Che cos'è una tecnologia GSM: architettura e sue applicazioni

La tecnologia cellulare digitale come GSM (Global System for Mobile Communication) viene utilizzata per trasmettere dati mobili e servizi vocali. Questo concetto è stato implementato presso i Bell Laboratories utilizzando un sistema radio mobile nel 1970. Come suggerisce il nome, è il nome del gruppo di standardizzazione che è stato istituito nell'anno 1982 per creare uno standard europeo generale per la telefonia mobile. Questa tecnologia detiene oltre il 70% della quota di mercato degli abbonati ai cellulari digitali in tutto il mondo. Questa tecnologia è stata sviluppata utilizzando la tecnologia digitale. Attualmente, la tecnologia GSM supporta oltre 1 miliardo di abbonati di telefonia mobile in tutto il mondo nei suddetti 210 paesi. Questa tecnologia fornisce servizi voce e dati dal fondamentale al complesso. Questo articolo discute una panoramica della tecnologia GSM.

Cos'è la tecnologia GSM?

GSM è un modem per comunicazioni mobili che sta per sistema globale per comunicazioni mobili (GSM). L'idea del GSM è stata sviluppata presso i Bell Laboratories nel 1970. Si tratta di un sistema di comunicazione mobile ampiamente utilizzato nel mondo. GSM è una tecnologia cellulare aperta e digitale utilizzata per la trasmissione di servizi voce e dati mobili che operano sulle bande di frequenza di 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz e 1900 MHz.

La tecnologia GSM è stata sviluppata come un sistema digitale utilizzando la tecnica di accesso multiplo a divisione di tempo (TDMA) per scopi di comunicazione. Un GSM digitalizza e riduce i dati, quindi li invia verso il basso attraverso un canale con due diversi flussi di dati del client, ciascuno nella propria fascia oraria particolare. Il sistema digitale è in grado di trasportare da 64 kbps a 120 Mbps di velocità dati.

Modem GSM

Esistono varie dimensioni di celle in un sistema GSM come celle macro, micro, pico e ombrello. Ogni cella varia in base al dominio di implementazione. Ci sono cinque diverse dimensioni di cella in una macro di rete GSM, micro, pico e celle ombrello. L'area di copertura di ogni cella varia a seconda dell'ambiente di implementazione.

La tecnica di accesso multiplo a divisione di tempo (TDMA) si basa sull'assegnazione di diversi intervalli di tempo a ciascun utente sulla stessa frequenza. Può adattarsi facilmente alla trasmissione dei dati e alla comunicazione vocale e può trasportare da 64 kbps a 120 Mbps di velocità dati.

Architettura tecnologica GSM

Gli elementi principali nell'architettura GSM includono quanto segue.

L'architettura della tecnologia GSM

• Sottosistema di rete e commutazione (NSS)
• Sottosistema stazione base (BSS)
• La stazione mobile (MS)
• Sottosistema operativo e di supporto (OSS)

Sottosistema di commutazione di rete (NSS)

Nell'architettura del sistema GSM, include diversi elementi, spesso noti come sistema / rete centrale. In questo caso, è fondamentalmente una rete di dati che include una varietà di unità per fornire il controllo principale e l'interfacciamento dell'intero sistema di rete mobile. La rete centrale include gli elementi principali discussi di seguito.

Mobile Switching Center (MSC)

Il Mobile Switching Center o MSC è l'elemento chiave nella regione della rete centrale dell'architettura di rete GSM. Questo centro di commutazione di servizi mobili funziona come un nodo di commutazione standard in un ISDN, altrimenti PSTN, tuttavia, offre anche funzionalità extra per consentire alle necessità degli utenti mobili di essere supportate come autenticazione, registrazione, passaggio delle chiamate tra MSC e instradamento della chiamata a un abbonato di cellulare.

Inoltre, fornisce anche un vantaggio verso la rete telefonica pubblica commutata in modo che le chiamate telefoniche possano essere collegate dalla rete del cellulare a un telefono a una linea fissa. Sono fornite interfacce con altri server del centro di commutazione mobile per consentire di effettuare chiamate mobili a cellulari su reti dissimili.

