Sistema globale per le comunicazioni
LA RETE GSM
La struttura di base del GSM è simile alla altre reti radio cellulari.
Il sistema è realizzato come una rete di celle radio contigue che forniscono insieme una copertura completa dell'area di servizio. Ogni cella dispone di una Stazione Base Ricetrasmittente (BTS) che opera su canali radio dedicati differenti dai canali utilizzati nelle celle adiacenti.
Un gruppo della stazione base è controllato da un Controllore di Stazione Base (BSC) per funzioni come handover e controllo potenza. Un gruppo di BSC è servito dal Centro di Commutazione Servizi Mobili (MSC) che indirizza le chiamate da e verso la Rete Pubblica Telefonica Commutata (PSTN), Rete Digitale Servizi Integrati (ISDN), le Reti di Dati Pubbliche e possibilmente varie reti private.
CENTRO DI COMMUTAZIONE SERVIZI MOBILI - MSC
Il MSC costituisce il cuore del sistema radiocellulare, è responsabile dell'indirizzamento, o commutazione, di chiamate dalla fonte alla loro destinazione.
Il MSC in pratica gestisce completamente la chiamata ed agisce anche come interfaccia tra la rete GSM e le reti pubbliche di telefonia e dati. Il MSC può anche essere collegato ad altri MCS
sulla stesa rete e su altre reti GSM.
DATA BASE
Due importanti data base (HLR e VLR) immagazzinano informazioni riguardanti l'utente. Il Registro Ubicazioni Locali (HLR) trasporta informazioni riguardanti i livelli di utenza, i servizi supplementari e la rete e l'ubicazione attualmente , o più recentemente, utilizzata dall'utente verso una rete ("casa"). L'HLR opera in stretta collaborazione con il Centro di Autenticazione (AUC) che fornisce le informazioni necessarie per autenticare tutte le chiamate in modo tale da evitare possibili frodi, futuri di subscriber card o bollette non pagate.
Il Registro dell'Ubicazione dei Visitatori (VLR) contiene informazioni riguardanti le condizioni di utenza, i servizi supplementari e l'area di ubicazione dell'utente. Inoltre è a conoscenza se l'utente ha l'apparecchio attivato o meno, in modo tale da evitare i ritardi che potrebbero derivare dall'utilizzo di una rete per cercare di mettersi in contatto con un telefono che, invece, è spento.
Il Registro Identità degli Apparecchi (EIR) contiene informazioni riguardanti il tipo di stazione mobile in uso e può perfino bloccare una chiamata se si accorge che l'apparecchio è stato rubato, non è del tipo approvato o ha un difetto che potrebbe disturbare la rete.
GESTIONE DELLA RETE
La gestione di rete è utilizzata per controllare gli elementi maggiori dell'infrastruttura e, in particolare, controlla e riporta i guasti, il grado del servizio e la prestazione del rete. Questo è necessario per mantenere operativa la rete, ma è anche utile a scopo di previsione delle esigenze future.
SEGNALAZIONE ED INTERFACCIA
E' stato messo a punto uno schema di segnalazione digitale molto completo. La parte Applicativa Mobile del sistema di segnalazione CCITT Nr.7 è utilizzata tra i Registri Ubicazione e il MSC.
La segnalazione è richiesta per assicurare l'operatività a livello internazionale tra le reti GSM. Questa segnalazione si aggiunge al traffico telefonico in quanto il GSM ha introdotto nuove caratteristiche come il roaming internazionale e l'autentica. Ulteriori esempi del suo utilizzo comprendono il set-up di chiamata, l'handover, l'autentificazione, il trasferimento delle informazioni all'utente nell'ubicazione attuale e la gestione di servizi supplementari.
Le interfaccia standard sono definite tra tutte le entità di rete in modo tale da assicurare uno standard comune per roamers e permettere l'utilizzazione di apparecchi di diversi costruttori in qualsiasi parte della rete GSM.
CONTROLLORE DELLA STAZIONE DI BASE
La funzione principale del BSC è il mantenimento della chiamata. Quando un utente si sposta è come se uscisse da una cella ed entrasse nell'area di un'altra. Il processo secondo il quale la chiamata viene mantenuta senza interruzioni avvertibili è definito "handover", e con il GSM questa interruzione è più breve che con qualsiasi altro sistema cellulare.
