Sistemi global për komunikme mobile(GSM)

Hyrje

GSM shkalla e antenes

GSM(Global System for Mobile Communication) është standard I zhvilluar nga ETSI(European Telecommunication Standards Institute) për të përshkruar protokollin 2G për rrjetat digjitale celulare të përdorura nga telefonat mobil. Standardi GSM i gjeneratës së dytë është zhvilluar si zëvendësim për gjeneratën e parë 1G(analog cellular networks). Termi Celular i referohet faktit që në atë regjion të mbuluar me rrjet të telefonit është i ndarë në numër në baze të mbulimit gjeografik të vendit. Kur njerëzit flasin për teknologjinë e celularëve, ata shpesh e klasifikojnë ketë teknologji sikur që i përket gjeneratave të njëpasnjëshme. Gjenerata e pare (1G) ishte dizajnuar ekskluzivisht për komunikim vetëm me zë. Këto sisteme 1G tanimë janë pothuajse jashtë përdorimit, ku janë zëvendësuar me sistemin e ri digjital 2G. Gjithashtu origjinali i 2G është i dizajnuar për komunikim me zë, por më vonë ky sistem zgjerohet në (2.5G) që ti mbështes të dhënat (p.sh Interneti) aq mirë sikur shërbimi i zërit. Sistemi 3G qe tanimë është ne treg e mbështet shkëmbimin me zë dhe shkëmbimin me informata, por me një rritje të fasionueshme të shpejtësisë së qasjeve të informatave. Ne vitin 2001 u lansua rrjeti Universal Mobile Telecommunications System(3G) dhe kishte deri ne 500 milion shfrytezues. Ne vitin 2002 u prezantua servisi per mesazhe multimediale (MMS) dhe rrjeti GSM u be funksional ne frekuence 800 MHz. GSM rrjeta arriti 1 miliard shfrytezues ne vitin 2004. Ne vitin 2008 numri i shfrytezuesve arriti ne 2 miliard. Ne vitin 2009 asociacioni per GSM deklaroi se me teknologjite e perfshira ne standardet e GSM rreth 80% e territorit boterore eshte duke shfrytezuar rrjetin GSM. Pra kemi perafersishte 5 miliard shfrytezues ne 212 vende te botes qe e bene GSM-in standardin per rrjeta mobile me te popullarizuar ne bote. Macau eshte vendi i cili planifikon qe te largoje rrjetin GSM ne qershor 2015 qe e bene vendin e pare qe çmontonë rrjetin GSM. GSM perdore GPRS(General Packet Radio Service) per transmetim te te dhenave sikurse shfletimin ne web. Ne vitin 2011 u thye ne menyre publike kodi i GPRS. Ne vitin 2012 GSM perfshine 93.34% te territorit boterore.

Rrjeti GSM

Rrjeti GSM ndahet në tre sisteme kryesorë:

1. . Sistemi switching(SS - Switching System).
2. . Sistemi base station(BSS - Base Station System).
3. . Sistemi i operimit dhe i suportit(OSS - Operation and Support System).

