Глобальная система мобильной связи ( GSM ) — это стандарт, разработанный Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI) для описания протоколов цифровых сотовых сетей второго поколения ( 2G ) , используемых мобильными устройствами, такими как мобильные телефоны и планшеты. GSM также является торговой маркой , принадлежащей Ассоциации GSM . [2] GSM также может относиться к полноскоростному голосовому кодеку. [3]
Впервые он был реализован в Финляндии в декабре 1991 года. [4] К середине 2010-х годов он стал глобальным стандартом мобильной связи, заняв более 90% рынка и действуя более чем в 193 странах и территориях. [5]
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 теперь включает передачу данных, сначала посредством транспорта с коммутацией каналов , затем пакетной передачи данных через службу пакетной радиосвязи общего пользования (GPRS) и улучшенную скорость передачи данных для развития GSM (EDGE).
Впоследствии 3GPP разработал стандарты UMTS третьего поколения ( 3G ) , за которыми последовали стандарты LTE Advanced четвертого поколения ( 4G ) и пятого поколения 5G , которые не являются частью стандарта ETSI GSM.
Начиная с конца 2010-х годов различные операторы связи по всему миру начали отключать свои сети GSM. Тем не менее, в результате широкого использования сети, аббревиатура «GSM» до сих пор используется как общий термин для множества технологий мобильных телефонов G , произошедших от нее.
В 1983 году работа по разработке европейского стандарта цифровой сотовой голосовой связи началась, когда Европейская конференция администраций почты и телекоммуникаций (CEPT) учредила комитет Groupe Spécial Mobile (GSM), а позже создала постоянную группу технической поддержки, базирующуюся в Париже . Пять лет спустя, в 1987 году, 15 представителей 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. [6] Решение о разработке континентального стандарта в конечном итоге привело к созданию единой, открытой, основанной на стандартах сети, которая была больше, чем в Соединенных Штатах. [7] [8] [9] [10]
В феврале 1987 года Европа подготовила первую согласованную техническую спецификацию GSM. Министры четырех крупных стран ЕС закрепили свою политическую поддержку GSM Боннской декларацией о глобальных информационных сетях в мае, а Меморандум о взаимопонимании по GSM был представлен на подписание в сентябре. Меморандум о взаимопонимании привлек операторов мобильной связи со всей Европы к обязательству инвестировать в новые сети GSM к амбициозной общей дате.
За этот короткий 38-недельный период вся Европа (страны и отрасли) присоединилась к GSM в редком единстве и скорости под руководством четырех государственных чиновников: Армина Зильберхорна (Германия), Стивена Темпла (Великобритания), Филиппа Дюпюи (Франция). и Ренцо Файли (Италия). [11] В 1989 году комитет Groupe Special Mobile был переведен из CEPT в Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI). [8] [9] [10] IEEE/RSE наградил Томаса Хауга и Филиппа Дюпюи медалью Джеймса Клерка Максвелла 2018 года за «лидерство в разработке первого международного стандарта мобильной связи с последующим развитием всемирной передачи данных через смартфон». [12] GSM (2G) превратился в 3G, 4G и 5G.
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. Долгое время считалось, что бывший премьер-министр Финляндии Харри Холкери совершил первый в мире звонок через GSM 1 июля 1991 года, позвонив Каарине Суонио (заместителю мэра города Тампере ), используя сеть, построенную Nokia и Siemens и управляемую Radiolinja . [13] В 2021 году бывший инженер Nokia Пекка Лонка рассказал Helsingin Sanomat, что всего пару часов назад совершил тестовый звонок. «Первый в мире звонок через GSM был сделан мной. Я позвонил Марьо Йоусинен в Сало», - сообщил Лонка. [14] В следующем году была отправлена первая служба коротких сообщений (SMS или «текстовое сообщение»), а Vodafone UK и Telecom Finland подписали первое соглашение о международном роуминге .
