GSM چیست؟

GSM مخفف کلمه "Global System for Mobile Communications" به معنای سیستم جهانی ارتباطات همراه است که از یک عبارت فرانسوي گرفته شده است و همانند HICAP , Mobiletex GPRSPALM و  از محبوبترين و مهم ترین استانداردهاي تلفن همراه جهانی به شمار مي رود. GSM نام یک گروه استانداردسازی است که در سال 1982 برای ایجاد یک استاندارد مشترک اروپایی تلفن همراه تأسیس شد. این سیستم که مربوط به نحوه‌ی عملکرد شبکه‌های سلولی نسل دوم تلفن همراه (2G) می باشد و در باند فرکانسی 900 مگاهرتز یا 1800 مگاهرتز کار می کند، به‌طور گسترده‌ در سرتاسر جهان مورد استفاده قرار گرفته است. GSM پیشرفت قابل توجهی نسبت به نسل اول شبکه های سلولی داشت و نشان دهنده گذار از مخابرات آنالوگ به دیجیتال بود و با ظهور نسل دوم شبکه‌های تلفن همراه، انتقال ارتباطات از طریق دیجیتال نیز میسر شد.

GSM یکی از متداول‌ترین استانداردهای تلفن‌های همراه در جهان است. هم اکنون سیستم GSM بدلیل طراحی ساده و در دسترس بودن در همه جای دنیا و مقرون به‌صرفه بودن یکی از رایج ترین فناوری‌های شبکه موجود در اینترنت اشیا است. طبق برآورد شرکت GSM ، 80 درصد بازار جهانی تلفن همراه از این استاندارد استفاده می‌کند. عملکرد GSM به این صورت است که یک دستگاه دیجیتالی مثل موبایل اطلاعاتی را به صورت کدهای دیجیتالی برای GSM ارسال می کند، GSM پس از دریافت اطلاعات آن ها را پردازش و به موج فرکانسی تبدیل می‌کند و از طریق یک بستر  (MEDIA)این اطلاعات را انتقال می‌دهد و سپس همان اطلاعات را بصورت فرکانس از همان بستر دریافت و به صورت اطلاعات دیجیتالی قابل فهم برای ماشین تبدیل می کند.

در حال حاضر سه میلیارد نفر در 212 کشور از این استاندارد بهره می‌گیرند كه در نوع خود يك رقم باورنكردني است.  گستردگی این استاندارد در دنیا رومینگ بین‌المللی میان اپراتورهای تلفن همراه را رایج نموده است و مشترکین را قادر ساخته است تا بتوانند از تلفن‌های همراه خود در اکثر نقاط دنیا استفاده کنند.

یکی از تفاوت های عمده استاندارد GSM با نمونه‌هاي مشابه قبلي خود كيفيت ديجيتالي برقراري مكالمات با تلفن همراه است.

 

تاریخچه :GSM

 

در اوایل دهه 1980، بیشتر سیستم های تلفن همراه به جای دیجیتال، آنالوگ بودند. یکی از چالش های پیش روی سیستم های آنالوگ ناتوانی در رسیدگی به نیازهای ظرفیت رو به رشد به شیوه ای مقرون به صرفه بود. در نتیجه، فناوری دیجیتال مورد استقبال قرار گرفت. از مزایای سیستم های دیجیتال نسبت به سیستم های آنالوگ می توان به سهولت سیگنال دهی، سطوح کمتر تداخل، ادغام انتقال و سوئیچینگ و افزایش توانایی برای برآوردن نیازهای ظرفیت اشاره کرد.

کشورهای شمال اروپا اولین کشورهایی بودند که خدمات تلفن همراه را برای استفاده تجاری با معرفی تلفن همراه نوردیک (NMT) در 1981 معرفی کردند. شبکه‌های سلولی آنالوگ اروپا در طول تکامل مخابرات سلولی، ترکیب ناهماهنگی از فناوری‌ها و پروتکل‌های گوناگون کشورهای اروپایی و بدون بهره مندی از مشخصات استاندارد بود که از کارکرد یکسان تجهیزات جلوگیری می‌کرد و مشکلات زیادی را برای ساخت تجهیزات را برای تولیدکنندگان تجهیزات که با استانداردهای متفاوت از بازارهای پراکنده رقابت می‌کردند بوجود می آورد.

