GSM

Логотип GSM используется для обозначения совместимых устройств и оборудования. Точки символизируют трех клиентов в домашней сети и одного клиента в роуминге. ^[1]

Глобальная система мобильной связи ( GSM ) представляет собой стандартразработанный институт стандартизации электросвязи Европейского (ETSI) для описания протоколов для второго поколения ( 2G ) цифровые сотовые сети используют мобильные устройстватакие как мобильные телефоны и планшеты. Впервые он был развернут в Финляндии в декабре 1991 года. ^[2] К середине 2010-х годов он стал мировым стандартом мобильной связи, достигнув более 90% доли рынка и действуя в более чем 193 странах и территориях. ^[3]

Сети 2G разработаны в качестве замены аналоговых сотовых сетей первого поколения ( 1G ). Стандарт GSM первоначально описывал цифровую сеть с коммутацией каналов, оптимизированную для полнодуплексной голосовой телефонии . Со временем это расширилось и включило передачу данных, сначала с помощью транспорта с коммутацией каналов , затем с помощью передачи пакетных данных через Общую службу пакетной радиосвязи (GPRS) и улучшенную скорость передачи данных для развития GSM (EDGE).

Впоследствии 3GPP разработал стандарты UMTS третьего поколения ( 3G ) , за которыми следуют стандарты LTE Advanced четвертого поколения ( 4G ) и стандарты 5G пятого поколения , которые не являются частью стандарта ETSI GSM.

«GSM» - торговая марка, принадлежащая GSM Association . Он также может относиться к (изначально) наиболее часто используемому голосовому кодеку Full Rate .

В результате широкого использования сети в Европе аббревиатура «GSM» кратко использовалась в качестве общего термина для мобильных телефонов во Франции, Нидерландах и Валлонии, Бельгия .

История

Первоначальная разработка GSM европейцами

В 1983 году началась разработка европейского стандарта цифровой сотовой голосовой связи, когда Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных администраций (CEPT) учредила комитет Groupe Spécial Mobile (GSM), а затем предоставила постоянную группу технической поддержки, базирующуюся в Париже . Пять лет спустя, в 1987 году, 15 представителей из 13 европейских стран подписали в Копенгагене меморандум о взаимопонимании по разработке и развертыванию общей системы сотовой телефонной связи по всей Европе, и были приняты правила ЕС, делающие GSM обязательным стандартом. ^[4]Решение разработать континентальный стандарт в конечном итоге привело к созданию единой открытой сети на основе стандартов, которая была больше, чем в Соединенных Штатах. ^{[5] [6] [7] [8]}

В феврале 1987 года Европа выпустила первую согласованную техническую спецификацию GSM. Министры четырех крупных стран ЕС закрепили свою политическую поддержку GSM в Боннской декларации о глобальных информационных сетях в мае, а Меморандум о взаимопонимании GSM был внесен на подпись в сентябре. Меморандум о взаимопонимании привлек операторов мобильной связи со всей Европы, которые взяли на себя обязательство инвестировать в новые сети GSM до общей амбициозной даты.

За этот короткий 38-недельный период вся Европа (страны и отрасли) была оторвана от GSM в редком единстве и скорости под руководством четырех государственных чиновников: Армина Зильберхорна (Германия), Стивена Темпла (Великобритания), Филиппа Дюпюи (Франция). , и Ренцо Фаилли (Италия). ^[9] В 1989 году комитет Groupe Spécial Mobile был переведен из CEPT в Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI). ^{[6] [7] [8]} IEEE / RSE наградил Томаса Хауга и Филиппа Дюпюи медалью Джеймса Клерка Максвелла 2018 года.за их «лидерство в разработке первого международного стандарта мобильной связи с последующей эволюцией во всемирную передачу данных с помощью смартфонов». ^[10] GSM (2G) превратился в 3G, 4G и 5G.

Первые сети

Параллельно Франция и Германия подписали соглашение о совместном развитии в 1984 году, а в 1986 году к ним присоединились Италия и Великобритания . В 1986 году Европейская комиссия предложила зарезервировать полосу спектра 900 МГц для GSM. Бывший финский премьер - министр Харри Холкери сделал первый в мире звонок GSM на 1 июля 1991 года, называя Каарина Суонио (заместитель мэра города Тампере ) с использованием сети , построенной с помощью Nokia и Siemens и управляется с помощью Radiolinja . ^[11] В следующем году были отправлены первыеслужба коротких сообщений (SMS или «текстовое сообщение»), а также Vodafone UK и Telecom Finland подписали первое соглашение о международном роуминге .