Registro posizione casa (HLR)

Questo database HLR include le informazioni relative all'amministrazione come ogni abbonato con la posizione precedentemente identificata. In questo modo, la rete GSM è in grado di collegare le chiamate alla relativa stazione base per lo switch mobile. Una volta che un operatore accende il proprio telefono, il telefono si registra attraverso la rete in modo che sia probabile decidere quale stazione base ricetrasmittente sta comunicando in modo che le chiamate in arrivo possano essere collegate correttamente.

Anche una volta che il cellulare è acceso, ma non attivo, si registra nuovamente per assicurarsi che la rete HLR risponda alla sua posizione più recente. C'è un HLR per ogni rete, anche se può essere distribuito in una varietà di sottocentri per cause operative.

Registro della posizione dei visitatori (VLR)

Il VLR include le informazioni preferite che vengono ricevute dalla rete HLR per consentire i servizi preferiti per l'abbonato separato. Il registro di localizzazione dei visitatori può essere eseguito come un'unità separata, tuttavia, di solito è realizzato come un elemento essenziale del MSC, prima di una singola unità. Pertanto, l'accesso è terminato più rapidamente e più conveniente.

Registro di identità delle apparecchiature (EIR)

L'EIR (Equipment Identity Register) è l'unità che decide se consentire o meno l'attrezzatura mobile specificata sulla rete. Ogni dispositivo mobile include un numero identificato come IMEI o International Mobile Equipment Identity.

Quindi, questo numero IMEI è fissato all'interno dell'apparecchiatura mobile e viene verificato attraverso la rete durante la registrazione. Dipende principalmente dalle informazioni che si trovano all'interno dell'EIR, e al dispositivo mobile può essere assegnata una delle 3 condizioni che consentivano sulla rete, l'accesso bloccato, altrimenti sorvegliato in caso di problemi.

Centro di autenticazione (AuC)

L'AuC (centro di autenticazione) è un file protetto che include la chiave segreta nella carta SIM dell'utente. L'AuC viene utilizzato principalmente per la verifica e per la codifica sul canale radio.

Gateway Mobile Switching Center (GMSC)

Il GMSC / Gateway Mobile Switching Center è l'estremità a cui una chiamata finale ME è principalmente collegata senza alcuna informazione sul luogo dello Stato membro. Il GMSC ottiene il numero di roaming della stazione mobile (MSRN) dall'MSISDN in base all'HLR e collega la chiamata all'MSC esattamente visitato. La divisione 'MSC' del nome GMSC crea confusione in quanto il processo del gateway non necessita di alcun collegamento verso un MSC.

SMS Gateway (SMS-G)

Il gateway SMS o SMS-G viene utilizzato congiuntamente per spiegare due gateway SMS negli standard GSM. Questi gateway controllano i messaggi diretti in modi diversi.

Lo Short Message Service Gateway Mobile Switching Center (SMS-GMSC) viene utilizzato per i messaggi brevi che vengono trasmessi a un ME. Il Short Message Service Inter-Working Mobile Switching Center (SMS-IWMSC) viene utilizzato per i messaggi brevi creati tramite una rete mobile. Il ruolo principale di SMS-GMSC è correlato a GMSC, ma SMS-IWMSC offre un accesso permanente al Centro SMS.

Queste unità sono state le principali utilizzate nella rete della tecnologia GSM. Normalmente erano co-localizzati, tuttavia spesso la rete centrale complessiva veniva trasmessa in tutto il paese, ovunque fosse situata la rete. In caso di malfunzionamento, darà una certa flessibilità.

Sottosistema stazione base (BSS)

Funge da interfaccia tra la stazione mobile e il sottosistema di rete. Consiste nella Base Transceiver Station che contiene i ricetrasmettitori radio e gestisce i protocolli per la comunicazione con i cellulari. Consiste anche del controller della stazione di base che controlla la stazione del ricetrasmettitore di base e funge da interfaccia tra la stazione mobile e il centro di commutazione mobile.

Il sottosistema di rete fornisce la connessione di rete di base alle stazioni mobili. La parte fondamentale del sottosistema di rete è il Mobile Service Switching Center che fornisce l'accesso a diverse reti come ISDN, PSTN, ecc. Consiste anche del registro della posizione domestica e del registro della posizione dei visitatori che fornisce le funzionalità di instradamento delle chiamate e roaming del GSM.

