Data aktualizacji: 18.05.1999
Data aktualizacji: 18.05.1999
Transmisja cyfrowych danych w sieciach GSM
Za│o┐enia u┐ytkowe sieci GSM
Tworzenie standardu GSM rozpoczΩ│o siΩ w 1982 roku, kiedy to powo│ano do dzia│alno╢ci zesp≤│ roboczy, przed kt≤rym postawiono zadanie opracowania za│o┐e± standardu systemu kom≤rkowego wsp≤lnego dla ca│ej Europy Zachodniej. W czasie prac zespo│u zarezerwowano dwa przedzia│y czΩstotliwo╢ci w pa╢mie 900 MHz, oraz zadecydowano, ┐e nowo tworzony system bΩdzie w pe│ni cyfrowy i w▒skopasmowy. W roku 1990 stwierdzono, ┐e na rok 1992 (na kiedy to przewidziano uruchomienie pierwszej komercyjnej sieci) pe│na specyfikacja techniczna systemu nie bΩdzie gotowa. Aby nie op≤╝niaµ uruchomienia systemu zdecydowano siΩ na wprowadzenie tak zwanych faz wprowadzanych sukcesywnie w miarΩ ko±czenia prac standaryzacyjnych nad ka┐d▒ z nich. Dotychczas zdefiniowano fazy: 1, 2 oraz 2+.
Us│ugi fazy 1
Podstawow▒ us│ug▒ jest oczywi╢cie transmisja sygna│≤w mowy. Zak│ada siΩ dwukierunkow▒ transmisjΩ danych z przep│ywno╢ci▒ 13 kbps. Daje to jako╢µ nieco gorsz▒ ni┐ w tradycyjnych sieciach przewodowych, lecz lepsz▒ ni┐ przy wykorzystaniu kom≤rkowej telefonii analogowej. Z za│o┐enia po│▒czenia z numerami alarmowymi (w praktyce jest to numer 112) musz▒ byµ bezp│atne, oraz mo┐liwe do przeprowadzenia nawet z aparatu bez aktywnej karty SIM.
Drugim g│≤wnym zastosowaniem jest transmisja danych. Mog▒ to byµ zar≤wno "czyste" dane komputerowe (np. pliki) jak i sygna│y telefaksowe czy teksty. Z cyfrowej zasady dzia│ania sieci GSM wynika, ┐e taka transmisja jest bardzo prosta do zrealizowania a w przypadku transmisji danych wewn▒trzsieciowej nie jest konieczne u┐ywanie modemu. W przypadku transmisji do sieci stacjonarnej procesem modulacji i demodulacji zajmuje siΩ modem znajduj▒cy siΩ na styku central system≤w. Szybko╢µ transmisji tak przesy│anych danych nie przekracza 9600 bit≤w na sekundΩ.
Szczeg≤lnym przypadkiem przesy│ania danych, s▒ kr≤tkie wiadomo╢ci tekstowe (SMS). Wiadomo╢ci te mog▒ byµ przesy│ane zar≤wno od aparatu do aparatu jak i w systemie rozsiewczym (np. do wszystkich aparat≤w znajduj▒cych siΩ w obrΩbie konkretnej kom≤rki radiowej).
Zalecenia fazy pierwszej przewiduj▒ mo┐liwo╢µ przenoszenia po│▒cze± (na ┐yczenie abonenta lub w okre╢lonych sytuacjach np. gdy abonent jest nieosi▒galny) oraz blokowania po│▒cze±. Blokowanie po│▒cze± jest mo┐liwe wielu wariantach typu: blokowanie po│▒cze± przychodz▒cych, miΩdzynarodowych itd.
Faza ta nie definiuje jakie mo┐liwo╢ci w zakresie przesy│ania danych powinien mieµ sam aparat telefoniczny. Najprostsze aparaty maj▒ mo┐liwo╢ci (opr≤cz oczywi╢cie rozmowy) jedynie odbioru kr≤tkich wiadomo╢ci tekstowych, najbardziej zaawansowane │▒cz▒ w jednym urz▒dzeniu funkcje telefonu, notatnika, faksu czy te┐ terminala internetowego.
