:: Oddziaływanie pól elektromagnetycznych na ludzi i środowisko w sieciach komórkowych ::
:: Oddziaływanie pól elektromagnetycznych na ludzi i środowisko w sieciach komórkowych ::
Ewolucja telefonii komórkowej w Polsce i na świecie
System drugiej generacji (2G) – GSM

Pierwsze prace nad systemami drugiej generacji (2G) rozpoczęto na początku lat osiemdziesiątych XX wieku. Głównym założeniem było opracowanie standardu, który umożliwiłby korzystanie z usług dużej liczbie użytkowników oraz pozwoliłby, m.in. na budowę sieci opartej na strukturze zróżnicowanych wielkościowo komórek. Ważną kwestią była także duża liczba kanałów, cyfrowa transmisja rozmów z zabezpieczeniami przed podsłuchem, znacznie poprawiona jakość transmisji oraz niski koszt budowy i utrzymania sieci. Niezbędna była globalna uniwersalność systemu, czyli zaoferowanie klientowi usług innych operatorów, gdy znajdował się ona poza granicami sieci (kraju) jego macierzystego operatora, czyli tzw. roaming międzynarodowy, także na innych kontynentach. Dzięki tym założeniom system ten miał być dostępny nie tylko dla ludzi biznesu, a także dla osób mniej zamożnych.

W roku 1982, powołana przez kraje Skandynawii i Danię organizacja CEPT (ang. European Conference of Postal and Telecommunications Administration), wyznaczyła zespół specjalistów Group Speciale Mobile (w skrócie GSM), którego zadaniem było opracowanie nowego systemu – systemu drugiej generacji. Początkowo system był przygotowywany tylko dla Europy i tylko dla pasma 900 MHz, później jednak przewidziano nowe pasmo – 1800 MHz z systemem początkowo nazwanym DCS (ang. Digital Cellular Service), a następnie GSM 1800. Dla USA przygotowano wersję systemu dla pasma 1900 MHz i nazwano go PCN 1900 (ang. Personal Communications Network), później GSM 1900. W roku 1988 założono Instytut ETSI (ang. European Telecommunications Standards Institute) i właśnie tam przeniesiono prace nad standaryzujące nad pierwszą wersją systemu GSM – „fazy” 1, którą ukończono w roku 1991. Pierwszą uruchomioną publicznie siecią telefonii komórkowej systemu drugiej generacji była w roku 1991 fińska Radiolinja [Źródło].

Ze względu na zapotrzebowanie użytkowników końcowych na nowe usługi, w tym szybką transmisję danych, w kolejnych latach system ewoluował – pojawiły się kolejne jego „fazy”, czyli kolejne wersje systemu GSM, z nazwą mającą nowe znaczenie – Global System for Mobile communications. Przykładowo faza 2+ (oznaczona jako Release '97 z roku 1997) wprowadziła transmisję z komutacją pakietów GPRS (ang. General Packet Radio Service), a Release '99 EDGE (ang. Enhanced Data Rates for GSM Evolution). Ze względu na niezbędne modyfikacje w architekturze systemu GSM, sieci oferujące usługę GPRS nazwano sieciami 2,5G, zaś oferujące także EDGE – 2,75G. System GSM ostatecznie stał się ogólnoświatowym standardem telefonii mobilnej, jakkolwiek systemy tego standardu pracują w różnych pasmach częstotliwości.

Do organizacji zrzeszającej operatorów GSM z całego świata – GSMA (ang. GSM Association) należy aktualnie ponad 800 sieci telefonii komórkowej z 219 krajów świata. Użytkowników systemu GSM szacuje się obecnie na ponad 3 miliardy (rys. 1.1).

