Početkom 80-ih godina analogni mobilni telefonski sistemi su doživjeli veliki porast u Europi, a pogotovo u skandinavskim zemljama, Velikoj Britaniji, a i u Francuskoj i Njemačkoj. Svaka zemlja je razvila svoj sistem, nekompatibilan sa ostalima, što je ograničilo komunikaciju samo na razinu države. Konferencija Europskih Pošta i Telegrafa (CEPT) je 1982. formirala skupinu Groupe Special Mobile (GSM) čiji zadatak je bio osnovati kvalitetni jeftini mobilni sistem. 1989. godine GSM je odgovornost prenio na Institut Europskih Telekomunikacijskih Standarda (ETSI), a uskoro je objavljen i prvi dio GSM specifikacija. GSM izvođači su odabrali digitalni sistem jer su vjerovali u prednosti kompresije algoritama i procesora digitalnih signala.

1. Mobilna stanica

Sastoji se od mobilne opreme i identifikacijske SIM (Subscriber Identity Module) kartice. SIM omogućuje mobilnost, pa korisnik nije vezan samo za određeni mobilni uređaj, nego SIM može ubaciti u bilo koji uređaj. Svaki SIM sadrži tajni kod koji služi za njegovu identifikaciju.

2. Bazna stanica

Bazna stanica se sastoji od komunikacijskog i kontrolnog dijela. Komunikacijski dio definira ćelije i barata protokolima za radio-vezu s mobilnim stanicama. U većim naseljima potreban je veći broj komunikacijskih stanica, pa je bitno da su što pouzdanije, prenosnije i jeftinije. Kontrolni dio podešava radio-kanale, izmjenjuje frekvencije i obavlja “handover”, pa predstavlja vezu između mobilne stanice i MSC-a.

Središnja komponenta mrežnog podsistema je MSC koji osim preklapanja osigurava i dodatne funkcije kao što su registracija, provjera autentičnosti, lociranje, handover,… MSC omogućuje i veze sa fiksnim mrežama poput ISDN-a i PSTN-a. Sve administrativne informacije o svakom pretplatniku registriranom na određenoj GSM mreži, zajedno sa trenutnom lokacijom mobilne stanice, sadržane su u Home Location registru (HLR). Za omogućavanje preusmjeravanja poziva postoji i Visitor Location registar (VLR) koji sadrži određene administrativne podatke iz HLR-a potrebne za kontrolu poziva. Uz njih postoji i Equipment Identity registar (EIR) koji sadrži popis svih ispravnih mobilnih uređaja na mreži, a u kategoriju neispravnih uređaja spadaju i ukradeni. Postoji i zaštićena baza podataka pod nazivom Authentication Center (AuC) koja sadrži kopije tajnih kodova iz svake pojedine SIM kartice od svakog pretplatnika, koje su korištene za provjeru autentičnosti i za enkripciju radio-kanala.

Međunarodna Telekomunikacijska Udruga (International Telecommunication Unit – ITU) je rezervirala frekvencijski pojas 890-915 MHz za vezu od mobilne do bazne stanice (uplink), a pojas 935-960 MHz za vezu od bazne do mobilne stanice (downlink) za Europu.

Da bi se pojas podijelio na što više istovremenih veza, koristi se kombinacija vremenskog i frekvencijskog multipleksa. Frekvencijski multipleks uključuje dijeljenje frekvencijskog pojasa od maksimalno 25 MHz na 124 frekvencije nosioca međusobno udaljene 200 kHz. Jedan ili više nosioca dodijeljeni su svakoj baznoj stanici. Zatim se svaka od tih frekvencija nosioca podijeli u vremenu gdje je osnovna vremenska jedinica 0.577ms (burst period), a 8 tih jedinica predstavljaju frame (4.615ms) koji čini osnovnu jedinicu za definiciju logičkih kanala. Jedan fizički kanal je jedan burst po frame-u. Kanali se definiraju brojem i pozicijom odgovarajućih burst perioda, a definicije su ciklične i uzorci se ponavljaju svakih 3 sata. Kanali mogu biti “posvećeni” – dodijeljeni su mobilnoj stanici, ili opći – mobilne stanice ih koriste u stanju mirovanja. Kanal za promet se koristi za prijenos govora i podataka, a definirani su grupom od 26 frame-ova u trajanju od 120ms. 24 od tih 26 frame-ova se koriste za promet, jedan je Slow Associated Control Channel, a jedan se trenutno ne koristi. Kanali za uplink i downlink su međusobno odvojeni sa 3 burst perioda, pa mobilna stanica ne mora istovremeno odašiljati i primati signal, što pojednostavljuje elektroniku. Opći kanali se u stanju mirovanja koriste za izmjenu informacija potrebnih za prijelaz u “posvećeni” kanal. Mobilne stanice koje već jesu u “posvećenom” kanalu nadgledaju okolne bazne stanice za “handover” i druge informacije. Opći kanali su definirani sa 51 frame-om, pa “posvećene” mobilne stanice koje koriste 26 frame-ova mogu i dalje nadgledati kontrolne kanale, koji su:

Random Access Channel – za zahtjev pristupa mreži

1. normalni burst – za prijenos podataka i većine signala, a sastoji se od 2 niza od 57 bitova za informacije, od 1 niza od 26 bitova koji služe za “equalization”, od 1 dodatnog bita za svaki informacijski blok, od 3 završna bita na svakom kraju i od 8.25 bita kao zaštitna sekvenca, što zajedno čini niz od 156.25 bita
2. F burst i S burst – imaju istu dužinu kao i normalni burst, ali drugačiju internu strukturu

Postoji i Access burst koji je kraći od normalnog, a koristi se kod Random Access kanala.

Budući da je GSM digitalni sistem, govor se, kao analogni signal, mora digitalizirati i to se na telefonskim sistemima obavlja pulsno kodiranom modulacijom (PCM). Budući da je izlaz na 64kbps, što je previsoko za radio-vezu, odlučeno je da se koristi drugi način kodiranja koji koristi prethodne uzorke, koji se ne mijenjaju brzo, za predviđanje trenutnih uzoraka. Govor je podijeljen u uzorke od 20ms od kojih je svaki kodiran kao 260 bitova, što daje brzinu od 13kbps i to je tzv. Full-Rate kodiranje govora.

Kodirani govor i podaci odaslani radio-vezama moraju biti zaštićeni od elektromagnetskih smetnji. Za blokove koji se sastoje od govora koristi se slijedeće razmatranje:

Od 260 bitova koliko ih ima u uzorku od 20ms otkriveno je da su neki značajniji za kvalitetu govora od drugih, pa postoji podjela u 3 klase. Klasa Ia (50 bitova) je najosjetljivija na pogrešku i ima dodana 3 CRC (Cyclic Redundancy Check) bita za detekciju greške, pa ako je greška nastupila, frame je odbačen i zamijenjen za zadnjim ispravnim frame-om. Tih 53 bita zajedno sa klasom Ib (132 bita), koja je umjereno osjetljiva na smetnje, i dodatnih 4 bita na kraju sekvence, čine ulaz u konvolucijski koder. Svaki ulazni bit je kodiran kao dva izlazna bita, bazirana na kombinaciji prethodna 4 ulazna bita. Tako je izlaz iz tog kodera niz od 378 bitova i njima se pridodaje klasa II (78 bitova) koja je najmanje osjetljiva na smetnje i nije zaštićena. Time se dobiva tok od 456 kodiranih bitova svakih 20ms što čini brzinu od 22.8kbps.

Pri 900 MHz radio-valovi se odbijaju od praktički svega (zgrade, auta, aviona,…), pa tako do antene mogu stići svi ti odbijeni signali sa različitim fazama. Zato se koristi “equalization” u svrhu odvajanja željenog signala od neželjenih odbijenih signala. Postupak odvajanja se sastoji od toga da se prvo nađe na koji se način neki poznati signal promijenio na svom putu, pa se koristi inverzni filtar za prigušenje ostatka signala. Taj poznati signal je zapravo 26-bitna sekvenca poslana usred svakog burst-a.

Mobilna stanica mora biti sposobna da se prebacuje s jednog frekvencijskog područja na kojoj odašilje na drugo frekvencijsko područje na kojem prima signale i sl. Algoritam promjena frekvencije se odašilje na Broadcast Control kanalu.

Minimiziranje međudjelovanja susjednih kanala je cilj u svakom ćelijskom sistemu jer omogućuje bolju uslugu pri zadanoj veličini ćelije, odnosno upotrebu manjih ćelija čime se povećava ukupni kapacitet sistema. Nekontinuirani prijenos je metoda koja koristi činjenicu da osoba govori manje od 40% ukupnog trajanja konverzacije, pa se isključenjem odašiljačke jedinice za vrijeme tišine štedi energija mobilne jedinice. Očito je da je pri tome najvažnije dobro prepoznati glas i razlikovati ga od smetnje i zvukova u pozadini. Budući da je GSM digitalni sistem, za vrijeme isključenja na prijemnoj strani bi bila apsolutna tišina, pa se ipak umjetno stvara i odašilje određeni nivo buke kako osoba na prijemnoj strani ne bi pomislila da je došlo do prekida veze.

