GSM

GSM-ը (Global System for Mobile) գլոբալ բջջային համակարգի ստանդարտ է։ GSM ցանցերը երկրորդ սերնդի (2G) ցանցեր են։ 2010 թվականի տվյալներով GSM-ի բաժանորդների թիվը 3 միլիարդ էր աշխարհի 212 երկրներում։

Պատմություն 
Բջջային հեռախոսակապի պատմությունը սկսվում է 1979 թվականին Ճապոնիայում, որտեղ առաջին անգամ աշխարհում յուրաքանչյուրը ստացավ հնարավորություն օգտվել բջջային կապից։ 1981 թվականին Սկանդինավիայում տեղի ունեցավ առաջին սերնդի ցանցի երկրորդ մեկնարկը, ընդ որում առաջին անգամ ստեղծվեց ռոումինգի հնարավորություն։ Առաջին սերնդի ցանցերը անալոգային էին և շուտ դուրս եկան շահագործումից։ 1991-ին Ֆինլանդիայում շահագործման մտավ առաջին 2G երկրորդ սերնդի ցանցը։ Այս ցանցերը ունեն չորս շատ մեծ առավելություն իրենց նախորդների նկատմանբ. հնարավոր դարձավ ռոումինգը, 2G ցանցերը ունեն շատ ավելի լավ սպեկտրալ էֆֆեկտիվություն, բջջային խոսակցությունները թվային կոդավորված են և հնարավոր դարձան տվյալների փոխանցման ծառայությունները՝ դրանցից առաջինը SMS ծառայությունն է։ 1987-ին եվրոպական 13 երկրներ ստորագրեցին համաձայնագիր հատուկ խումբ ստեղծելու մասին (Groupe Spécial Mobile - GSM), որի համաձայն այդ երկրներում պետք է ստեղծվեր բջջային կապի միասնական համակարգ։ Մշակվեցին հատուկ չափորոշիչներ, որոնք էլ հետագայում դարձան գլոբալ բջջային համակարգի (GSM – Global System for Mobile) ստանդարտի հիմքը։ Այսօր GSM-ի բաժանորդների թիվը կազմում է 3 միլիարդ մարդ, աշխարհի 212 երկրներում։ Բջջային շուկայի 80%-ը օգտվում է GSM համակարգերից։ Չնայած այն փաստին, որ որոշ երկրներում արդեն կոմերցիոն շահագործման են հանձնվել նաև 4-րդ սերնդի ցանցերը, GSM ցանցերը դեռ երկար ժամանակ դուրս չեն գա գործածումից իրենց հարմարավետության, հուսալիության և որ ամենակարևորն է՝ շատ լայն տարածում ունենալու շնորհիվ։

Երրորդ (3G) և չորրորդ սերնդի (4G) ցանցեր 
GSM ցանցերին փոխարինման եկան երրորդ սերնդի բջջային ցանցերը։ Այստեղ ապահովվում են տվյալների փոխանցման մեծ արագություն և հնարավորություն է ստեղծվում միաժամանակ սպասարկել ավելի մեծ թվով բաժանորդներ։ Ի հայտ եկան նոր ծառայություններ ինչպիսին է վիդեոզանգը և մինչև 2Մբ/վ արագությամբ տվյալների փոխանցման արագություն։ Երրորդ սերնդի ցանցերը առաջին անգամ շահագործվել են Ճապոնիայում 2001-ին, բայց չնայած դրան՝ կան դեռ բազմաթիվ երկրներ, որտեղ չկան 3G ցանցեր և նույնիսկ 3G ունեցող երկրներից ընդամենը մի քանիսն են ապահովում 3G ռոումինգ։

2009 թվականի դեկտեմբերի 14-ին Ստոկհոլմում և Օսլոյում գործարկվեց չորրորդ սերնդի առաջին բջջային ցանցը։ Չորրորդ սերնդի (4G) տեխնոլոգիաների շարքին են վերագրում հիմնականում այն տեխնոլոգիաները, որոնք ապահովում են 100 Մբտ/վ-ից մեծ արագություններ։ Սրանց հիմնական տարբերությունը նախորդների նկատմամբ այն է, որ տվյալների փոխանցման համար օգտագործվում է միայն IP (Internet Protocol) պրոտոկոլը։ 2G և 3G ցանցերում տվյալների փոխանցման և ձայնային կապուղիները տարբեր են։ Չորրորդ սերնդի տեխնոլոգիաների շարքին է պատկանում արդեն Հայաստանում գործող WiMAX-ը։