Standard GSM zak│ada bardzo zaawansowane zabezpieczenie przed nieautoryzowanym dostΩpem. Obejmuje ono zar≤wno zabezpieczenie przed pods│uchem jak r≤wnie┐ ograniczenie mo┐liwo╢ci korzystania ze skradzionego aparatu czy karty SIM. Transmisja danych odbywa siΩ z pe│nym szyfrowaniem danych. Klucze do szyfrowania opieraj▒ siΩ na kodach zawartych w karcie SIM i w odpowiednich rejestrach u operatora. Nie s▒ one nigdy przesy│ane drog▒ radiow▒ zatem nie ma obawy przed zdobyciem ich poprzez nas│uchiwanie kana│u radiowego. Korzystanie z karty SIM jest mo┐liwe po podaniu numeru identyfikacyjnego (PIN), kt≤ry zapisany jest w pamiΩci nieulotnej karty. Kilkakrotne b│Ωdne podanie tego numeru powoduje konieczno╢µ podania innego numeru (PUK). Z kolei b│Ωdne podanie tego numeru powoduje fizyczne uszkodzenie karty. Taka metoda w pe│ni zabezpiecza przed pr≤b▒ skorzystania ze skradzionej karty metod▒ pr≤b i b│Ωd≤w. W przypadku kradzie┐y aparatu z aktywn▒ kart▒ SIM istnieje mo┐liwo╢µ natychmiastowego zablokowania jej przez operatora przez co staje siΩ ona r≤wnie┐ bezu┐yteczna. Sam aparat telefoniczny posiada numer seryjny IMEI unikalny na ca│ym ╢wiecie. Poniewa┐ numer ten jest przesy│any w czasie ka┐dej rozmowy (transmisji danych) istnieje mo┐liwo╢µ zablokowania go lub nawet skojarzenia z konkretnym abonentem, gdy┐ u┐ytkownik karty SIM nie jest anonimowy (za wyj▒tkiem kart pre-paid).
Standard GSM bardzo dok│adnie okre╢la dzia│anie aparatu oraz dzia│anie i rozmiary kart SIM. W zwi▒zku z tym posiadaj▒c jedn▒ kartΩ SIM mo┐emy korzystaµ z r≤┐nych aparat≤w korzystaj▒c z sieci zawsze na w│asny rachunek. Standard zak│ada, ┐e ka┐da karta powinna dzia│aµ w ka┐dym aparacie. Mo┐na siΩ spotkaµ z dwoma odstΩpstwami od tej regu│y. Pierwszym przypadkiem jest fizyczna wielko╢µ karty SIM. Pocz▒tkowo mia│a ona rozmiar karty kredytowej. Z czasem jednak zaczΩto produkowaµ aparaty tak ma│e, ┐e w│o┐enie tak du┐ej karty do ╢rodka narzuca│oby niepotrzebne zwiΩkszenie rozmiar≤w aparatu. Problem rozwi▒zano w bardzo prosty spos≤b. Poniewa┐ uk│ad scalony wbudowany w kartΩ SIM w rzeczywisto╢ci zajmuje bardzo niewielk▒ cze╢µ jej objΩto╢ci, zatem do ma│ego aparatu wk│ada siΩ tylko istotny (z elektronicznego punktu widzenia) kawa│ek du┐ej karty. Du┐a karta ma odpowiednie naciΩcia umo┐liwiaj▒ce wy│amanie odpowiedniej wielko╢ci fragmentu. Zastosowanie ma│ej karty w "du┐ym" telefonie jest r≤wnie┐ mo┐liwe po zastosowaniu specjalnego adaptera, kt≤ry s│u┐y wy│▒cznie do mechanicznego dopasowania element≤w.
Drugim niejako odstΩpstwem od standardu jest stosowanie tzw. SIM lock≤w. Wi▒┐e siΩ to z planem marketingowym operator≤w. CzΩsto mo┐na zakupiµ aparat po znacznie ni┐szej ni┐ normalna cena jednak pod warunkiem i┐ aparatu tego bΩdziemy u┐ywaµ wy│▒cznie w oparciu o sieµ pierwotn▒. Gwarancj▒ takiego postΩpowania jest wy┐ej wspomniany SIM lock, kt≤ry powoduje, ┐e aparat nie bΩdzie wsp≤│pracowaµ z kart▒ innego operatora.
