Standardul GSM

Figura 1.Logoul GSM, care se plasează pe toate aparatele compatibile

GSM este standardul global de telefonie mobilă digitală elaborat de ETSI cel mai răspîndit

din lume, utilizat în prezent de 80% din reţelele mobile ale lumii. Apariţia şi dezvoltarea GSM a

devenit necesară deoarece sistemele de comunicaţii mobile ale anilor 1980÷1990 (NMT, AMPS,

TACS etc. denumite şi sisteme de comunicaţie mobilă de generaţia 1) nu mai reuşeau să facă faţă

cererii de mijloace de comunicaţie în domeniu şi nici solicitărilor la care erau supuse din partea

noilor servicii, în special a celor de transmisii de date. GSM a început să fie utilizat din anul 1991.

GSM a permis realizarea unei capacităţi de 5-10 ori mai mare faţă de capacitatea reţelor celulare analogice. Acest spor s-a datorat mai multor mecanisme:

înlocuirea transmiterii semnalului vocal prin modulaţie de frecvenţă, cu transmiterea prin

modulaţie numerică. Transmiterea numerică este mult mai rezistentă la interferenţe şi permite

reducerea distanţei relative de reutilizare a frecvenţelor;

introducerea controlului puterii la emisie, a saltului de frecvenţă (FH) şi a emisiei

discontinue (DTX), care permit controlul interferenţelor în reţea;

folosirea metodei de acces TDMA (Time Division Multiple Access), implementată pe mai

multe purtătoare radio, reduce timpul de transfer între celule, prin implicarea terminalului mobil.

Astfel, devine posibilă utilizarea microcelulelor (celule cu raza sub 2 km), care aduc o sporire

suplimentară a capacităţii.

Prin urmare GSM are următoarele avantaje:

eficienţa mărită a spectrului radio permite o capacitate crescută a reţelei. (Poate suporta un

număr mult mai mare de utilizatori);

permite o sofisticată autentificare a utilizatorului, reducînd posibilitatea fraudelor;

previne interceptarea conversaţiilor prin tehnici sofisticate de încriptare care sunt în

totalitate sigure;

permite o mai bună claritate şi consistenţă a conversaţiei prin eliminarea interferenţei în

timpul transmisiei digitale;

simplifică transmisia de date, permițînd conectarea calculatoarelor portabile la telefoanele

celulare GSM;

un singur standard ce permite deplasări internaţionale între reţelele GSM din lume.

Global System for Mobile Communications (Sistem Global pentru Comunicații Mobile),

prescurtat GSM, este standardul de telefonie mobilă (celulară) cel mai răspândit din lume, precum și

numele rețelei de telefonie respective. Atributul „mobil” al multor aparate și dispozitive actuale se

referă în primul rând la conectivitatea lor (fără fir, prin semnale radio) la sistemul GSM, practic din

orice punct de pe glob unde există oameni. Din aceasta rezultă și mobilitatea utilizatorului.

Promotorul acestui standard, GSM Association, a estimat în anul 2007 că 82 % din piața mondială

de comunicații mobile folosește acest standard.[1]. Mai este cunoscut și sub denumirea

de 2G (generația a 2-a). NMT aparține de 1G, iar UMTS și standardele similare aparțin de 3G. GSM

2G a apărut pe piață la începutul anilor 1990, luând un mare avânt la sfârșitul deceniului. Este

sistemul dominant în Europa.

La ora actuală (2012) la rețeaua GSM se pot conecta cu ajutorul unei minicartele de tip  SIM nu

numai telefoanele mobile, aici în special cele de tip smartphone, dar și diverse calculatoare de

ex. iPad-uri, alte calculatoare portabile, modemuri UMTS/LTE înglobate în diverse aparate ș.a.

Prin contrast, există și sisteme de telefonie fără fir care nu se numesc „mobile”, deși și ele

funcționează când utilizatorul se deplasează:

sisteme DECT - pentru distanțe mici de până la cca 30 m, în locuință sau la locul de muncă,

sisteme bazate pe benzi speciale radio, v. Radio CB,

sisteme instalate de ex. pe avioane și vapoare care pentru radiotelefonie folosesc sateliți de

telecomunicații

sisteme speciale militare și de poliție.