В 1991 году началась работа по расширению стандарта GSM до диапазона частот 1800 МГц, а к 1993 году в Великобритании начала действовать первая сеть под названием DCS 1800. В том же году Telstra стала первым сетевым оператором, развернувшим сеть GSM за пределами Великобритании. В Европе стал доступен первый практичный портативный мобильный телефон GSM.
В 1995 году были запущены в коммерческую эксплуатацию услуги факса, передачи данных и SMS-сообщений, в Соединенных Штатах заработала первая сеть GSM на частоте 1900 МГц, а число абонентов GSM во всем мире превысило 10 миллионов. В том же году была образована Ассоциация GSM . Предоплаченные SIM-карты GSM были выпущены в 1996 году, а в 1998 году число абонентов GSM во всем мире превысило 100 миллионов. [9]
В 2000 году были запущены первые коммерческие услуги пакетной радиосвязи общего пользования (GPRS), и в продажу поступили первые GPRS-совместимые телефоны. В 2001 году была запущена первая сеть UMTS (W-CDMA) — технология 3G, не являющаяся частью GSM. Число абонентов GSM во всем мире превысило 500 миллионов. В 2002 году была представлена первая служба обмена мультимедийными сообщениями (MMS) и введена в эксплуатацию первая сеть GSM в диапазоне частот 800 МГц. Улучшенные скорости передачи данных для услуг GSM Evolution (EDGE) впервые начали действовать в сети в 2003 году, а число абонентов GSM во всем мире превысило 1 миллиард в 2004 году. [9]
К 2005 году сети GSM занимали более 75% мирового рынка сотовых сетей, обслуживая 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 восходящей и нисходящей линии связи представляют собой технологии 3G, а не часть GSM.) В 2008 году число абонентов GSM во всем мире превысило три миллиарда. [9]
По оценкам 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 из многих стандартов сотовой связи. [15]
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), а также стандарты технологии множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) 4G LTE, выпущенные 3GPP. [16]
GSM впервые установил общий для Европы стандарт беспроводных сетей. Он также был принят во многих странах за пределами Европы. Это позволило абонентам использовать другие сети GSM, имеющие между собой соглашения о роуминге. Общий стандарт снизил затраты на исследования и разработки, поскольку оборудование и программное обеспечение можно было продавать лишь с незначительной адаптацией для местного рынка. [17]
Telstra в Австралии отключила свою сеть 2G GSM 1 декабря 2016 года, став первым оператором мобильной связи, выведшим из эксплуатации сеть GSM. [18] Вторым оператором мобильной связи, отключившим свою сеть GSM (1 января 2017 г.), стала компания AT&T Mobility из США . [19] 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. [20] Сингапур закрылся. полностью отключили услуги 2G в апреле 2017 года. [21]
Сеть разделена на несколько отдельных секций:
GSM использует сотовую сеть , а это означает, что сотовые телефоны подключаются к ней, осуществляя поиск ячеек в непосредственной близости. В сети GSM существует пять различных размеров ячеек:
Зона покрытия каждой соты варьируется в зависимости от среды реализации. Макросоты можно рассматривать как соты, в которых антенна базовой станции установлена на мачте или здании выше среднего уровня крыши. Микроячейки — это ячейки, высота антенны которых находится ниже среднего уровня крыши; они обычно развернуты в городских районах. Пикосоты — это небольшие соты, диаметр покрытия которых составляет несколько десятков метров; они в основном используются внутри помещений. Фемтосоты — это соты, предназначенные для использования в жилых помещениях или на предприятиях малого бизнеса и подключающиеся к сети поставщика телекоммуникационных услуг через широкополосное подключение к Интернету . Зонтичные ячейки используются для покрытия затененных областей более мелких ячеек и заполнения пробелов 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. Самое большое расстояние, которое спецификация GSM поддерживает на практике, составляет 35 километров (22 мили). Существует также несколько реализаций концепции расширенной соты, [22] где радиус соты может быть вдвое или даже больше, в зависимости от антенной системы, типа местности и временного опережения .