کار توسعه یک استاندارد اروپایی برای تلفن‌های دیجیتال سلولی در سال 1982 (میلادی) در کنفرانس اروپایی مدیریت مخابرات و پست (CEPT) آغاز شد.

فرانسه و آلمان توافقنامه توسعه مشترک را در سال 1984 امضا کردند و ایتالیا و بریتانیا در سال 1986 به آنها پیوستند. در سال 1986 کمیسیون اروپا رزرو باند 900 مگاهرتز را برای GSM پیشنهاد کرد. در سال 1987 پارامترهای اساسی استاندارد GSM به ثبت رسید و 15 نماینده از 13 کشور اروپایی تفاهم‌نامه‌ای را در کپنهاگ دانمارک امضا کردند. تصمیم به گسترش منطقه پوشش شبکه مخابراتی ایالات متحده آمریکا را نیز در بر گرفت.

نخستین سری مشخصات GSM در سال 1990 منتشر شد. نخستین تماس تلفنی با استاندارد GSM جهان در تاریخ یک ژوئیه 1991 توسط نخست‌وزیر فنلاند" هاری هولکری" به شهردار شهر تامپره برقرار شد. نخستین شبکه GSM  توسط Telenokia و زیمنس ساخته شده بود و توسط Radiolinja کار می‌کرد.

در سال 1992، نخستین پیام کوتاه (SMS) فرستاده شد و ودافون بریتانیا و مخابرات فنلاند توافق‌نامه رومینگ بین‌المللی را امضا کردند. این کار در سال 1991 آغاز شده بود و برای گسترش استاندارد GSM به باند 1800 مگاهرتز، بریتانیا در سال 1993 سامانه مخابرات خود را تغییر داد؛ همچنین در سال 1993، شرکت مخابرات استرالیا مجهز به نخستین اپراتور شبکه بی‌سیم خارج از اروپا با استاندارد GSM شد.

در سال 1995، دورنگار، داده‌ها و SMS خدمات پیام رسانی تجاری و نخستین باند 1900 مگاهرتز شبکه GSM در جهان در ایالات متحده آمریکا عملیاتی شد و مشترکان GSM در سراسر جهان به بیش از 10 میلیون افزایش یافت. در همین سال، انجمن GSM تشکیل شد. پیش پرداخت کارت سیم‌کارت GSM در سال 1996 آغاز شد. در سال 1998 در سراسر جهان 100 میلیون ایستگاه سیار مشترک GSM وجود داشت.

 

نقشGSM  در سیستمهای ردیابی آنلاین:GPS

 

در سیستم‌های ردیابی آنلاین، GPS تنها فناوری به‌کار رفته نیست بلکه فناوری دیگری که در این سیستم کاربرد بسیار مهمی دارد GSM است.

در فرآیند ردیابی، GPS تنها قادر است اطلاعات مکانی را از ماهواره‌ها دریافت کند اما نمی‌تواند با آن‌ها ارتباط برقرار کند و اینجاست که تکنولوژی GSM وارد میدان می‌شود. GSM می‌تواند با داده‌ها ارتباط برقرار کرده و اطلاعات دقیق مکان را برای کاربر ارسال کند.

در نتیجه خروجی یک سیستم ردیابی به این صورت است که مقیاس طول و عرض جغرافیایی توسط GPS محاسبه می‌شود و ارسال اطلاعات توسط GSM صورت می‌گیرد.

 

خصوصیات سیستم :GSM

در سال 1988 گروه کاری GSM، تحت نظارت موسسه ETSI که با هدف بهبود و گسترش استانداردهای مخابراتی در اروپا تاسیس شده بود قرار گرفت پس از 2 سال اولین مجموعه مشخصات سیستم GSM را معرفی کرد.

خصوصیات عمده سیستم GSM عبارتند از :

1. سیستمی کاملا دیجیتالی در باند فرکانسی 900MHz
2. بازه فرکانسی 935MHz تا 980MHz برای لینک رو به پایین (Down link) یعنی برای ارسال اطلاعات از ایستگاه پایگاه به واحد سیار و از بازه فرکانسی 890MHz تا 915MHz برای لینک رو به بالا(Uplink) ، یعنی برای ارسال اطلاعات از واحد سیار به ایستگاه پایگاه
3. پهنای باند 200KHz برای کانال های فرکانسی یعنی قرار گرفتن حامل های فرکانسی به فواصل200 KHz
4. تقسیم زمانی هر کانال مخابراتی (شکاف زمانی) به 8 قسمت
5. کد کردن صوت و داده در مسیر رادیویی
6. توانایی تحرم پذیری وسیع واحد سیار
7. امکان سرویس های داده سرعت پایین
8. سازگار بودن با ISDN و امکان سرویس پیغام کوتاه