Contiene anche il registro di identità delle apparecchiature che mantiene un account di tutte le apparecchiature mobili in cui ogni cellulare è identificato dal proprio numero IMEI. IMEI è l'acronimo di International Mobile Equipment Identity.

La sezione BSS o Base Station Subsystem dell'architettura di rete GSM di seconda generazione è fondamentalmente connessa con i cellulari sulla rete. Questo sottosistema include due elementi discussi di seguito.

Stazione ricetrasmittente base (BTS)

La BTS (Base Transceiver Station) che viene utilizzata all'interno di una rete GSM include la radio Tx, Rx e le relative antenne per trasmettere, ricevere e conversare direttamente attraverso i cellulari. Questa stazione è l'elemento importante per ogni cella e dialoga con i cellulari e l'interfaccia tra i due è identificata come l'interfaccia Um con i relativi protocolli.

Controller stazione base (BSC)

Il BSC (controller della stazione di base) viene utilizzato per formare la fase successiva inversa nella tecnologia GSM. Questo controller viene utilizzato per controllare una raccolta di stazioni ricetrasmittenti di base e spesso è collocato insieme a una delle stazioni ricetrasmittenti all'interno del gruppo. Questo controller gestisce le risorse della radio per controllare diversi elementi come il passaggio di consegne nella raccolta di BTS, assegna i canali. Dialoga con le stazioni ricetrasmittenti base sull'interfaccia Abis.

L'elemento sottosistema nella stazione base della rete GSM utilizza la tecnologia radio consentita per consentire a un numero di operatori il diritto di utilizzare il sistema contemporaneamente. Ogni canale supporta fino a 8 operatori consentendo a una stazione base di includere canali diversi, un numero enorme di operatori potrebbe essere ospitato attraverso ogni stazione base.

Questi sono localizzati con cura tramite il provider della rete per consentire la copertura dell'intera area. Quest'area può essere racchiusa con una stazione base che viene spesso chiamata cella. Poiché non è possibile impedire che i segnali si sovrappongano nelle celle vicine e i canali utilizzati nella cella singola non vengono utilizzati in quella successiva.

Mobile Station

È il telefono cellulare costituito dal ricetrasmettitore, dal display e dal processore ed è controllato da una scheda SIM che opera sulla rete.

Le MS (stazioni mobili) o ME (apparecchiature mobili) sono generalmente identificate tramite telefoni cellulari altrimenti cellulari che fanno parte di una comunicazione mobile GSM n / w che l'operatore osserva e opera. Attualmente la loro dimensione si è ridotta radicalmente mentre il livello di funzionalità è notevolmente aumentato. E un altro vantaggio è che il tempo tra le accuse è aumentato drasticamente. Ci sono diversi elementi per il telefono cellulare, sebbene i due elementi essenziali siano l'hardware e la SIM.

L'hardware include gli elementi principali del telefono cellulare come la custodia, il display, la batteria e l'elettronica utilizzata per produrre il segnale ed elaborare il ricevitore dati da trasmettere.
La stazione mobile include un numero chiamato IMEI. Questo può essere impostato sul telefono cellulare durante la produzione e non può essere modificato.

Vi si accede dalla rete durante la registrazione per verificare se l'apparecchiatura è stata segnalata come rubata.

La scheda SIM (Subscriber Identity Module) include i dati che forniscono l'identità dell'utente verso la rete. Inoltre, include diverse informazioni come un numero chiamato IMSI (International Mobile Subscriber Identity). Quando questo IMSI viene utilizzato nella scheda SIM, l'utente mobile può semplicemente cambiare cellulare spostando la SIM da un cellulare all'altro.

Quindi cambiare cellulare è facile senza cambiare lo stesso numero di cellulare significa che le persone migliorerebbero frequentemente, creando così un ulteriore flusso di reddito per i fornitori di rete e servendo per migliorare la vittoria finanziaria totale del GSM.