Улучшения

В 1991 году началась работа по расширению стандарта GSM до полосы частот 1800 МГц, и к 1993 году в Великобритании была введена в действие первая сеть 1800 МГц, получившая название DCS 1800. Также в том же году Telecom Australia стала первым оператором сети, развернувшим сеть GSM. за пределами Европы, и появился первый практичный портативный мобильный телефон стандарта GSM .

В 1995 г. были запущены коммерческие услуги по факсу, передаче данных и SMS, первая сеть GSM 1900 МГц начала функционировать в Соединенных Штатах, а количество абонентов GSM во всем мире превысило 10 миллионов. В том же году была создана Ассоциация GSM . Предоплаченные SIM-карты GSM были выпущены в 1996 году, а в 1998 году количество абонентов GSM во всем мире превысило 100 миллионов ^[7].

В 2000 году были запущены первые коммерческие услуги GPRS, и в продажу поступили первые телефоны, совместимые с GPRS. В 2001 году была запущена первая сеть UMTS (W-CDMA), технология 3G, не являющаяся частью GSM. Количество абонентов GSM во всем мире превысило 500 миллионов. В 2002 году была представлена ​​первая служба передачи мультимедийных сообщений (MMS), и первая сеть GSM в полосе частот 800 МГц стала работать. Услуги EDGE впервые стали доступны в сети в 2003 году, а в 2004 году количество абонентов GSM во всем мире превысило 1 миллиард ^[7].

К 2005 году на сети GSM приходилось более 75% мирового рынка сотовых сетей, обслуживающих 1,5 миллиарда абонентов. В 2005 году также была введена в эксплуатацию первая сеть с поддержкой HSDPA . Первая сеть HSUPA была запущена в 2007 году. (Высокоскоростной пакетный доступ (HSPA) и его версии восходящего и нисходящего каналов являются технологиями 3G, а не частью GSM). В 2008 году количество абонентов GSM во всем мире превысило три миллиарда ^[7].

Принятие

По оценке Ассоциации GSM в 2011 году, технологии, определенные в стандарте GSM, обслуживают 80% рынка мобильной связи, охватывая более 5 миллиардов человек в более чем 212 странах и территориях, что делает GSM наиболее распространенным стандартом для сотовых сетей. ^[12]

GSM - это стандарт второго поколения (2G), использующий совместное использование спектра множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA), выпущенный Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI). Стандарт GSM не включает в себя универсальную систему мобильной связи 3G (UMTS), технологию множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) и стандарты технологии множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) 4G LTE, выпущенные 3GPP. ^[13]

GSM впервые установил общий европейский стандарт для беспроводных сетей. Он также был принят во многих странах за пределами Европы. Это позволяло абонентам использовать другие сети GSM, у которых есть соглашения о роуминге друг с другом. Общий стандарт снизил затраты на исследования и разработки, поскольку оборудование и программное обеспечение можно было продавать с незначительной адаптацией к местному рынку. ^[14]

Прекращение

Telstra в Австралии закрыла свою сеть 2G GSM 1 декабря 2016 года, став первым оператором мобильной связи, который вывел из эксплуатации сеть GSM. ^[15] Вторым оператором мобильной связи, отключившим свою сеть GSM (1 января 2017 г.), была компания AT&T Mobility из США . ^{[16] Компания} Optus в Австралии завершила отключение своей сети 2G GSM 1 августа 2017 года, часть сети Optus GSM, охватывающая Западную Австралию и Северную территорию, была отключена ранее в этом году в апреле 2017 года. ^[17] Закрытие сети в Сингапуре. Услуги 2G полностью в апреле 2017 года. ^[18]Последний онлайн-банк GSM Bank был удален в 2020 году из IES El Puig. Его разработали в 2018 году четыре испанских студента.