Caracteristici tehnice

Sistem celular

Sistemul GSM este un sistem numit „celular”. Deoarece telefoanele portabile atașabile la

GSM (așa-numitele telefoane mobile sau celulare) trebuie să fie ușoare și trebuie deci și să aibă

acumulatori cât mai ușori, ele au și o putere de emisie radio limitată la circa 4 - 6 km. Drept

consecință, releele GSM, numite și „stații de bază”, care au antenele în poziții fixe pe stâlpi la sol

sau pe clădiri mai înalte, trebuie să fie numeroase, împânzind astfel mari suprafețe, de ordinul unor

întregi zone metropolitane și chiar și mai mari, tinzând cu timpul spre acoperirea completă a țărilor.

Zonele globului în care în general rețeaua GSM nu pătrunde sunt:

mari zone nelocuite, de ex.: deșerturi, munți înalți, zonele polare, lacuri mari, mări și oceane

zonele subterane (tuneluri, mine, stațiuni de cercetări situate la adâncime) precum și zonele

subacvatice și submarine

spațiul aerian cu altitudine de peste 4 - 6 km (avioanele de pasageri ajung și la înălțimi de 10 -

11 km)

unele zone și țări subdezvoltate

Fiecare releu GSM deservește doar o mică suprafață, mai mult sau mai puțin rotundă și cu diametrul

de cca 8 - 10 km, numită „celulă”. Dacă posesorul telefonului mobil se deplasează (de ex.

călătorește cu mașina), sistemul îl „pasează” de la un releu la altul, urmărindu-l peste tot unde se

află. Dacă la trecerea în altă celulă (teritorială) posesorul tocmai vorbește la telefon, convorbirea sa

nu este întreruptă și nici măcar deranjată.

Securitatea transmisiei

Sistemul GSM, bazându-se pe transmisii radio, prezintă principial riscul captării ilegale a

convorbirilor telefonice. El însă prevede ca semnalul sonor, înainte de a fi transmis, să

fie digitalizat și criptat, dispunând astfel de o securitate de transmisie ridicată.

Benzi de frecvențe

La ora actuală (2012) există pe glob 14 domenii de frecvențe pentru GSM, toate situate în

câte una din următoarele benzi: 400 MHz, 700 MHz, 850 MHz, 900 MHz, 1.800 MHz și 1.900

MHz. Unele domenii se folosesc numai pe anumite continente. Frecvențele cu care transmit

telefoanele mobile în cadrul unei legături cu releul antenă (legături numite „uplink”) se deosebesc de

frecvențele folosite de relee în direcția inversă („downlink”).

Avantaje

Rețelele mobile celulare GSM oferă o serie de avantaje față de alte soluții tehnice:

capacitate de transmisie sporită

consum redus de energie

acoperire geografică extensivă

interferențe reduse cu alte semnale

toleranță la greșeli de transmisie sau defecțiuni

latență redusă și stabilitate.

Evoluția GSM

Inițial GSM a fost conceput doar pentru telefonie și transmitere de telefaxuri și alte date la viteză

constantă. Succesul Internetului a condus însă și la evoluția standardelor GSM, care azi permit,

printre altele, accesul mobil la Internet cu viteze mari. Pentru aceasta, în decursul timpului au fost

implementate mei multe standarde GSM, unele dintre ele pentru scopuri speciale: CSD, HSCSD,

GPRS, EDGE, UMTS, HSPA, Streaming, Generic Access, Cell Broadcast, BOS-GSM, LTE.

Clasificarea sistemelor de comunicații mobile

Această clasificare pe generații se aplică doar rețelelor mobile destinate realizării de legături vocale

(sistemelor celulare). Pe de altă parte, rețelele mobile de date au cunoscut și ele o evoluție atât în

privința soluțiilor tehnice cât și a performanțelor obținute.

1G

Prima generatie de sisteme RCM, numită 1G, a folosit transmisia analogică a informatiilor. Initial,

astfel de sisteme au utilizat exclusiv transmisia analogică atât pentru mesaje cât si pentru semnalele

de control si semnalizare din sistem. În acest scop se utilizau modulatii de tip AM, SSB sau FM.

Ulterior s-a trecut la transmisia numerică a semnalelor de control si apel selectiv, cu modulatii de tip

FSK sau FFSK, menținându-se pentru semnalul vocal transmisia analogică prin modulatie de

frecventă.

2G

Următoarea generație de sisteme RCM, în întregime digitalizată și notată 2G, a fost caracterizată de

transmisia numerică a informațiilor de utilizator, integrând mesajele digitalizate cu informațiile de

control (comandă) și semnalizare, ceea ce a permis atingerea unor performanțe superioare în raport

cu soluțiile folosite anterior și a asigurat compatibilitatea cu rețelele numerice terestre tip ISDN.

