Reţelele GSM pe înţelesul tuturor

Dacă nu ar exista reţelele GSM, telefoanele noastre mobile ar fi inutile. Ceea ce astăzi folosim atât de des şi ni se pare o banalitate este de fapt o tehnologie complexă şi care s-a dezvoltat semnificativ în ultimele două decade. La ora actuală, peste trei miliarde de oameni folosesc telefonia mobilă de tip GSM în peste 212 ţări şi teritorii. Datorită acestei largi răspândiri, utilizatorii pot folosi o cartelă în afara ariei geografice de acoperire a reţelei care a emis-o, facilitate cunoscută sub numele de roaming.

Ce înseamnă GSM?

GSM este prescurtarea de la Global System for Mobile communications. Această denumire a fost însă primită ulterior, cea iniţială fiind în limba franceză – Groupe Special Mobile. GSM este cel mai popular standard internaţional de telefonie mobilă. Bazele sale au fost puse în 1982 când la Conferinţa Europeană a serviciilor de Poştă şi Telegraf s-a decis crearea gruplui menţionat mai sus. Acesta urma să creeze un standard pentru telecomunicaţii mobile din Europa. În 1987 a fost semnat un memorandum de 13 ţări care se angajau să dezvolte un sistem de telefonie mobilă comun pe întreg continentul.

Antenele GSM au devenit comune in peisajul contemporan

Responsabilităţile grupului GSM au fost transferate în 1989 Institutului European pentru Standarde de Telecomunicaţii (ETSI), iar prima fază a specificaţiilor standardului GSM au fost publicate un an mai târziu. Prima reţea GSM a fost lansată în 1991 în Finlanda de către compania Radiolinja. Infrastructura acesteia a fost parţial realizată de o companie ce se va remarca de-a lungul timpului în domeniu: Ericsson. Radiolinja a punctat mai multe prime evenimente importante în istoria reţelelor GSM, cum ar fi primul SMS trimis de la o persoană la alta în 1993 şi primul ton de apel descărcabil contra cost în 1998.

Din ce este formată o reţea GSM?

Structura unei reţele GSM este destul de complicată. În principiu, există trei elemente principale: Base Station Subsystem (BSS), Network an Switching Subsystem (NSS) şi GPRS Core Network. Base Station Subsystem este acea componentă care permite conectarea telefoanelor mobile la centrala de telefonie mobilă. Ea este formată din staţiile GSM pe care le vedem la tot pasul în zilele noastre şi care sunt numite Base Transceiver Station (BTS), precum şi din unităţile de control pentru staţii (BSC). Staţiile GSM sunt de obicei dotate cu antene unidirecţionale. Zona de acoperire din jurul unei staţii/celule GSM este împărţită radial în sectoare, pentru fiecare din ele fiind repartizată una sau două antene. Un tip comun de sectorizare este cea de tip trifoi, cu trei sectoare de 120o fiecare.

Structura unei retele GSM

O unitate de control pentru staţii (BSC) controlează de obicei zeci sau sute de antene, direcţionând traficul către NSS. Într-o reţea GSM există mai multe BSC-uri regionale care concentrează conexiunile dintr-o anumită zonă şi le transmite către MSC, o componentă a NSS. BSC este considerată cea mai robustă componentă a unei reţele GSM, fiind dotată cu sisteme redundante pentru a asigura funcţionarea continuă a reţelei.

Network Switching Subsystem (NSS) este acea componentă a unei reţele GSM similară cu centrala telefonică a unei reţele de telefonie fixă. Ea realizează managementul convorbirilor din reţea şi asigură interconectivitatea cu alte reţele de telefonie mobilă sau fixă. Cea mai importantă componentă a NSS este Mobile Switching Center (MSC). Aceasta este responsabilă în principal cu direcţionarea apelurilor şi a SMS-urilor. De asemenea, prin intermediul MSC-ului, un utilizator din reţeau GSM poate contacta un utilizator de telefonie fixă. GPRS sau General Packet Radio Service este un serviciu de telefonie mobilă pentru transmisia de date, bazat pe trunchierea fluxului de date în pachete. GPRS Core Network, cea de-a treia componentă a unei reţele GSM, este responsabilă cu managementul acestui serviciu de date.

Structura unei retele GSM - o versiune mai simplificata

Cum funcţionează o reţea GSM?