Технические подробности

Структура сети

Сеть состоит из нескольких отдельных участков:

• Подсистема базовой станции - базовые станции и их контроллеры
• Подсистема сети и коммутации - часть сети, наиболее похожая на фиксированную сеть, иногда просто называемая «базовой сетью».
• Базовая сеть GPRS - дополнительная часть, которая позволяет подключаться к Интернету на основе пакетов
• Система оперативной поддержки (OSS) - обслуживание сети

Подсистема базовой станции

GSM использует сотовую сеть , что означает, что сотовые телефоны подключаются к ней, ища соты в непосредственной близости. В сети GSM есть пять различных размеров ячеек:

• макрос
• микро
• пико
• фемто и
• зонтичные ячейки

Зона покрытия каждой соты зависит от среды реализации. Макроячейки можно рассматривать как соты, в которых антенна базовой станции установлена ​​на мачте или здании выше среднего уровня крыши. Микроячейки - это ячейки, высота антенны которых ниже среднего уровня крыши; они обычно размещаются в городских районах. Пикосоты - это небольшие соты, диаметр покрытия которых составляет несколько десятков метров; в основном они используются внутри помещений. Фемтосоты - это ячейки, предназначенные для использования в жилых помещениях или в среде малого бизнеса и подключаемые к сети поставщика телекоммуникационных услуг через широкополосный Интернет.связь. Зонтичные ячейки используются для покрытия затененных областей меньших ячеек и для заполнения промежутков в покрытии между этими ячейками.

Горизонтальный радиус соты варьируется - в зависимости от высоты антенны, усиления антенны и условий распространения - от пары сотен метров до нескольких десятков километров. Максимальное расстояние, поддерживаемое спецификацией GSM на практике, составляет 35 километров (22 мили). Существует также несколько реализаций концепции расширенной соты ^[19], где радиус соты может быть удвоен или даже больше, в зависимости от антенной системы, типа местности и опережения по времени .

GSM поддерживает внутреннее покрытие - достижимое с помощью внутренней базовой станции пикосоты или внутреннего ретранслятора с распределенными внутренними антеннами, питаемыми через делители мощности - для доставки радиосигналов от внешней антенны к отдельной внутренней распределенной антенной системе. Пикосоты обычно развертываются, когда требуется значительная пропускная способность в помещении, например, в торговых центрах или аэропортах. Однако это не является обязательным условием, поскольку внутреннее покрытие также обеспечивается проникновением радиосигналов из любой соседней соты внутрь здания.

Несущие частоты GSM

Сети GSM работают в нескольких различных диапазонах несущих частот (разделенных на диапазоны частот GSM для 2G и диапазоны частот UMTS для 3G), при этом большинство сетей GSM 2G работают в диапазонах 900 МГц или 1800 МГц. Там, где эти полосы уже были распределены, вместо них использовались полосы 850 МГц и 1900 МГц (например, в Канаде и США). В редких случаях полосы частот 400 и 450 МГц назначаются в некоторых странах, потому что они ранее использовались для систем первого поколения.

Для сравнения: большинство сетей 3G в Европе работают в полосе частот 2100 МГц. Для получения дополнительной информации об использовании частот GSM во всем мире см. Полосы частот GSM .

Независимо от частоты, выбранной оператором, она делится на временные интервалы для отдельных телефонов. Это позволяет использовать восемь полноскоростных или шестнадцать речевых каналов с половинной скоростью на каждую радиочастоту . Эти восемь временных интервалов радиосвязи (или периодов пакетов ) сгруппированы в кадр TDMA . Каналы с половинной скоростью используют альтернативные кадры в одном временном интервале. Скорость передачи данных для всех 8 каналов составляет 270,833 кбит / с, а длительность кадра составляет 4,615 мс.

Мощность передачи в телефоне ограничена максимум 2 Вт в GSM 850/900 и 1 Вт в GSM 1800/1900 .

Голосовые кодеки

GSM использует множество голосовых кодеков для сжатия звука 3,1 кГц до 7–13 кбит / с. Первоначально использовались два кодека, названные в честь типов канала данных, которым они были выделены, с половинной скоростью (6,5 кбит / с) и полной скоростью (13 кбит / с). Они использовали систему, основанную на кодировании с линейным предсказанием (LPC). Помимо эффективности с битрейтом , эти кодеки также упростили идентификацию более важных частей звука, позволяя уровню радиоинтерфейса определять приоритеты и лучше защищать эти части сигнала. GSM был дополнительно усовершенствован в 1997 г. ^[20] с расширенной полной скоростью.(EFR), кодек 12,2 кбит / с, использующий канал с полной скоростью. Наконец, с развитием UMTS , EFR был реорганизован в кодек с переменной скоростью под названием AMR-Narrowband , который является высококачественным и устойчивым к помехам при использовании на полноскоростных каналах, или менее надежным, но все же относительно высоким качеством при правильном использовании. условия радиосвязи на канале с половинной скоростью.