Transmisja danych w fazie 1 mo┐e przebiegaµ wed│ug nastΩpuj▒cych sposob≤w:
Us│ugi fazy 2
Wprowadzenie drugiej fazy w ┐aden spos≤b nie modyfikuje istniej▒cego standardu, prawie wy│▒cznie polega to na zapewnieniu dodatkowych us│ug. Jedyna zmiana istniej▒cej us│ugi polega na zastosowaniu bardziej wydajnego algorytmu kompresji mowy w kana│ach typu half-rate. Poci▒ga to za sob▒ mo┐liwo╢µ zmniejszenia przep│ywno╢ci kana│u do 7 kbps a to z kolei do podwojenia liczby kana│≤w. Faza ta wprowadza nastΩpuj▒ce us│ugi dodatkowe:
Us│ugi fazy 2+
Celem powstania tej fazy by│o utrzymanie konkurencyjno╢ci wobec nowopowstaj▒cych system≤w telefonii kom≤rkowych. Szczeg≤ln▒ uwagΩ po╢wiecono konstrukcji aparatu tak aby umo┐liwia│ on po│▒czenia w prywatnych sieciach telekomunikacyjnych, w standardach GSM900 i GSM1800 czy wrΩcz aby m≤g│ s│u┐yµ jednocze╢nie jako terminal zwyk│ego telefonu bezprzewodowego. Dodanymi us│ugami s▒: transmisja mowy z lepsza jako╢ci▒ (po│▒czenie rozwi▒za± fazy 1 i 2), pakietowa transmisja danych, rozsiewcza transmisja g│osu, wywo│ania grupowe, priorytetowanie po│▒cze±.
Architektura sieci GSM
Organizacja kana│≤w fizycznych
Na u┐ytek sieci standardu GSM 900 zarezerwowane s▒ dwa przedzia│y czΩstotliwo╢ci: 890 - 915 MHz oraz 935 - 960 MHz. Poniewa┐ transmisja musi odbywaµ siΩ w obu kierunkach, pierwszy przedzia│ jest wykorzystywany do transmisji "w g≤rΩ" (uplink) czyli od aparatu do stacji bazowej a drugi do transmisji "w d≤│" (downlink). Zakresy te zosta│y podzielone na 124 kana│y czΩstotliwo╢ciowe (ARFCN), ka┐dy o szeroko╢ci 200 kHz. PrzyjΩto, ┐e odpowiadaj▒ce sobie kana│y czΩstotliwo╢ciowe "w g≤rΩ" i "w d≤│" s▒ odleg│e zawsze o 45 MHz. Okazuje siΩ jednak, ┐e kana│ utworzony metod▒ wielodostΩpu czΩstotliwo╢ciowego (FDMA) jest "szerszy" ni┐ potrzebny do przes│ania mowy z zadawalaj▒c▒ jako╢ci▒. Z tego te┐ powodu podzielono ka┐dy z tak powsta│ych kana│≤w, metod▒ podzia│u czasu (TDMA) na 8 czΩ╢ci. W ten spos≤b teoretycznie uzyskuje siΩ 992 kana│y (124x8). PrzyjΩto, ┐e ca│kowita d│ugo╢µ transmitowanej ramki wyniesie 4,615 milisekund co daje 577 mikrosekund na ka┐d▒ szczelinΩ czasow▒ (kana│). Poniewa┐ aparaty s▒ z za│o┐enia mobilne, oraz znajduj▒ siΩ w zmieniaj▒cych siΩ warunkach propagacji fali ostatnie 30 milisekund ka┐dej szczeliny jest niejako "martwe", nie s▒ tam przesy│ane ┐adne informacje. Zapobiega to interferencji danych ze szczelin czasowych, kt≤re z wy┐ej wymienionych przyczyn zosta│y nadane za wcze╢nie. W ka┐dej szczelinie czasowej za pomoc▒ modulacji GMSK zakodowano 148 bit≤w, z czego 26 bit≤w tworzy sekwencjΩ treningow▒ pozwalaj▒c▒ korektorowi w odbiorniku oszacowaµ i dobraµ zmienne parametry transmisji a 8 bit≤w spe│nia funkcje dodatkowe. Pozosta│e 114 bit≤w jest wykorzystywane do transmisji danych. Aby wyeliminowaµ konieczno╢µ jednoczesnego nadawania i odbierania sygna│≤w radiowych przez aparat zastosowano przesuniΩcie numeracji szczelin czasowych. Oznacza to, ┐e po transmisji "w d≤│" aparat