Sottosistema operativo e di supporto (OSS)

Il sottosistema di supporto operativo (OSS) fa parte dell'architettura di rete GSM completa. Questo è collegato ai componenti NSS e BSC. Questo OSS viene utilizzato principalmente per controllare la rete GSM e il carico di traffico BSS. Va notato che quando il numero di BS aumenta attraverso il ridimensionamento della popolazione di abbonati, alcune delle attività di conservazione vengono spostate alle stazioni ricetrasmittenti di base in modo che il costo di proprietà del sistema possa essere ridotto.

L'architettura della rete GSM del 2G segue principalmente una tecnica logica di funzionamento. Ciò è molto semplice rispetto alle attuali architetture di rete di telefonia mobile che utilizzano unità definite dal software per consentire un funzionamento estremamente flessibile. Ma l'architettura del 2G GSM dimostrerà la voce e le funzioni operative fondamentali necessarie e come sono organizzate insieme. Quando il sistema GSM è digitale, la rete è una rete dati.

Caratteristiche del modulo GSM

Le caratteristiche del modulo GSM includono quanto segue.

• Efficienza dello spettro migliorata
• Roaming internazionale
• Compatibilità con la rete digitale di servizi integrati (ISDN)
• Supporto per nuovi servizi.
• Gestione rubrica SIM
• Numero di selezione fissa (FDN)
• Orologio in tempo reale con gestione degli allarmi
• Discorso di alta qualità
• Utilizza la crittografia per rendere le telefonate più sicure
• Servizio di messaggi brevi (SMS)

Le strategie di sicurezza standardizzate per il sistema GSM lo rendono lo standard di telecomunicazioni più sicuro attualmente accessibile. Sebbene la riservatezza di una chiamata e la segretezza dell'abbonato GSM siano garantite solo sul canale radio, questo è un passo importante per raggiungere la sicurezza end-to-end.

Modem GSM

Un modem GSM è un dispositivo che può essere un telefono cellulare o un dispositivo modem che può essere utilizzato per far comunicare un computer o qualsiasi altro processore su una rete. Un modem GSM richiede una scheda SIM per funzionare e funziona su un intervallo di rete sottoscritto dall'operatore di rete. Può essere collegato a un computer tramite connessione seriale, USB o Bluetooth.

Un modem GSM può anche essere un telefono cellulare GSM standard con il cavo appropriato e il driver software per il collegamento a una porta seriale o USB del computer. Il modem GSM è generalmente preferibile a un telefono cellulare GSM. Il modem GSM ha una vasta gamma di applicazioni in terminali di transazione, gestione della catena di approvvigionamento, applicazioni di sicurezza, stazioni meteorologiche e registrazione remota dei dati in modalità GPRS.

Funzionamento del modulo GSM

Dal circuito sottostante, un modem GSM debitamente interfacciato all'MC tramite il level shifter IC Max232. Il modem GSM montato sulla scheda SIM dopo aver ricevuto il comando cifra tramite SMS da qualsiasi telefono cellulare invia i dati all'MC tramite comunicazione seriale. Durante l'esecuzione del programma, il modem GSM riceve il comando 'STOP' per sviluppare un'uscita sull'MC, i cui punti di contatto vengono utilizzati per disabilitare il commutatore di accensione.

Il comando così inviato dall'utente si basa su una intimazione ricevuta dallo stesso tramite il modem GSM 'ALERT' un messaggio programmato solo se l'ingresso è basso. L'operazione completa viene visualizzata su un display LCD 16 × 2.

Circuito modem GMS

Applicazioni della tecnologia GSM

Le applicazioni della tecnologia GSM includono quanto segue.

Tecnologia GSM intelligente per automazione e sicurezza

In questi giorni, il terminale mobile GSM è diventato uno degli elementi che sono costantemente con noi. Proprio come il nostro portafoglio / borsellino, chiavi o orologio, il terminale mobile GSM ci fornisce un canale di comunicazione che ci consente di comunicare con il mondo. Il requisito per una persona di essere raggiungibile o di chiamare chiunque in qualsiasi momento è molto allettante.

