ca│ym ╢wiecie. Dlatego te┐ telefony kom≤rkowe nie musz▒ mieµ zbyt du┐ej mocy nadawania. Telefony podrΩczne w GSMie maj▒ standardowo zatem maksymaln▒ moc nadawania 2 waty a w GSM1800 tylko 1 W ! No a poza tym telefony te s▒ tak zbudowane, panie dziejku, ┐e promieniuj▒ one sygna│y tylko z tak▒ moc▒ kt≤ra w│a╢nie jest potrzebna aby nawi▒zaµ po│▒czenie wolne od b│Ωd≤w i zniekszta│ce±.

Sieµ musi znale╝µ dzwoni▒cy telefon

Sk▒d do jasnej ciasnej wie sieµ telefoni kom≤rkowej gdzie w danej chwili znajduje siΩ jej u┐ytkownik ze swoim nomen omen przeno╢nym aparatem ? Kiedy kto╢ do niego dzwoni to jego bie┐▒ce miejsce przebywania musi byµ ju┐ znane. Do tego celu krasnoludki dysponuj▒ w centralach r≤┐nymi bazami danych. Oznacza to, ┐e centrale te nie tylko s│u┐▒ jako miΩdzymordzie (pfuj: interfejs) do innych sieci telefonicznych lecz tak┐e przejmuj▒ czΩ╢µ zarz▒dzania danymi u┐ytkownik≤w.

W tak zwanym pliku ojczy╝nianym (HLR = Home Loation Register) operator sieci przechowuje dane ka┐dego klienta. Gdy klient w│▒cza sw≤j telefon kom≤rkowy to nawi▒zuje ten aparat wpierw po│▒czenie z sieci▒ radiow▒. Gdy po│▒czenie ju┐ zosta│o nawi▒zane to nastΩpuje przesy│anie przez telefon kom≤rkowy danych zapamiΩtanych na karcie do stacji bazowej.

Ta z koleji przekazuje te dane dalej do pliku ojczy╝nianego gdzie nastΩpuje po piersie por≤wnanie danych - sprawdzane s▒ prawa dostΩpu - a po drugie w HLRze zapamiΩtane zostaje bie┐▒ce miejsce przebywania klienta sieci telefoni kom≤rkowej. No a poza tym krasnoludki zak│adaj▒ drug▒ bazΩ danych: plikiem odwiedzaj▒cych (VLR = Visitor Location Register) zwan▒. W tej bazie (nie myliµ z podstaw▒) zostaj▒ zapamiΩtywane dane wszystkich os≤b (tzn. ich kart) kt≤rzy przej╢ciowo w tym zakresie (│obszarze) centrali siΩ zabawiaj▒ czy te┐ go po prostu z sobie znanych powod≤w odwiedzaj▒. G│≤wnie rozchodzi siΩ przy tych danych o adres pliku ojczy╝nianego klienta i jego numer telefoniczny. Je╢li dany klient opuszcza obszar tej centrali to jego dane z pliku odwiedzaj▒cych s▒ wymazywane przez krasnoludki wirtualn▒ gumk▒ do ╢cierania a ponownie zapisywane w kolejnej centrali.

DziΩki tym dwom plikom: plikowi ojczy╝nianemu i plikowi odwiedzaj▒cych jest operator sieci, nasz zgrywus kochany, w dowolnej chwili poinformowany o miejscu przebywania danego klienta je╢li tylko ten geniusz karpat nie zapomnia│ w│▒czyµ swojego telefonu kom≤rkowego i zalogowa│ siΩ do tej sieci (symbol antenki pokazuje kilka kresek a na wy╢wietlaczu jakie╢ dziwne literki nazwΩ sieci przypominaj▒ce siΩ pojawiaj▒).

