Στο τμήμα αυτό θα μιλήσουμε για το πρώτο ψηφιακό και πλέον διαδεδομένο σύστημα κινητής τηλεφωνίας που αναπτύχθηκε, το GSM.
Το GSM για την ώρα λειτουργεί στις παρακάτω περιοχές συχνοτήτων:
Θα μπορούσαμε να χωρίσουμε ένα δίκτυο GSM σε τέσσερα μεγάλα τμήματα:
a) Την Κινητή συσκευή (Mobile Station - MS), η οποία ανήκει στον συνδρομητή και αποτελεί τη διασύνδεσή του με το δίκτυο.
b) Το Υποσύστημα Σταθμού Βάσης (Base Station Subsystem - BSS), το οποίο είναι υπεύθυνο για τον έλεγχο του ασύρματου καναλιού επικοινωνίας με την κινητή συσκευή (MS).
c) Το Υποσύστημα Δικτύου και Μεταγωγής (Network and Switching Subsystem - NSS), το οποίο είναι υπεύθυνο για τη δρομολόγηση των εισερχόμενων και εξερχόμενων κλήσεων μεταξύ των χρηστών του κινητού δικτύου και μεταξύ των χρηστών του κινητού και του σταθερού τηλεφωνικού δικτύου.
Το NSS είναι επίσης υπεύθυνο για την παρακολούθηση των αλλαγών στην τοποθεσία
του χρήστη, για την επικύρωσή της γνησιότητάς του (user authentication)
και για τη διαχείριση κάποιων άλλων θεμάτων σχετικών με την ασφάλεια στην
επικοινωνία.
d) Το Κέντρο λειτουργιών και διαχείρισης (Operation and Maintenance Center), το οποίο είναι υπεύθυνο για την επίβλεψη της ορθής λειτουργίας του δικτύου.
Στο παρακάτω σχήμα δίδεται μια σχηματική αναπαράσταση των τεσσάρων αυτών τμημάτων με τα επιμέρους συστατικά τους. Στο σχήμα φαίνονται επίσης και τα διάφορα συνδετικά (interfaces) τα οποία συνδέουν τα τμήματα του δικτύου μεταξύ τους.
Τα συνδετικά προσδιορίζουν το σύνολο των κανόνων που διέπουν την επικοινωνία μεταξύ των τμημάτων του δικτύου. Για παράδειγμα, το συνδετικό Um προσδιορίζει το σύνολο των κανόνων που διέπουν την επικοινωνία μεταξύ του MS και του BTS μέσα από το ασύρματο κανάλι. Στις σημειώσεις αυτές δε θα ασχοληθούμε με τα συνδετικά.
Πιο αναλυτικά έχουμε:
ΤΜΗΜΑ ΚΙΝΗΤΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ MS: Αυτό το τμήμα αποτελεί την κινητή συσκευή του χρήστη. Αποτελείται από δύο τμήματα: (α) τον ηλεκτρονικό εξοπλισμό (Mobile Equipment - ME) ή τερματικό και (β) την κάρτα SIM.
Ο ηλεκτρονικός εξοπλισμός, ποικίλει ανάλογα με την ισχύ μετάδοσης και την εφαρμογή. Υπάρχουν γενικά τρεις τύποι ME:
i. «Σταθερό» Τερματικό. Αυτός ο τύπος βρίσκεται συνήθως εγκατεστημένος σε οχήματα. Η μέγιστη επιτρεπτή ισχύς μετάδοσής του είναι 20W
ii. Φορητό τερματικό GSM. Αυτός ο τύπος τερματικού εγκαθίσταται και σε οχήματα. Έχει μέγιστη επιτρεπτή ισχύ μετάδοσης 8W.
iii. Τερματικές συσκευές χειρός GSM. Αυτές δεν είναι άλλες από τα γνωστά κινητά τηλέφωνα. Αυτού του τύπου τα τερματικά είναι ιδιαίτερα δημοφιλή λόγω του βάρους και του μεγέθους τους. Η ισχύς μετάδοσής τους μπορεί να φθάσει μέχρι τα 2W, αλλά με την εξέλιξη της τεχνολογίας, το επίπεδο της μέγιστης επιτρεπτής ισχύος τους μπορεί να μειωθεί στα 0,8W.
