Global System for Mobile Communications

Il Global System for Mobile Communications (GSM) è attualmente lo standard di telefonia mobile più diffuso del mondo. Più di 1 miliardo di persone in 200 paesi usano telefoni cellulari GSM. La diffusione universale dello standard GSM ha fatto sì che la maggior parte degli operatori internazionali di telefonia mobile stipulassero fra di loro accordi per l'effettuazione del cosiddetto roaming (commutazione automatica fra diverse reti). La tecnologia alla base del GSM è significativamente diversa da quelle che la hanno preceduta, soprattutto per il fatto che sia il canale di identificazione che quello di conversazione sono digitali. Per questo motivo il nuovo standard è stato lanciato sul mercato come sistema di telefonia mobile di seconda generazione o, più sinteticamente 2G. Questa caratteristica di base significa che la possibilità di scambiare dati, oltre che conversazioni, è già stata implementata fin dall'inizio dello sviluppo del nuovo sistema. Il GSM è uno standard aperto sviluppato dal consorzio 3GPP

Il maggior punto di forza del sistema GSM è stata la possibilità, da parte degli utenti, di accedere a tutta una serie di nuovi servizi a costi molto contenuti. Ad esempio lo scambio di messaggi testuali (SMS) è stato sviluppato per la prima volta in assoluto in ambito GSM. Uno dei principali vantaggi per gli operatori è stato, invece, la possibilità di acquistare infrastrutture ed attrezzature a costi resi bassi dalla concorrenza fra i produttori. Per contro, una delle limitazioni più serie è derivata dal fatto che le reti GSM impiegano la tecnologia TDMA, considerata meno avanzata ed efficiente rispetto alla concorrente tecnologia CDMA. Le prestazioni effettivamente riscontrate sul campo, tuttavia, non sono molto diverse.

Pur essendo lo standard in costante evoluzione, i sistemi GSM hanno sempre mantenuto la piena compatibilità con le precedenti versioni. Una novità particolarmente significativa è stata introdotta con la versione 97 (GPRS e pacchettizzazione dei dati). La velocità di trasmissione è stata aumentata previa implementazione di un nuovo tipo di modulazione del segnale (EDGE).

Servizi possibili con la rete GSM
Il servizio principale della rete GSM è chiaramente la comunicazione voce. Con il tempo però sono stati implementati altri servizi importanti quali gli SMS e la comunicazione dati. Attualmente con le tecnologie GPRS/EDGE è possibile effettuare traffico a commutazione a pacchetto ed utilizzare quindi un terminale GSM-GPRS/EDGE come modem per navigare sulla rete internet, scambiare file e immagini.

Negli ultimi anni lo standard GSM è stato esteso introducendo il protocollo di comunicazione ASCI o GSM-R. Tale protocollo di comunicazione è utilizzato soprattutto in ambito ferroviario e di protezione civile e permette di utilizzare particolari cellulari GSM come walky talky.

A partire dal 2006 la rete GSM permette di utilizzare il protocollo Dual Transfer Mode (DTM): un altro aspetto innovativo della rete GSM che la rende sempre più vicina a quella UMTS. Con il DTM un cellulare può contemporaneamente chiamare e trasmettere dati pacchetto. Il terminale DTM è quindi molto simile ad un modem ADSL che permette di navigare in internet e di effettuare contemporaneamente telefonate. Questa nuova tecnologia rende tra l'altro possibile effettuare la videochiamata su rete GSM permettendo agli operatori telefonici di fornire servizi di terza generazione senza dover necessariamente migrare in toto sulla rete UMTS.

