GSM - GSM

GSM
Stowarzyszenie GSM
Przemysł telekomunikacja
Założony grudzień 1991
Następca 3G Edytuj to na Wikidanych
Siedziba Finlandia
Obsługiwany obszar
Na calym swiecie
Produkty cyfrowe sieci komórkowe
Strona internetowa www .gsma .com

Logo GSM służy do identyfikacji kompatybilnych urządzeń i sprzętu. Kropki symbolizują trzech klientów w sieci domowej i jednego klienta roamingowego.

Global System for Mobile Communications ( GSM ) jest standardem opracowanym przez Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych (ETSI), aby opisać protokoły drugiej generacji ( 2G ) cyfrowe sieci komórkowe wykorzystywane przez urządzenia mobilne, takie jak telefony komórkowe i tablety. Po raz pierwszy wdrożono go w Finlandii w grudniu 1991 roku. W połowie 2010 roku stał się światowym standardem komunikacji mobilnej, osiągając ponad 90% udział w rynku i działając w ponad 193 krajach i terytoriach.

Sieci 2G opracowane jako zamienniki analogowych sieci komórkowych pierwszej generacji ( 1G ). Standard GSM pierwotnie opisywał cyfrową sieć z komutacją obwodów, zoptymalizowaną pod kątem telefonii głosowej w pełnym dupleksie . Z czasem rozszerzyło się to o transmisję danych, najpierw przez transport z komutacją obwodów , a następnie przez transport danych pakietowych za pośrednictwem General Packet Radio Service (GPRS) oraz Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE).

Następnie 3GPP opracowało standardy UMTS trzeciej generacji ( 3G ) , a następnie czwartej generacji ( 4G ) LTE Advanced i piątej generacji standardy 5G , które nie stanowią części standardu ETSI GSM.

„GSM” to znak towarowy należący do Stowarzyszenia GSM . Może również odnosić się do (początkowo) najczęściej używanego kodeka głosowego, Full Rate .

W wyniku powszechnego wykorzystania sieci w całej Europie skrót „GSM” był krótko używany jako ogólne określenie telefonów komórkowych we Francji, Holandii i Belgii . Wiele osób w Belgii nadal z niego korzysta. Wielu operatorów (takich jak wersja) wyłączy GSM i CDMA w 2022 roku.

Historia

Wstępny rozwój GSM przez Europejczyków

Pan Dupuis i Pan Haug podczas spotkania GSM w Belgii, kwiecień 1992 r.

W 1983 roku, kiedy Europejska Konferencja Administracji Pocztowych i Telekomunikacyjnych (CEPT) powołała komitet Groupe Spécial Mobile (GSM), a później zapewniła stałą grupę wsparcia technicznego z siedzibą w Paryżu , rozpoczęto prace nad opracowaniem europejskiego standardu dla cyfrowej telefonii komórkowej . Pięć lat później, w 1987 roku, 15 przedstawicieli z 13 krajów europejskich podpisało w Kopenhadze protokół ustaleń w celu opracowania i wdrożenia wspólnego systemu telefonii komórkowej w całej Europie, a przepisy UE zostały przyjęte, aby GSM stał się obowiązkowym standardem. Decyzja o opracowaniu standardu kontynentalnego ostatecznie zaowocowała ujednoliconą, otwartą siecią opartą na standardach, która była większa niż w Stanach Zjednoczonych.

W lutym 1987 roku Europa wyprodukowała pierwszą uzgodnioną specyfikację techniczną GSM. W maju ministrowie z czterech dużych krajów UE umocnili swoje polityczne poparcie dla GSM w deklaracji bońskiej w sprawie globalnych sieci informacyjnych, a we wrześniu przedłożono do podpisu protokół ustaleń GSM . Protokół ustaleń przyciągnął operatorów telefonii komórkowej z całej Europy, którzy zobowiązali się do inwestowania w nowe sieci GSM w ambitnym wspólnym terminie.