»eby to nie wygl▒da│o zbyt prosto to krasnoludki zapisuj▒ w pliku ojczy╝nianym wiele wiΩcej informacji ni┐ tylko miejsce pobytu i to┐samo╢µ klienta. Wszystkie skompi│owane informacje s▒ tam zapamiΩtywane: takie jak na przyk│ad jak klient siΩ zalogowa│, jakie przekierunkowania on zaktywowa│ (czyli po naszemu: w│▒czy│). Na przyk│ad dane o tym, ┐e wszystkie przychodz▒ce rozmowy s▒ prze│▒czane na jego skrzynkΩ poczty g│osowej (u nas czasami sekretark▒ automatyczn▒ zwan▒) s▒ tam te┐ umieszczone. No i w pliku ojczy╝nianym operator trzyma te┐ przecie dane o przeprowadzonych rozmowach co mu wydajnie pomaga w wystawianiu rachunk≤w (mniej lub bardziej szczeg≤│owych) i skutecznym dojeniu klient≤w z forsy co jest zreszt▒ jego g│≤wnym celem ┐yciowym.

Karta telefoniczna zawiera wa┐ne dane

Ka┐dy telefonista ruchomy dumnie nazywaj▒cy siebie posiadaczem telefonu kom≤rkowego (GSMowego oczywi╢cie!!!) posiada kartΩ chip-ow▒ (nie myliµ z chipsami) zwan▒ popularnie kart▒ SIM (Subscriber Identity Module). Sam telefon kom≤rkowy to jest mniej ni┐ zero, je, je. »eby on w og≤le m≤g│ dzia│aµ trzeba do niego, za przeproszeniem, wsadziµ kartΩ SIM. Karta ta to jest dopiero ma│e ale wielkie co nieco. R≤wnie┐ na tej karcie zapisane s▒ dane osobiste klienta. Ka┐da karta SIM ma swoje w│asne unikalne w skali ╢wiatowej oznaczenie. No a poza tym na tej karcie pracowite krasnoludki zapisa│y dane, kt≤re przy zameldowywaniu siΩ telefonu do sieci s▒ wymieniane ze stacj▒ bazow▒.

Z drugiej ba±ki natomiast czterocyfrowy kod, popularnie PINem zwany (Personal Identity Number), kt≤ry to trza za ka┐dy razem, po w│o┐eniu karty SIM do aparatu wstukaµ, ┐eby iskierki posz│y i oboje zaczΩli ze sob▒ wsp≤│pracowaµ, nie ma z sieci▒ nic wsp≤lnego. PIN ≤w ma jedynie za zadanie ochroniµ kartΩ SIM przed jej nadu┐yciem przez brutali czyli osoby trzecie - na przyk│ad gdy telefon kom≤rkowy zostanie zwΩdzony (nie myliµ z uwΩdzeniem) a z│odzieja najdzie nagle ochota dzwonienia po ╢wiecie co kosztuje przecie┐ cie┐k▒ mamonΩ szmalcem popularnie zwan▒. PIN ten, dobry nasz kole┐ka, jest przy zakupie na karcie ju┐ zapamiΩtany, mo┐e byµ jednak przez posiadacza ponownie zmieniony lub nawet ca│kiem wy│▒czony. To ostatnie nie zaleca siΩ gdy┐ wtedy ka┐dy komu w │apy wpadnie nasza kochana kom≤rka (telefon kom≤rkowy) mo┐e telefonowaµ do woli i nabiµ nam niezmiernie licznik rozm≤w, za kt≤re trzeba bΩdzie tak czy siak zabuliµ operatorowi.

Zmiana kom≤rek

Klient telefonii kom≤rkowej jest ruchliwy. Nie siedzi on tylko ca│e ┐ycie w jednej i tej samej kom≤rce i patrzy w sufit. O nie ! On przemieszcza siΩ z jednej kom≤rki, kt≤r▒ opuszcza bez lito╢ci i ┐alu, do nastΩpnej, a potem nastΩpnej i tak dalej. Je╢li klient ≤w raczy siΩ znajdowaµ na skraju danej kom≤rki radiowej to wtedy sieµ musi na czas rozpoznaµ kiedy to lepiej by│oby dla wszystkich zainteresowanych stron nawi▒zaµ nowe po│▒czenie do stacji bazowej z s▒siedniej kom≤rki.