Ցանցի կառուցվածքը 

Օգտվելով բջջային կապից մենք շատ հաճախ շարժվում ենք, մտնում և դուրս ենք գալիս գետնանցումից կամ մետրոյի կայարանից, երթևեկում ենք տրանսպորտում և նույնիսկ ճամփորդում ենք երկրից երկիր։ Այս հարմարավետությունը և կապի անխափանությունը ապահովելու համար GSM ստանդարտում մշակված են ցանցի աշխատանքի սկզբունքները, կառուցվածքը և այլն։ Բջջային ցանցը իրենից ներկայացնում է բազային կայանների (Base Transceiver Station - BTS) խումբ, որոնցից յուրաքանչյուրը կապված է բազային կայանների ղեկավարող հանգույցի (Base Station Controller - BSC) հետ։ BSC-ն իր հերթին կապված է բջջային կոմուտացիայի կենտրոնին (Mobile Switching Centre - MSC), որտեղ տեղի են ունենում բոլոր զանգերի, կարճ հաղորդագրությունների և փաթեթային տվյալների մարշրուտավորումը և բիլինգային հաշվարկները։
Բջիջները կարող են լինել շրջանաձև, երբ բազային կայանի անտենան իզոտրոպ է, ինչպես նաև բջիջները լինում են վեցանկյունաձև, երբ մի բազային կայանին կցված են 2 կամ 3 ուղղորդված անտենաներ համապատասխանաբար ունեն 180° և 120° ուղղորդվածության սեկտորային բացվածք։ GSM բջիջները լինում են տարբեր չափսերի՝ 100 մ-ից մինչև 35 կմ շառավղով։ Տարբերում են համապատասխանաբար

 պիկոբջիջներ՝ մի քանի տասնյակ մետրերի չափսի, որոնք ծածկում են որոշակի տարածք, օրինակ՝ սրճարան, օֆիս, կամ շենքի մուտք, որտեղ մյուս բջիջներ ծածկույթը թույլ է
 միկրոբջիջներ՝ մինչև կիլոմետրերի հասնող շառավղով. սրանք, որպես կանոն, տեղադրվում են շենքերի տանիքներին
 մակրոբջիջներ, որոնք հիմանականում քաղաքից դուրս են լինում և միանգամից ծածկում են մեծ տարածքներ. դա օգնում է կրճատել բազային կայանների քանակը և գումարներ խնայել։

35 կմ սահմանափակումը պայմանավորված չէ բազային կայանի հզորությամբ, այլ պայմանավորված է GSM ստանդարտի առանձնահատկություններով, որոնց համաձայն շարժական կայանից (բջջային հեռախոսից) բազային կայան ճանապարհին ազդանշանը չպիտի ուշանա ավելի քան 232.47 մկվ։ CDMA ցանցերում այս խնդիրը լուծված է և այդ համակարգերում բջջի չափը սահմանափակ չէ։

Կախված տեղանքից և խնդրի դրվածքից բազային կայանի վրա տեղադրում են տարբեր անտենաներ։ Օրինակ՝ քաղաքի սահմաններից դուրս, որտեղ ռադիոծածկույթը առաջին հերթին պետք է ապահովել ճանապարհի վրա, օպտիմալ է օգտագործել 2 հակաուղղված ուղղորդված անտենաներ, իսկ քաղաքային տեղանքում հիմնականում օգտագործում են 3 ուղղորդված անտենաներ և շատ հաճախ այդ անտենաները տեղադրվում են ոչ թե մի կետում, այլ օրինակ շենքի տանիքի դեպքում տեղադրվում են տանիքի տարբեր անկյուններում։ Այս անտենաները ունեն ուղղորդվածություն նաև ուղղահայաց հարթության մեջ, որի բացվածքը մեծ չէ։ Այդ պատճառով նրանց տրվում է էլեկտրական կամ մեխանիկական շեղում (տիլտ)։ Չնայած դրան, մեծ բարձրության վրա դրված անտենային մոտ տիրույթներում ընդունվող ազդանշանի հզորությունը շատ փոքր է ստացվում։

Բազմակի մուտքի հնարավորության ժամանակային և հաճախային բաժանում 
GSM ստանդարտի ցանցերում շատ բաժանորդներ միաժամանակ սպասարկելու և սպեկտրալ էֆֆեկտիվություն ապահովելու նպատակով իրականացվում է բազմակի մուտքի հնարավորություն ժամանակային տարանջատում (Time Division Multiple Access – TDMA), որը թույլ է տալիս «կիսվել» հաճախային կապուղով 8 բաժանորդների հետ՝ բաժանելով այդ կապուղին 8 թայմսլոթերի (timeslot)։ TDMA-ն տարբերվում է ժամանակային բաժանման այլ մեթոդներից նրանով, որ այստեղ մեկական հաղորդչի և ընդունիչի փոխարեն օգտագործվում են շատ հաղորդիչներ։ Դա արված է այն պատճառով, որ հեռախոսից բազային կայան (uplink) հաղորդման դեպքում կարող են առաջանալ բարդություններ, կապված այն բանի հետ, որ հեռախոսը անընդհատ շարժվում է և կարող է փոխվել ազդանշանի ուշացումը (Timing Advance)։