Questo progetto, come dice il nome, si basa sulla tecnologia di rete GSM per la trasmissione di SMS dal mittente al destinatario. L'invio e la ricezione di SMS viene utilizzato per l'accesso onnipresente agli apparecchi e per consentire il controllo delle violazioni a casa. Il sistema propone due sottosistemi. Il sottosistema di controllo degli elettrodomestici consente all'utente di controllare gli elettrodomestici da remoto e il sottosistema di avviso di sicurezza fornisce un monitoraggio automatico della sicurezza.

Il sistema è in grado di istruire gli utenti tramite SMS da un numero di cellulare specifico per modificare le condizioni dell'elettrodomestico in base alle esigenze e ai requisiti dell'utente. Il secondo aspetto è quello dell'allerta di sicurezza che si ottiene in modo che al rilevamento di intrusione il sistema consenta la generazione automatica di SMS allertando l'utente contro i rischi per la sicurezza.

La tecnologia GSM consentirà la comunicazione ovunque, in qualsiasi momento e con chiunque. L'architettura funzionale del GSM che impiega principi di rete intelligenti e la sua ideologia, che fornisce lo sviluppo del GSM, è il primo passo verso un vero sistema di comunicazione personale che sia sufficientemente standardizzato per garantire la compatibilità.

Applicazioni GSM nei servizi medici

Considera due situazioni come le seguenti

• Una persona è gravemente ferita o si è ammalata e deve essere immediatamente curata. Tutto ciò che lui o la persona che lo accompagna ha è un telefono cellulare.
• Un paziente viene dimesso dall'ospedale e pensa di riposarsi a casa sua, ma deve comunque recarsi in ospedale per controlli regolari. Potrebbe avere un telefono cellulare e anche alcuni dispositivi di sensori medici come dispositivi di monitoraggio della salute.

In entrambe le situazioni, l'unico modo che può fornire una soluzione è utilizzare il sistema di comunicazione mobile. In altre parole, utilizzando le tecnologie di comunicazione, qualsiasi situazione come quella sopra può essere gestita semplicemente trasmettendo i dati del paziente attraverso la rete di comunicazione e ricevendoli ed elaborandoli presso la sezione ricevente, sia presso il centro sanitario che a casa del medico.

Il medico monitora semplicemente i dettagli del paziente e restituisce le istruzioni alla persona (in 1^stcaso) in modo che possa almeno prendere alcune precauzioni prima di raggiungere finalmente l'ospedale e nel 2^ndcase monitora i risultati del test del paziente e, in caso di anomalie, fa il passo successivo per un ulteriore trattamento.

Tutta questa situazione riguarda i servizi di telemedicina. Il sistema di telemedicina può essere utilizzato in uno dei tre modi.

• Utilizzando la videoconferenza, in cui i pazienti seduti in un posto possono avere un'interazione diretta con gli operatori sanitari e di conseguenza portare avanti il ​​processo di cura.
• Utilizzando sensori di monitoraggio della salute che continuano ad aggiornarsi sulla salute del paziente e di conseguenza guidano gli operatori sanitari a portare avanti il ​​trattamento.
• Trasmettendo i dati medici acquisiti e trasmettendo i dati acquisiti per la consultazione e l'elaborazione.

Per i tre modi precedenti, viene utilizzata una tecnica di comunicazione wireless. I servizi medici richiedono molti modi per ottenere l'accesso alle risorse archiviate. Possono essere database medici o host online con dispositivi che possono aiutare a recuperare e monitorare la salute del paziente. Diverse opzioni di accesso sono la rete a banda larga, tramite media a velocità media e la banda stretta tramite GSM.

I vantaggi della tecnologia GSM nel sistema di telemedicina includono quanto segue.

• È più conveniente.
• I ricevitori GSM sono ampiamente disponibili: telefoni cellulari e modem GSM
• Ha un'elevata velocità di trasferimento dati.