W tym krótkim 38-tygodniowym okresie cała Europa (kraje i branże) znalazła się za GSM w rzadkiej jedności i szybkości, którą kierowali czterej urzędnicy państwowi: Armin Silberhorn (Niemcy), Stephen Temple (Wielka Brytania), Philippe Dupuis (Francja). oraz Renzo Failli (Włochy). W 1989 r. komitet Groupe Spécial Mobile został przeniesiony z CEPT do Europejskiego Instytutu Norm Telekomunikacyjnych (ETSI). Organizacja IEEE/RSE przyznała Thomasowi Haugowi i Philippe'owi Dupu medal Jamesa Clerka Maxwella w 2018 r. za ich „lidera w rozwoju pierwszego międzynarodowego standardu komunikacji mobilnej z późniejszą ewolucją w kierunku ogólnoświatowej komunikacji danych w smartfonach”. GSM (2G) przekształcił się w 3G, 4G i 5G.

Pierwsze sieci

Prototypowe telefony GSM z 1991 roku
Prototypowe telefony GSM

Równolegle Francja i Niemcy podpisały w 1984 r. porozumienie o wspólnym rozwoju, a w 1986 r. dołączyły do ​​nich Włochy i Wielka Brytania . W 1986 r. Komisja Europejska zaproponowała zarezerwowanie pasma 900 MHz dla GSM. Były premier Finlandii Harri Holkeri wykonał pierwsze na świecie połączenie GSM 1 lipca 1991 roku, dzwoniąc do Kaariny Suonio (wiceburmistrza miasta Tampere ) za pomocą sieci zbudowanej przez Nokię i Siemensa i obsługiwanej przez Radiolinja . W następnym roku wysłano pierwszą wiadomość SMS lub „wiadomość tekstową”, a Vodafone UK i Telecom Finland podpisały pierwszą umowę o roamingu międzynarodowym .

Ulepszenia

Prace rozpoczęły się w 1991 roku w celu rozszerzenia standardu GSM na pasmo częstotliwości 1800 MHz, a pierwsza sieć 1800 MHz zaczęła działać w Wielkiej Brytanii w 1993 roku, o nazwie DCS 1800. Również w tym samym roku Telecom Australia została pierwszym operatorem sieci, który wdrożył sieć GSM poza Europą i pojawił się pierwszy praktyczny ręczny telefon komórkowy GSM .

W 1995 roku uruchomiono komercyjnie usługi faksowania, przesyłania danych i wiadomości SMS, w Stanach Zjednoczonych uruchomiono pierwszą sieć GSM 1900 MHz, a liczba abonentów GSM na całym świecie przekroczyła 10 milionów. W tym samym roku powstało Stowarzyszenie GSM . Przedpłacone karty SIM GSM zostały wprowadzone na rynek w 1996 roku, a abonenci GSM na całym świecie przekroczyli 100 milionów w 1998 roku.

W 2000 roku uruchomiono pierwsze komercyjne usługi GPRS , a do sprzedaży trafiły pierwsze telefony kompatybilne z GPRS. W 2001 roku uruchomiono pierwszą sieć UMTS (W-CDMA), technologię 3G, która nie jest częścią GSM. Liczba abonentów GSM na całym świecie przekroczyła 500 milionów. W 2002 roku wprowadzono pierwszy Multimedia Messaging Service (MMS) i uruchomiono pierwszą sieć GSM w paśmie częstotliwości 800 MHz. Usługi EDGE po raz pierwszy zaczęły działać w sieci w 2003 roku, a liczba abonentów GSM na całym świecie przekroczyła 1 miliard w 2004 roku.

Do 2005 roku sieci GSM stanowiły ponad 75% światowego rynku sieci komórkowych, obsługując 1,5 miliarda abonentów. W 2005 r. uruchomiono również pierwszą sieć obsługującą HSDPA . Pierwsza sieć HSUPA uruchomiona w 2007 r. (High-Speed ​​Packet Access (HSPA) oraz jej wersje uplink i downlink to technologie 3G, nie będące częścią GSM). Liczba abonentów GSM na całym świecie przekroczyła w 2008 r. trzy miliardy.

Przyjęcie

GSM Association szacuje, że w 2011 roku technologie zdefiniowane w standardzie GSM służył 80% rynku telefonii komórkowej, obejmującą ponad 5 miliardów ludzi w ponad 212 krajach i terytoriach, dzięki czemu GSM najbardziej wszechobecny z wielu standardów dla sieci komórkowych.

