GSM(Global System for Mobile Communications) — один из самых распространённых стандартов мобильной связи на данный момент.

Рисунок 1. Логотип GSM 

1982 (Groupe Spécial Mobile) — 1990 г. Global System for Mobile Communications. Первая коммерческая сеть в январе 1992 г. Цифровой стандарт, поддерживает скорость передачи данных до 9.6 кбит/с. Полностью устарел, производство оборудования под него прекращено.

GSM Phase 2

1993 г. Включает диапазон 1900 МГц в 1995 г. Цифровой стандарт, поддерживает скорость передачи данных до 9.6 кбит/с. Устарел. Второй этап развития GSM «ФАЗА 2» завершился в 1997 г.,

GSM Phase 2+

Следующий этап развития сетей стандарта GSM «ФАЗА 2+» не связан с конкретным годом внедрения. Новые услуги и функции стандартизируются и внедряются после подготовки и утверждения их технических описаний.

GSM Phase 2+ обеспечивает поддержку следующих услуг:

 GSM 850/1900

        Что касается доступа к среде передачи, в GSM используется временное разделение каналов — TDMA. Частотные каналы разбиты на кадры по 8 временных интервалов длительностью 577 мкс. Каждому физическому каналу соответствует один определённый временной интервал на определённой частоте . Таким образом, мобильный терминал передаёт базовой станции информацию в течение 577 мкс каждые 4615 мкс. Этот отрезок времени называется таймслот. Базовая станция связывается с мобильным терминалом точно так же, но на три временных интервала раньше (и на частоте на 45 МГц выше), чтобы разнести во времени приём и передачу.

        Модуляция сигнала — Гауссовская манипуляция с минимальным частотным сдвигом GMSK.

Радиус соты в GSM — до 35 км — ограничен возрастающей временной задержкой распространения сигнала, к которой чувствительна технология TDMA.

 

Рисунок 2. Структурная схема сети GSM 

 BSS состоит из собственно базовых станций (BTS — Base Transceiver Station) и контроллеров базовых станций (BSC — Base Station Controller). Область, накрываемая сетью GSM, разбита на соты шестиугольной формы. Каждая ячейка покрывается одной BTS, при этом ячейки частично перекрывают друг друга, тем самым сохраняется возможность передачи обслуживания MS при перемещении её из одной соты в другую без разрыва соединения (Операция передачи обслуживания мобильного телефона (MS) от одной базовой станции (BTS) к другой в момент перехода мобильного телефона границы досягаемости текущей базовой станции во время разговора, или GPRS-сессии называется «Handover»).

MSC контролирует определённую географическую зону с расположенными на ней BTS и BSC. Осуществляет установку соединения к абоненту и от него внутри сети GSM, обеспечивает интерфейс между GSM и ТфОП, другими сетями радиосвязи, сетями передачи данных. Также выполняет функции маршрутизации вызовов, управление вызовами, эстафетной передачи обслуживания при перемещении MS из одной ячейки в другую. После завершения вызова MSC обрабатывает данные по нему и передаёт их в центр расчётов для формирования счета за предоставленные услуги, собирает статистические данные. MSC также постоянно следит за положением MS, используя данные из HLR и VLR, что необходимо для быстрого нахождения и установления соединения с MS в случае её вызова.

Содержит базу данных абонентов, приписанных к нему. Здесь содержится информация о предоставляемых данному абоненту услугах, информация о состоянии каждого абонента, необходимая в случае его вызова, а также Международный Идентификатор Мобильного Абонента (IMSI — International Mobile Subscriber Identity), который используется для аутентификации абонента (при помощи AUC). Каждый абонент приписан к одному HLR. К данным HLR имеют доступ все MSC и VLR в данной GSM-сети, а в случае межсетевого роуминга — и MSC других сетей.

Гостевой реестр местоположения (VLR — Visitor Location Registry)

VLR обеспечивает мониторинг передвижения MS из одной зоны в другую и содержит базу данных о перемещающихся абонентах, находящихся в данный момент в этой зоне, в том числе абонентах других систем GSM — так называемых роумерах. Данные об абоненте удаляются из VLR в том случае, если абонент переместился в другую зону. Такая схема позволяет сократить количество запросов на HLR данного абонента и, следовательно, время обслуживания вызова.

Реестр идентификации оборудования (EIR — Equipment Identification Registry)

Содержит базу данных, необходимую для установления подлинности MS по IMEI (International Mobile Equipment Identity). Формирует три списка: белый (допущен к использованию), серый (некоторые проблемы с идентификацией MS) и чёрный (MS, запрещённые к применению). У российских операторов (и большей части операторов стран СНГ) используются только белые списки, что не позволяет раз и навсегда решить проблему кражи мобильных телефонов.

Центр аутентификации (AUC — Authentification Centre)

Здесь производится аутентификация абонента, а точнее — SIM (Subscriber Identity Module). Доступ к сети разрешается только после прохождения SIM процедуры проверки подлинности, в процессе которой с AUC на MS приходит случайное число RAND, после чего на AUC и MS параллельно происходит шифрование числа RAND ключом Ki для данной SIM при помощи специального алгоритма. Затем с MS и AUC на MSC возвращаются «подписанные отклики» — SRES (Signed Response), являющиеся результатом данного шифрования. На MSC отклики сравниваются, и в случае их совпадения аутентификация считается успешной.

Соединена с остальными компонентами сети и обеспечивает контроль качества работы и управление всей сетью. Обрабатывает аварийные сигналы, при которых требуется вмешательство персонала. Обеспечивает проверку состояния сети, возможность прохождения вызова. Производит обновление программного обеспечения на всех элементах сети и ряд других функций.