Majoritatea reţelelor GSM operează în benzile de frecvenţă de 900 MHz şi 1800 MHz. În unele ţări, cum ar fi Statele Unite şi Canada, sunt folosite şi benzile de 850 MHz şi 1900 MHz. În banda GSM-900, spre exemplu, telefonul foloseşte frecvenţele 890-915 MHz pentru a transmite către staţie şi primeşte de la ea pe frecvenţele 935-960 MHz, fiind create astfel 124 de canale radio. Folosind tehnica multiplexării în timp, fiecare canal radio permite transmiterea a opt pachete de voce la calitate standard (full rate) sau 16 pachete la calitatea înjumătăţită (half rate). Cele două codec-uri folosite iniţial, care comprimă semnalul audio, aveau rata de compresie de 13 kbps (full rate) şi respectiv 5,6 kbps (half rate). În 1997, rata de compresie full rate a fost îmbunătăţită la 12.2 kbps cu un codec nou. În final s-a făcut trecerea la codec-ul cu rată variabilă AMR-Narrowband care oferă o calitate foarte bună a sunetului şi este rezistent la interferenţe.

Mobile Switching Center (MSC)Tehnologia folosită de reţelele GSM pentru comunicare se numeşte TDMA (time division multiple acces) şi îşi trage numele de la tehnica multiplexării în timp de care am vorbit mai sus. Atunci când se realizează un apel, un canal cu lăţimea de 30 kHz este alocat conexiunii. Timpul de transmisie/recepţie este împărţit în diviziunii de 6,7 ms care sunt la rândul lor împărţite în trei. Datorită faptului că transmisia este digitală, fieacare conversaţie ocupă doar o treime din bandă, în comparaţie cu reţelele analogice care o ocupau în întregime. Reţelele GSM sunt de tip full-duplex deoarece este folosită o frecvenţă pentru semnalul transmis şi alta pentru semnalul primit.

Ce se întâmplă când primeşti un apel?

Atunci când telefonul mobil este pornit, el recepţionează pe un canal de control un cod SID (System Identification Code). Acesta este un număr unic de cinci cifre, specific fiecărei reţele GSM. Dacă pe canalul de control nu este recepţionat niciun semnal, atunci terminalul mobil informează utilizatorul că se află în afara ariei de acoperire. Codul SID recepţionat este comparat cu cel de pe SIM sau din telefon (dacă este blocat într-o reţea) şi atunci când ele coinicid, telefonul se conectează la reţea. Această conectare implică înregistrarea numărului de telefon într-o bază de date zonală a unei unităţi Mobile Switching Center (MSC). În acest fel, atunci când este înregistrată o cerere de apel pentru un anumit număr de telefon, reţeaua ştie către ce staţie sau celulă să direcţioneze apelul.

Atunci când este primit un apel, staţia locală setează o pereche de frecvenţe şi le comunică telefonului pe canalul de control. În momentul în care telefonul şi staţia stabilesc conexiunea pe cele două frecvenţe, apelul este activat. MSC-ul, prin intermediul canalului de control, menţine o monitorizare constantă a semnalului staţiilor în a căror arie de acoperire se află telefonul. Dacă în timpul apelului utilizatorul se apropie de limita ariei celulei GSM la care este conectat, MSC-ul va transmite unei alte celule apropiate comanda de a prelua apelul şi va transmite terminalului noile frecvenţe de operare. Tot acest canal de control este folosit în situaţiile speciale când este necesară localizarea telefonului mobil.

Atunci când telefonul iese din aria de acoperire a provider-ului de telefonie mobilă, va face shimb de SID-uri cu reţeaua pe care o detectează. Această reţea va verifica dacă reţeua din care a provenit terminalul se află între cele cu care are un contract de roaming şi va autentifica sau nu telefonul. Aceste acţiuni au loc doar în câteva secunde şi uneori apelurile sunt menţinute chiar şi atunci când se face trecerea de la o reţea la alta.

Securitatea în reţelele GSM

Reţelele GSM sunt considerate ca având un nivel mediu de securitate. Autentificare utilizatorului se face prin intermediul unui protocol de tip înterogare-răspuns folosindu-se o cheie de criptare cunoscută în prealabil. Comunicaţiile între utilizator şi celula GSM pot fi criptate. În Europa şi în Statele Unite este folosit sistemul de criptare A5/1, din el fiind derivat sistemul A5/2 folosit de alte ţări. Acesta din urmă este mai slab şi poate fi spart în timp real, adică în timp ce utilizatorul poartă o conversaţie.