Con il GSM, durante una chiamata, la stazione mobile "ascolta" tutte le stazioni base vicine e fornisce al BSC un rapporto continuo della potenza di segnale. In questa maniera il BSC può decidere quando avviare l'handover e verso quale nuova cella.
Il GSM esegue il controllo di potenza delle stazioni mobili e, eventualmente, delle stazioni base. Questo riduce i livelli di
segnale irradiati, riduce al minimo le interferenze verso gli altri utenti GSM e massimizza la durata delle batterie.
STAZIONE RICETRASMITTENTE DI BASE
La funzione principale del BTS è di fornire la trasmissione e la ricezione radio per le stazioni base. Il BTS può contenere una più ricetrasmittenti. Una cella può essere omni-direzionale o essere divisa nelle classiche tre celle direzionali.
RADIO
Il GSM utilizza la banda dei 900 MHz con Accesso Multiplo a Divisione di Tempo (TDMA) con 8 time slots (cioè che trasmettono per un ottavo del tempo).
Quindi, un canale radio può supportare 8 canali di traffico a pieno carico, ma verrà introdotto uno schema "a carico dimezzato" con i 16 canali di traffico. La separazione dei canali radio è di 200 kHz. La frequenza di banda utilizzata è di 890-915 MHZ (trasmissione mobile) e 935-960Mhz (trasmissione base).
La potenza di picco delle stazioni mobili dipende dalla classe di mobile:
classe 1 veicolare o portatile 20W
classe 2 veicolare o portatile 8W
classe 3 tascabile 5W classe 4 tascabile 2W classe 5 tascabile 0.8W La potenza media è un ottavo (canale a pieno carico) dei questi
dati.
Per evitare interferenze con gli altri utenti sono necessarie alcune precauzioni. Controllo di potenza 15 steps di 2dB. Filtraggio accurato, elevamento e abbassamento livello trasmittente in maniera controllata.
Il salto di frequenza può essere utilizzato in maniera tale da evitare i punti morti e da minimizzare le interferenze da altri segnali. Il tasso hopping è di un hop per frame TDMA(4,6ms) o 217 hops al secondo.
Il metodo di modulazione utilizzato è il GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), con un valore BT di 0,3 al tasso lordo di dati di 279 kb/s.
Quindi, dato che il GSM è un sistema radio digitale con un elevato tasso di dati , deve essere impiegato un equalizzatore di buona qualità, in grado di far fronte all'ambiente a cammino multiplo con una dispersione fino a 15µs.
La sincronizzazione di fase e di frequenza deve gestire un effetto doppler per veicoli che si spostano con una velocità fino a 250 km/h e uno spostamento di frequenza standard ed un anticipo in grado di compensare i ritardi di propagazione.
CODIFICA DEI CANALI
Il tasso di dati globali per canale radio è di 270kb/s che viene diviso in 8 canali a tasso pieno o 16 a tasso dimezzato di traffico, più i canali di segnalazione. La codifica è complessa in modo tale da aumentare le possibilità di rilevare e correggere gli errori incontrati in un tipico cammino di propagazione. L'uscita del codificatore del parlato è codificata in maniera molto sofisticata in modo tale da permettere l'applicazione della Correzione dell'Errore di Avanzamento.
I dati vengono inviati come bursts in time slot ognuna di 577µs contenenti 116 bits codificati.
Ci sono 8 time slots per frame TDMA e gli slots di ricezione e di trasmissione sono disposti in modo tale che la stazione mobile non riceve contemporaneamente a quando trasmette, semplificando quindi le necessità di filtraggio. Con questo schema ci sarà sempre perlomeno una slot libera tra quella che trasmette e
quella che riceve, permettendo quindi al sintetizzatore di cambiare frequenza (indipendentemente dall'uso dell'hopping). Il ricevitore controllo inoltre una cella adiacente per un time slot di ogni frame in modo tale da terminare la potenza di segnale per ottimizzare un possibile handover.