Telefon kom≤rkowy wypromieniowuje sygna│y we wszystkich kierunkach co oznacza, ┐e nie tylko jedna stacja bazowa te fale │apczywie wy│apuje, lecz ewentualnie dwie lub nawet wiΩcej. Sieµ sprawdza skrzΩtnie jako╢µ ka┐dego z tych po│▒cze± i decyduje arbitralnie kt≤ra stacja bazowa nawi▒zuje po│▒czenie rozmowne z owym telefonem kom≤rkowym. Jako╢µ po│▒czenia jest potem ci▒gle sprawdzana. Je╢li siΩ niechc▒cy okazuje, ┐e jako╢µ po│▒czenia podpada i opada co nieco a po│▒czenie do innej stacji bazowej wykazuje lepsz▒ jako╢µ no to siu - wtedy ta w│a╢nie stacja nawi▒zuje po│▒czenie rozmowne z telefonem kom≤rkowym. Dopiero gdy te nowe w danej chwili po│▒czenie z t▒ lepsz▒ niby jako╢ciowo stacj▒ bazow▒ jest nawi▒zane to stare po│▒czenie zostaje zerwane i rozmowa idzie dalej ju┐ przez now▒ stacjΩ bazow▒. Partnerzy rozmowy kom≤rkowej nic o dziwo nie zauwa┐aj▒ - rozmowa jest bez przerwy kontynuowana (w sieciach analogowych s│yszalny jest jednak wtedy wyra╝ny chrzΩk-brzΩk-niby-to-d╝wiΩk).

W sieci cyfrowej rozmowy s▒ do╢µ odporne na pods│uch

Starsze, analogowe, telefony kom≤rkowe mo┐na by│o (i jest) │atwo pods│uchiwaµ. Wystarczy│y do tego podstawowe zdolno╢ci radioamatorskie lub urz▒dzonko na zgni│ym zachodzie pod nazw▒ skaner radiowy znane, kt≤rego posiadaczem mo┐na siΩ ju┐ staµ za kwotΩ mniejsz▒ ni┐ ╢mieszne 400 z│otych. Te zabawy licznej rzeszy radioamator≤w i ludzi po prostu z nudy i braku ciekawszego zajΩcia zajmuj▒cych siΩ pods│uchiwaniem rozm≤w rodzaju wszelakiego siΩ sko±czy│y wraz z wprowadzeniem cyfrowej telefonii kom≤rkowej. Na jednym i tym samym kanale radiowym jest tutaj prowadzone jednocze╢nie wiele rozm≤w - dane zawieraj▒ce poszczeg≤lne rozmowy s▒ wzajmnie prze│▒czane w czasie - a ┐eby by│o weselej rozmowy te zmieniaj▒ czΩsto czΩstotliwo╢µ. Przy pomocy normalnych (tzn. takich co mo┐e sobie w sklepie ka┐dy przechodze± z ulicy kupiµ je╢li tylko kasa mu gra) skaner≤w nie da siΩ cyfrowej sieci telefoni kom≤rkowej pods│uchiwaµ. Rozmowy nie s▒ wprawdzie nadal stuprocentowo odporne na pods│uchiwanie ale jednak pods│uchiwanie przez nieupowa┐nione osoby trzecie wymaga bardzo du┐ego nak│adu - w og≤le nie por≤wnywalnego do ╢miesznej │atwo╢ci tej zabawy przy analogowej telefoni kom≤rkowej.