Retelele GSM ofera un nivel mediu de securitate

Sistemul A5/1 are la rândul său o serie de vulnerabilităţi, în 2006 fiind făcut public un articol care prezenta mai multe tipuri de atacuri practice asupra sa. El ar putea fi spart chiar şi în timp real, cu atât mai mult dacă este înregistrat schimbul de date între telefon şi celulă. Ca şi o consolare, providerii de telefonie mobilă pot schimba algoritmii folosiţi de A5/1 cu unii mai puternici, sporind nivelul de securitate şi îngreunând munca atacatorilor.

2G, 2.5G, 3G şi aşa mai departe

2G se referă la a doua generaţie de reţelele de telefonie mobilă. Cea lansată în 1991 în Finlanda de Radiolinja este considerată prima reţea 2G, ea fiind în totalitate digitală. Reţelele analogice anterioare sunt considerate de tip 1G. În funcţie de tehnologiile folosite, reţelele 2G se împart în cele bazate pe TDMA şi cele bazate pe CDMA. Acestea din urmă sunt folosite în special în Statele Unite şi în Asia.

Base Station Subsystem (BSC)

Reţelele de tip 2.5G sunt considerate cele de tip 2G care oferă servicii de date la viteză mai mare de transfer, cum ar fi GPRS (56-114 kbps). Protocolul EDGE este considerat şi el ca fiind specific reţelelor 2.5G, în ciuda vitezei de transfer de patru ori mai mare decât cea oferită de GPRS. Teoretic, prin EDGE se poate atinge o rată de transfer de 473 kbps, dar în practică ea ajunge la aproximativ 237 kbps (29 kB/s).

Cea de-a treia generaţie de reţele GSM, cele 3G, au fost create din dorinţa de a permite transferul de date la viteze şi mai mari. Folosind protocoalele High Speed Packet Acces (HSPA) se pot obţine teoretic până la 14.4 Mbps (1.8 MB/s). Actualele implementări ale tehnologiei HSDPA (High Speed Downlink Packet Acces) permit o viteză maximă de 7.2 Mbps, însă doar 21% din reţelele 3G comerciale actuale o suportă. Celelalte sunt limitate la 3.6 Mbps. În ţara noastră, providerii Orange şi Vodafone oferă acoperire 3G în oraşele reşedinţă de judeţ şi în alte localităţi şi zone importante.

Tehnologia UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) despre care se vorbeşte de ceva timp face parte din sfera 3G şi va fi folosită pentru dezvoltarea reţelelor 4G. Ea combină tehnologiile GSM pentru serviciile de voce cu cele pentru trasfer rapid de date, cum ar fi W-CDMA. Frecvenţele folosite sunt în benzile de 1885-2025 MHz pentru datele de la telefon la celulă şi 2110-2200 MHz pentru cele în sens invers. În ţara noastră, providerii Orange şi Digi.Mobil au implementat reţele UMTS. Telefonul iPhone 3G, spre exemplu, dispune de un chipset tri-band 850/1900/2100 MHz care-i permite să funcţioneze în aproape toate ţările unde se găsesc reţele UMTS.

Schema unei viitoare retele 4G

Aşa cum fiecare generaţie de reţele de telefonie mobilă a dus la schimbarea totală a infrastructurii şi a terminalelor, reţelele 4G vor fi create pentru a le înlocui pe cele de tip 3G. Printre obiectivele care se doresc a fi atinse se numără o viteză de transfer de 100 Mbps (12.5 MB/s) pentru utilizatorii aflaţi în mişcare şi de până la 1 Gbps (125 MB/s) pentru cei staţionari. De asemenea se doreşte obţinerea unei şi mai bune eficienţe spectrale (o rată de transfer cât mai mare per unitate de frecvenţă; bits/s/Hz) şi un număr cât mai mare de utilzatori conectaţi la o celulă. Aplicaţiile ce se doresc a fi implemetate sunt video chat-ul, televiziunea mobilă, vizionarea conţinutului video HD şi Digital Video Broadcasting (DVB). Organizaţiile internaţionale care lucrează la standardizarea tehnologiilor 4G apreciază că ele vor fi implementate în reţele comerciale între 2012 şi 2015.

publicitate
închide
Pasionat de gadgeturi? Şi noi!
Vrei să primeşti primul cele mai noi ştiri despre gadgeturile care îţi îmbunătăţesc viaţa zilnic?
Abonează-te la newsletter-ul Go4it şi fii sigur că eşti la curent cu tot ce e nou în IT&C.
Nu uita să-ţi verifici adresa de e-mail şi să confirmi abonarea printr-un click pe link-ul din mail-ul primit .
Sunt deja abonat