 

GSM چه خدماتی را به مشترکین ارائه می دهد:

1. DTMF (انتقال اطلاعات بر پایه دو فرکانس)
2. فکس
3. SMS (سرویس پیام کوتاه)
4. پست صوتی
5. Cell Broadcast (سیستم انتشار سلولی)
6. Call Forwarding (انتقال تماس)
7. ممانعت از تماس های خروجی
8. ممانعت از تماس های ورودی
9. نگه داشتن تماس
10. انتظار تماس
11. کنفرانس
12. (CUGs) گروه های کاربر بسته
13. (ISDN) ارائه/محدودیت شناسایی خط تماس

توجه طراحان شبکه GSM عمدتا بر روی سرویس های تلفنی بوده است. مهم ترین سرویس های گرفته شده از سرویس های تلفنی نیز که در سیستم GSM در نظر گرفته شده اند عبارتند از پیغام صدا، مکالمات ضروری.
سرویس های حامل که در سیستم GSM در نظرگرفته شده است سرویس های داده سنکرون و آسنکرون برای انتقال داده بین GSM و دیگر شبکه ها (…,ISDN,PSTN) در سرعت نسبی 300 تا 9600 Kbit/s می باشد. یکی از سرویس هایی که بر این اساس پایه گذاری شده است سرویس پیغام کوتاه می باشد.

اين استاندارد با نمونه‌هاي مشابه قبلي خود تفاوت هايي عمده دارد و از جمله‌ي آنها مي‌توان به كيفيت ديجيتالي برقراري مكالمات با تلفن همراه اشاره كرد كه به عبارتي يك سيستم نسل دوم تلفن همراه تلقي مي‌شود. اين واقعيت، مويد آن است كه ارتباطات داده‌يي به وسيله‌ي جي‌اس‌ام، براي استفاده در پروژه‌ي مشترك نسل سوم گوشي‌هاي همراه نيز كاربرد خواهد داشت. از ديدگاه اكثر مصرف كنندگان و كاربران، مزيت اصلي و عمده‌ي GSM در افزايش كيفيت برقراري تماس هاي تلفني و همچنين كاهش نرخ مكالمات و نيز سرويسهاي جانبي مثل پيام كوتاه يا SMS است.

همچنين از ديد اپراتورهاي شبكه، مزيت و برتري اين استاندارد، امكان به كارگيري لوازم و تجهيزات جانبي گوشي‌هاي همراه با مارك هاي مختلف در يك مجموعه است چرا كه طراحي باز اين استاندارد به عملكرد چندوجهي ارتباطي كاربر كمك مي‌كند. همزمان با گسترش و توليد نسخه‌هاي جديدي از اين استاندارد، همخواني و كارآيي مناسب با گوشي‌هاي اوريجينال و استانداردهاي قديمي‌تر GSM نيز حفظ شده است براي مثال قابليت هاي ارسال داده به شكل بسته‌يي در نسخه‌ي 97 جي اس ام نيز به مجموعه‌ي امكانات قبلي اضافه شده و از ابزارهاي GPRS يا سرويس راديوي عمومي همراه استفاده نموده است. سرعت ارسال و انتقال بالاتر داده‌ها نيز همراه با تكنولوژي جديد EDGE  یا نسخه‌ي آزمايشي بسته‌ي سرعت انتقال داده‌ي افزايش يافته براي GSM در 99 امين توليد اين استاندارد براي كاربران ارايه شده است.