Sistemi Switching

Struktura e rrjetit GSM

SS është përgjegjës për kryerjen e telefonatave dhe funksioneve të tjerë që lidhen me abonentët. Ka këto njësi funksionale: • Home location register(HLR) HLR është një bazë të dhënash që përdoret për të ruajtur dhe menaxhuar abonentët. HLR konsiderohet si baza më e rëndësishme e të dhënave duke qenë se ruan të dhëna të përhershme mbi abonentët duke përfshirë këtu informacion mbi profilin e shërbimit që ka zgjedhur, vendndodhjen e tij dhe statusin e aktivitetit. Kur dikush abonohet në një operator ai regjistrohet në bazën HLR të atij operatori. • Mobile Services Switching Center(MSC). MSC kryen funksionet switching të telefonisë. Kontrollon telefonatat nga një telefon në tjetrin dhe kryen funksione të tjerë si tarifimi, ndërfaqe për rrjetin etj. • Visitor Location Register(VLR). VLR është një bazë të dhënash që mban informacion të përkohshëm mbi abonentët. Ky informacion i duhet MSC për t’i shërbyer abonentëve që i vizitojnë. Një VLR është gjithmonë e integruar me MSC. Kur një abonent së bashku me telefonin e tij celular kalon në një zonë MSC të re ath VLR që është e lidhur me MSC do të kërkojë nga HLR të dhëna rreth abonentit. Më vonë, nqs abonenti(ose mobile station) kryen një telefonatë atëherë VLR do të ketë informacionin e nevojshëm për të kryer telefonatën pa qenë nevoja të pyesë gjithmonë HLR. • Authentication Center(AUC). AUC siguron parametrat e autentikimit dhe enkriptimit që verifikojnë identitetin e përdoruesit në çdo telefonatë. AUC i mbron operatorët celularë nga ndonjë ndërhyrje e mundshme në rrjetin e tyre. • Equipment Identity Register(EIR). EIR është një bazë të dhënash që mban informacion mbi identitetin e pajisjes mobile gjë që pengon telefonatat e vjedhura ose të paautorizuara. AUC dhe EIR implementohen ose si nyje të vetme ose si nyje të kombinuara AUC/EIR.

Sistemi Base Station

Të gjithë funksionet radio kryhen nga stacionet BSS. Njësitë përbërëse të një stacioni BSS janë: • Base Station Controllers(BSC). Një kontrollues BSC është një switch me kapacitet të lartë kryen që funksionet kontrollues dhe lidhjet fizike midis MSC dhe BTS. Një MSC mund të mund t’i shërbejë disa kontrolluesve BSC. • Base Transceiver Stations(BTS). BTS menaxhon ndërfaqen radio për pajisjen celulare. BTS është një pajisje radio(marrës-transmetues dhe antenë) që nevojitet për t’i shërbyer çdo qelize në rrjet. Një grup BTS kontrollohet nga një BSC e vetme.

Sistemi i operimit dhe i suportit

Qëndra e operimit dhe e mirëmbajtjes lidhet me të gjitha pajisjet në sistemin switching(SS) dhe me BSC. Me anë të OSS operatori i rrjetit monitoron dhe kontrollon sistemin.

Elementë të tjerë funksionalë

Të tjerë elementë që tregohen në figurë janë: • Message center(MXE). MXE është një nyje që siguron shërbime si integrim zëri, fax dhe dërgim të dhënash. Më specifikisht mundëson SMS, Voice mail, Fax mail, e-mai etj. • Mobile Service Node(MSN). MSN është një myje që menaxhon shërbime rrjeti mobile inteligjente. • Gateway Mobile Services Switching Center(GMSC). Një gateway është një nyje që përdoret për të lidhur 2 rrjeta. Një gateway shpesh implementohet në MSC. Në këtë rast MSC quhet GMSC. • GSM Internetworking Unit(GIWU). GIWU konsiston në hardware dhe software që ndërfaqësojnë për në rrjeta të ndryshëm në mënyrë që të sigurojnë komunikim të dhënash. Një pajisje hardware vendoset fizikisht në MSC/VLR.

Zonat e rrjetit GSM

Një rrjet GSM përbëhet nga disa zona gjeografike. Këto zona përfshijnë: • Qelizat(cells). • Zonat e shërbimit MSC/VLR(MSC/VLR service areas). • Zonat publike të rrjetit mobile(public land mobile network (PLMN))

Qeliza është një zonë që mbulohet nga një stacion marrës-transmetues. Rrjeti GSM e identifikon çdo qelizë me anë të një numri global identifikimi(CGI – Cell global identity). Një LA është një grup qelizash. Një LA shërbehet nga një ose më tepër BSC por nga vetëm një MSC. Secila LA ka një numër identifikues LAI. Një zonë shërbimi MSC/VLR përfaqëson një pjesë të rrjetit GSM që mbulohet nga një MSC/VLR. Ndërsa një zonë shërbimi PLMN është zona e mbulimit të një operatori rrjeti.