Wprowadzenie techniczne

GSM - system prawie ╢wiatowy

GSM to technologia, kt≤ra odnios│a wielki sukces i ci▒gle siΩ rozwija. Na pocz▒tku lat dziewiΩµdziesi▒tych by│o tylko kilka firm, kt≤re zajmowa│y siΩ produkcj▒ sprzΩtu dla GSMu. Ka┐da z nich mia│a tylko niewielk▒ liczbΩ ekspert≤w kt≤rzy czerpali wiedzΩ z komisji ETSI (European Telecommunications Stnadards Institute), kt≤re zaprojektowa│y specyfikacjΩ GSMu. Dzi╢ setki firm pracuj▒ nad GSMem a liczbΩ ekspert≤w mo┐na ju┐ liczyµ w tysi▒cach.

Nale┐y jednak nadmieniµ, ┐e chocia┐ GSM odni≤s│ niesamowity sukces w Europie oraz czΩ╢ciowo na innych kontynentach to jednak ma on konkurent≤w. Na przyk│ad w USA operatorzy cyfrowej sieci kom≤rkowej nie s▒ zmuszani (tak jak jest to w Europie i w Polsce) do u┐ycia konkretnego typu systemu (tzn. np. GSMu) ale mog▒ u┐yµ dowolnego systemu. Doprowadzi│o to do sytuacji, ┐e w USA z GSMem (tam jest to GSM1900 zwany dawniej PCS1900) konkuruje m.in. r≤┐ny od GSMu system zwany popularnie CDMA. Z koleji Japo±czycy u siebie i w Azji Wschodniej promuj▒ inne ni┐ wy┐ej wymienione swoje w│asne rozwi▒zania.

Nie zmienia to faktu, ┐e w Europie i w wielu innych krajach ╢wiata (w tym w Polsce) GSM bΩdzie jeszcze d│ugo systemem dominuj▒cym a dziΩki tzw. WorldPhone (tr≤jsystemowy telefon w standardach GSM900, GSM1800, GSM1900) bΩdzie mo┐liwy ╢wiatowy roaming. Satelitarne telefony przeno╢ne jeszcze d│ugo nie osi▒gn▒ rynku masowego gdy┐ ceny us│ug w tym przypadku s▒ niedostΩpne dla przeciΩtnych u┐ytkownik≤w. GSM jest to wiΩc r≤wnie┐ system, kt≤ry ma przysz│o╢µ. Dlatego warto siΩ zapoznaµ z nim trochΩ bli┐ej.

Sieci GSMowe

Na rysunku poni┐ej przedstawiono zarys systemu GSM.

System GSM sk│ada siΩ z Mobilnych Stacji (MS = Mobile Station) czyli podrΩcznych, samochodowych lub w postaci karty komputerowej telefon≤w kom≤rkowych. MSy rozmawiaj▒ z Bazowej Stacji Systemem (BSS = Base Station System) poprzez powietrzny interfejs czΩstotliwo╢ci radiowych. BSS sk│ada siΩ z Bazowej Transmisji Stacji (BTS = Base Tranceiver Station = Bazowa Stacja Nadawania/Odbioru) oraz z Bazowej Stacji Controlera (BSC = Base Station Controller). Zwykle jest tak, ┐e kilka BTS≤w jest umieszczonych w tym samym miejscowisku (site) tworz▒c w ten spos≤b dwa do czterech kom≤rek dzia│aj▒cych ze wsp≤lnej wie┐y antenowej. BSCe s▒ czΩsto pod│▒czane do BTS≤w poprzez │▒cza mikrofalowe. ú▒cze BSC-do-BTSa zwane jest interfejsem Abis. Zwykle jest tak, ┐e jeden BSC kontroluje 20cia do 30tu BTS≤w. LiczbΩ BSS≤w zwraca siΩ nastΩpnie do MSCa (MSC = Mobile Switching Center = Mobilne Prze│▒czaj▒ce Centrum), kt≤ry kontroluje ruch pomiΩdzy r≤┐nymi kom≤rkami.