 

ساختار سیستم GSM:

ساختمان سیستم GSM به سه بخش عمده تقسیم می شود. هر بخش از شبکه شامل چندین جزء است. این اجزا با هم یک شبکه سلولی کامل را تشکیل می دهند. هر ارائه دهنده تلفن همراه زیرساخت خود را با تمام این قطعات دارد. بخش های ساختمان سیستم GSM عبارتند از:

1. بخش سیستم رادیویی(RSS)  
2. بخش سیستم سوئیچینگ و شبکه (NSS)
3. بخش سیستم های پشتیبانی عملیاتی(OSS)

1. سیستم رادیویی:  

این بخش از دو قسمت عمده تشکیل شده است:
1.1. واحد سیار (MS) 1.2. ایستگاه پایگاه (BS) یا (BSS)
واحد سیار: واحد سیار به کلیه تجهیزاتی که یک مشترک برای ارتباط با شبکه نیاز دارد اتلاق می شود. این تجهیزات شامل یک ترمینال سیار که شامل اجزای سخت افزاری و نرم افزاری است و یک رابطی که به مشترک امکان استفاده از سرویس های شبکه از طریق ترمینال سیار را می دهد و تحت عنوان واحد شناسایی مشترکین (Subscriber Identity Module) شناخته می شود می باشد SIM) از یک چیپست ساده تشکیل شده است کلیه اطلاعات شخصی مشترک را در خود ذخیره می نماید) یا در داخل ترمینال از قبل نصب شده و یا بصورت یک کارت هوشمند قابل نصب بر روی ترمینال است. مشترک واحد سیار از طریق این کارت خود را به شبکه سیار معرفی می نماید. علاوه بر این هر واحد سیار دارای یک شناسنامه ای است که تحت عنوان هویت تجهیزات شناخته می شود. سیم کارت‌ها به راحتی قابل جایگزینی در دستگاهای موبایل هستند و ما می‌توانیم از هرکدام از سیم کارت‌های اپراتورهای فعال استفاده کنیم. امروزه و با کوچک شدن سایز دستگاهای موبایل ابعاد سیم کارت‌ها هم کوچک تر شده اند.

 ایستگاه پایگاه (BS): ایستگاه پایگاه کلیه عملیات رادیویی را انجام می دهد. این بخش شامل دو قسمت عمده می باشد: 1. ایستگاه فرستنده و گیرنده (BTS) 2. کنترل کننده ایستگاه پایگاه (BSC)

 

2) BTC:

(Base Transceiver Station) رمزنگاری و رمز گشایی اطلاعات، پردازش، دریافت و ارسال سیگنال‌ها، مدیریت کیفیت ارتباط و… که به واسطه سخت افزار و نرم افزار انجام می‌پذیرد بر عهده ایستگاه‌های BTS می‌باشد که شامل امکانات ارسال و دریافت از قبیل آنتن ها و همه سیگنالینگ های (به زبان ارتباطی بین سیستم ها در مخابرات سیگنالینگ گفته می‌شود.) مربوط به ارتباط رادیویی بین BTS و BSC می باشد. یکی از مهم‌ترین قسمت های شبکه GSM، دکل و آنتن‌های BTS می‌باشد که این روزها در بسیاری از نقاط و در مناطق شهری بر روی پشت بام ها آن‌را مشاهده می‌کنیم. قدرت فرستنده BTS محدود بوده وسطح یک سلول را پوشش می دهد.

آنتن‌های BTS به چند گروه عمده تقسیم می‌شوند:

• ماکروسل  Macrocell

بزرگ‌ترین سایز در این نوع آنتن‌ها به شمار می‌رود و تا محدوده 70 کیلومتری را پوشش می‌دهد. در مناطقی که مشترکین کم و به صورت پراکنده هستند همانند مناطق دوردست یا سواحل دریاها و یا نقاط کویری کاربرد زیادی دارد.

• میکروسل  Microcells

برای مناطق شهری و تعداد مشترکین زیاد نصب و استفاده می‌شود.

• پیکوسل  Picocell

برای تقویت سیگنال در محدوه خیلی کم کاربرد دارد.

• فمتوسل  FemtoCell

استفاده در داخل ساختمان‌ها

* آنتن‌های BTS سیار در مواقع خاص همانند برگزاری نمایشگاها، مناطق پر جمعیت، زلزله و… می‌توانند برای ثبات و سرویس دهی در شبکه استفاده شوند.

چینش آنتن‌های BTS معمولا به صورت تقسیم بندی شش ضلعی (لانه زنبوری) انجام می‌شود. در این حالت چنانکه مشترک در حال حرکت باشد و از محدوده ای به سمت دیگری برود با اتصال اتوماتیک به آنتن BTS جدید فرایند انتقال تماس به صورت خودکار انجام می‌شود. همچنین برای سرعت در توسعه شبکه در مکان هایی که امکان نصب بر روی زمین نباشد از پشت بام نیز استفاده می‌شود.