Specifikimet GSM

Para se të shohim specifikimet GSM është e rëndësishme të kuptohen termat e mëposhtëm: • Bandwidth – Mat gjerësinë e kanalit të transmetimit. Sa më i lartë të jetë bandwidth-i aq më shpejt transmetohen të dhënat. • Watt – Mat fuqinë e një transmetuesi. Specifikimet GSM ndryshojnë në varësi të rrjetave PCS(Personal Communication Service). Më poshtë listohen specifikimet dhe karakteristikat GSM: • Banda e frekuencës – Banda e frekuencës ndryshon në varësi të rrjetit GSM. Shumica e rrjetave GSM veprojnë në frekuencat 900 MHz ose 1800 MHz. Megjithatë në disa vende si Kanada dhe USA përdorin frekuencat 850 MHz dhe 1900 MHz sepse frekuencat 900 MHz dhe 1800 MHz ishin të zëna. Frekuencat e përdorura më rrallë janë 400 dhe 450 MHz të cilat përdoren në vendet Skandinave duke qenë se frekuencat e tjera përdoren nga sistemet 1G. Në bandën e frekuencës 900 MHz frekuenca uplink është 890-915 MHz ndërsa frekuenca downlink është 935-960 MHz. Diferenca prej 25 MHz ndahet në 124 kanale transportues(carrier frequency channels) të cilët janë 200KHz larg njëri tjetrit. • Distanca dupleks – Distanca dupleks është 80 MHz. Distanca dupleks është distanca midis frekuencave uplink dhe downlink. Një kanal ka dy frekuenca të cilat janë 80 MHz larg njëra tjetrës. • Ndarja e kanalit – Eshtë distanca midis dy kanaleve fqinjë në bandwidth. Në GSM është 200KHz. • Modulimi – Modulimi është procesi i dërgimit të një sinjali duke ndryshuar karakteristikat e frekuencës, amplitudës ose fazës. Në GSM kryhet modulim frekuence me anë të GMSK(Gaussian minimum shift keying). • Shkalla e transmetimit(transmission rate) – GSM është një sistem dixhital me shkallë transmetimi 270kbps. • Metoda e aksesimit – GSM përdor konceptin e TDMA(Time division multiple access). TDMA është një teknikë sipas së cilës telefonata të ndryshme mund të përdorin të njëjtin kanal. Secilës telefonatë i caktohet një interval kohe i caktuar. • Kodimi i të folurit – GSM përdor LPC(linear predictive coding). Zëri kodohet me 13kbps.

Metodat e aksesimit

Sistemet analogë celularë si psh AMPS në Amerikën e Veriut kanë disavantazhin se janë shumë të shtrenjtë për tu zgjeruar. Çdo telefon mobile kërkonte një kanal të dedikuar për të komunikuar me një qelizë(cell). E vetmja mënyrë për të zgjeruar këtë lloj rrjeti ishte ndërtimi i qelizave shtesë kostoja e së cilës varion nga 500,000$ deri në 1,000,000$. Sistemet dixhitalë nga ana tjetër kanë kapacitet dhe siguri më të lartë. Telefonat mobile në sistemin dixhital nuk kanë nevojë për kanale të dedikuar në sajë të metodave të aksesimit të pranuara nga Cellular Telecommunications Industry Association (CTIA). Arkitektura e komunikimit në sistemin celular të sotëm në fakt realizon një komunikim Point-To-Po int. Sistemi i parë dixhital i pranuar nga CTIA është sistemi TDMA(Time Division Multiple Access) i cili u lejon përd oruesve të përdorin në të njëjtën kohë të njëjtin kanal radio. Sistemi i dytë dixhital i pranuar nga CTIA është CDMA(Code Division Multiple Acess) i cili i lejon përd oruesve të ndajnë të gjithë spektrin radio me anë të kodeve unikë të ndryshëm të caktuar për marrie dhe transmetim.