Ka┐dy MSC ma VLRa (VLR = Visitor Location Registor = plik odwiedzaj▒cych), kt≤ry zapamiΩtuje listΩ MS≤w, kt≤re s▒ poza swoj▒ domow▒ kom≤rk▒ i dziΩki temu sieµ wie gdzie te MSy znale╝µ gdy trzeba z nimi nawi▒zaµ │▒czno╢µ. MSC jest r≤wnie┐ pod│▒czony do HLRa (HLR = Home Loation Register = plik ojczy╝niany), AUCa (AUC = Authentication Center = identyfikacji Centrum) i EIRa (EIR = Equipment Identity Register = plik Identyfikacji sprzΩtu) dziΩki czemu zanim u┐ytkownik siΩ zaloguje mo┐na sprawdziµ czy ma on do tego prawo: czy jest zaktywizowany, czy ma ewentualnie roaming czy przypadkiem nie u┐ywa skradzionego aparatu lub karty. System GSM posiada te┐ takie strutkury organizacyjne jak OMC (OMC = Operation and Maintenance Center = dzia│ania i utrzymania w ruchu Centrum) i NMC (NMC = Network Management Center = sieci▒ zarz▒dzania Centrum).

Kom≤rka GSMowa

Na rysunku poni┐ej przedstawiono kom≤rkΩ GSMow▒.

W systemie GSM poszczeg≤lne kom≤rki mog▒ byµ rozmieszczane w promieniu o wielko╢ci do 35 km dla GSM900 (jest to ograniczenie systemowe wynikaj▒ce z parametr≤w transmisji radiowej) i oko│o 8 kilometr≤w dla GSM1800 (ze wzglΩdu na ni┐sz▒ moc typowego MSa). Najbardziej oczywistymi czΩ╢ciami kom≤rki GSMowej s▒ stacja bazowa i jej wie┐a antenowa. Powszechnie stosuje siΩ praktykΩ, ┐e kilka kom≤rek jest rozmieszczanych wok≤│ wsp≤lnej wie┐y antenowej. Taka wie┐a ma wtedy kilka anten kierunkowych, z kt≤rych ka┐da pokrywa poszczeg≤lny obszar. Te wsp≤│-rozmieszczanie kilku BTS≤w jest zwane czasami miejscowiskiem (site) kom≤rek lub tylko po prostu stacj▒ bazow▒. BTSe te pod│▒czana s▒ do ich BSCa przez interfejs Abis'owy, kt≤ry jest interfejsem kablowym lub ╢wiat│owodowym.

Ka┐dy BTS zostaje wyposa┐any w kilka par Tx/Rx'owych czyli w kilka modu│≤w nadawania/odbierania. Ich liczba bΩdzie okre╢laµ ile kana│≤w czΩstotliwo╢ciowych mo┐e byµ u┐ywanych w danej kom≤rce i zale┐y od oczekiwanej w niej liczby abonent≤w.

Wszystkie BTSy produkuj▒ kana│ broadcast'owy (BCH = Broadcast Channel). BCH dzia│a podobnie jak latarnia morska. Jest on w│▒czony ca│y czas i pozwala MSom na znalezienie sieci GSMowej. Si│a sygna│u BCHa jest u┐ywana przez sieµ do wielu funkcji u┐ytkownika. Si│a tego sygna│u jest u┐ywana do odgadniΩcia przez MSa kt≤ry BTS znajduje siΩ najbli┐ej. BCH zawiera w sobie r≤wnie┐ zakodowane informacje takie jak: identyfikacja sieci (np. czy jest to Era GSM czy te┐ Plus GSM), wiadomo╢ci do MS≤w, ┐e nadchodzi rozmowa i inne informacje. BCH odbieraj▒ wszystkie MSy, kt≤re znajduj▒ siΩ w danej kom≤re, niezale┐nie od tego czy te MSy w danej chwili prowadz▒ rozmowΩ (lub og≤lnie rzecz nazywaj▒c transmisjΩ) czy te┐ nie.