GSM to standard drugiej generacji (2G) wykorzystujący dzielenie widma z wielodostępem z podziałem czasu (TDMA), wydany przez Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych (ETSI). Standard GSM nie obejmuje 3G Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), technologii wielodostępu z podziałem kodowym (CDMA) ani standardu technologii wielodostępu z ortogonalnym podziałem częstotliwości 4G LTE (OFDMA) wydanych przez 3GPP.

GSM po raz pierwszy ustanowił wspólny standard w Europie dla sieci bezprzewodowych. Została również przyjęta przez wiele krajów poza Europą. Umożliwiło to abonentom korzystanie z innych sieci GSM, które mają ze sobą umowy roamingowe. Wspólny standard obniżył koszty badań i rozwoju, ponieważ sprzęt i oprogramowanie mogły być sprzedawane tylko z niewielkimi dostosowaniami do lokalnego rynku.

Zaprzestanie

Telstra w Australii wyłączył swoją sieć 2G GSM 1 grudnia 2016 r., jako pierwszy operator sieci komórkowej, który zlikwidował sieć GSM. Drugim operatorem komórkowym, który zamknął swoją sieć GSM (1 stycznia 2017 r.) był AT&T Mobility ze Stanów Zjednoczonych . Optus w Australii zakończył wyłączanie swojej sieci 2G GSM 1 sierpnia 2017 r., część sieci Optus GSM obejmująca Australię Zachodnią i Terytorium Północne została wcześniej zamknięta w kwietniu 2017 r. Singapur całkowicie wyłączył usługi 2G w kwietniu 2017 r. Ostatni GSM Bank online został usunięty w 2020 roku z IES El Puig. Został opracowany w 2018 roku przez pięciu hiszpańskich studentów.

Szczegóły techniczne

Struktura sieci GSM

Struktura sieci

Sieć jest podzielona na kilka odrębnych sekcji:

Podsystem stacji bazowej

Anteny stacji komórkowych GSM w Deutsches Museum , Monachium , Niemcy

GSM wykorzystuje sieć komórkową , co oznacza, że telefony komórkowe łączą się z nią, wyszukując komórki w bezpośrednim sąsiedztwie. W sieci GSM istnieje pięć różnych rozmiarów komórek:

Obszar pokrycia każdej komórki różni się w zależności od środowiska implementacji. Makrokomórki można traktować jako komórki, w których antena stacji bazowej jest zainstalowana na maszcie lub budynku powyżej przeciętnego poziomu dachu. Mikroogniwa to komórki, których wysokość anteny znajduje się poniżej średniego poziomu dachu; są one zazwyczaj rozmieszczane na obszarach miejskich. Picocells to małe komórki, których średnica pokrycia wynosi kilkadziesiąt metrów; są używane głównie w pomieszczeniach. Femtokomórki to komórki przeznaczone do użytku w środowiskach mieszkaniowych lub małych firm i łączące się z siecią dostawcy usług telekomunikacyjnych za pośrednictwem szerokopasmowego połączenia internetowego . Komórki parasolowe służą do przykrywania zacienionych obszarów mniejszych komórek i wypełniania luk w pokryciu między tymi komórkami.

Promień poziomy komórki zmienia się – w zależności od wysokości anteny, zysku anteny i warunków propagacji – od kilkuset metrów do kilkudziesięciu kilometrów. Najdłuższa odległość obsługiwana przez specyfikację GSM w praktyce wynosi 35 kilometrów (22 mil). Istnieje również kilka implementacji koncepcji rozszerzonej komórki, w której promień komórki może być podwojony lub nawet większy, w zależności od systemu antenowego, rodzaju terenu i wyprzedzenia czasowego .