Rețelele 2G se bazau inițial pe comutația de circuite.

Ulterior, în aceste rețele s-au implementat soluții care să permită creșterea vitezei de transmisie a

datelor și utilizarea comutației de pachete de date în paralel cu cea de circuite, născându-se astfel o

generație de tranziție, denumită [2,5G]].

3G

A treia generație, 3G este marcată de o creștere a debitului de transmisie de la valori de ordinul a 10

Kbps la valori cuprinse între 200 Kbps și 2 Mbps. Acest salt presupune o creștere a benzii alocate

unui canal precum și trecerea la utilizarea exclusivă a comutației de pachete.

4G

A patra generație, 4G este în curs de implementare si prevede viteze de peste 100 Mbps in downlink

si peste 30 Mbps in uplink.

GPRS

În general, în timpul unei convorbiri de la telefonul mobil este stabilită o conexiune continuă (un

canal de comunicație) rezervată - în acest timp nimeni altcineva nu poate folosi acel canal. GPRS

are efectul că dacă în timpul convorbirii la un moment dat nu se transmit date, canalul e pus la

dispoziție pentru alte transmisii, fără însă ca să se piardă conexiunea inițială. În acest fel se mărește

disponibilitatea rețelei. Altfel spus, la standardul GPRS conexiunea pentru o convorbire este

continuă, permanentă, dar în plus canalul de transmisie pote fi partajat de mai multe persoane

(convorbiri). Tarifele GPRS prevăd de obicei plata după volumul de date transferate și nu după

durata conexiunii.

GPRS este mult mai rapid decât CSD (Circuit Switched Data, uneori numit doar GSM Data). Cu

toate acestea, la orele de vârf transferul de date este ceva mai lent (comparativ cu viteza maximă),

deoarece conexiunile de voce au de obicei prioritate. Rata de transfer de date depinde de clasa

multislot a dispozitivului.

EGPRS (EDGE)

EGPRS (Enhanced GPRS, EDGE) utilizează o tehnologie ușor diferită bazată pe așa-numitul 8PSK

sau 8-Phase Shift Keying. Cu ajutorul standardului EDGE transferurile GPRS sunt aproximativ de

trei ori mai rapide, ușurându-se astfel descărcarea fișierelor mari cum ar fi clipurile video.

LTE

LTE sau 3GPP Long Term Evolution este un standard pentru comunicații wireless (fără fir), de

viteză foarte mare pentru telefoane mobile sau terminale de date. Este o arhitectura bazata pe

GSM/EDGE, îmbunătățind capacitatea si viteza prin utilizarea tehnicilor de modulatie.

Interfața wireless LTE este incompatibila cu retele 2G si 3G, astfel incat aceasta sa ruleze, este

necesar un alt spectru wireless.Specificatiile includ o rata de downlink de 300 Mbit/s si o rata de

uplink de 75 Mbit/s cu un QoS care asigura rata de transfer in mai putin de 5 ms in retelele radio.

Astfel, datele se transmit cu o calitate exceptionala, intr-un timp foarte redus. Suporta multicast si

stream-uri broadcast.

Proprietăți

Scalabilitate. Sistemul trebuie să poată fi dezvoltat in piete diferite care au disponibile lățimi de

bandă de frecvență diferite, de la 1.4 MHz la 20 MHz.

Latență. Latenta in C-plane pentru tranzitiile din modul idle in modul conectat trebuie sa fie mai

putin de 100 ms, iar intarzierea in U-plane (de la eNB la UE) trebuie sa fie mai mica de 10 ms.

Viteză de transfer. Viteza maxima de transfer trebuie sa fie de cel putin 300 Mbps pe downlink si

50 Mbps pe uplink. In medie vitezele de transfer trebuie sa fie de 3 sau 4 ori mai mari decat cele

oferite HSDPA si de 2 sau 3 ori mai mari decat cele oferite de HSUPA.

Intârziere în cazul Handover-ului Inter-RAT. Handover-ul pentru serviciile in timp real trebuie

sa dureze mai putin de 300 ms, iar pentru celelalte mai putin de 500 ms.

Acoperire teritorială. Obiectivele de performanță trebuiesc menținute pana la o distanta de 5 Km

de statie si cu o usoara degradare pana la 30 Km.

Mobilitate. Sistemul trebuie să fie optimizat pentru o viteză relativ mica (<15 km/h), dar trebuie sa

fie capabil sa-si mentina conexiunile active si la viteze de pana la 500 km/h.