Kana│ czΩstotliwo╢ciowy u┐ywany przez BCH jest inny w ka┐dej kom≤rce. Kana│y te mo┐na ponownie u┐ywaµ w r≤┐nych kom≤rkach pod warunkiem, ┐e s▒ one wystarczaj▒co od siebie oddalone tak, ┐e ryzyko interferencji jest niskie. Oznaczo to wtedy, ┐e BCHy w r≤┐nych (odleg│ych od siebie) kom≤rkach u┐ywaj▒ tego samego kana│u czΩstotliwo╢ciowego.

MSy, kt≤re w danej chwili przeprowadzaj▒ transmisjΩ (mowy, danych lub fax≤w) u┐ywaj▒ do tego kana│u ruchu (TCH = Traffic Channel). TCH to kana│ dwukierunkowy u┐ywany do wymiany informacji pomiΩdzy MSem i stacj▒ bazow▒. Informacja ta podzielona jest na uplink (od MSa do stacji bazowej) i downlink (od stacji bazowej do MSa). System GSM rozdziela uplink i downlink do oddzielnych przedzia│≤w czΩstotliwo╢ciowych (patrz tabela poni┐ej).

	faza 1 GSM900	faza 2 GSM900	faza 1 GSM1800	faza 2 GSM1800	GSM1900
uplink [MHz]	890 do 915	880 do 915	1710 do 1785	1710 do 1785	1850 do 1910
downlink [MHz]	935 do 960	925 do 960	1805 do 1880	1805 do 1880	1930 do 1990
zakres ARFCN≤w	1 do 124	0 do 124 oraz 975 do 1023	512 do 885	512 do 885	512 do 810
odstΩp Tx/Rx [MHz]	45	45	95	95	80
odstΩp Tx/Rx [ilo╢µ przedzia│≤w czasowych]	3	3	3	3	3
szybko╢µ modulacji danych [kb/s]	270.833	270.833	270.833	270.833	270.833
okres ramki [ms]	4.615	4.615	4.615	4.615	4.615
okres przedzia│u czasowego [mikrosekunda]	576.9	576.9	576.9	576.9	576.9
okres bitu [mikrosekunda]	3.692	3.692	3.692	3.692	3.692
modulacja (GMSK)	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3
odstΩp kana│≤w [kHz]	200	200	200	200	200
ilo╢µ przedzia│≤w czasowych TDMAowych	8	8	8	8	8
maksymalna moc MSa [W]	8	8	1	4	2
minimalna moc MSa [dBm]	13	5	0	0	0
ilo╢µ poziom≤w mocy MSa	0 do 15	2 do 19	0 do 13	0 do 15	30, 31, 0 do 15
szybko╢µ bitowa kodera mowy [kb/s]	13	13 5.6	13	13 5.6	13

W ka┐dym z tych dw≤ch przedzia│≤w schemat numerowania kana│≤w jest ten sam. Skutkiem tego jest to, ┐e kana│ GSMowy sk│ada siΩ z czΩstotliwo╢ci uplinku i czΩstotliwo╢ci downlinku.

Warto zauwa┐yµ, ┐e TCH u┐ywa kana│u czΩstotliwo╢ciowego zar≤wno w przedziale uplinku jak i w przedziale downlinku, podczas gdy BCH zajmuje kana│ tylko z pzedzia│u downlinku. Odpowiadaj▒cy temu kana│owi kana│ w przedziale uplinku pozostaje wiΩc wolny. Kana│ ten mo┐e byµ wiΩc wykorzystywany przez MSy do nieprzewidzianych lub losowych kana│≤w (RACH = Random Access Channel). Kiedy MS chce zwr≤ciµ uwagΩ stacji bazowej (np. gdy chce on zainicjowaµ po│▒czenie telefoniczne) mo┐e on wtedy u┐yµ w│a╢nie tej wolnej czΩstotliwo╢ci ┐eby wys│aµ RACH. Jako, ┐e w danej chwili mo┐e wiΩcej ni┐ jeden MS chcieµ zwr≤ciµ na siebie uwagΩ stacji bazowej mo┐liwe s▒ koliduj▒ce ze sob▒ RACHy i byµ mo┐e niekt≤re MSy bΩd▒ zmuszone powt≤rzyµ kilka razy te pr≤by.