Модуль идентификации абонента (SIM)

Одной из ключевых особенностей GSM является модуль идентификации абонента , широко известный как SIM-карта . SIM-карта представляет собой съемную смарт-карту, содержащую информацию о подписке и телефонную книгу пользователя. Это позволяет пользователю сохранить свою информацию после переключения трубок. В качестве альтернативы пользователь может сменить оператора, оставив при этом трубку, просто заменив SIM-карту.

Блокировка телефона

Иногда операторы мобильной связи ограничивают продажи телефонов, которые они продают, исключительно для использования в их собственной сети. Это называется блокировкой SIM-карты и реализуется программной функцией телефона. Абонент обычно может связаться с провайдером, чтобы снять блокировку за определенную плату, использовать частные услуги для снятия блокировки или использовать программное обеспечение и веб-сайты, чтобы разблокировать телефон самостоятельно. Можно взломать телефон, заблокированный оператором сети.

В некоторых странах и регионах (например, Бангладеш , Бельгия , Бразилия , Канада , Чили , Германия , Гонконг , Индия , Иран , Ливан , Малайзия , Непал , Норвегия , Пакистан , Польша , Сингапур , Южная Африка , Шри-Ланка , Таиланд ) все телефоны продаются разблокированными из-за обилия телефонов и операторов с двумя SIM-картами. ^[21]

GSM безопасность

GSM был задуман как безопасная беспроводная система. Он рассмотрел аутентификацию пользователя с использованием предварительного общего ключа и запроса-ответа , а также беспроводное шифрование. Однако GSM уязвим для различных типов атак, каждая из которых направлена ​​на разные части сети. ^[22]

При разработке UMTS был представлен дополнительный универсальный модуль идентификации абонента (USIM), который использует более длинный ключ аутентификации для обеспечения большей безопасности, а также взаимной аутентификации сети и пользователя, тогда как GSM аутентифицирует пользователя только в сети (а не наоборот. наоборот). Таким образом, модель безопасности предлагает конфиденциальность и аутентификацию, но ограниченные возможности авторизации и отсутствие возможности отказа от авторства .

GSM использует несколько криптографических алгоритмов для обеспечения безопасности. А5 / 1 , A5 / 2 , и А5 / 3 потоковые шифры используются для обеспечения более-воздушной голосовой конфиденциальности. A5 / 1 был разработан первым и является более сильным алгоритмом, используемым в Европе и США; A5 / 2 слабее и используется в других странах. В обоих алгоритмах были обнаружены серьезные недостатки: можно взломать A5 / 2 в реальном времени с помощью атаки только зашифрованного текста , а в январе 2007 года The Hacker's Choice запустили проект взлома A5 / 1 с планами использования ПЛИС, которые позволяют A5 / 1 нужно сломать атакой по радужному столу . ^[23]Система поддерживает несколько алгоритмов, поэтому операторы могут заменить этот шифр более надежным.

С 2000 года предпринимались различные попытки взломать алгоритмы шифрования A5. Оба алгоритма A5 / 1 и A5 / 2 были взломаны, и их криптоанализ был обнаружен в литературе. Например, Карстен Ноль разработал ряд радужных таблиц (статические значения, которые сокращают время, необходимое для проведения атаки) и нашел новые источники известных атак с открытым текстом . ^[24] Он сказал, что можно построить «полноценный перехватчик GSM ... из компонентов с открытым исходным кодом», но они не сделали этого из-за юридических проблем. ^[25] Ноль утверждал, что он мог перехватывать голосовые и текстовые разговоры, выдавая себя за другого пользователя для прослушивания голосовой почты., звоните или отправляйте текстовые сообщения с помощью мобильного телефона Motorola семилетней давности и бесплатного программного обеспечения для дешифрования, доступного в Интернете. ^[26]

GSM использует общедоступную службу пакетной радиосвязи (GPRS) для передачи данных, например, для просмотра веб-страниц. Наиболее часто используемые шифры GPRS были публично взломаны в 2011 году ^[27].