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Interfaccia trasmissiva
Per la comunicazione fra stazioni radio base il GSM utilizza la tecnologia TDMA (acronimo di Time Division Multiple Access, basata su una coppia di canali radio in duplex, con frequency hopping fra i canali (letteralmente saltellamento di frequenza, tecnologia che consente a più utenti di condividere lo stesso set di frequenze cambiando automaticamente la frequenza di trasmissione fino a 1600 volte al secondo). SDMA e FDMA sono altre due tecnologie usate. La funzione di modulazione si basa su una versione modificata dell'algoritmo detto Gaussian shift-key modulation (modulazione a spostamento di fase). Questo tipo di modulazione consente di ridurre il consumo delle batterie perché codifica le informazioni variando la frequenza della portante, anziché la sua ampiezza, come avviene in altri tipi di modulazione. Ciò consente agli amplificatori di segnale di essere pilotati a potenza maggiore senza causare distorsioni del segnale, realizzando così quella che si definisce una buona power efficiency. Tuttavia il risultato finale è che ciascun utente occupa una larghezza di banda più ampia, e che quindi, a parità di numero di utenti, è necessario uno spettro di frequenze più largo rispetto a quello necessario quando si impiegano altri tipi di modulazione (bassa spectral efficiency).

Le reti GSM lavorano in diversi range di frequenza, e sono composte da un insieme di celle radio di varie dimensioni. Essenzialmente esistono 4 tipi di cella:

macro; 
micro; 
pico; 
celle a ombrello. 
La copertura radio ottenibile con ciascun tipo di cella varia in funzione della situazione ambientale circostante. Nelle macro-celle l'antenna della stazione radio base è installata su un palo, o su una struttura, posti sul tetto di un edificio, mentre nelle micro-celle l'antenna è installata ad un livello più basso, situazione tipica delle aree urbane ad alta densità abitativa. Le pico-celle hanno dimensioni limitate, dell'ordine di poche dozzine di metri, e sono di solito usate in ambienti chiusi, mentre le celle ad ombrello sono usate per assicurare la copertura di zone lasciate scoperte da celle più piccole, o nei gap fra una cella e l'altra. Le antenne di queste celle sono di solito installate sulla sommità degli edifici più alti, o su altre strutture molto elevate.

Le dimensioni delle celle variano, in funzione dell'altezza dell'antenna, del guadagno dell'antenna stessa e delle condizioni di propagazione delle onde radio, da un minimo di circa 200 metri ad un massimo di parecchie decine di chilometri. La massima distanza fra due stazioni radio-base è praticamente di 35 km, sebbene le specifiche del sistema GSM prevedano distanze anche più che doppie. Il limite all'aumento della distanza è dato dalla difficoltà di centrare il cosiddetto timeslot overlap (dove il timeslot è il tempo allocato per ciascuna chiamata) quando il terminale si trova a grande distanza dalla stazione radio-base.

Il GSM, come sopra accennato, supporta anche le chiamate in ambienti chiusi. La copertura in ambienti interni può essere realizzata mediante piccoli ripetitori che inviano il segnale dall'antenna esterna ad un'antenna interna separata. Quando tutta la capacità, in termini di connessioni, deve essere concentrata in un unico ambiente al coperto, come ad esempio in centri commerciali, aeroporti, ecc., si adotta solitamente la soluzione di un'antenna ricevente installata direttamente all'interno dell'edificio. In aree urbane densamente popolate la copertura radio all'interno degli edifici è assicurata dalla penetrazione del segnale radio, senza la necessità di installare ricevitori interni.

Le frequenze usate dalla rete GSM sono 850, 900, 1800, 1900 MHz e variano a seconda degli stati in cui la rete stessa è installata. Tipicamente nelle nazioni europee si utilizzano le frequenza 900/1800 MHz, mentre negli Stati Uniti le frequenze 850/1900 MHz. La molteplicità delle portanti usabili e l'evoluzione dei sistemi di trasmissione hanno fatto in modo che le celle possano presentare configurazioni multifrequenza (dual band)

Struttura della rete

 

Struttura di una rete GSM

La struttura della rete che supporta il sistema GSM è vasta e complicata, perché deve essere in grado di fornire agli utenti tutta una serie di servizi e funzionalità. I componenti essenziali sono:

1. Mobile Stations: sono i terminali mobili a cui è destinato ogni servizio della rete.
2. Access Network: la rete d'accesso è di fatto il cuore dell'infrastuttura della rete cellulare ed implementa la comunicazione tra il terminale mobile e la rete telefonica fissa. In particolare comprende la BTS (Base Transceiver Station) che è l'interfaccia radio con i terminali mobili ed il BSC (Base Station Controller) che rappresenta il "cervello" della rete GSM, governando tutti gli aspetti del protocollo GSM e gestendo la comunicazione tra interfaccia radio e rete fissa.
3. Core Network: è l'interfaccia della rete fissa verso la rete cellulare. I due elementi fondamentali sono l'MSC (interfaccia per gli aspetti legati alla commutazione di circuito - chiamate voce) e l'SGSN (l'interfaccia per gli aspetti legati alla commutazione di pacchetto - chiamate dati)

Modulo di identificazione utente (SIM card)

 

SIM card di un telefono GSM

Uno dei componenti più importanti e distintivi del sistema GSM è la cosiddetta SIM, acronimo di Subscriber Identity Module, detta anche sim card. La SIM card è una scheda di memoria estraibile su cui sono memorizzati i dati descrittivi dell'abbonato, compreso il numero di telefono. Trasferendo la SIM card da un telefono all'altro è possibile mantenere tutte le informazioni relative all'abbonamento. Inoltre l'abbonato può anche cambiare operatore, mantenendo lo stesso telefono, semplicemente cambiando SIM card. Alcuni operatori, per contro, inibiscono questa funzionalità, e consentono l'uso di una sola SIM card su ogni terminale (a volte quella emessa da loro stessi): questa pratica, illegale in alcuni paesi, è chiamata SIM locking. Negli USA la maggior parte degli operatori, bloccano i terminali da loro venduti. Il motivo risiede nel fatto che il prezzo del terminale è in gran parte sovvenzionato dai profitti dell'abbonamento, e quindi gli operatori cercano di evitare di favorire i concorrenti in caso di migrazione. Gli abbonati hanno il diritto di chiedere di rimuovere il blocco dietro pagamento di una tariffa (cosa che a volte gli operatori fingono di ignorare), o utilizzare altri mezzi privati per rimuovere il blocco, come il download da internet di appositi software. Alcuni operatori USA, come ad esempio la T-Mobile, rimuovono gratuitamente il blocco se l'abbonato ha depositato una cauzione per un certo periodo. Nella maggior parte dei paesi la rimozione del blocco non è considerata illegale.

Sicurezza
Le specifiche di progetto iniziali del GSM prevedevano un livello di sicurezza relativamente basso, utilizzando un sistema di crittografia parzialmente condiviso per autenticare l'utente. La comunicazione fra l'utente e la stazione radio-base può essere a sua volta crittografata. Diversi algoritmi di crittografia sono usati in alternativa.

I cosidetti algoritmi A5/1 e A5/2 stream cipher proteggono la comunicazione fra telefono e stazione radio base. La comunicazione fra stazione radio base e resto della rete non è protetta.

L'A5/1 è un algoritmo che garantisce un maggior livello di protezione, ed è quello usato prevalentemente in Europa, mentre l'A5/2, usato in molti altri paesi, permette un minor livello di protezione. Comunque entrambi i sistemi di crittografia si sono rivelati vulnerabili, tanto che sono stati previsti meccanismi automatici di cambio dell'algoritmo in caso di necessità.

Nel 2002 il gruppo SAGE (Security Algorithms Group of Experts) dell'ETSI ha sviluppato un nuovo algoritmo di stream cipher denominato A5/3 che ad oggi non risulta essere stato violato.

Nel dicembre 2004 il 3GPP, per risolvere i gravi problemi di sicurezza derivanti dalla presenza dell'algoritmo A5/2 all'interno dei telefoni, ha deciso che i telefoni GSM di Release 6 non supporteranno più quest'algoritmo. Un telefono di Release 6 supporterà gli algoritmi A5/1, A5/3 e la non cifratura, denominata anche A5/0.