GSM obsługuje zasięg wewnętrzny – osiągalny za pomocą wewnętrznej stacji bazowej Picocell lub wewnętrznego wzmacniacza z rozproszonymi antenami wewnętrznymi zasilanymi przez rozgałęźniki zasilania – w celu dostarczenia sygnałów radiowych z zewnętrznej anteny do oddzielnego wewnętrznego systemu anten rozproszonych. Picocells są zwykle stosowane, gdy wymagana jest znaczna przepustowość połączeń w pomieszczeniach, na przykład w centrach handlowych lub na lotniskach. Nie jest to jednak warunek konieczny, ponieważ pokrycie wewnętrzne jest również zapewniane przez przenikanie do budynku sygnałów radiowych z dowolnej pobliskiej komórki.

Częstotliwości nośne GSM

Sieci GSM działają w kilku różnych zakresach częstotliwości nośnych (podzielonych na zakresy częstotliwości GSM dla 2G i pasma częstotliwości UMTS dla 3G), przy czym większość sieci 2G GSM działa w pasmach 900 MHz lub 1800 MHz. Tam, gdzie te pasma były już przydzielone, zamiast nich używano pasm 850 MHz i 1900 MHz (na przykład w Kanadzie i Stanach Zjednoczonych). W rzadkich przypadkach pasma częstotliwości 400 i 450 MHz są przydzielane w niektórych krajach, ponieważ były one wcześniej wykorzystywane w systemach pierwszej generacji.

Dla porównania większość sieci 3G w Europie działa w paśmie częstotliwości 2100 MHz. Aby uzyskać więcej informacji na temat wykorzystania częstotliwości GSM na całym świecie, zobacz Pasma częstotliwości GSM .

Niezależnie od wybranej przez operatora częstotliwości, jest on podzielony na przedziały czasowe dla poszczególnych telefonów. Umożliwia to korzystanie z ośmiu kanałów mowy o pełnej lub szesnastu o połowie częstotliwości na każdą częstotliwość radiową . Te osiem radiowych szczelin czasowych (lub okresów serii ) jest pogrupowanych w ramkę TDMA . Kanały połówkowe używają alternatywnych ramek w tej samej szczelinie czasowej. Szybkość przesyłania danych dla wszystkich 8 kanałów wynosi 270,833 kbit/s, a czas trwania ramki wynosi 4,615 ms.

Moc nadawcza w słuchawce jest ograniczona do maksymalnie 2 watów w przypadku GSM 850/900 i 1 wata w przypadku GSM 1800/1900 .

Kodeki głosowe

GSM używa różnych kodeków głosowych do ściśnięcia dźwięku 3,1 kHz w zakresie od 7 do 13 kb/s. Pierwotnie używane były dwa kodeki, nazwane od typów przydzielonych kanałów danych, o nazwie Half Rate (6,5 kbit/s) i Full Rate (13 kbit/s). Wykorzystali system oparty na liniowym kodowaniu predykcyjnym (LPC). Kodeki te nie tylko są wydajne w przypadku szybkości transmisji bitów , ale także ułatwiają identyfikację ważniejszych części dźwięku, umożliwiając warstwie interfejsu powietrznego ustalanie priorytetów i lepszą ochronę tych części sygnału. GSM został dodatkowo ulepszony w 1997 roku dzięki ulepszonemu kodekowi o pełnej szybkości (EFR), kodekowi 12,2 kbit/s, który wykorzystuje kanał o pełnej szybkości. Wreszcie, wraz z rozwojem UMTS , EFR został przekształcony w kodek o zmiennej szybkości o nazwie AMR-Narrowband , który jest wysokiej jakości i odporny na zakłócenia, gdy jest używany na kanałach o pełnej szybkości, lub mniej niezawodny, ale nadal stosunkowo wysokiej jakości, gdy jest używany w dobrym warunki radiowe na kanale połówkowym.

Moduł tożsamości subskrybenta (SIM)

Nano sim używana w telefonach komórkowych

Jedną z kluczowych cech GSM jest Moduł Identyfikacji Abonenta , potocznie zwany kartą SIM . Karta SIM to odłączana karta inteligentna zawierająca informacje o subskrypcji użytkownika i książkę telefoniczną. Pozwala to użytkownikowi zachować swoje informacje po zmianie słuchawek. Alternatywnie, użytkownik może zmienić operatora, zachowując słuchawkę, po prostu zmieniając kartę SIM.