GSM 900 և GSM 1800 ստանդարտներում առանձնացված են համապատասխանաբար 124 և 374 հաճախային կապուղիներ։ Այդ կապուղիները բաժանվում են բջջային օպերատորների միջև։ Ստորև բերված աղյուսակում ներկայացված են համակարգերի հաճախային կապուղիների համարները և հեռախոսից բազային կայան (uplink) ու բազային կայանից հեռախոս (downlink) ինֆորմացիայի հաղորդման հաճախությունները։ Նշված բոլոր համակարգերում կապուղիների հեռավորությունը 200 ԿՀց է։ Չնայած նրան, որ 200 ԿՀց-ը բավարար է երկու հարևան կայանները տարբերելու համար, այնուամենայնիվ կապուղիների ինտերֆերենցիայից խուսափելու նպատակով բջջային ցանցի հարևան միկրոբջիջների «հեռավորությունը» առնվազն 3 կապուղի է, իսկ իրար ծածկող միկրոբջիջներինը 4 և ավելի։ Նույնիսկ եթե ինչ-ինչ պատճառներով ցանցում երկու տարբեր միկրոբջիջներ ունեն նույն հաճախությունը, միևնույն է, բջջային հեռախոսը կարողանում է տարբերել դրանք՝ խուսափելով կապի խափանումներից։ Դա արվում է բազային կայանին տեղադրման ժամանակ տրված BSIC (Base Station Identity Code) կոչվող 6 բիթ երկարությամբ արժեքով։

Աշխատանքի սկզբունքը, բջջի ընտրությունը և վերընտրությունը 

Բջջային ցանցերում բաժանորդները շատ հաճախ տեղափոխվում են և անհրաժեշտ է, որպեսզի ակտիվ զանգը չընդհատվի նույնիսկ այն դեպքում, երբ բաժանորդը մի երկրից մյուսն է անցնում՝ փոխելով սպասարկող բջջային օպերատորին։ Այս պայմանը երկրորդ սերնդի (2G) ցանցերի հիմնական առավելություններից է իրենց նախորդների նկատմամբ և GSM ստանդարտում իրականացվում է հետևյալ կերպ։ Բջջային հեռախոսը առնվազն յուրաքանչյուր 5 վայրկյանը մեկ ստուգում և չափում է ընդունվող բոլոր ազդանշանների հզորությունները, հաճախությունները, բազային կայանին միանալու թույլատրության առկայությունը ու հաշվում է բջջի ընտրության C1 (Cell Selection Criterion) և բջջի վերընտրության C2 (Cell Reselection Criterion) չափորոշիչները։ Այնուհետև կազմվում է հնարավոր սպասարկող հաճախային կապուղիների ցուցակ, որում պահվում են այդ կապուղիների ազդանշանների հզորությունները և C1, C2 չափորոշիչները։ 
RX հզորության չափման միավորը dBm է։ C1 և C2 պարամետրերը հաշվվում են հետևյալ բանաձևերով։

C1 = RX_LEV - RXLEV_ACCESS_MIN - MAX(MS_TXPWR_MAX_CCH - MS_PWR_MAX, 0)

Այստեղ RX_LEV-ը ընդունվող ազդանշանի հզորությունն է, RXLEV_ACCESS_MIN-ը ընդունվող ազդանշանի հզորության այն շեմն է, որից թույլ ազդանշանի դեպքում հեռախոսը ցանցում աշխատելու թույլատրություն չի ստանում (GSM 900 ստանդարտի ցանցերում այս մեծությունը հիմնականում -104 կամ -106 dBm է, իսկ GSM 1800 ցանցերում՝ -96 dBm), MS_TXPWR_MAX_CCH-ը այն մաքսիմալ հզորությունն է, որը հեռախոսը կարող է օգտագործել ցանցին միանալու համար (այն հիմնականում 0 է), իսկ MS_PWR_MAX-ը հեռախոսի մաքսիմալ ելքային հզորությունն է (այն նույնպես հիմնականում 0 է)։ Քանի որ C1-ի արտահայտության երրորդ գումարելին հիմնականում 0 է, բանաձևը ստանում է ավելի պարզ տեսք
C1 = RX_LEV - RXLEV_ACCESS_MIN
և C1-ը ցույց է տալիս թե քանի bBm-ով է ընդունվող ազդանշանը հզոր թույլատրելի մինիմումից։