Rys. 1.1. Wykres liczby użytkowników systemu GSM w latach 1995-2006 [Źródło]

Transmisja pomiędzy terminalem ruchomym a stacją bazową w systemie GSM oparta jest na transmisji dupleksowej. Część kanałów została przygotowana na potrzeby transmisji „w górę”, część dla transmisji „w dół”. Z powodu zbyt małej liczby kanałów w standardzie GSM 900 przygotowano nowe przedziały częstotliwości i zlokalizowano w nich standardy E-GSM 900 i R-GSM. Większość oferowanych aktualnie terminali ruchomych pracujących w GSM 900 umożliwia korzystanie z sieci telefonii komórkowych opartych na częstotliwościach standardu E-GSM, niektóre także na nowszych kanałach standardu R-GSM. Dokładne zakresy częstotliwości stosowane w systemie GSM umieszczono w tabeli 1.2.

Tabela 1.2 - Zakresy częstotliwości stosowane w systemie GSM [Źródło]
Nazwa standardu Częstotliwości kanałów
“w górę”
Numeracja kanałów Częstotliwości kanałów “w dół” Liczba kanałów
P-GSM 900 Fl(n) = 890 + 0.2*n 1 ≤ n ≤ 124 Fu(n) = Fl(n) + 45 124
E-GSM 900 Fl(n) = 890 + 0.2*n 0 ≤ n ≤ 124 Fu(n) = Fl(n) + 45 124 + 50
Fl(n) = 890 + 0.2*(n‑1024) 975 ≤ n ≤ 1 023
R‑GSM 900 Fl(n) = 890 + 0.2*n 0 ≤ n ≤ 124 Fu(n) = Fl(n) + 45 124 + 50 + 20
Fl(n) = 890 + 0.2*(n‑1024) 955 ≤ n ≤ 1023
DCS 1 800 Fl(n) = 1710.2 + 0.2*(n‑512) 512 ≤ n ≤ 885 Fu(n) = Fl(n) + 95 374
PCS 1 900 FI(n) = 1850.2 + 0.2*(n-512) 512 ≤ n ≤ 810 Fu(n) = FI(n) + 80 299
GSM 450 Fl(n) = 450.6 + 0.2*(n-259) 259 ≤ n ≤ 293 Fu(n) = Fl(n) + 10 35
GSM 480 Fl(n) = 479 + 0.2*(n-306) 306 ≤ n ≤ 340 Fu(n) = Fl(n) + 10 35
GSM 850 Fl(n) = 824.2 + 0.2*(n-128) 128 ≤ n ≤ 251 Fu(n) = Fl(n) + 45 125

W sieciach pierwszej generacji systemy wielodostępu, czyli współdzielenia zasobów radiowych przez wielu użytkowników, opierały się na technice FDMA (ang. Frequency Division Multiple Access). W systemie drugiej generacji przesyłana informacja jest przekształcona na postać cyfrową, co pozwoliło m.in. na zastosowanie szczelin czasowych (ang. timeslot). Są to okresowo powtarzające się odcinki czasu, w których dane mogą być wysyłane przez danego użytkownika (rys. 1.2). Technika, określana jako TDMA (ang. Time Division Multiple Access), pozwoliła znacznie zwiększyć liczbę użytkowników korzystających z łącza radiowego w danym paśmie częstotliwości.

Rys. 1.2. Porównanie techniki wielodostępu do medium transmisyjnego FDMA i TDMA

W systemach GSM stosuje się kanały radiowe, w których częstotliwości nośne są oddalone od siebie co 200 kHz. W ramach danego kanału występuje 8 szczelin czasowych o czasie trwania 577 µs, które tworzą ramkę TDMA o długości 4,615 ms. Na rysunku 1.3 przedstawiono poziomy mocy sygnału w trakcie transmisji danych przy użyciu modulacji GMSK (ang. Gaussian Minimum Shift Keying) w szczelinie o czasie trwania 577 µs.