CODIFICATORE DEL PARLATO
Inizialmente saranno disponibili solo codificatori a tasso intero. Questi opereranno con un tasso base di 13 kb/s che diventano 22,8kb/s lordi quando viene aggiunta la codifica della correzione dell'errore di avanzamento. Il principio di codifica è noto come RPE-LTP (Regular Pulse Excitation - Long Term Prediction, Eccitamento ad impulsi regolari - Previsione a lungo termine) e campiona il segnale analogico con 13 bit PCM uniform, a 8000 campioni al secondo.
Uno schema DTX (a trasmissione discontinua)viene utilizzato per minimizzare la potenza irradiata per l'efficienza della batteria e dello spettro. Questa comporta il rilevamento di un'attività voce, con inserimento di rumore di comodo durante i periodi di "silenzio", e sostituzione dei frame di parlato per minimizzare la distorsione dovuta ad interferenze.
Quando viene introdotto il codificatore a tasso dimezzato, questo opererà ad un tasso lordo di 11,4 kb/s. In questa maniera si raddoppierà la capacità e lo sfruttamento dello spettro di una rete, in modo tale da poter soddisfare la domanda futura degli utenti.
CANALI DI TRAFFICO E DI SEGNALAZIONE
Vengono definiti dei canali di traffico per il parlato e per i dati al tasso di 9,6kb/s, 4,8kb/s e ¾ 2,4kb/s.
Questi canali possono essere a tasso pieno o dimezzato (tranne che per 9,6kb/s che deve essere necessariamente a tasso pieno). Inoltre vengono specificati un certo numero di canali di segnalazione logica che operano a tassi differenziati e hanno funzioni specifiche.
- Canali lenti di controllo associato - per segnali di controllo o di supervisione associati con i canali di traffico.
- Canali veloci di controllo associato - che adoperano i time slot per l'allocazione del traffico e sono utilizzati per le necessità di controllo come l'handover.
- Canali dedicati di controllo - che sono multiplexati su un canale standard e sono utilizzati per la registrazione, l'aggiornamento della localizazione e il set-up di chiamata.
- Canali di controllo di trasmissione (solo down link) - che forniscono informazioni come identificazione di stazione base alle stazioni mobili.
- Canale di Paging (solo down link) - che informa l'utente mobile del fatto che la rete richiede di segnalarlo.
- Canale di accesso casuale (solo up link) - utilizzato dalla stazione mobile per richiedere l'accesso alla rete.
- Canale di accesso garantito (solo down link) - che risponde all'accesso casuale e assegna il canale di controllo dedicato per le successive segnalazioni.
Canale di trasmissione celle (solo down link) - trasmette le informazioni di trasmissione delle celle.
SICUREZZA
Il GSM permette di avere delle sofisticate caratteristiche che assicurano l'integrità e la segretezza della chiamata.
- L'autenticazione viene fornita dal controllo di validità della chiamata, vale a dire non permettere l'accesso ad una card che risulti essere rubata o non in regola con i pagamenti. Inoltre impedisce l'accesso anche a coloro i quali, per non pagare, fingono di essere altri utenti. Tutto questo si ottiene utilizzando una SIM (card dell'utente). L'utente può decidere che questa funzioni sono con il numero della Carta d'Identità del possessore, impedendone quindi l'uso in caso di furto.
Un servizio supplementare opzionale potrebbe identificare il numero del chiamato o del chiamante.
- la codifica offre una totale segretezza della chiamata in modo tale che solo chi sta all'altro capo del telefono può identificare il chiamato o il chiamante e la conversazione che avviene tra i due è completamente codificata, sia per quanto riguarda la trasmissione dati o voce. La chiave d'accesso segreta necessaria per il set up e per la decodificazione è memorizzata nella SIM (card dell'utente).
Tutte le stazioni mobili riportano un numero di serie e alcune reti possono controllarlo e compararlo con una lista di apparecchi mobili rubati. Se l'apparecchio risulta rubato, la chiamata potrebbe essere impedita oppure possono essere intraprese altre azioni.
SERVIZI DATI
Trasmissione dati
Il GSM offre una vasta gamma di servizi al portatore. Vengono supportati tutti i tassi standard fino a 9,6 kb/s (4,8kb/s per canali a tasso dimezzato). I collegamenti possono essere effettuati ad altre stazioni mobili o ad altri utenti di dati su circuito commutato (vale a dire il telefono) o su reti di dati commutate a pacchetto.