ma ponad milisekundΩ na prze│▒czenie siΩ w tryb odbierania a nastΩpnie ponad 2 milisekundy na prze│▒czenie siΩ z powrotem w tryb nadawania. R≤┐nice tych czas≤w wynikaj▒ z tego i┐ przesuniΩcie numeracji wynosi 2 szczeliny. Poniewa┐ transmisja "w g≤rΩ" jak i "w d≤│" przebiega dok│adnie miedzy tymi samymi punktami w praktycznie nie zmieniaj▒cych siΩ warunkach (warunki fizyczne zwi▒zane z propagacj▒ fal radiowych nie zmieniaj▒ siΩ tak szybko) dlatego te┐ nie dochodzi do dodatkowego przesuniΩcia wzglΩdem siebie szczelin "w g≤rΩ" i "w d≤│".
Organizacja kom≤rki radiowej
Elementem centralnym ka┐dej kom≤rki jest stacja bazowa (BTS) stanowi▒ca po╢rednictwo miΩdzy kana│em radiowym z aparatem a reszt▒ struktury sieci. W zale┐no╢ci od mocy stacji bazowej kom≤rka mo┐e mieµ maksymalny promie± 35 km. Wydawa│oby siΩ, ┐e optymalne by│oby tworzenie kom≤rek o jak najwiΩkszym rozmiarze, co pozwala│oby na pokrycie du┐ych powierzchni stosunkowo ma│a ilo╢ci▒ stacji bazowych. Przeszkod▒ w takim potraktowaniu zagadnienia jest ograniczona liczba kana│≤w. Jak ju┐ wspomniano wynosi ona teoretycznie 992 jednak du┐a czΩ╢µ z nich ma charakter organizacyjny i jest wykorzystywana do przesy│ania informacji nie zwi▒zanych bezpo╢rednio z przesy│aniem danych z aparatu do sieci. Z drugiej strony kom≤rki nie s▒ przecie┐ oddzielone od siebie jak▒╢ ╢cis│▒ granic▒ nieprzepuszczaln▒ dla fal radiowych i czΩ╢ciowo zachodz▒ na siebie. Oczywi╢cie w takim przypadku nie mog▒ one wykorzystywaµ tych samych kana│≤w czΩstotliwo╢ciowych. Dotyczy to nie tylko kom≤rek umieszczonych w bezpo╢rednim s▒siedztwie ale r≤wnie┐ bardziej oddalonych gdy┐ r≤wnie┐ one mog│yby prowadziµ do interferencji powoduj▒cych k│opoty w poprawnej transmisji. Zatem praktyczna liczba kana│≤w zale┐na jest w du┐ej mierze od otaczaj▒cych kom≤rek a to z kolei zale┐y od takich warunk≤w jak propagacja fal radiowych w terenie czy planowany ruch radiowy. Jeszcze innym aspektem jest to, ┐e konkretny operator nigdy nie dostaje wszystkich 124 kana│≤w czΩstotliwo╢ciowych lecz wielokrotnie mniej. Reasumuj▒c powy┐sz▒ analizΩ mog│oby siΩ okazaµ, ┐e w kom≤rce o ╢rednicy 70 km jednocze╢nie z telefonu mo┐e korzystaµ tylko kilkudziesiΩciu abonent≤w jednocze╢nie. Na terenach s│abo zaludnionych mo┐e byµ to wystarczaj▒ce, jednak w przypadku aglomeracji miejskich jest to o rzΩdy wielko╢ci za ma│o. Metod▒ zaradzenia temu deficytowi jest budowanie kom≤rek o znacznie mniejszych rozmiarach (nawet o promieniu poni┐ej kilometra). Do nadawania stosuje siΩ znacznie mniejsze moce, co daje mo┐liwo╢µ powtarzania kana│≤w w niewielkich odleg│o╢ciach. Oczywi╢cie informacje o rozmiarze kom≤rki musi znaµ aparat telefoniczny i odpowiednio sterowaµ moc▒ nadawania, gdy┐ nadawanie ze zbyt du┐▒ moc▒ doprowadzi│oby do interferencji na kana│ach "w g≤rΩ" w innych kom≤rkach. Korekcje mocy nadawania stosuje siΩ r≤wnie┐ dla ograniczenia poboru pr▒du oraz zmniejszenia szkodliwego wp│ywu fali elektromagnetycznej na ustr≤j cz│owieka.