Użytkownik może zajmować wiele szczelin czasowych w ramce TDMA, np. podczas transmisji danych GPRS. W trakcie trwania rozmowy wykorzystywana jest jedna szczelina czasowa lub jej połowa w zależności od działającego w danym momencie trybu kodowania rozmowy – HR (ang. Half Rate) lub FR (ang. Full Rate) oraz EFR (ang. Enhanced Full Rate) zarządzonego przez sterownik stacji bazowych – BSC (ang. Base Station Controller), którego zadaniem jest optymalizacja aktualnej zajętość stacji bazowych. W systemie GSM transmisja danych między stacją bazową, a stacją ruchomą może odbywać na wielu kanałach. Dzięki zastosowaniu techniki Frequency Hopping, umożliwiającej nadawanie informacji na pseudolosowo zmieniających się co ramkę częstotliwościach, poprawiono jakość transmisji.

Rys 1.3. Graniczne wartość poziomu mocy w trakcie transmisji danych w szczelinie czasowej systemu GSM przy modulacji GMSK [Źródło]

W trakcie transmisji radiowej w systemach GSM (rozmowa oraz transmisja danych GPRS) wykorzystywana jest modulacja GMSK (ang. Gaussian Minimum Shift Keying), czyli binarne kluczowanie częstotliwości z gaussowskim kształtowaniem impulsów z parametrem BT = 0,3, gdzie B to szerokość pasma filtru gaussowskiego, zaś T – czas trwania jednego bitu. Przy użyciu tej modulacji 1 symbol kodowany jest za pomocą 1 bitu.

W przypadku transmisji danych w systemie EDGE, stosowana jest modulacja 8 PSK (ang. 8 Phase Shift Keying). Modulacja ta pozwala osiągnąć większe szybkości transmisji. Teoretycznie jest to trzykrotny wzrost ilości danych przesyłanych w jednym kanale radiowym, kosztem większej wrażliwości na szumy i interferencje w kanale. Przy wykorzystaniu wszystkich szczelin czasowych w kanale można osiągnąć przepływność bitową na wyjściu modulatora 810 kbit/s, co daje przepływność użyteczną 473,6 kbit/s przy użyciu schematu najlepszego MCS (ang. Modulation and Coding Scheme) – MCS-9 ze współczynnikiem CR (ang. Code Rate) o wartości 1, czyli bez bitów nadmiarowych.

Na rysunku 1.4 zaprezentowano strukturę sieci GSM fazy 2+, która umożliwia użytkownikom końcowym korzystanie z usług GPRS. Architekturę można podzielić na następujące części:

  • stacje ruchome MS (ang. Mobile Station),
  • zespół stacji bazowych BSS (ang. Base Station Subsystem),
  • część komutacyjno-sieciowa (ang. Network and Switching Subsystem),
  • zespół eksploatacji i utrzymania OMS (ang. Operation and Maintance Subsystem),
  • część odpowiedzialna za transmisję pakietową danych – tzw. GPRS Backbone.
Rys. 1.4. Struktura sieci GSM/GPRS - 2,5G – elementy sieci wraz z typami interfejsów [Źródło]

Najważniejszym elementem sieci standardu GSM jest zespół stacji bazowych BSS (ang. Base Station Subsystem), służący do komunikacji użytkowników końcowych z częścią stałą, cyfrowej sieci telekomunikacyjnej. Do komunikacji z terminalem ruchomym, przy użyciu łącza radiowego, służy stacja bazowa BTS (ang. Base Tranceiver Station) pracująca w obszarze danej komórki. Stacja BTS jest zarządzana przez sterownik stacji bazowych BSC (ang. Base Station Controller). Między stacją bazową, a kontrolerem stacji bazowych sygnał transmitowany jest za pośrednictwem światłowodu lub łączem radiowym za pomocą radiolinii. Sterownik stacji bazowych BSC zarządza wieloma stacjami bazowymi, w tym m.in. jest odpowiedzialny za przenoszenie połączeń między kanałami (ang. handover) oraz sterowanie mocą terminala ruchomego. Przekazuje także dalszy ruch m.in. do cyfrowej centrali systemu radiowego MSC (ang. Mobile Switching Centre), odpowiedzialną za zestawianie połączeń [Źródło].

© 2009 Krzysztof Niemczyk