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 stata sviluppata 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 e performante 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).
Cenni storici
L'origine dell'acronimo GSM deriva dal nome del gruppo francese che ne ha iniziato lo sviluppo (Groupe Spécial Mobile). In seguito si decise di mantenere la stessa sigla, cambiandone però il significato. In origine il gruppo francese fu sponsorizzato dal CEPT. Le specifiche di base del GSM furono definite nel 1987. Nel 1989 l'ETSI assunse il controllo del progetto, e ne pubblicò le specifiche complete in un volume di 6.000 pagine. La prima rete commerciale funzionante è stata la finlandese Radiolinja.
Nel 1998 fu creato il consorzio 3GPP (3rd Generation Partnership Project), con lo scopo iniziale di definire le specifiche tecniche dei dispositivi mobili di terza generazione (vedi articolo UMTS). Di fatto il 3GPP si sta occupando anche della manutenzione e dello sviluppo delle specifiche GSM. ETSI è uno dei partner del consorzio 3GPP.
Mercato, situazione e prospettive
Il GSM è di gran lunga il sistema di telefonia mobile più diffuso al mondo, con una quota di mercato del 70%. Il suo principale concorrente, il sistema CDMA2000, è usato soprattutto negli Stati Uniti, e se ne prevede una lenta diffusione anche in altri paesi come tecnologia di transizione verso lo standard 3G, soprattutto se la tecnologia WCDMA non si rivelerà del tutto soddisfacente. Nel momento in cui i sistemi WCDMA cominceranno ad affermarsi, a partire dalle zone ad alta densità di insediamento, il ritmo di espansione del GSM potrebbe rallentare. Comunque non si prevede che ciò avvenga nell'immediato futuro.
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, anzichè 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 nell 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 a un massimo di parecchie decine di kilometri. 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 al 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.
Struttura della rete
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. Le parti componenti sono essenzialmente:
- le stazioni radio base ed i relativi apparati di alimentazione e controllo;
- i sottosistemi di commutazione, la parte della rete GSM che ha più somiglianze con la rete di telefonia fissa. Viene a volte chiamata core network.
- la rete GPRS. Opzionale. Quando presente consente lo scambio di dati pacchettizzati per le connessioni internet.
- la combinazione di tutti questi elementi del sistema consente di erogare agli utenti i vari servizi GSM (chiamate vocali, scambio di SMS, ecc)
Modulo di identificazione utente (SIM card)
Uno dei componenti più importanti e distintivi del sistema GSM è la cosidetta 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 sono applicati per proteggere le comunicazione in voce. L' A5/1 è un algoritmo che garantisce un maggior livello di protezione, ed è quello usato prevalentamente 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.