Η κάρτα SIM, είναι μια «έξυπνη» κάρτα που αποτελείται από έναν μικροεπεξεργαστή και ένα τσιπ μνήμης. Χρησιμοποιείται για την αναγνώριση και την επικύρωση του χρήστη από το δίκτυο. Για να μπορεί ένας χρήστης να έχει πρόσβαση στις υπηρεσίες του δικτύου, θα πρέπει η κάρτα αυτή να βρίσκεται μέσα στο τερματικό. Δίχως την κάρτα, η συσκευή είναι άχρηστη.
Η κάρτα SIM περιέχει αποθηκευμένες κάποιες πληροφορίες σχετικές με το χρήστη, όπως είναι ο Διεθνής Αριθμός Κινητού Συνδρομητή - IMSI (International Mobile Subscriber Identity). Πρόκειται για έναν αριθμό 15 ψηφίων, ο οποίος περιέχει πληροφορίες σχετικές με το δίκτυο και με το συνδρομητή και χρησιμοποιείται για τη μοναδική αναγνώριση του χρήστη μέσα στο GSM σύστημα.
Επιπρόσθετα, η SIM περιέχει έναν αλγόριθμο κρυπτογράφησης / αποκρυπτογράφησης μαζί με ένα μυστικό κλειδί, τα οποία χρησιμοποιούνται για την επικύρωση του χρήστη.
ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΣΤΑΘΜΟΥ ΒΑΣΗΣ (Base Station Subsystem - BSS): Το BSS είναι υπεύθυνο για τη διασύνδεση του MS με το υποσύστημα δικτύου και μεταγωγής (NSS). Αποτελείται από δύο τμήματα:
Σταθμός Βάσης Πομποδέκτη (Base Transceiver Station - BTS). Ο σταθμός βάσης αποτελεί την οντότητα με την οποία επικοινωνεί το MS. Βρίσκεται τοποθετημένος είτε στο κέντρο, είτε στην άκρη του κελιού. Αποτελείται από έναν υπολογιστή και έναν πομποδέκτη συνδεδεμένο με μια κεραία. Το μέγεθος της ισχύος μετάδοσης του σταθμού προσδιορίζει και το μέγεθος του κελιού. Ένας σταθμός βάσης μπορεί να αποτελείται από 1 μέχρι 16 πομποδέκτες, ανάλογα την πυκνότητα των χρηστών του κελιού.
Σταθμός Βάσης Ελέγχου (Base Station Controller - BSC). Ο σταθμός ελέγχου είναι υπεύθυνος για την επίβλεψη και τον έλεγχο ενός η περισσοτέρων BTSs. Είναι υπεύθυνος κυρίως για τη διαχείριση της κατανομής, της απελευθέρωσης και της μεταβίβασης (handover) των καναλιών φωνής στους χρήστες.
ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΔΙΚΤΥΟΥ ΚΑΙ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ (Network and Switching Subsystem - NSS): Το NSS αποτελείται από δύο τμήματα: (α) τα MSCs και το GMSC, τα οποία είναι υπεύθυνα για τη διαχείριση των χρηστών και της επικοινωνίας μεταξύ τους και (β) ένα σύνολο βάσεων δεδομένων στις οποίες αποθηκεύονται πληροφορίες, απαραίτητες για την εκτέλεση των λειτουργιών των MSCs. Ειδικότερα αποτελείται από:
i. Mobile Switching Center - MSC. Το MSC είναι το κεντρικό τμήμα του NSS. Παρέχει όλες τις απαραίτητες λειτουργίες για τη διαχείριση των χρηστών. Σ’ αυτές περιλαμβάνονται η επικύρωση (authentication), η ενημέρωση του δικτύου σχετικά με την τρέχουσα τοποθεσία του κάθε χρήστη (mobility management), η μεταβίβαση από κελί σε κελί (handover - μαζί με το BSC) και η δρομολόγηση των εισερχόμενων και εξερχόμενων κλήσεων. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 20, σε ένα δίκτυο υπάρχουν πολλά MSCs, όπου κάθε ένα καλύπτει μια συγκεκριμένη περιοχή.