Dzia│anie stacji bazowej
Zasadnicz▒ funkcj▒ stacji bazowej jest przekazywanie danych pomiΩdzy │▒czem radiowym a naziemn▒ struktur▒ sieci, jednak jest to jedynie niejako produkt finalny. Aby po│▒czenie takie zosta│o zestawione stacja bazowa musi pe│niµ jeszcze funkcje dodatkowe. Przede wszystkim generuje ona tzw. kana│ broadcastowy (BCH). Jest on nadawany na jednym z kana│≤w czΩstotliwo╢ciowych, wy│▒cznie w przedziale przeznaczonym dla transmisji "w d≤│". W kanale tym nadawane s▒ stale informacje identyfikuj▒ce sieµ. Aparat odbieraj▒c informacje z tego kana│u mo┐e stwierdziµ w zasiΩgu jakich sieci siΩ znajduje, a co za tym idzie czy jest uprawnionym abonentem systemu. Odbieraj▒c kilka takich kana│≤w aparat w oparciu o odbieran▒ moc sygna│u wybraµ kana│ bΩd▒cy najkorzystniejszy do przeprowadzenia transmisji. Kana│em tym nadawane s▒ r≤wnie┐ informacje o tym i┐ nastΩpuje wywo│anie z zewn▒trz i aparat powinien przej╢µ z fazy nas│uchiwania do inicjacji po│▒czenia. Kana│y ruchu (TCH) sk│adaj▒ siΩ z par: "w g≤rΩ" i "w d≤│', w przypadku kana│u broadcastowego kana│ do transmisji "w g≤rΩ" jest wykorzystywany gdy aparat chce zwr≤ciµ na siebie uwag▒ sieci. Sytuacja taka zachodzi gdy na przyk│ad abonent chce zalogowaµ siΩ do sieci lub z w│asnej inicjatywy rozpocz▒µ transmisje. Poniewa┐ dostΩp do tego kana│u nie jest limitowany mog▒ zdarzyµ siΩ interferencje, gdy dwa aparaty w tej samej chwili usi│uj▒ nadawaµ w tym kanale. W takim przypadku po losowym czasie transmisja jest ponawiana a┐ do skutku. Zestawienie po│▒czenia polega na przydziale danemu aparatowi na czas transmisji kana│u ruchu, jest on zwalniany po zako±czeniu rozmowy (transmisji danych). Oczywi╢cie w przypadku gdy zg│aszane jest ┐▒danie zestawienia kana│u ruchu (obojΩtnie z kt≤rej strony) a nie ma ┐adnego kana│u wolnego, po│▒czenie nie mo┐e doj╢µ do skutku. Zatem odbi≤r kana│u broadcastowego ani nawet zalogowanie do sieci nie gwarantuj▒ jeszcze mo┐liwo╢ci nawi▒zania po│▒czenia.
