Sieć GSM składa się z minimum kilku central telefonicznych, które są podstawowymi węzłami sieci. Podstawowym zadaniem takiej sieci jest realizacja połączeń pomiędzy różnymi abonentami – tymi znajdującymi się w sieci GSM jak i w normalnych sieciach telefonicznych. Ze wszystkimi centralami jest skojarzona baza danych, w których znajdują się rejestry stacji obcych. W rejestrach znajdują się informacje o abonentach GSM, którzy aktualnie przebywają w obrębie danej stacji – dotyczy to abonentów wszystkich sieci GSM (lokalnych i zagranicznych).

Dodatkowo oprócz połączeń wychodzących do innych centrali GSM, nadawane są również połączenia do sterowników stacji bazowych. Sterowniki to urządzenia pomocnicze, które koncentrują ruch telefonicznych pomiędzy różnymi centralami. Centrale zazwyczaj współpracują z kilkunastoma sterownikami, następnie połączenia idą dalej do stacji bazowych, a stamtąd obsługują pojedyncze komórki GSM. Budowa stacji bazowych jest dość zróżnicowana, mogą być montowane wewnątrz i zewnątrz budynków.

W typowych sieciach GSM znajduje się zazwyczaj jedno centrum zarządzania siecią. Korzysta ono z dwóch sprzężonych baz danych – jedną z nich jest rejestr w którym znajdują się informacje o stacjach własnych, drugim jest centrum identyfikacji telefonów. Pierwszy rejestr zawiera wszystkie podstawowe informacje o abonentach danej sieci GSM. Zapisane są: kategoria abonenta, uprawnienia do korzystania z danych usług, informacje pozwalające na identyfikacje abonenta. Znajduje się tam również informacja o pobycie danego abonenta, co pozwala na identyfikację centrali GSM, która będzie obsługiwać jego połączenia.

Drugi rejestr (rejestr identyfikacji telefonów) to baza danych, w której znajdują się identyfikatory urządzeń GSM. Dzięki temu operator może ograniczyć skutki kradzieży np. blokując sygnał danego urządzenia. Niestety nie jest to zbyt popularne, a ograniczenia nie są używane na wielką skalę.

Z każdym centrum zarządzania siecią działa równolegle centrum identyfikacji. Jest to system komputerowy, który posiada mocne zabezpieczenia i jest pilnie strzeżony, gdyż znajdują się w nim hasła identyfikacyjne abonentów. Jest to bardzo ważne, gdyż hasła pozwalają na identyfikację danych użytkowników, zarządzanie ich kontami oraz obsługę połączeń.

budowa sieci GSM

Wraz z rozrostem sieci dodawane są kolejne centrale telefoniczne, stacje bazowe i sterowniki. To pozwala na zmianę przepustowości i konfiguracji. Operatorzy aktualizują swoje usługi co zmusza do modyfikacji urządzeń i oprogramowania. W założeniu projektantów sieci GSM, miała ona być uniwersalna, co pozwalałoby na podpinanie ze sobą aparatury różnych producentów. Przez to aby połączyć różne urządzenia, niezbędna jest żmudna praca.

źródło: gsm.edu.pl

Rozwój technologii pozwolił na rozpowszechnienie się różnego rodzaju standardów GSM, gdzie transmisja danych odbywa się na różnych częstotliwościach. Jednym z najpopularniejszych standardów jest GSM 1800.

Czym jest GSM 1800?

Jest to standard transmisji danych, w którym może się ona odbywać w paśmie częstotliwości 1710-1880 MHz. Używany jest on w większości państw europejskich, azjatyckich, afrykańskich, Australii, a także w niektórych krajach Ameryki Środkowej i Południowej.

Historia powstania GSM 1800?