Несмотря на многообразие моделей сотовых телефонов, все они имеют сходную конструкцию. Рассмотрим простейшую структурную схему мобильного терминала, работающего в стандарте GSM.

 

Рисунок 3. Структурная схема мобильного терминала

В состав сотового телефона входят: аналого-цифровой (АЦП) и цифро-аналоговый (ЦАП) преобразователи речевого сигнала, кодек речевого сигнала, канальный кодек, модулятор-демодулятор (модем), синтезатор частоты с ФАПЧ и собственно радиотракт. Работой узлов трактов приема и передачи, а также устройством индикации управляет контроллер. Кроме того, он коммутирует периферийные устройства, которые могут быть подключены к трубке либо специальным соединительным кабелем, либо посредством инфракрасного или другого (например, BlueTooth) порта.

С помощью клавиатуры набирают номер требуемого абонента, а также обеспечивают доступ к специальным функциям сотового телефона (телефонная книга, передача коротких сообщений, функции ограничения доступа и пр.).

 С микрофона речевой сигнал поступает в тракт передачи. Там он на первом этапе сегментируется (разбивается на сегменты длительностью 20 мс), а затем преобразуется в цифровой поток со скоростью 13 кбит/с (один сегмент составляет кодовую последовательность из 260 бит). Поскольку частотный спектр передаваемого сигнала ограничен узкой полосой пропускания радиотракта, речь кодируют по специальному алгоритму кодирования. Следует отметить, что GSM-кодирование оптимизировано исключительно для передачи речи с максимальным качеством.

На втором этапе для безошибочной передачи цифрового кода и исправления ошибок при приеме осуществляется канальное кодирование. Оно обеспечивает надежную связь при потерях не более 12,5% передаваемой информации, в основном обусловленных спецификой распространения радиоволн диапазонов 900 и 1800 МГц. При этом собирается пакет, включающий, помимо "оцифрованной речи" (канала трафика), и сигналы управления (канал управления).

Шифрование пакетов заключается в выполнении операции "Исключающее ИЛИ" между нормальными пакетами информации и псевдослучайной битовой последовательностью, параметры которой определяются номером кадра TDMA и так называемым цифровым ключом, формируемым при установлении связи. В процессе формирования пакета к цифровому потоку добавляется бинарная информация, что упрощает синхронизацию и коррекцию передаваемого сообщения.

CSD(HSCSD)

Для CSD выделяется один таймслот, точно такой же, какой использовался бы для голосового вызова. Максимальная скорость передачи для CSD составляет 9,6 кбит/с. Существует развитие технологии этой технологии - HSCSD, позволяющей обмениваться данными на скоростях до 57,6 кбит/с. Это достигается за счет использования технологии группого кодирования (сжатие) и выделения до 4 таймслотов сразу. HSCSD является переходной технологией к GPRS.

GPRS(EDGE)

Для передачи данных используются свободные от голосового трафика таймслоты. При этом голосовой трафик имеет безусловный приоритет. Существует несколько классов GPRS, которые обозначаются цифрами и буквами. Цифры обозначают количество выделяемых для приема и передачи таймслотов, причем на прием всегда выделяется не меньше, чем на передачу. То есть GPRS является несимметричным каналом, скорость приема информации, как правило, выше скорости передачи. Буквенный индекс означает функциональные способности. A - устройство может обмениваться одновременно и голосовым трафиком и данными. В - устройство или принимает/передает данные, или голос. При этом передача голоса возможна даже при запущенной GPRS сессии, когда нет непосредственной передачи данных. На время голосового вызова передача данных приостанавливается. С - только передача данных. То есть возможности голосового вызова нет вообще. Теоретическая максимальная скорость GPRS составляет 171,2 кбит/с. 4 таймслота на прием (для класса 10) обеспечивают скорость приема данных 85 кбит/с.

Существует дальнейшее развитие GPRS, которое использует другой тип модуляции(GMSK и 8PSK ) - EDGE. Максимальная теоретическая скорость обмена для EDGE составляет 474 кбит/с. Для класса 10 максимальная скорость приема данных составит 237 кбит/с. Надо заметить, что реальная скорость обмена данными будет зависеть от степени загрузки сети, а точнее базовой станции, с которой телефон в данный момент работает.

         SIM300

   Трехдиапазонные GSM/GPRS модули SIM300 предназначены для работы в приложениях, связанных с высокоскоростной передачей данных посредством GPRS канала: для передачи голоса, коротких (SMS) и факсимильных сообщений в системах удаленного контроля и мониторинга, в измерительных системах и телеметрии, системах безопасности и оповещения. Данные модули имеют низкое энергопотребление и малые размеры, благодаря чему могут быть легко интегрированы в большинство вышеупомянутых приложений.

Диапазон частот: 900/1800/1900 МГц

GPRS Multi - Slot Class 10

Совместимость с GSM Phase 2/2+

Выходная мощность:

Класс 4 (2 Вт) 900 МГц

Класс 1 (1 Вт) 1800/1900 МГц

Встроенный TCP/IP протокол

Управление посредством AT- команд

Напряжение питания: 3.4 - 4.5В

Рабочая температура: -20 °C - +55 °C

Размеры: 40 х 33 х 2.85мм

Вес: 8 гр. 

Для быстрого старта и проверки модуля используется отладочный комплект. Отладочный комплект состоит из отладочной платы и комплекта дополнительных принадлежностей. 

  

Рисунок 4. Внешний вид отладочной платы и модуля SIM300

Шахнович И.В. "Современные технологии беспроводной связи" Москва: Техносфера,2006

http://www.systo.ru/cell/csd_gprs.html

http://ru.wikipedia.org/wiki/GSM#GSM-900

http://ele.by.ru/stati/gsm.shtm

 SIM300 Hardware Interface Description