C2 = C1 + CELL_RESELECT_OFFSET – TEMPORARY_OFFSET * σ (PENALTY_TIME - T)

Այստեղ CELL_RESELECT_OFFSET-ը յուրաքանչյուր բջջին տրվող դրական կամ բացասական շեղումն է, որն այդ բջջին դարձնում է ավելի «գրավիչ» կամ հակառակը. դա պետք է ծանրաբեռնված բջիջների թեթևացման համար և ոչ միայն։ Այս պարամետրը տրվում է բջջին նախապես, իսկ մեծությունը (0-ից 126 dBm, 2 dBm քայլով) որոշվում է սպասվող ծանրաբեռնվածությունից կախված։ Երբ բջիջը դրվում է հզոր կայանների ցուցակի մեջ, կարող է սկսել աշխատել վայրկյանաչափը, որը զրոյանում է PENALTY_TIME (20-ից 240 վայրկյան, 20 վայրկյան քայլով) ժամանակ անցնելուց հետո։ Վայրկյանաչափի աշխատելու ընթացքում C2-ին տրվում է TEMPORARY_OFFSET (0-ից 70 dBm, 1 dBm քայլով) ժամանակավոր բացասական շեղում. սա կանխում է հեռախոսի կողմից հաճախակի բջիջ փոխելը արագ տեղափոխման դեպքում։ σ-ն միավոր թռիչքի աստիճանաձև ֆունկցիա է։

Բջջային հեռախոսը սպասարկող բջիջը փոխելու (և ոչ թե ընտրելու) որոշումը կայացնում է ոչ թե ըստ հզորությունների, այլ ըստ C2 պարամետրերի։

Կապի խափանման օրինակներ գերազանց ռադիոծածկույթի առկայության դեպքում 
Վերոնշյալ բոլոր միջոցառումները մշակված են կայուն և որակով կապ ապահովելու նպատակով, սակայն կան գործոններ, որոնց պատճառով կապը պարզապես կորում է։ Հնարավոր տարբերակների բազմազանությունը հաշվի առնելով, կսահմանափակվենք երկու օրինակով և դրանց բացատրություններով։

Շատերիս հետ կարող է պատահած լինել հետևյալը։ Բաժանորդը, օրինակ Սևանա լճի ափին, ունենալով ընդունվող ազդանշանի մեծ հզորություն (ժողովրդի լեզվով ասված «լրիվ անտենա»), անհասենելի է ուրիշների համար, կամ չի կարողանում ոչ մի զանգ իրականացնել։ Այս դեպքում ազդանշանը իրոք բավական հզոր է, բայց կապի խափանման պատճառը այն է, որ որպես սպասարկող կայան ընտրված է հեռախոսից 35 կմ-ից հեռու գտնվող կայան։ Շնորհիվ լճի հարթ հաղորդիչ մակերևույթի ազդանշանը մեծ հզորությամբ է ընդունվում, բայց ազդանշանի ժամանակային ուշացումը գերազանցել է GSM ստանդարտի ուշացման թույլատրելի նորման։

Հետևյալ դեպքը նույնպես հաճախ հանդիպող է։ Բաժանորդը գտնվելով համերգի, հանրահավաքի կամ ցանկացած այլ վայրում (օրինակ՝ բուհ, մարզադաշտ և այլն), որտեղ կան շատ բաժանորդներ, ունի ընդունվող ազդանշանի մեծ հզորություն։ Չնայած դրան, ինչպես և նախորդ դեպքում, բաժանորդը մյուսների համար անհասանելի է և ինքն էլ չի կարողանում զանգ կատարել։ Սա բացատրվում է նրանով, որ պարզապես չկան ազատ կապուղիներ, իսկ սիգնալային կապուղիների զբաղեցվածության դեպքում զանգը կընդհատվի անմիջապես, զանգի կոճակը սեղմելու հետ միաժամանակ։

Աղբյուրներ

Արտաքին հղումներ 

 GSM Association (Ջի–Էս–Էմ Ասոցիացիա)՝ GSM օպերատորների ներկայացնող խումբ (պաշտոնական կայք)  GSM Association
 3GPP - Ներկայում GSM–ը ստանդարտացնող մարմին, ստանդարտները հասանելի են անվճար

Բջջային կապ