GSM 1800 powstał w wyniku rozwoju między innymi GSM 900 w roku 1990. Zaczęto wtedy opracowywać technologię DSC1800 przeznaczoną dla gęsto zaludnionych obszarów miejskich. Celem była bezproblemowe prowadzenie licznych rozmów na małym terenie. W roku 1997 nazwa DSC1800 została zmieniona na GSM1800. W 1999 r. na świecie działało ponad 250 sieci telefonicznych które obsługiwały ponad 130 milionów zarejestrowanych abonentów. Działały one w pasmach 900MHz, 1800MHz i 1900MHz. Liczba ta miała się potroić na początku drugiego tysiąclecia.

W latach 90 nastąpił ogromny rozwój technologii. Zgodnie z prawem Moora co osiemnaście miesięcy podwajała się liczba używanych tranzystorów w układach scalonych. Dzięki temu sprzęt komórkowy można było zminiaturyzować. Zobrazowało to kierunek, w którym rozwijała się branża telefoniczna i już było wiadomym, że za kilka lat miał nastąpić kolejny przełom w branży telekomunikacyjnej. Stworzony standard GSM był tak przemyślany aby można było go modyfikować i zwiększać z czasem jego możliwości. Wprowadzenie sieci podzielono na dwa etapy. Pierwszy polegał na wprowadzeniu nowego standardu. Drugim etapem był jego rozwój. Został on poprawiony i wzbogacony o nowoczesne rozwiązania poprawiające komunikację. Dwukrotnie poprawiono efektywność wykorzystywania pasam radiowego.

W drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych zespoły ESTI zostały zaangażowane w tworzenie nowego standardu. Nazwano go: Faza druga + GSM. Nie został on nazwany fazą trzecią, gdyż chciano podkreślić stopniowe zmiany i modyfikacje, a nie ogromny przeskok w sposobie rozmów, który miał nastąpić kilka lat później.

Jak to wygląda od strony technicznej?

W tym standardzie przesyłanie danych odbywa się na aż 374 częstotliwościach, które są rozłożone co 200 kHz. Maksymalny zasięg komórki, jaki można osiągnąć, to 8 kilometrów. Jest to idealne rozwiązanie do tworzenia sieci na bardziej zaludnionych obszarach o dużym natężeniu ruchu telekomunikacyjnego.

Wiele sieci wykorzystuje kilka standardów. Przykładowo w Polsce GSM 1800 i 900 wykorzystuje się jednocześnie, przy zapewnieniu braku utraty połączenia. Łączenie standardów jest dobrym rozwiązaniem aby obsługiwać połączenia na większych obszarach. Łączenie standardów działa na zasadzie sieci szkieletowej.

Dzięki współpracy wielu firm telekomunikacyjnych i używaniu tych samych standardów możliwa jest swobodna rozmowa praktycznie z każdego zakątka świata. Mimo rozwoju innych rozwiązań dla połączeń komórkowych, standardy GSM nadal mają się bardzo dobrze.

Dlaczego i kiedy stosuje się komórki sektorowe?

Komórki sektorowe są stosowane zamiast komórek dookólnych w celu polepszenia jakości sygnału na obszarach gęściej zaludnionych np. w miastach. Jest to popularny sposób, który wykorzystują operatorzy aby zwiększyć pojemność systemu. W ten sposób zmniejsza się obszar obsługiwany przez daną komórkę, a jednocześnie maksymalna odległość stacji bazowej od ruchomej nie ulega zmianie.

Innym sposobem uzyskania lepszej jakości sygnału na gęsto zaludnionych sygnałach jest dzielenie ich na mniejsze komórki. Porównując te dwa sposoby, za pomocą komórek sektorowych można uzyskać dobre efekty przy mniejszej liczbie masztów antenowych. To zmniejsza koszty infrastruktury. Jest to najczęściej stosowane rozwiązanie przez operatorów komórkowych na obszarach miejskich. Na obszarach wiejskich stosowane są komórki dookólne ponieważ przez niską gęstość obsługiwanego ruchu nie potrzebne są dodatkowe rozwiązania.