Blokowanie telefonu

Czasami operatorzy sieci komórkowych ograniczają sprzedaż telefonów do wyłącznego użytku we własnej sieci. Nazywa się to blokowaniem karty SIM i jest realizowane przez funkcję oprogramowania telefonu. Abonent może zwykle skontaktować się z dostawcą za opłatą, aby usunąć blokadę, skorzystać z usług prywatnych w celu usunięcia blokady lub skorzystać z oprogramowania i witryn internetowych do samodzielnego odblokowania telefonu. Możliwe jest włamanie się do telefonu zablokowanego przez operatora sieci.

W niektórych krajach i regionach (np. Bangladesz , Belgia , Brazylia , Kanada , Chile , Niemcy , Hongkong , Indie , Iran , Liban , Malezja , Nepal , Norwegia , Pakistan , Polska , Singapur , RPA , Sri Lanka , Tajlandia ) wszystkie telefony są sprzedawane bez simlocka ze względu na dużą liczbę telefonów i operatorów z dwiema kartami SIM.

Bezpieczeństwo GSM

GSM miał być bezpiecznym systemem bezprzewodowym. Wzięła pod uwagę uwierzytelnianie użytkownika przy użyciu klucza wstępnego i odpowiedzi na wezwanie oraz szyfrowanie bezprzewodowe. Jednak GSM jest podatny na różne rodzaje ataków, z których każdy ma na celu inną część sieci.

Rozwój UMTS wprowadził opcjonalny Universal Subscriber Identity Module (USIM), który używa dłuższego klucza uwierzytelniania w celu zapewnienia większego bezpieczeństwa, a także wzajemnego uwierzytelnienia sieci i użytkownika, podczas gdy GSM uwierzytelnia tylko użytkownika w sieci (a nie odwrotnie). Model bezpieczeństwa zapewnia zatem poufność i uwierzytelnianie, ale ograniczone możliwości autoryzacji i brak niezaprzeczalności .

GSM używa kilku algorytmów kryptograficznych dla bezpieczeństwa. A5 / 1 , A5 / 2 , a A5 / 3 strumień szyfrów służą do zapewnienia over-the-air prywatność głosowej. A5/1 został opracowany jako pierwszy i jest silniejszym algorytmem używanym w Europie i Stanach Zjednoczonych; A5/2 jest słabszy i używany w innych krajach. W obu algorytmach znaleziono poważne słabości: możliwe jest złamanie A5/2 w czasie rzeczywistym za pomocą ataku opartego wyłącznie na szyfrogramie , a w styczniu 2007 r. The Hacker's Choice rozpoczęło projekt łamania A5/1 z planami wykorzystania układów FPGA, które umożliwiają A5/1 do złamania atakiem tęczowego stołu . System obsługuje wiele algorytmów, więc operatorzy mogą zastąpić ten szyfr silniejszym.

Od 2000 roku podejmowano różne wysiłki w celu złamania algorytmów szyfrowania A5. Oba algorytmy A5/1 i A5/2 zostały złamane, a ich kryptoanaliza została ujawniona w literaturze. Jako przykład, Karsten Nohl opracował szereg tęczowych tabel (wartości statyczne, które skracają czas potrzebny do przeprowadzenia ataku) i znalazł nowe źródła znanych ataków tekstem jawnym . Powiedział, że możliwe jest zbudowanie "pełnego przechwytującego GSM... z komponentów open source", ale nie zrobili tego ze względów prawnych. Nohl twierdził, że był w stanie przechwycić rozmowy głosowe i tekstowe, podszywając się pod innego użytkownika, aby odsłuchiwać pocztę głosową , wykonywać połączenia lub wysyłać wiadomości tekstowe za pomocą siedmioletniego telefonu komórkowego Motorola i oprogramowania deszyfrującego dostępnego za darmo online.

GSM wykorzystuje General Packet Radio Service (GPRS) do transmisji danych, takich jak przeglądanie sieci. Najczęściej wdrażane szyfry GPRS zostały publicznie złamane w 2011 roku.