Komunikacja pomiΩdzy stacjami bazowymi oraz sieci▒ sta│▒
Stacje bazowe same z siebie nie pozwalaj▒ na uzyskanie po│▒czenia pomiΩdzy abonentami. Do zestawiania │▒czy s│u┐y centrala sieci GSM. PomiΩdzy central▒ a stacjami bazowymi znajduj▒ siΩ sterowniki (BSC). S│u┐▒ one do wyeliminowania wielu pomiΩdzy ka┐d▒ stacj▒ bazow▒ a central▒. Sterowniki te s▒ centralami obszarowymi i na og≤│ o tym, kt≤re stacje spinaj▒ zale┐y wy│▒cznie od fizycznego ich rozmieszczenia. Z centrala sieci realizuje tak┐e po│▒czenia z innymi sieciami, na og≤│ jest to sieµ telefonii tradycyjnej. Dodatkowo centrala przechowuje dane niezbΩdne do autentyfikacji i szyfrowania danych oraz gromadzi informacjΩ, kt≤ry abonent w jakiej kom≤rce jest zalogowany. Stacje bazowe ze sterownikami s▒ po│▒czone za pomoc▒ interfrejsu A-bis natomiast sterowniki z central▒ za pomoc▒ interfrejsu A. Przep│ywno╢µ obu interfrejs≤w wynosi 2048 kbit/s. Nale┐y przy tym wyra╝nie zaznaczyµ, ┐e fizyczna realizacja tych po│▒cze± nie ma tu ┐adnego znaczenia i czΩsto zale┐y od dostΩpno╢ci istniej▒cych ju┐ │▒czy. Czasami gdy s▒ problemy z zestawieniem "materialnego" │▒cza stosuje siΩ radiolinie przy czym, co nale┐y wyra╝nie zaznaczyµ, wykorzystywane w≤wczas czΩstotliwo╢ci i kana│y nie maj▒ ┐adnego zwi▒zku z kana│ami GSM.
Transmisja sygna│≤w mowy w sieci GSM
Mimo i┐ w miarΩ rozwoju technologii system GSM otrzymuje coraz to nowe zastosowania, elementarnym zastosowaniem nadal pozostaje dwustronne przekazywanie mowy. W sumie to z tego zastosowania wywodz▒ siΩ przyjΩte parametry kana│≤w transmisyjnych. Jednak ju┐ na od pocz▒tku wiadome by│o, i┐ przesy│anie mowy w postaci zwyk│ych cyfrowych pr≤bek nie wchodzi w rachubΩ, ze wzglΩdu na konieczno╢µ zastosowania kana│u transmisyjnego o du┐ej przep│ywno╢ci. Co wiΩcej zdecydowano siΩ na zastosowanie bardzo zaawansowanych metod kodowania sygna│u co umo┐liwi│o zmniejszenie przep│ywno╢ci kana│u, a w praktyce oznacza│o to zwiΩkszenie liczby kana│≤w. Idea kodera mowy oparta jest na filtrach o zmiennych parametrach. Parametry tego filtru s▒ dobierane w taki spos≤b, aby otrzymywany strumie± binarny dobrze poddawa│ siΩ zwyk│ej kompresji cyfrowej. Nale┐y przy tym zaznaczyµ, ┐e proces ten odbywaµ siΩ musi w czasie rzeczywistym. W efekcie otrzymuje siΩ strumie± binarny w 70% zawieraj▒cy binarne pr≤bki sygna│u a w 30% parametry filtr≤w. Takie podej╢cie do zagadnienia powoduje znaczne skomplikowanie kodera i uproszczenie dekodera. Strumie± bit≤w otrzymywany z dekodera mo┐na podzieliµ na trzy grupy. Przek│amania bit≤w z pierwszej grupy maj▒ najwiΩkszy wp│yw na zrozumia│e przenoszenie mowy, bity z grupy drugiej mniejszy, a z trzeciej najmniejszy. Wobec tego bity pierwszej grupy s▒ przesy│ane z korekcj▒ b│Ωd≤w, z drugiej z detekcj▒, a z trzeciej bez mechanizm≤w zabezpiecze±. Dodatkowo znaj▒c charakter medium transmisyjnego i wystΩpowanie w nim tak zwanych b│Ωd≤w paczkowych zastosowano technikΩ przeplotu. Polega ona na rozproszeniu bit≤w odpowiadaj▒cych za 20 ms mowy w czasie oko│o 33 ms. Wyst▒pienie b│Ωdu paczkowego powoduje nie zanik sygna│u, ale jedynie spadek jego jako╢ci. W po│▒czeniu z poprzednimi technikami daje to bardzo dobre efekty zar≤wno pod wzglΩdem wykorzystania kana│u jak i odporno╢ci na zak│≤cenia.
Copyright 1999 by KACYKO All rights reserved.