Sektoryzowanie komórek dookólnych jest bardzo użyteczne i stosuje się je często ponieważ dzięki tej technice można zwiększyć pojemność sieci bez zwiększania ilości stacji bazowych.

 

anteny dookólne

anteny dookólne

Budowa komórki sektorowej

Komórka sektorowa składa się z kilku anten kierunkowych. Zastępują one pojedynczą antenę dookólną. Najczęściej stosuje się komórki trzysektorowe z których każdy z sektorów promieniuje energię tylko w określonym kierunku o koncie rozwarcia równym 120 stopni. Czasami stosuje się również komórki sześciosektorowe z kontem rozwarcia 60 stopni. Zdarza się, żę wzdłuż ruchliwych dróg stosuje się komórki dwusektorowe, które wysyłają sygnał wzdłuż drogi w obu kierunkach.

 

Poniżej widać masz komórki trzysektorowej. Na maszcie znajduje się 6 kierunkowych anten skierowanych w 3 kierunkach. Dzięki temu, że w 1 kierunku umieszczone są po 2 anteny, po przesłaniu sygnału można wybrać sygnał lepszej jakości, w ten sposób zwiększając niezawodność transmisji. Widać tam również antenę kierunkową linii radiowej która doprowadza sygnał do stacji bazowej z centrali GSM.

stacja bazowa - komórka sektorowa

stacja bazowa

 

Struktura plastra miodu

System komórkowy jak sama nazwa wskazuje podzielony jest na mniejsze części – nazywane komórkami. Każda z komórek posiada nadajnik stacji bazowej o stosunkowo niewielkiej mocy, dzięki czemu w kilku komórkach można wykorzystać tę samą częstotliwość. Ta struktura rozmieszczenia sieci nadajników nazywana jest strukturą plastra miodu.

Strefy znajdujące się wokół dowolnego nadajnika radiowego to:

  1. Strefa zasięgu dobrej słyszalności sygnału,
  2. Strefa zasięgu słabego sygnału – zasięg w niej jest zbyt słaby aby umożliwić skuteczną transmisję, ale jest na tyle silny, by zakłócać pracę pozostałych systemów działających w tej samej częstotliwości,
  3. Strefa zasięgu o niesłyszalnym sygnale.

Struktura plastra miodu jest punktem wyjścia dla sieci telefonii komórkowej. Obszar działania w tej strukturze jest siatką regularnych, sześciokątnych komórek tej samej wielkości. Każda komórka posiada w jej środku stację bazową której zadaniem jest nadawanie sygnału na całą komórkę. W momencie przekroczenia granicy komórki, znajdujemy się automatycznie w innej komórce i zasięgu innej stacji bazowej. Wtedy, gdy są do tego odpowiednie warunki (są wolne kanały i warunki propagacyjne) system sterujący siecią przełącza nas i odbierany sygnał z innej stacji bazowej.

nadajnik sieci telefonicznej

Pojemność sieci telefonii komórkowej

Każda sieć komórkowa ma swoją pojemność – czyli zdolność do obsługi ruchu telefonicznego. Zdolność ta podawana jest w przeliczeniu na jednostkę powierzchni. Najczęściej jest ona mierzona jako średnia liczba kanałów rozmownych przypadających na daną jednostkę powierzchni.

Pojemność sieci komórkowej jest uzależniona od wielu czynników, m.in.:

  • rozmiaru komórek,
  • stopnia powtórnego wykorzystania częstotliwości,
  • liczby kanałów rozmownych przypadających na 1MHz pasma,
  • łącznej szerokości pasma użytkowanego przez danego operatora.

Inne czynniki które wpływają na pojemność sieci muszą być zakwestionowane decyzją organów regulujących bądź zmian w standardzie GSM.