Naukowcy ujawnił wady w powszechnie używanych GEA / 1 i GEA / 2 (stojącego na GPRS Encryption Algorytmy 1 i 2) szyfrów i opublikował open-source „gprsdecode” oprogramowanie do wąchania sieci GPRS. Zauważyli również, że niektórzy operatorzy nie szyfrują danych (tj. za pomocą GEA/0) w celu wykrycia użycia ruchu lub protokołów, których nie lubią (np. Skype ), pozostawiając klientów bez ochrony. GEA/3 wydaje się być stosunkowo trudna do złamania i mówi się, że jest używana w niektórych bardziej nowoczesnych sieciach. W przypadku korzystania z USIM w celu zapobiegania połączeniom z fałszywymi stacjami bazowymi i atakom na starszą wersję , użytkownicy będą chronieni średnioterminowo, chociaż nadal zalecana jest migracja do 128-bitowego GEA/4.

Pierwsza publiczna analiza kryptograficzna GEA/1 i GEA/2 (napisana również GEA-1 i GEA-2) została wykonana w 2021 roku. Stwierdzono, że chociaż używa 64-bitowego klucza, algorytm GEA-1 w rzeczywistości zapewnia tylko 40 bitów bezpieczeństwo, ze względu na związek między dwiema częściami algorytmu. Naukowcy odkryli, że ta relacja była bardzo mało prawdopodobna, gdyby nie była zamierzona. Mogło to zostać zrobione w celu spełnienia europejskich kontroli eksportu programów kryptograficznych.

Informacje o normach

Systemy i usługi GSM są opisane w zestawie norm regulowanych przez ETSI , gdzie prowadzona jest pełna lista.

Oprogramowanie GSM typu open source

Istnieje kilka projektów oprogramowania typu open source, które zapewniają pewne funkcje GSM:

Problemy z patentami i open source

Patenty pozostają problemem dla każdej implementacji GSM o otwartym kodzie źródłowym, ponieważ GNU ani żaden inny dystrybutor wolnego oprogramowania nie jest w stanie zagwarantować odporności na wszelkie procesy sądowe wytaczane przez posiadaczy patentów przeciwko użytkownikom. Co więcej, cały czas dodawane są nowe funkcje, co oznacza, że ​​mają one wieloletnią ochronę patentową.

Pierwotne implementacje GSM z 1991 roku mogą być teraz całkowicie wolne od obciążeń patentowych, jednak wolność patentowa nie jest pewna ze względu na system „pierwszy, który wymyślił” w Stanach Zjednoczonych, który obowiązywał do 2012 roku. „Dostosowanie okresu obowiązywania patentu” może przedłużyć okres ważności patentu amerykańskiego znacznie ponad 20 lat od daty jego pierwszeństwa. W tej chwili nie jest jasne, czy OpenBTS będzie w stanie zaimplementować funkcje tej początkowej specyfikacji bez ograniczeń. Jednak w miarę wygaśnięcia patentów funkcje te można dodać do wersji open source. Od 2011 r. nie było żadnych pozwów przeciwko użytkownikom OpenBTS przez korzystanie z GSM.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Redl, Siegmund M.; Weber, Matthias K.; Oliphant, Malcolm W (luty 1995). Wprowadzenie do GSM . Dom Artech. Numer ISBN 978-0-89006-785-7.
  • Redl, Siegmund M.; Weber, Matthias K.; Oliphant, Malcolm W (kwiecień 1998). Podręcznik GSM i komunikacji osobistej . Biblioteka komunikacji mobilnej Artech House. Dom Artech. Numer ISBN 978-0-89006-957-8.
  • Hillebrand, Friedhelm, wyd. (grudzień 2001). GSM i UMTS, tworzenie globalnej komunikacji mobilnej . John Wiley & Synowie. Numer ISBN 978-0-470-84322-2.
  • Mouly, Michel; Pautet, Marie-Bernardette (czerwiec 2002). System GSM dla Komunikacji Mobilnej . Wydawnictwo telekomunikacyjne. Numer ISBN 978-0-945592-15-0.
  • Salgues, Salgues B. (kwiecień 1997). Les télécoms mobiles GSM DCS . Hermes (wyd. 2). Publikacje Nauk Hermesa. Numer ISBN 978-2866016067.

Zewnętrzne linki