TDMA(Time Division Multiple Access)

TDMA i lejon përdoruesit të aksesojnë të njëjtin kanal frekuence radio pa interfere ncë duke i caktuar secilit përdorues një interval kohe të caktuar në çdo kanal. Secili kanal ndahet në gjashtë intervale kohe dhe çdo sinjal përdor 2 intervale. Kjo do të thotë që kapaciteti i GSM që përdor TDMA është tre herë më i madh se AMPS(sistemi analog në Amerikën e Veriut). Një problem i TDMA është fakti që bandwidth-i i intervaleve të papërdorur shkon dëm sepse intervalet e kohës i cakt ohen përdoruesit pavarësisht nga fakti nqs ata po i përdorin ose jo ato me anë të telefonatave. Një përmirësim i TDMA është ETDMA(Enhanced TDMA) i cili e përmirë son TDMA duke ua caktuar kanalet përdoruesve në mënyrë dinamike. Para se një përdoruesi t’i caktohet një kanal ETDMA shikon nëse përdoruesi po transmeton zë ose të dhëna. Psh një telefonatë me pauza të gjatë me a në të ETDMA nuk shkakton humbje në bandwidth dhe ofron kapacitet 15 herë më të lartë se sistemet analogë.

Siç shihet në FDMA një kanal mund të përdoret vetëm nga një abonent në kohë. Për më tepër FDMA nuk suporton transme tim të dhënash të tjera përveç zërit. Përveç efiçensës më të lartë TDMA ofron një numër avantazhesh të tjerë: Shpenzon më pak bateri duke qenë se me TDMA aparati celular transmeton vetëm në një pjesë të kohës(1/3 deri në 1/10) dhe jo gjatë gjithë bisedës.

Një ndër problemet e TDMA është dukuria e multipathing ose e rrugëve të shumëfishta. Kur sinjali dërgohet në ajër për në një pajisje mobile ai mund të arrijë në pajisje me anë të shumë rrugëve duke qenë se mund të përplaset në ndërtesa ose pengesa të tjera. Nqs diferenca në kohë e mbërritjes së sinjalit nga rrugë të ndryshme është e madhe atëherë kjo shkakton interferencë.

Referimit

[1] Computer.Networking.A.Top-Down.Approach.6th.Edition - Kurose Ross
[2] Cellular Technologies for Emerging Markets 2G, 3G, and Beyond [Ajay R Mishra] 2010
[3] Advanced Cellular Network Planning and Optimisation [Ajay R Mishra] 2007
[4] Wireless Communications, 2nd edition [Andreas F. Molisch] 2011
[5] Fundamentals of Cellular Network Planning and Optimisation [Ajay R Mishra] 2004
[6] The Six Immutable Laws of Mobile Business [Philip Sugai et al.] 2010
[7] GSM Architecture, Protocols and Services 3-rd Edition[Jorg Eberspache, Hans-Jorg Vogel, Christian Bettstetter, Christian Hartmann] 2009
[8] Modeling and Dimensioning of Mobile Networks [Maciej Stasiak, Mariusz Glabowski, Arkadiusz Wisniewski and Piotr Zwierzykowski] 2011
[9] European Telecommunications Standards Institute, Recommendation GSM 02.09, "Security Aspects"
[10] Internet Security, Applications, Authentication and Cryptography, University of California, Berkeley. “GSM Cloning” http://www.isaac.cs.berkeley.edu/isaac/gsm-faq.html.
[11] Cellular authentication for mobile and Internet services [Silke Holtmanns, Valtteri Niemi, Philip Ginzboorg, Pekka Laitinen and N. Asokan] 2008
[12] GSM Networks: Protocol, Terminology and Implementation [Gunnar Heine] 2000
[13] GSM.EDGE [Mikko Saily, Guillaume Sebire and Eddie Riddington] 2011
[14] EDGE for Mobile Internet [Emmanuel Seurre, Patrick Savelli and Pierre-Jean Pietri] 2003
[15] UMTS Security [Valtteri Niemi and Kaisa Nyberg] 2003