Wielkość komórek jest podyktowana przede wszystkim kwestią opłacalności. Rozbudowa sieci komórkowej to duży koszt związany z instalacją dużej ilości stacji bazowych. Im więcej komórek tym więcej problemów z zakłóceniami współkanałowymi, czyli „konfliktami” w sieci. Planowanie systemu komórkowego jest bardzo skomplikowane. Konieczny jest kompromis między kosztem tego systemu, jego pojemnością, jakością usług oraz obszarem objętym zasięgiem.

Co to są fale radiowe?

Fale radiowe definiowane są jako promieniowanie elektromagnetyczne, mieszczące się w zakresie częstotliwości od 3Hz do około 3THz. Długość tego rodzaju fal wynosi od 100 000 km do 0,1 mm. Istnieją naturalne źródła fal radiowych – są to między innymi wyładowania atmosferyczne, zjawiska geologiczne zachodzące we wnętrzu Ziemi oraz zorze polarne. Wyróżnia się również sztuczne źródła fal radiowych: zamierzone (nadajniki radiowe) oraz zakłócenia/szumy (np. instalacje prądu przemiennego).

Podział fal radiowych

W związku z ogromnym zakresem fal radiowych opracowano ich szczegółowy podział. Wyróżnia się fale bardzo długie i ekstremalnie długie o długościach rzędu dziesiątek kilometrów i większych. Fale te wytwarzane są głównie w procesach naturalnych i stosowane są np. w komunikacji z łodziami podwodnymi. Kolejnymi grupami fal radiowych są fale długie, średnie i krótkie, stosowane w telekomunikacji oraz tzw. mikrofale o długościach poniżej 1 m. Ostatnią wyróżnianą grupą są fale submilimetrowe.

Fale radiowe w technologii GSM

Fale radiowe w znacznym stopniu wykorzystywane są przez telefonię komórkową. Gdy wybieramy połączenie telefoniczne znaczna część odległości pokonywana jest przez przewody jednak na ostatnim odcinku drogi komunikacja odbywa się drogą radiową.

Przesyłanie informacji za pomocą fal radiowych jest możliwe tylko w układzie składającym się z:

  • łańcucha telekomunikacyjnego wraz z nadajnikiem i anteną nadawczą,
  • odbiornika wyposażonego w antenę odbiorczą.

Komunikacja pomiędzy 2 antenami odbywa się za pomocą informacji przekazanych w postaci fali elektromagnetycznej. Pomiędzy nimi znajduje się kanał radiowy. Jest nim przestrzeń atmosferyczna.

Moc nadajników radiowych

Moc która pozwala na wypromieniowanie sygnału w przestrzeń mierzy się w watach. Najczęściej spotykanym poziomem mocy nadajników stacji radiofonicznych są nadajniki o mocy od 100W do 3000W. Istnieją również znacznie mocniejsze nadajniki które służą np. do propagacji fal długich. Ich moc może sięgać nawet do kilkuset tysięcy watów. Moc w standardowych nadajnikach telefonów komórkowych wynosi od 0,25W do 2W.

Sygnał nadawany przez antenę rozchodzi się jednocześnie we wszystkich kierunkach. Nie zawsze rozchodzi się on w sposób równomierny. Istnieją anteny które lepiej propagują jak i odbierają sygnał w danym kierunku. Poniżej przykładowe typy takich anten:

typy anten

  1. Antena nadająca sygnał w kąt ok. 120 stopni.
  2. Antena, która promieniuje sygnał w kąt o szerokości kilku stopni.
  3. Antena, która wysyła sygnał dookoła w sposób spłaszczony. Sygnał wysyłany jest w płaszczyźnie poziomej.

Dzięki stosowaniu anten kierunkowych można osiągnąć sygnał o podobnym natężeniu przy znacznie mniejszej mocy. Przy antenach o szerokim koncie promieniowania oszczędność może być ok. dziesięciokrotna, a przy antenie kierunkowej o wąskim kącie promieniowania nawet stukrotna. Anteny dookolne dają ok. 2 krotną oszczędność mocy.

