2G – protoplasta architektury systemów telefonii komórkowej
Wiedzę na temat architektury sieci komórkowych najlepiej usystematyzować w ujęciu historycznym. Pozwala to nam zrozumieć skąd i w jaki sposób powstawały poszczególne pojęcia. Niektóre z nich prawie bez zmian przeniosły się do nowszych standardów 4G i 5G.
Pod koniec lat 70. ubiegłego stulecia w Japonii rozpoczęto wdrażanie systemu analogowej łączności telefonii komórkowej, która nazywała się TZ-801. W Europie już w 1981 r. w Szwecji i Norwegii, a rok później w Dani i Finlandii, wdrożono standard NMT (Nordic Mobile Telephony).
W USA wdrażano natomiast AMPS (Advanced Mobile Phone System) opracowany przez słynne laboratorium Bella. Trzeba nadmienić, iż te systemy nie były kompatybilne ze sobą, tzn. telefon komórkowy NMT nie mógł działać w sieciach AMPS i odwrotnie. Warto pamiętać, że urządzenia sieci pierwszej generacji nie posiadały kart SIM (Subscriber Identity Module), bo te pojawiły się dopiero w standardzie 2G.
W sieci NMT każdy telefon miał swój ESN (Electronic Serial Number) nadawany przez producenta niezmienny fabryczny numer seryjny telefonu. W pamięci telefonu programowano numer abonenta mobilnego NIM (Mobile Identification Number) – ten zawierał 10 cyfrowy identyfikator powiązany z abonentem. Klasyczny numer telefonu abonenta określa się jako MSISDN, który jest akronimem z angielskiego Mobile Station International Subscriber Directory Number co oznacza Międzynarodowy Numer Abonenta Stacji Ruchomej. Według standardu ITU- E.164 numer MSISDN, składa się z kilku części:
- CC – Country Code – Numer Kod telefoniczny kraju (Polska 48, Norwegia 47). Historycznie kiedyś branża telekomunikacyjna określała ten numer jako międzynarodowy wskaźnik telefoniczny, ale teraz to już zapomniane pojęcie,
- NDC (National Destination Code) – krajowy kod sieci/operatora SN (Subscribe Number) – numer abonenta wewnątrz danej sieci operatora.
Termin MSISDN, oznaczający numer telefonu abonenta w standardzie E.164, funkcjonuje nieprzerwanie od pierwszej generacji sieci komórkowych i pozostaje niezmiennym elementem architektury sieci mobilnych. Pomimo ewolucji technologicznej – od analogowych systemów 1G, poprzez cyfrowe GSM (2G), UMTS (3G)
i LTE (4G), aż do współczesnych sieci 5G – MSISDN wciąż pełni tę samą podstawową funkcję: identyfikuje abonenta.
W ramach ciekawostki, w sieciach AMPS i NMT, z powodu założeń projektowych, występowała specyficzna podatność na nielegalne klonowanie telefonów komórkowych i dzwonienie na cudzy koszt. Wynikało to z faktu, iż ww. identyfikatory przesyłano jawnym tekstem w kanale radiowym. Wystarczyło podsłuchać, nagrać sygnalizację i skopiować parametry do pamięci innego telefonu komórkowego.
Kulisami powstania telefonii standardu 2G był chaos systemów 1G. W samej Europie funkcjonowało kilka – i to wzajemnie niekompatybilnych – systemów, dla przykładu:
- NMT w Skandynawii,
- TACS w Wielkiej Brytanii i Włoszech,
- TACS to europejska adaptacja standardu AMPS,
- C-Netz w Niemczech określana jako C-450,
- Radiocom 2000 we Francji (czasem sieć opisywano skrótowo jako R2000).
Każdy z ww. systemów był heterogenicznym systemem telefonii komórkowej, co uniemożliwiało roaming międzynarodowy (przenoszenie telefonu komórkowego do innego operatora będąc w innym kraju). Telefony komórkowe w tamtych czasach były bardzo drogie i było stać na nie nielicznych. Trudno było też osiągnąć efekt skali produkcji telefonów komórkowych, skoro w samej Europie funkcjonowało aż tyle różnych standardów analogowej telefonii komórkowej.
Aby temu zaradzić organizacje standaryzujące postanowiły opracować standard globalny. A to w dużej mierze historia pionierskiego tworzenia się standardów w Europie lat 80. Zalążkiem 2G był pomysł, aby opracować otwarty standard telefonii komórkowej dla Europejskiej Wspólnoty Gospodarczej (EWG) czyli poprzednika Unii Europejskiej.