TDMA i FDMA

GSM u┐ywa TDMA i FDMA. TDMA to wielokrotny dostΩp z podzia│em czasu (TDMA = Time Division Multiple Access) a FDMA to wielokrotny dostΩp z podzia│em czΩstotliwo╢ci (FDMA = Frequency Division Multiple Access). DostΩpne czΩstotliwo╢ci s▒ podzielone na dwa przedzia│y. Przedzia│ uplinku u┐ywany jest do transmisji przez MSy. Przedzia│ downlinku u┐ywany jest do transmisji przez stacje bazowe. Na rysunku poni┐ej przedstawiono czΩ╢µ jednego z tych przedzia│≤w.

Ka┐dy przedzia│ jest podzielony na kana│y o szeroko╢ci 200 kHz zwane ARFCNami (ARFCN = Absolute RF Channell Number = absolutny numer kana│u czΩstotliwo╢ci radiowej). Przedzia│y czΩstotliwo╢ciowe s▒ w ten spos≤b "pociΩte" na kana│y. W GSMie r≤wnie┐ czas jest "pociΩty". Ka┐dy ARFCN jest u┐ywany jednocze╢nie przez maksymalnie osiem (a w tzw. half-rate GSM przez szesna╢cie) MS≤w. Wygl▒da to tak, ┐e ka┐dy MS u┐ywa danego ARFCNa tylko w jednym przedziale czasowym a potem czeka na swoj▒ kolej i nadaje ponownie. MSom wolno u┐ywaµ ARFCNa tylko raz na ramkΩ TDMAow▒.

Na przyk│adzie z rysunku powy┐ej pokazano cztery dzia│aj▒ce MSy. Ka┐dy z nich u┐ywa poszczeg≤lnego ARFCNa/TCHa i poszczeg≤lnego przedzia│u czasowego. Trzy z MS≤w s▒ na tym samym ARFCNie/TCHu przy u┐yciu r≤┐nych przedzia│≤w czasowych. Czwarty MS jest na innym ARFCNie/TCHu.

Taka kombinacja numeru przedzia│u czasowego i ARFCNa zwana jest kana│em fizycznym. Nie ma zbyt wiele miejsca (odstΩpu) pomiΩdzy przedzia│ami czasowymi i ARFCNami. Jest to bardzo wa┐ne dla MS≤w i stacji bazowej, ┐eby puszczaµ swoje transmisje w dok│adnie w│a╢ciwym czasie, czΩstotliwo╢ci i amplitudzie. BTS musi byµ w stanie zmieniaµ umieszczenie w czasie (timing) transmisji MSa. Bez umieszczania w czasie z wyprzedzeniem transmisja od MSa na brzegu kom≤rki dociera│aby za po╝no i nak│ada│aby siΩ (i psu│a) transmisjΩ od MSa, kt≤ry znajduje siΩ blisko stacji bazowej. DziΩki wysy│aniu transmisji z wyprzedzaniem docieraj▒ one do stacji bazowej we w│a╢ciwym czasie. Podczas gdy MS siΩ porusza BTS informuje go, ┐eby zmniejszy│ on wyprzedzenie czasowe jak siΩ on zbli┐a do stacji bazowej i zwiΩkszy│ kiedy siΩ od niej oddala.

Downlink i uplink

Na rysunku poni┐ej przedstawiono przyk│ad transmisji w downlinku i uplinku.