Nel caso di collegamenti commutati a circuito, possono essere supportati i tipi di modem V21, V22, bis, V23 o V32 (compreso il protocollo V42 per la correzione dell'errore). Gli standard sincroni utilizzano modem della serie X.
Per collegare le reti di dati commutate, l'accesso asincrono viene creato tramite un PAD (Assemblatore/Dissemblatore di Pacchetto). Questo PAD può essere collocato nella rete mobile (un PAD dedicato) o può essere utilizzato un PAD pubblico. Inoltre può essere utilizzato il collegamento diretto con lo standard X25.
Tutti i summenzionati collegamenti possono avvenire in due modi: trasparente e non trasparente.
Il trasparente è utilizzato per determinati servizi in cui il flusso di dati non può essere interrotto da un controllo di flusso. In questo caso deve essere mantenuta una accurata sincronizzazione. Comunque laddove può essere utilizzato il controllo di flusso (es. collegamenti serie V e terminali) devono essere selezionati i protocolli di correzione dell'errore non trasparenti.
In questa maniera, nel caso di rilevamento di errori, viene richiesta una ripetizione automatica del blocco di dati interessato (ARQ). In questa maniera il risultante tasso di errori è praticamente nullo (meno di 1 su 100 milioni) e un throughput medio di 9,6 kb/s.
Fax
Il Fax Group III è supportato dal GSM a tassi fino a 9,6kb/s (4,8kb/s a tasso dimezzato). I fax sono progettati per collegarsi al telefono e quindi utilizzano i segnali analogici. Comunque il servizio telefonico GSM non è adatto a a questo scopo e quindi deve utilizzare un servizio dati. Quindi deve essere inserito un modem particolare tra un fax standard Group III e il connettore V24 su un telefono mobile GSM per dati.
Naturalmente presto verranno messi a punto degli appositi fax che non avranno bisogno di un modem a parte.
ISDN
Il GSM è stato progettato secondo i principi ISDN ed generalmente compatibile con esso. L'interoperabilità tra il GSM e l'ISDN sono notevolmente avanzati tanto che l'utente potrebbe perfino non accorgersi della differenza - semplicemente chiamando il numero richiesto.
Questo generalmente si applica alla telefonia e ai servizi dati al portatore, tranne quando, data la scarsità di spettro radio disponibile, del GSM viene limitato ad un singolo canale duplex di 9,6kb/s e il decodificatore voce opera a 13kb/s invece che a 64kb/s rendendo quindi il codificatore non adatto al trasporto dei dati.
Servizio di messaggeria breve
Il servizio di messaggeria breve permette la trasmissione di un messaggio alfanumerico fino a 160 caratteri da e verso un telefono mobile. Di solito chi chiama telefonerà al Service Centre, detterà il messaggio che desidera inviare all'utente mobile e questo verrà indirizzato sulla base del numero telefonico del ricevente mobile.
Se il messaggio non può essere trasmesso in quanto il terminale dell'utente è disattivato o fuori dall'area di copertura viene memorizzato sulla rete che c'è un messaggio in attesa e quando il ricevente riappare viene inviato il messaggio.
I messaggi possono anche provenire da una stazione mobile ed inviati al Service Centre per la trasmissione.
I messaggi brevi possono essere trasmessi o ricevuti da una stazione mobile ed inviati impegnata in una chiamata o tra una chiamata e l'altra. Se il messaggio si scontra con la transizione tra questi due stati viene ripetuto automaticamente.
una volta ricevuto, il messaggio sarà mostrato sul display o sullo schermo della stazione mobile e può perfino essere memorizzato nella card dell'utente per essere visionato successivamente.
Trasmissione celle
La trasmissione celle è una caratteristica che permette la trasmissione a tutte le stazioni mobili di messaggi di celle fino a 93 caratteri nell'ambito di una stessa area. Opera in modo background e in questa maniera viene ricevuto solo quando la stazione mobile è inattivo. Può essere inviato un messaggio ogni due secondi.
L'utente può selezionare se accettare o rifiutare tutti i messaggi, per esempio accettare solo tutte le informazioni riguardanti il traffico ma non quelle inerenti le condizioni atmosferiche.