Kierunkowość charakterystyki anten ma znaczenie zarówno podczas nadawania sygnału jak i podczas odbioru. Jeśli dwie anteny (odbiorcza i nadawcza) będą miały charakterystykę kierunkową, kierunkowe zyski tych anten zsumują się.

Propagacja, czyli rozchodzenie się sygnału w kanale radiowym to zjawisko uzależnione od wielu czynników. Zależy ona przede wszystkim od właściwości samej fali, czyli jej długości oraz polaryzacji, a także od warunków środowiska, w którym rozchodzi się fala. Przez warunki środowiska rozumie się ukształtowanie terenu i rodzaj jego pokrycia – fale radiowe inaczej rozchodzą się na terenach pokrytych wodą, w lesie, w terenach zabudowanych, czy na otwartych przestrzeniach. Natężenie pola elektromagnetycznego maleje wraz ze wzrostem odległości pomiędzy stacją bazową a telefonem.

Bardzo upraszczając sytuację w kanałach rzeczywistych moc sygnału to 1/d^a, gdzie:
„d” – odległość pomiędzy antenami
„a” – współczynnik tłumienia fali, ma wartości z przedziału 1,5 – 6. Standardowa wartość współczynnika w komórkach podmiejskich wynosi 3. W centrach miast często a=5, w mieszkaniach 6, ale np. na przecięciu dwóch anten nadających sygnał 1,5. Im większa jest wartość tego współczynnika, tym sygnał szybciej się gubi, wraz ze wzrostem odległości.

Zjawiskiem kształtującym sygnał w kanale radiowym jest transmisja wielodrogowa. Oznacza to że sygnał docierający do aparatu telefonicznego jest łączony z wielu różnych źródeł. Jest to spowodowane różnymi zakłóceniami i sygnał z jednego źródła zgubiłby się w aglomeracji bloków.

Tłumienie sygnałów w sygnałach rzeczywistych jest o wiele większe w niż tłumienie w wolnej przestrzeni. Sytuacja jest spowodowana różnymi zjawiskami ubocznymi m.in. zaniki propagacji wielodrogowej, efekt Dopplera, zakłócenia telekomunikacyjne.

W środowisku rzeczywistym moc sygnału jest zmienna – na przemian maleje i rośnie. „Efekt cienia radiowego” to wolnozmienne zaniki mocy sygnału radiowego. Typowymi zjawiskami propagacyjnymi są transmisja wielodrogowa i uginanie się fal na przeszkodach. Do anteny w odbiorniku dochodzą promienie które przebyły różne drogi, mają różną amplitudę i fazę. Jeśli dwie różne składowe dochodzące do odbiornika mają ten sam znak – sygnały się wzmacniają i dają dobrą jakość. W przeciwnym wypadku dochodzi do wytłumienia sygnału.

Rozchodzenie się fal w otoczeniu Zemii

W otoczeniu naszej planety fale mogą rozchodzić się jako fala przyziemna, troposferyczna bądź jonosferyczna. Fala przyziemna, jak sama nazwa wskazuje, rozchodzi się wzdłuż powierzchni i jest wykorzystywana do transmisji fal na odległościach do 2000 km. Z kolei fala troposferyczna ulega załamaniu w troposferze, a następnie trafia do odbiornika. Należy podkreślić, że propagacja fal radiowych w troposferze w dużej mierze uzależniona jest od aktualnych warunków meteorologicznych. Natomiast fala jonosferyczna odbijana jest od naładowanej elektrycznie jonosfery. Odbicia fal od tej warstwy zależą w dużym stopniu od aktywności Słońca.

Systemy telefonii komórkowej zaczęły być używane w latach 80. Wcześniej do komunikacji były używane tzw. systemy dyspozytorskie. Były to systemy w których komunikowano się za pomocą radiotelefonów. Firmy wykupywały pasmo o odpowiedniej częstotliwości i miały na nie wyłączność. Poważną wadą tych systemów był fakt, że wszyscy użytkownicy słyszeli się nawzajem. Rozwiązania to jest używane do dziś np. w firmach taksówkarskich.