 

3) BSC:

تمامی BTSهاي يك منطقه از طريق Abis_interface به یک سوئیچ با ظرفیت بالا به‌ نام BSC متصل و از این طریق کنترل مي‌شوند. BSC همچنین وظیفه‌ی دسته‌بندی و انتقال اطلاعات، پیکربندی سلول و کنترل سطوح توان فرکانس رادیویی (RF) در ایستگاه های فرستنده و گیرنده را به عهده دارد.

1. سیستم سوئیچینگ و شبکه (NSS)

NSS که شبکه‌ی اصلی نیز نامیده می‌شود، این امکان را برای کاربران فراهم می‌کند تا بتوانند از طریق تلفن ثابت یا همراه خود با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. زیر سیستم شبکه به‌طور کلی، کلیه توابع مربوط به پایگاه داده از احراز هویت گرفته تا رمزگذاری و سرویس‌های رومینگ را کنترل و به اتصال بهتر بین دو ایستگاه تلفن همراه کمک شایانی می‌کند. شرکت‌های مخابرات تلفن همراه، مالک NSS هستند NSS دارای واحدهای‌ مختلفی از جمله مرکز سوئیچینگ سیار (MSC) و ثبت مکان در خانه (HLR) است.

مرکز سوئیچینگ خدمات سیار MSC عملکردهای سوئیچینگ تلفن سیستم را انجام می دهد. تماس های دریافتی به سیستم های تلفن و داده را کنترل می کند. همچنین عملکردهایی مانند سیگنال دهی کانال مشترک، رابط شبکه، ارائه سرویس پیام کوتاه (SMS) و موارد دیگر را انجام می دهد.

HLR پایگاه داده ای است که برای ذخیره و مدیریت اشتراک ها استفاده می شود HLR مهمترین پایگاه داده در نظر گرفته می شود، زیرا داده های دائمی در مورد مشترکین، از جمله مشخصات خدمات مشترک، اطلاعات مکان و وضعیت فعالیت را ذخیره می کند. هنگامی که فردی اشتراکی را از یکی از اپراتورهای خریداری می کند، در HLR آن اپراتور ثبت می شود.

1. زیر سیستم عملکرد و پشتیبانی (OSS)

زیر سیستم عملکرد و پشتیبانی مجموعه‌ای از فرآیندها، داده‌ها و برنامه‌هایی است که به ارائه‌دهندگان امکان مدیریت و پشتیبانی از فعالیت های تعمیر و نگهداری شبکه‌ی خود را می‌دهد.

آیا هنوز هم از تکنولوژی GSM استفاده می‌شود؟

اکنون، بیش از سه دهه از عمر شبکه‌های GSM می‌گذرد و با وجود این‌که طی این سال‌ها شبکه‌های مبتنی بر GSM مدام خود را بروز کردند، ما شاهد ظهور نسل‌‌های جدیدتری از شبکه‌ تلفن‌های همراه هستیم که سرعت انتقال داده بسیار بالاتر، اتصالات ایمن‌تر و قابلیت‌های پیشرفته‌تری دارند.

البته، از آن‌جایی که تلفن‌های همراه معمولا از چند فناوری پشتیبانی می‌کنند، این مورد تاثیر زیادی بر روی آنان نخواهد گذاشت و همچنان GSM یکی از محبوب‌ترین گزینه‌های به‌کار رفته در اینترنت اشیا محسوب می‌شود.

ماژول جی اس ام نقش اساسی در ارتباطات سلولی مدرن داشته و با وجود این‌که برخی از اپراتورها درحال انتقال به شبکه‌های جدیدتری هستند هنوز هم به دلیل دسترسی تمام جهان به آن و هزینه‌ی پایین اتصال بسیار محبوب است.

GSM سال ها به عنوان پرکاربردترین استاندارد جهانی برای ارتباطات سیار حکمفرما بود. اما امروزه، شبکه های 2G  به طور قابل توجهی کندتر از سایر شبکه های سلولی هستند و در چندین کشور شبکه های 2G در حال خاموش شدن هستند. اپراتورهای شبکه تلفن همراه (MNO) برای متعادل کردن سریعترین سرعتها با بهترین پوشش رقابت می کنند. پس از چندین دهه زیرساخت، شبکه های مبتنی بر GSM می توانند پوشش خوبی ارائه دهند، اما نمی توانند با سرعت، تطبیق پذیری و امنیت شبکه های 3G، 4G و 5G رقابت کنند.