Zadania tego podjął się CEPT (Europejska Konferencja Administracji Poczty i Telekomunikacji), który powołał instytut Groupe Spécial Mobile stąd nazwa GSM. Pierwotnie akronim GSM rozwijano jako Groupe
Spécial Mobile, ale z czasem popularniejsza okazało się zglobalizowana (w języku angielskim) wersja rozwinięcia akronimu jako Global System for Mobile Communications. W Polsce ten skrót rozwija się jako Globalny System Komunikacji Mobilnej.
Niektórzy uważają, że literka G w nazwie GSM tak naprawdę w sposób ukryty odnosi się do wykorzystywanego rodzaju modulacji w standardzie GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Ta modulacja w porównaniu do klasycznej MSK (Minimum Shift Keying) zajmuje węższe pasma radiowe. W latach 80. ubiegłego stulecia w europejskich instytutach badawczych prowadzono intensywne badania nad różnymi rodzajami modulacji i sposobami modelowania propagacji sygnałów w terenie. Równolegle CEPT czynił starania, aby w ramach wczesnej wspólnoty europejskiej zarezerwować wspólny zakres częstotliwości 890–915 i 935–960 MHz, stąd nazwa GSM900.
Ideą telefonii komórkowej drugiej generacji było uniknięcie przywiązania telefonów do sieci, po to, aby abonenci byli użytkownikami globalnymi. Czyli będąc w dowolnym kraju na świecie mogli skorzystać z tego samego, przypisanego do siebie, indywidualnego numeru telefonu komórkowego. Ten cel osiągnięto poprzez zastąpienie danych z telefonu komórkowego na dane zaszyte w module identyfikacji abonenta zwanym kartą SIM (Subscriber Identity Module).
Karta SIM jest w zasadzie implementacją standardu ISO 7816 dla kart elektronicznych. Głównym zadaniem karty SIM jest identyfikacja właściciela karty. Karta SIM zawiera podstawowe dane identyfikacyjne jak IMSI (International Mobile Subscriber Identity) unikatowy numer identyfikujący przypisany do każdej karty. Dodatkowo karta SIM zawiera dane uwierzytelniające w postaci 128 bitowego klucza zwanym Ki (Key Identification). Karta SIM przechowuje też kod PIN (Personal Identification Number) osobisty numer identyfikacyjny służący do blokowania i odblokowania telefonu przez abonenta.
Numery IMSI i Ki w pewnym sensie pełnią rolę loginu i hasła telefonu komórkowego do łączenia się z siecią operatora telefonii komórkowej. Obecnie na całym świecie w użyciu jest około 7 miliardów kart SIM, a w bliskiej przyszłości ich liczba ma wzrosnąć do 20 miliardów. Na szczęście nie trzeba posiadać fizycznej karty SIM, wystarczy jego cyfrowy odpowiednik eSIM, co opiszemy w odrębnym artykule.
Karta SIM jest ważnym komponentem stacji ruchomej MS (Mobile Station). De facto MS to telefon komórkowy abonenta plus karta SIM. MS łączy się z siecią komórkową poprzez stację bazową BTS (Base Transceiver Station). Rolą BTS jest realizacja połączenia radiowego Um (tak w 2G określany jest interfejs radiowy) z MS, czyli wszystkiego, co dzieje się „w powietrzu” pomiędzy MS a BTS.
Kolejny komponent to BSC (Base Station Controler), czyli sterownik wielu BTS. To ten komponent odpowiada za tzw. handover czyli przekazywanie połączenia abonenta, który przemieszcza się pomiędzy różnymi BTS (zmienia się komórka BTS albo sam BTS, który obsługuje MS).
Komponenty (MS, BTS, BSC) pojęciowo grupuje się jako podsystem domeny radiowej RSS (Radio Subsystem).
A teraz czas na podsystem domeny przełączania NSS (Network & Switching Subsystem) przez telekomunikacyjnych purystów radiowych tłumaczony jako podsystem komutacyjno-sieciowy, ale dzisiaj taka definicja to archaizm.
Sieci 2G są zarządzane przez cyfrową przełącznicę (centrala) głosowa i sygnalizacyjna MSC (Mobile Switching Centre), które odpowiadają za zestawienie połączeń głosowych danej sieci komórkowej.