Już w latach 40. powstała koncepcja sieci telefonicznej, jednak na jej powstanie trzeba było czekać 40 lat ze względu na możliwości techniczne. W 1976 roku w Nowym Jorku, działał jeden system, który pozwalał na 12 rozmów w tym samym czasie. Było w nim zarejestrowanych 500 użytkowników. Skandynawia jako pierwsza wprowadziła standard telefonii komórkowych. Było to na początku lat 80. Działał on wtedy w technologi analogowej.

zabytkowy telefon komórkowy

W latach 80 systemy telefoniczne zaczęły się przeciążać i trzeba było zaprojektować coś nowego. Systemy telefonii komórkowej stały się bardzo popularne i stare rozwiązania technologiczne nie wystarczały. Firmy zrozumiały jak wielki jest potencjał w połączeniach internetowych i postanowiły rozwijać się w tym kierunku. Przygotowywanie standardu GSM rozpoczął się jeszcze w latach 80. W 1982 powstała grupa o nazwie Groupe Speciale Mobile, która miała opracować odpowiedni standard telefoniczny dla całej Europy Zachodniej. Na pierwszym spotkaniu grupy znaleźli się przedstawiciele 11 krajów.

Już w latach 80 istniejące systemy telefoniczne zaczęły się przeciążać. Konieczne było zaprojektowanie nowego rozwiązania. W tym czasie też firmy zrozumiały jak duży potencjał ma w sobie technologia internetowa i zaczęły się rozwijać w tym kierunku. W latach 80. rozpoczęło się tworzenie technologii GSM. W 1982 powstała grupa o nazwie Groupe Speciale Mobile, której zadaniem było opracowanie standardu telefonicznego dla całej Europy Zachodniej. Na pierwszym spotkaniu uczestniczyli przedstawiciele 11 krajów.

Przygotowania

Gdy okazało się że limit miejsc w sieci analogowej się wyczerpuje prace nabrały rozmachu. Sprawa ta była brana bardzo poważnie przez Państwa europejskie i były prowadzone nad nią debaty podczas spotkań Wspólnoty Europejskiej. W wyniku tych spotkań zostało zarezerwowane pasmo 900Mhz na którym prowadzono ogólnoeuropejską komunikację radiową. Celem było stworzenie całkowicie cyfrowego systemu komunikacji który nie tylko rozwinie starą koncepcję ale również wzbogaci ją o istotne elementy których w wersji analogowej brakowało jak np. zabezpieczenia. Do budowy pierwszych urządzeń zastosowano układy scalone, które pozwalały na zminiaturyzowanie sprzętu.

Jesienią 1987 r. powołano organizację GSM z siedzibą w Dublinie w Irlandii, której celem było skupianie operatorów przyszłych systemów telefonii komórkowej. Nazywała się GSM Memorandum of Understanding, w skrócie GSM MoU. W 1988 roku rozpoczęto testy dotyczące transmisji sygnałów na kanale radiowym. Powołano do życia ETSI – Europejski Instytut Standardów Telekomunikacyjnych, która pracowała nad tworzeniem standardów, a sam zespół GSM stał się częścią ETSI. GSM otrzymało nowe znaczenie Global System form Mobile communications (globalny system łączności bezprzewodowej). Po raz pierwszy system został zaprezentowany na targach TELECOM’91 w Genewie.

GSM - global system for mobile communiations

Sukces systemu stał się oczywisty, zanim sieć zaczęła tak naprawdę działać. Było to być ogromne osiągnięcie technologiczne, zmieniające sposób komunikowania się całej ludzkości. W ciągu pierwszych trzech lat, liczba abonentów wzrosła o 300%. Wtedy już rozpoczęto pracę nad nowym standardem, który miał jeszcze bardziej rozwinąć technologię rozmów.