Sistema di telemedicina di base

Un sistema di telemedicina di base è composto da 4 moduli:

• L'Unità Paziente : Raccoglie le informazioni dal paziente, le invia come segnale analogico o le converte in segnale digitale, controlla il flusso di dati e trasmette i dati. Fondamentalmente è costituito da vari sensori medici come il sensore del battito cardiaco, il monitor della pressione sanguigna, il monitor della temperatura della pelle, il sensore della spirometria, ecc. Che emette un segnale elettrico e invia questi segnali al processore o a un controller (un microcontrollore o un PC) per l'ulteriore elaborazione del segnala e poi trasmette i risultati attraverso una rete di comunicazione wireless.
• Rete di comunicazione : Viene utilizzato per la sicurezza e la trasmissione dei dati. Viene utilizzata la tecnologia GSM che utilizza stazioni mobili, sottostazioni di base e sistemi di rete. La stazione mobile è costituita dal punto di accesso mobile di base o dal telefono cellulare e collega i telefoni cellulari con la rete GSM per la comunicazione.
• Unità ricevente / lato server : Fondamentalmente è un sistema sanitario dove è installato un modem GSM che riceve e decodifica i segnali e li invia all'unità di presentazione.
• Unità di presentazione : È fondamentalmente il processore che converte i dati ricevuti in un formato ben definito e li memorizza in modo che i medici possano monitorarli regolarmente ed eventuali feedback lato client possono essere inviati via SMS dal modem GSM.

Un semplice sistema di telemedicina

Un sistema di telemedicina di base può essere mostrato in modo semplificato. Consiste di due unità: l'unità trasmittente e l'unità ricevente. L'unità trasmittente trasmette l'ingresso del sensore e l'unità ricevente riceve questo ingresso per continuare l'elaborazione.

Di seguito è riportato un esempio di un semplice sistema di telemedicina per monitorare la frequenza cardiaca del paziente e di conseguenza elaborare i dati.

Trasmettitore di sistema di telemedicina con tecnologia GSM

Nell'unità trasmittente, il sensore del battito cardiaco (che consiste in una sorgente di emissione di luce la cui luce emessa è modulata mentre passa attraverso il sangue umano) converte i dati ottenuti dal corpo umano e li converte in impulsi elettrici. Il microcontrollore riceve questi impulsi e li elabora per calcolare la frequenza cardiaca e invia questi dati calcolati all'unità sanitaria tramite un modem GSM. Il modem GSM è interfacciato con il microcontrollore utilizzando un IC Max 232.

Ricevitore di sistema di telemedicina con tecnologia GSM

All'unità ricevente, il modem GSM riceve i dati e li invia al microcontrollore. Il microcontrollore analizza di conseguenza i dati ricevuti con i dati dal PC e mostra il risultato sul display LCD. Il monitoraggio del paziente può essere effettuato in base al risultato visualizzato sul display dal personale medico in modo da poter avviare la procedura di trattamento richiesta.

Esempi pratici di tecnologia GSM in ambito medico

In pratica, la tecnologia GSM viene utilizzata nei seguenti campi.

AT&T Vitality GlowCaps

Si tratta di flaconi di pillole che semplicemente ricordano a un paziente di prendere le sue medicine. Consiste in un timer che viene impostato per il tempo di assunzione della pillola da parte del paziente e in quel momento imposta il tappo in modo che si accenda e avvia il cicalino e quindi chiama il telefono cellulare del paziente utilizzando la tecnologia GSM. Viene registrato un record per ogni apertura della bottiglia.

Sistema per ecografia Mobisante Mobius SP1

Consiste in una sonda ecografica mobile collegata a uno smartphone e trasmette l'imaging ecografico portatile a qualsiasi luogo remoto tramite GSM.

Sistema di monitoraggio continuo del glucosio (CGM) Dexcom Seven Plus

Viene utilizzato per monitorare i livelli di glucosio nel sangue dei pazienti e trasmetterli al medico. Consiste in un sensore posto sotto la pelle che monitora continuamente i livelli di glucosio nel sangue e li trasmette al ricevitore (un telefono cellulare) a intervalli frequenti.

Portata futura del GSM nei servizi medici

Secondo un recente sondaggio di PricewaterhouseCoopers per la GSM Association, un ente industriale che rappresenta quasi 800 degli operatori mobili mondiali in 219 paesi, i servizi abilitati GSM entreranno a far parte del sistema sanitario entro il 2017, creando un mercato globale di 23 miliardi di dollari.

Ora tra tutti questi, GSM la tecnologia è l'opzione più ampiamente utilizzata grazie alla sua immensa popolarità, alla migliore efficienza dello spettro e al basso costo di implementazione.