Il primer GSM include:
Introduzione GSM Architettura di rete Interfacce di rete Interfaccia RF / slot & burst GSM frames Classi di potenza & controllo Canali Codec audio / vocoder Handover

L’architettura di rete GSM ha fornito un’architettura semplice ma efficace per fornire i servizi necessari per un sistema di comunicazioni cellulari o mobili 2G.

C’erano quattro elementi principali nell’architettura generale della rete GSM e questi potevano spesso essere ulteriormente suddivisi. Elementi come il controller della stazione base, MSC, AuC, HLR, VLR e simili sono riuniti per formare il sistema complessivo.

L’architettura di rete GSM 2G, anche se ora superata, fornisce un’eccellente introduzione ad alcune delle capacità di base necessarie per impostare una rete di telefonia mobile e come tutte le entità operano insieme.

Elementi dell’architettura di rete GSM

Per far funzionare il sistema GSM come un sistema completo, l’architettura generale della rete riunisce una serie di identità di rete dati, ciascuna con diversi elementi.

L’architettura di rete GSM è definita nelle specifiche GSM e può essere raggruppata in quattro aree principali:

• Network and Switching Subsystem (NSS)
• Base-Station Subsystem (BSS)
• Mobile station (MS)
• Operation and Support Subsystem (OSS)

I diversi elementi della rete GSM operano insieme e l’utente non è consapevole delle diverse entità del sistema.

Come la rete GSM è definita ma le specifiche e gli standard, permette al sistema di funzionare insieme in modo affidabile indipendentemente dal fornitore dei diversi elementi.

Un diagramma di base dell’architettura generale del sistema per il sistema di comunicazione mobile 2G GSM include quattro elementi principali che sono mostrati qui sotto:

In questo diagramma si possono vedere le diverse aree della rete – sono raggruppate nelle quattro aree che forniscono funzionalità diverse, ma tutte operano per permettere di ottenere comunicazioni mobili affidabili.

L’architettura generale della rete ha avuto molto successo ed è stata sviluppata ulteriormente per permettere l’evoluzione del 2G per trasportare dati e poi con ulteriori evoluzioni per permettere la creazione del 3G.

Network Switching Subsystem (NSS)

L’architettura del sistema GSM contiene una varietà di elementi diversi ed è spesso definita la rete centrale. È essenzialmente una rete dati con varie entità che forniscono il controllo principale e l’interfacciamento per l’intera rete mobile. Gli elementi principali all’interno della rete centrale includono:

• Mobile Services Switching Centre (MSC): L’elemento principale all’interno dell’area della rete centrale dell’architettura generale della rete GSM è il Mobile Switching Services Centre (MSC). L’MSC agisce come un normale nodo di commutazione all’interno di una PSTN o ISDN, ma fornisce anche funzionalità aggiuntive per consentire di supportare i requisiti di un utente mobile. Queste includono la registrazione, l’autenticazione, la localizzazione della chiamata, l’handover inter-MSC e l’instradamento della chiamata a un abbonato mobile. Fornisce anche un’interfaccia al PSTN in modo che le chiamate di comunicazione mobile possano essere instradate dalla rete mobile a un telefono collegato a una linea fissa. Sono previste interfacce verso altri MSC per permettere di effettuare chiamate a cellulari su reti diverse.
• Home Location Register (HLR): Questo database contiene tutte le informazioni amministrative su ogni abbonato insieme alla sua ultima posizione conosciuta. In questo modo, la rete GSM è in grado di instradare le chiamate alla stazione base pertinente per il MS. Quando un utente accende il suo telefono, il telefono si registra con la rete e da questo è possibile determinare con quale BTS comunica in modo che le chiamate in arrivo possano essere instradate in modo appropriato. Anche quando il telefono non è attivo (ma acceso) si ri-registra periodicamente per assicurare che la rete (HLR) sia consapevole della sua ultima posizione. C’è un HLR per rete, anche se può essere distribuito in vari sottocentri per ragioni operative.
• Visitor Location Register (VLR): Questo contiene informazioni selezionate dall’HLR che permettono di fornire i servizi selezionati per il singolo abbonato. Il VLR può essere implementato come un’entità separata, ma è comunemente realizzato come parte integrante del MSC, piuttosto che un’entità separata. In questo modo l’accesso è reso più veloce e conveniente.
• Registro dell’identità delle apparecchiature (EIR): L’EIR è l’entità che decide se una data apparecchiatura mobile può essere ammessa nella rete. Ogni apparecchiatura mobile ha un numero conosciuto come International Mobile Equipment Identity. Questo numero, come già detto, è installato nell’apparecchio e viene controllato dalla rete durante la registrazione. A seconda delle informazioni contenute nell’EIR, il cellulare può essere assegnato a uno dei tre stati: ammesso alla rete, escluso dall’accesso, o monitorato in caso di problemi.
• Centro di autenticazione (AuC): L’AuC è un database protetto che contiene la chiave segreta contenuta anche nella carta SIM dell’utente. Viene utilizzato per l’autenticazione e per la cifratura sul canale radio.
• Gateway Mobile Switching Centre (GMSC): Il GMSC è il punto in cui una chiamata di terminazione ME viene inizialmente instradata, senza alcuna conoscenza della posizione del MS. Il GMSC ha quindi il compito di ottenere il MSRN (Mobile Station Roaming Number) dall’HLR sulla base del MSISDN (Mobile Station ISDN number, il “numero di directory” di un MS) e di instradare la chiamata al corretto MSC visitato. La parte “MSC” del termine GMSC è fuorviante, poiché l’operazione di gateway non richiede alcun collegamento ad un MSC.
• Gateway SMS (SMS-G): L’SMS-G o SMS gateway è il termine che viene usato per descrivere collettivamente i due Short Message Services Gateway definiti negli standard GSM. I due gateway gestiscono messaggi diretti in direzioni diverse. L’SMS-GMSC (Short Message Service Gateway Mobile Switching Centre) è per i messaggi brevi inviati a un ME. L’SMS-IWMSC (Short Message Service Inter-Working Mobile Switching Centre) è utilizzato per i messaggi brevi originati con un cellulare su quella rete. Il ruolo dell’SMS-GMSC è simile a quello del GMSC, mentre l’SMS-IWMSC fornisce un punto di accesso fisso allo Short Message Service Centre.

Queste entità erano le principali utilizzate nella rete GSM. Erano tipicamente co-locate, ma spesso la rete centrale complessiva era distribuita nel paese in cui la rete era situata. Questo dava una certa resilienza in caso di guasto.

Anche se il sistema GSM era essenzialmente un sistema vocale, la rete centrale era una rete dati poiché tutti i segnali erano gestiti digitalmente.

Base Station Subsystem (BSS)

La sezione Base Station Subsystem (BSS) dell’architettura della rete GSM 2G che è fondamentalmente associata alla comunicazione con i cellulari sulla rete.

È composta da due elementi:

• Base Transceiver Station (BTS): La BTS usata in una rete GSM comprende i ricevitori radiotrasmittenti e le loro antenne associate che trasmettono e ricevono per comunicare direttamente con i cellulari. La BTS è l’elemento che definisce ogni cella. La BTS comunica con i cellulari e l’interfaccia tra i due è nota come interfaccia Um con i suoi protocolli associati.
• Controller della stazione base (BSC): Il BSC forma la fase successiva nella rete GSM. Controlla un gruppo di BTS, ed è spesso co-locato con una delle BTS del suo gruppo. Gestisce le risorse radio e controlla elementi come l’handover all’interno del gruppo di BTS, assegna i canali e simili. Comunica con le BTS tramite la cosiddetta interfaccia Abis.

L’elemento del sottosistema della stazione base della rete GSM utilizzava la tecnologia di accesso radio per permettere a un certo numero di utenti di accedere contemporaneamente al sistema. Ogni canale supportava fino a otto utenti e consentendo a una stazione base di avere diversi canali, un gran numero di abbonati poteva essere ospitato da ogni stazione base.

Le stazioni base sono accuratamente posizionate dal fornitore della rete per consentire la copertura completa di un’area. L’area coperta da una stazione di base viene spesso chiamata cella.