Numer IMSI oprócz karty SIM, przechowywany jest też u macierzystego operatora telefonii komórkowej w specjalnym rejestrze abonentów macierzystych HLR (Home Location Register), który służy do przechowania danych przydatnych do zestawiania i obsługi połączeń do danego abonenta. Rejestr ten zawiera też informacje o usługach, jakie zostały wykupione przez abonenta oraz adres VLR (Visitor Location Register) czy obszaru, w którym znajduje się dany telefon komórkowy z kartą SIM.
Kolejnym komponentem jest SMSC (SMS Center) serwer, który odpowiada za przesyłanie i przekazywanie krótkich wiadomości tekstowych SMS (Short Message Center), w tym też przechowywania wiadomości, gdy abonent jest nieosiągalny.
Podczas definiowania standardu GSM ustalono, że będzie on uwzględniał regulacje Rady Europy związane ze specjalnym numerem 112 jako jednolitym europejskim numerem alarmowym. Już wtedy ustalono, że z telefonu komórkowego można zadzwonić bez karty SIM, ale tylko na numery alarmowe. W Polsce numerami alarmowy są: 112 (centrum powiadamiania ratunkowego) oraz trzycyfrowe numery zaczynające się na 9, jak np., 999 , który łączy z Państwowym Ratownictwem Medycznym, nr 997 i 998 nie są już obsługiwane przez Policję ani Państwową Straż Pożarną, ale przez centrum powiadamiania ratunkowego. Warto zwrócić uwagę na numery alarmowe 995 i 996. Numer 995 to numer systemu policyjnego Child Alert, który służy do natychmiastowego kontaktu z Policją w przypadku zaginięcia lub uprowadzenia dziecka. Numer 996 łączy z Centrum Antyterrorystycznym Agencji Bezpieczeństwa Wewnętrznego (ABW), do którego można dzwonić w razie zagrożenia terrorystycznego.
Zdjęcie: Adobe Stock, Darlene
Warto też wiedzieć o tym, że połączenia z ww. numerami alarmowymi (emergency call) mają wyższy priorytet niż typowe rozmowy. W przypadku dużego obciążenia sieci zwykłe (nie alarmowe) rozmowy telefoniczne innych abonentów mogą być po prostu przerwane.
Kolejną istotną informacją jest to, że połączenie z numerami alarmowymi odbywa się przez infrastrukturę najbliższego dostępnego operatora telefonii komórkowej, a nie tylko tego, z którym abonent ma podpisaną umowę. Czyli możemy dzwonić na numer alarmowy nawet jak nasz macierzysty operator telefonii komórkowej nie ma zasięgu. Wtedy skorzystamy z zasięgu najbliższego dostępnego operatora (roaming wewnętrzny). Stąd podczas dzwonienia na numer alarmowy nie powinniśmy się przejmować tym, czy nasz telefon jest w zasięgu, bo w większości przypadków skorzystamy z zasięgu innego. Chyba, że jesteśmy w obszarze, gdzie brak jest jakiegokolwiek zasięgu. W takiej sytuacji, abonenta mogą wesprzeć nowe funkcjonalności, które dostępne są w najnowszych modelach smartfonów 5G, obsługujące połączenia NTN (Non-Terrestial Networks). Taka funkcjonalność nazywa się Emergency SOS via Satellite albo Satellite SOS i służy do wysyłania wiadomości tekstowych do służb ratowniczych przy wykorzystaniu infrastruktury łączności satelitarnej. Obecnie wspierają tę funkcjonalność najnowsze smartfony: od IPhone 14 lub nowszy (co najmniej iOS 16.4) oraz seria smarfonów Google Pixel 9 (9 Pro,9 Pro XL, 9 Pro Fold), ale bez wersji Google Pixel 9a. Niestety, dla smartfów IPhone ta funkcjonalność jeszcze nie jest wspierana w Polsce. Zaś dla smartfonów Google Pixel usługa działa od marca 2025 roku. Obecnie w Europie nie można korzystać z Satellite SOS w najnowszych smartfonach Samsung, chociaż NTN jest wspierany w Samsung Galaxy S24 i nowszych (w tym Z Flip6 Z Fold6) i dostępny jest w USA.
Warto zaznaczyć, że telefonia komórkowa 2G jest systemem wąskopasmowym, a następne systemy (3G,4G,5G) to już systemy szerokopasmowe, o czym napiszemy w następnym artykule.
Krystian Górski