ii. GMSC - Gateway MSC. Είναι το ίδιο με το MSC με τη μόνη διαφορά ότι παρέχει τη διασύνδεση για τα άλλα τηλεφωνικά δίκτυα, όπως ISDN, σταθερή τηλεφωνία, άλλα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας (PLMN), κλπ.
iii. Βάσεις Δεδομένων: Στο NSS υπάρχουν τέσσερις βάσεις δεδομένων που χρησιμοποιούνται από τα MSCs. Συγκεκριμένα:
a. HLR (Home Location Register): Η HLR είναι η σημαντικότερη από τις βάσεις. Σ’ αυτή καταχωρούνται διοικητικές πληροφορίες σχετικά με όλους τους χρήστες του δικτύου και η τρέχουσα τοποθεσία του κάθε χρήστη. Μια από τις διοικητικές πληροφορίες που καταχωρείται στην HLR είναι το IMSI, το οποίο χρησιμοποιείται για την αναγνώριση ενός χρήστη από το δίκτυο. Τα τρία πρώτα ψηφία του IMSI προσδιορίζουν τον κωδικό χώρας (Mobile Country Code - MCC). Τα επόμενα δύο ψηφία προσδιορίζουν τον κωδικό δικτύου (Mobile Network Code - MNC), και τα επόμενα 10 ψηφία χρησιμοποιούνται για τη μοναδική αναγνώριση του κάθε χρήστη από το δίκτυο. Το IMSI δεν έχει σχέση με τον τηλεφωνικό αριθμό.
Οι πληροφορίες που σχετίζονται με την τρέχουσα τοποθεσία του κάθε χρήστη χρησιμοποιούνται για τις λειτουργίες της μεταβίβασης κλήσης (handover) και της δρομολόγησης των εισερχόμενων και εξερχόμενων κλήσεων. Συνήθως κάθε δίκτυο αποτελείται από μία μόνο βάση HLR.
b. VLR (Visitor Location Register): Η κάθε βάση VLR είναι συνδεδεμένη με ένα MSC και περιέχει επιλεγμένες διοικητικές πληροφορίες από την HLR, σχετικά με όλα τα MSs που βρίσκονται στην περιοχή που ελέγχεται από το MSC με το οποίο είναι συνδεδεμένη. Η VLR χρησιμοποιείται για τον έλεγχο των κλήσεων και για τον έλεγχο των παρεχόμενων υπηρεσιών στους χρήστες. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 25, υπάρχουν πολλές βάσεις VLR σε κάθε δίκτυο, μία για κάθε περιοχή.
c. AuC (Authentication Center): Η AuC περιέχει τις παραμέτρους εκείνες που χρειάζονται για την επικύρωση των χρηστών. Στη βάση αυτή περιέχονται αντίγραφα των μυστικών κωδικών που βρίσκονται αποθηκευμένα στις κάρτες SIM των κινητών σταθμών των συνδρομητών. Ακόμη, περιέχει όλους τους αλγόριθμους επικύρωσης και κρυπτογράφησης, οι οποίοι περιέχονται επίσης και στην κάρτα SIM.
d. EIR (Equipment Identity Register): Η EIR είναι μια βάση δεδομένων η οποία περιέχει μια λίστα με όλες τις κινητές συσκευές του δικτύου. Όπως οι χρήστες, έτσι και οι κινητές συσκευές, έχουν η κάθε μία ένα μοναδικό αριθμό αναγνώρισης, ο οποίος καλείται IMEI (International Mobile Equipment Identity). Το IMEI μιας συσκευής θεωρείται άκυρο στην περίπτωση που αυτή έχει αναφερθεί ως κλεμμένη, ή αν πρόκειται για μια συσκευή που δεν έχει εγκριθεί από το δίκτυο (π.χ. έχει πολύ μεγάλη ισχύ μετάδοσης).
ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΩΝ
ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ (Operation and Maintenance Center - OMC)
Το κέντρο αυτό είναι υπεύθυνο για τη διαχείριση των μηνυμάτων ελέγχου που έρχονται από το δίκτυο. Επίσης ελέγχει το κυκλοφοριακό φορτίο στους σταθμούς βάσης ελέγχου και πομποδέκτη (BSC και BTS).