Исследователи выявили недостатки в наиболее часто используемом GEA / 1 и GEA / 2 (стоя для GPRS шифрование Алгоритмы 1 и 2) шифров и опубликовали «gprsdecode» программное обеспечение с открытым исходным кодом для перехвата GPRS сетей. Они также отметили, что некоторые операторы связи не шифруют данные (например, с помощью GEA / 0), чтобы обнаружить использование трафика или протоколов, которые им не нравятся (например, Skype ), оставляя клиентов незащищенными. GEA / 3, кажется, относительно трудно взломать, и говорят, что он используется в некоторых более современных сетях. При использовании с USIM для предотвращения подключений к поддельным базовым станциям и атак перехода на более раннюю версию пользователи будут защищены в среднесрочной перспективе, хотя переход на 128-битный GEA / 4 по-прежнему рекомендуется.

Первый публичный криптоанализ GEA / 1 и GEA / 2 (также обозначаемых как GEA-1 и GEA-2) был проведен в 2021 году. Он пришел к выводу, что, несмотря на использование 64-битного ключа, алгоритм GEA-1 фактически предоставляет только 40 битов безопасность, благодаря взаимосвязи между двумя частями алгоритма. Исследователи обнаружили, что эти отношения были бы очень маловероятными, если бы они не были преднамеренными. Это могло быть сделано для того, чтобы удовлетворить европейский контроль над экспортом криптографических программ. ^{[28] [29] [30]}

Информация о стандартах

Системы и услуги GSM описаны в наборе стандартов, регулируемых ETSI , полный список которых поддерживается. ^[31]

Программное обеспечение с открытым исходным кодом GSM

Существует несколько программных проектов с открытым исходным кодом, которые обеспечивают определенные функции GSM: ^[32]

• демон gsmd от Openmoko ^[33]
• OpenBTS разрабатывает базовую приемопередающую станцию
• Проект программного обеспечения GSM направлен на создание анализатора GSM менее чем за 1000 долларов США ^[34]
• Разработчики OsmocomBB намерены заменить проприетарный стек GSM основной полосы частот свободной программной реализацией ^[35]
• YateBTS разрабатывает базовую приемопередающую станцию ^[36]

Проблемы с патентами и открытым исходным кодом

Патенты остаются проблемой для любой реализации GSM с открытым исходным кодом, потому что GNU или любой другой распространитель бесплатного программного обеспечения не может гарантировать иммунитет от всех судебных исков со стороны патентообладателей против пользователей. Кроме того, в стандарт постоянно добавляются новые функции, что означает, что они защищены патентом в течение нескольких лет. ^{[ необходима цитата ]}

Первоначальные реализации GSM с 1991 года теперь могут быть полностью свободны от патентных обременений, однако патентная свобода не гарантирована из-за того, что Соединенные Штаты «первыми изобрели» систему, которая действовала до 2012 года. «Корректировка срока действия патента» может продлить срок действия патента США далеко за 20 лет с даты его приоритета. В настоящее время неясно, сможет ли OpenBTS без ограничений реализовать функции этой первоначальной спецификации. Однако по мере истечения срока действия патентов эти функции могут быть добавлены в версию с открытым исходным кодом. По состоянию на 2011 ^{[Обновить]}г. судебных исков против пользователей OpenBTS из-за использования GSM не было. ^{[ необходима цитата ]}

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

• Redl, Siegmund M .; Вебер, Маттиас К .; Олифант, Малкольм В. (февраль 1995 г.). Введение в GSM . Артек Хаус. ISBN 978-0-89006-785-7.
• Redl, Siegmund M .; Вебер, Маттиас К .; Олифант, Малкольм В. (апрель 1998 г.). Справочник по GSM и персональным коммуникациям . Библиотека мобильной связи Artech House. Артек Хаус. ISBN 978-0-89006-957-8.
• Гиллебранд, Фридхельм, изд. (Декабрь 2001 г.). GSM и UMTS, Создание глобальной мобильной связи . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-470-84322-2.
• Мули, Мишель; Pautet, Мари-Бернардетт (июнь 2002 г.). Система GSM для мобильной связи . Издательство Телеком. ISBN 978-0-945592-15-0.
• Салгес, Салгес Б. (апрель 1997 г.). Les télécoms mobiles GSM DCS . Гермес (2-е изд.). Публикации Hermes Sciences. ISBN 978-2866016067.

внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме стандарта GSM .

• Ассоциация GSM - официальная отраслевая торговая группа, представляющая операторов сетей GSM по всему миру.
• 3GPP - группа разработки стандартов 3G GSM.
• LTE-3GPP.info: онлайн-декодер сообщений GSM, полностью поддерживающий все версии 3GPP от ранних версий GSM до новейших 5G