Uplink i downlink u┐ywaj▒ tego samego numeru przedzia│u czasowego i ARFCNa. Przedzia│ czasowy 2 jest przypisany w trybie ruchu: do wysy│ania i otrzymywania informacji - jej wymiany ze stacj▒ bazow▒. Downlink na kt≤rym informacja jest otrzymywana le┐y w przedziale czΩstotliwo╢ciowym 935 do 960 MHz (GSM900). Natomiast uplink czyli czΩstotliwo╢µ na kt≤rym MS transmituje informacjΩ do stacji bazowej le┐y w przedziale czΩstotliwo╢ci 890 do 915 MHz. Uplink i downlink tworz▒ parΩ czΩstotliwo╢ciow▒, kt≤ra dla GSM900 jest zawsze oddzielona przedzia│em o szeroko╢ci 45 MHz. Przedzia│y czasowe s▒ przesuniΩte o 3 pomiΩdzy downlinkiem i uplinkiem. Informacja jest otrzymywana w przedziale czasowym 2 w downlinku a dwa przedzia│y czasowe s▒ przeznaczone na prze│▒czenie do czΩstotliwo╢ci uplinku, ┐eby byµ gotowym do transmisji informacji. System jest wtedy gotowy do otrzymywania przedzia│u czasowego informacji w nastΩpnej ramce.

Koder mowy

WiΩkszo╢µ obecnych system≤w komunikacji cyfrowej u┐ywa jakiego╢ rodzaju kompresji d╝wiΩku. GSM u┐ywa kodera d╝wiΩku do modelowania d╝wiΩku generowanego w ludzkim gardle i filtrowania akustycznego ust i jΩzyka. Charakterystyki te s▒ u┐ywane do tworzenia wsp≤│czynnik≤w wysy│anych przez TCH.

Koder mowy w GSMie oparty jest na koderze RELP (RELP = Residually Excited Linear Predictive) rozszerzonym przez w│▒czenie LTP (LTP = Long Term Predictor). LTP polepsza jako╢µ d╝wiΩku przez usuniΩcie struktur z samog│osek przed kodowaniem. Koder wyrzuca 260 bit≤w dla ka┐dych 20tu milisekund bloku mowy. Proces ten daje szybko╢µ transmisji o wielko╢ci 13 kb na sekundΩ. Bity wyj╢ciowe s▒ uporz▒dkowywane, w zale┐no╢ci od ich wa┐no╢ci w grupy o d│ugo╢ci 182 i 78 bit≤w. Z tych najwa┐niejszych 182 bit≤w jest dalej wydzielone 50 bit≤w. Na rysunku poni┐ej przedstawiono dzia│anie kodera mowy.

Z natury interfejsu powietrznego GSMu wynika, ┐e wystΩpuje troche b│Ωd≤w bitowych. Bity s▒ tak rozmieszczane, ┐e b│Ωdy s▒ bardziej prawdopodobne tam gdzie znacz▒ najmniej. Na jako╢µ d╝wiΩku wp│ywaj▒ najbardziej bity najwa┐niejsze - znacznie mniej ni┐ te mniej wa┐ne. Bity najmniej wa┐ne czyli typu drugiego nie maj▒ korekcji b│Ωd≤w lub ich wykrywania. Bity 1a maj▒ zar≤wno detekcjΩ jak i korekcjΩ b│Ωd≤w, bity 1b tylko korekcjΩ.

O bitach w GSMie mo┐na pomy╢leµ jak o pasa┐erach samolotu. S▒ trzy klasy: 1a, 1b i 2. Bity pierwszej klasy s▒ traktowane pierwsza klasa, i s▒ otoczone du┐▒ ilo╢ci▒ korekcji b│Ωd≤w. W przypadku bit≤w 1a dostaj▒ one r≤wnie┐ detekcjΩ b│Ωd≤w. Te wa┐ne dodatkowe bity zajmuj▒ najwiΩcej miejsca w transmisjach TCH. Bity drugiej klasy (czyli typu 2) zajmuj▒ najmniej miejsca w TCH tak jak pasa┐erowie w klasie turystycznej w samolocie.

WstΩp