Non essendo possibile impedire la sovrapposizione dei segnali nelle celle adiacenti, i canali utilizzati in una cella non vengono utilizzati nella successiva. In questo modo l’interferenza che ridurrebbe la qualità della chiamata è ridotta, pur mantenendo un sufficiente riutilizzo delle frequenze.

È importante che le diverse BTS siano collegate al BSS e che il BSS sia collegato alla rete centrale.

Per ottenere questo risultato sono state utilizzate diverse tecnologie. Poiché le velocità di trasmissione dati utilizzate all’interno della rete GSM erano relativamente basse, venivano spesso utilizzate linee E1 o T1, specialmente per collegare il BSS alla rete principale.

Poiché erano richiesti più dati con l’aumento dell’uso della rete GSM, e anche con la diffusione di altre tecnologie cellulari come la 3G, molti collegamenti utilizzavano Ethernet di tipo carrier grade.

Spesso le BTS remote erano collegate utilizzando piccoli collegamenti a microonde, poiché ciò poteva ridurre la necessità di installare linee specifiche se non erano disponibili. Poiché le stazioni base spesso dovevano essere situate per fornire una buona copertura piuttosto che in aree in cui le linee potevano essere installate, l’opzione del collegamento a microonde forniva un metodo attraente per fornire un collegamento dati per la rete.

Stazione mobile

Le stazioni mobili (MS), le apparecchiature mobili (ME) o, come sono più ampiamente note, i telefoni cellulari sono la sezione di una rete di comunicazione mobile GSM che l’utente vede e gestisce. Negli ultimi anni le loro dimensioni si sono ridotte drasticamente mentre il livello di funzionalità è notevolmente aumentato. Un ulteriore vantaggio è che il tempo tra una carica e l’altra è significativamente aumentato.

Ci sono una serie di elementi per il telefono cellulare, anche se i due elementi principali sono l’hardware principale e la SIM.

L’hardware stesso contiene gli elementi principali del telefono cellulare tra cui il display, la custodia, la batteria, e l’elettronica utilizzata per generare il segnale, ed elaborare il ricevitore dati e da trasmettere.

La stazione mobile, o ME contiene anche un numero noto come International Mobile Equipment Identity (IMEI). Questo è installato nel telefono alla fabbricazione e “non può” essere cambiato. Vi accede la rete durante la registrazione per controllare se l’apparecchiatura è stata segnalata come rubata.

La SIM o Subscriber Identity Module contiene le informazioni che forniscono l’identità dell’utente alla rete. Contiene una serie di informazioni tra cui un numero noto come International Mobile Subscriber Identity (IMSI). Poiché questo è incluso nella SIM, e significa che spostando la carta SIM da un cellulare all’altro, l’utente può facilmente cambiare cellulare. La facilità di cambiare cellulare mantenendo lo stesso numero ha fatto sì che la gente si aggiornasse regolarmente, creando così un ulteriore flusso di entrate per i fornitori di rete e contribuendo ad aumentare il successo finanziario complessivo del GSM.

Operation and Support Subsystem (OSS)

L’OSS o sottosistema di supporto operativo è un elemento all’interno dell’architettura complessiva della rete di comunicazioni mobili GSM che è collegato ai componenti dell’NSS e del BSC. Viene utilizzato per controllare e monitorare la rete GSM nel suo complesso ed è anche utilizzato per controllare il carico di traffico del BSS. Va notato che con l’aumento del numero di BS con la scalata della popolazione degli abbonati, alcuni dei compiti di manutenzione vengono trasferiti alla BTS, permettendo un risparmio nel costo di proprietà del sistema.

L’architettura della rete GSM 2G segue un metodo logico di funzionamento. È molto più semplice delle attuali architetture di rete di telefonia mobile che usano entità definite dal software per permettere un funzionamento molto flessibile. Tuttavia l’architettura 2G GSM mostra le funzioni di base vocali e operative che sono necessarie e come si integrano tra loro. Poiché il sistema GSM era completamente digitale, la rete era una rete di dati.

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