To je još jedan način uštede energije, a sastoji se od toga da se mobilna stanica skoro potpuno isključi između 2 poziva i samo za buduće pozive nadzire svoj podkanal.

Postoji 5 skupina mobilnih stanica ovisno o snazi odašiljanja, I to: 20, 8, 5, 2 i 0.8 W. Da se energija uštedi i da se minimizira međudjelovanje između pojedinih kanala, i mobilna i bazna stanica rade na najnižem potrebnom nivou energije za zahtjevanu kvalitetu signala. Mobilna stanica mjeri jačinu signala i njegovu kvalitetu (iz podatka o broju pogrešno primljenih bitova), pa javlja te informacije baznoj stanici koja odlučuje da li i kada će doći do promjene u nivou energije odašiljanja.

Budući da se GSM mreža širi internacionalno, potrebna je standardizacija prijava, provjera autentičnosti, preusmjeravanja poziva i.t.d. Također je potreban “handover” mehanizam budući da su zemljopisna područja pokrivena mrežom podijeljena u ćelije, a čime se bavi signalizirajući protokol. On je podijeljen u 3 sloja: 1. sloj je fizički i koristi strukturu kanala, 2. sloj služi za prijenos podataka, a 3. se sastoji od 3 podsloja:

a) Radio Resources Management – kontrolira podešenja, održavanje i prekid radio i fiksnih kanala, a ujedno i kontrolu energije i nekontinuirani prijenos. Ovdje spada i “handover” što je zapravo prebacivanje razgovora u toku, na neki drugi kanal ili ćeliju i dijeli se u 4 grupe: promjena kanala u istoj ćeliji, promjena ćelija pod kontrolom iste bazne stanice, promjena ćelija pod kontrolom različitih baznih stanica, ali pod istim Switching centrom i promjena ćelija pod kontrolom različitih Switching centara. Prva 2 načina su interna, a druga 2 eksterna. “Handover” može biti iniciran ili od strane mobilne stanice, ili od strane Switching centra. Za vrijeme čekanja, mobilna stanica preko Broadcast Control kanala provjerava 16 susjednih ćelija i formira popis od 6 najboljih kandidata za mogući “handover”, ovisno o jačini primljenog signala. Postoje 2 osnovna algoritma za određivanje pravog trenutka za “handover”: prvi daje prednost kontroli energije pred “handover”-om , pa kad oslabi do određene razine, nivo snage mobilne stanice je povećan i ako to ne popravi signal, prelazi se na “handover”; drugi algoritam popravlja nivo signala “handover”-om radije nego povećanjem nivoa snage.

b) Mobility Management – ažurira podatke o lokaciji, registracijama, a zadužen je i za zaštitu i provjeru autentičnosti. Podaci o lokaciji koriste Home i Visitor Location registre, pa kad se mobilna stanica premjesti u drugo područje, mreža to mora registrirati i taj podatak obično ide preko novog Visitor Location registra koji sadrži informaciju o novom području i šalje je do pretplatnikovog Home Location registra. Uz to je vezano i priključenje/odvajanje identifikacijskog tajnog koda sa SIM kartice, koji kada je odvojen mreži govori da je mobilna stanica nedostupna, pa nije potrebno uzaludno alociranje kanala i slanje “paging” poruka. Provjera autentičnosti je bitna u radio-komunikacijama jer su one dostupne svima. Sastoji se od SIM kartice koja sadrži tajni kod i Authentication Center-a (AuC) koji sadrži kopiju tog koda, pa za vrijeme provjere AuC generira slučajni broj i pošalje ga mobilnoj stanici. Tada i AuC i mobilna stanica primjene tzv. A3 algoritam na taj slučajni broj i tajni kod, pa rezultat mobilna stanica šalje AuC-u i ako se brojevi poklope, autentičnost je potvrđena. Još jedna razina sigurnosti postoji na samoj mobilnoj opremi time što svaka oprema sadrži Identification Mobile Equipment Identity broj, a popis tih brojeva postoji Equipment Identity registru. Ovisno o odzivu na zahtjev o tom broju, može se dobiti jedan od slijedećih statusa: bijeli – opremi je dopušten pristup mreži; sivi – oprema je pod nadgledom mreže zbog mogućih problema; crni – oprema je ukradena ili nije prikladna za mrežu, pa pristup mreži nije dopušten.

c) Connection Management – općenito za kontrolu poziva i njegovo preusmjeravanje.