GSM поддерживает покрытие внутри помещений – что достигается с помощью внутренней базовой станции пикосоты или внутреннего ретранслятора с распределенными внутренними антеннами, питаемыми через разветвители мощности – для доставки радиосигналов от наружной антенны к отдельной внутренней распределенной антенной системе. Пикосоты обычно используются, когда необходима значительная пропускная способность внутри помещений, например, в торговых центрах или аэропортах. Однако это не является обязательным условием, поскольку покрытие внутри помещений также обеспечивается за счет проникновения внутрь здания радиосигналов из любой близлежащей соты.
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 в некоторых странах назначаются полосы частот 400 и 450 МГц, поскольку они ранее использовались для систем первого поколения.
Для сравнения, большинство сетей 3G в Европе работают в диапазоне частот 2100 МГц. Дополнительную информацию об использовании частот GSM во всем мире см. в разделе « Полосы частот GSM ».
Независимо от выбранной оператором частоты, она разбивается на таймслоты для отдельных телефонов. Это позволяет использовать восемь речевых каналов с полной скоростью или шестнадцать с половинной скоростью на каждой радиочастоте . Эти восемь временных интервалов радиосвязи (или периодов пакетов ) группируются в кадр TDMA . Каналы с половинной скоростью используют альтернативные кадры в одном и том же временном интервале. Скорость передачи данных по всем 8 каналам составляет 270,833 кбит/с, а длительность кадра — 4,615 мс. [23]
Мощность передачи в трубке ограничена максимум 2 Вт в сетях GSM 850/900 и 1 Вт в сетях GSM 1800/1900 .
GSM использует различные голосовые кодеки для сжатия звука с частотой 3,1 кГц до скорости от 7 до 13 кбит/с. Первоначально использовались два кодека, названные в честь типов выделенных им каналов данных: Half Speed (6,5 кбит/с) и Full Speed (13 кбит/с). Они использовали систему, основанную на линейном кодировании с предсказанием (LPC). Помимо эффективности использования битрейта , эти кодеки также упрощают идентификацию более важных частей аудио, позволяя уровню радиоинтерфейса расставлять приоритеты и лучше защищать эти части сигнала. В 1997 году GSM был усовершенствован [24] с помощью кодека Enhanced Full Speed (EFR), кодека со скоростью 12,2 кбит/с, который использует полноскоростной канал. 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 использовании в хороших каналах. условия радиосвязи на полускоростном канале.
Одной из ключевых особенностей GSM является модуль идентификации абонента , широко известный как SIM-карта . SIM-карта представляет собой съемную смарт-карту [2] , содержащую информацию о подписке пользователя и телефонную книгу. Это позволяет пользователям сохранять свою информацию после переключения трубок. Альтернативно, пользователи могут менять сети или сетевые идентификаторы, не переключая телефоны, просто сменив SIM-карту.
Иногда операторы мобильной связи ограничивают продаваемые ими телефоны для исключительного использования в своей собственной сети. Это называется блокировкой SIM-карты и реализуется программной функцией телефона. Абонент обычно может обратиться к провайдеру, чтобы снять блокировку за определенную плату, воспользоваться частными услугами для снятия блокировки или использовать программное обеспечение и веб-сайты для самостоятельной разблокировки телефона. Есть возможность взломать телефон, заблокированный оператором сети.
В некоторых странах и регионах (например, в Бразилии и Германии ) все телефоны продаются разблокированными из-за обилия телефонов с двумя SIM-картами и операторов связи. [25]
GSM задумывался как безопасная беспроводная система. Он рассмотрел аутентификацию пользователя с использованием предварительного общего ключа и метода «запрос-ответ» , а также беспроводное шифрование. Однако GSM уязвим для различных типов атак, каждая из которых направлена на разные части сети. [26]
Результаты исследований показывают, что GSM подвержена взлому со стороны скрипт-кидди (термин, обозначающий неопытных людей, использующих легкодоступное оборудование и программное обеспечение). Уязвимость возникает из-за доступности таких инструментов, как ТВ-тюнер DVB-T, что представляет угрозу как для мобильных, так и для сетевых пользователей. Несмотря на то, что термин «скрипт-кидди» подразумевает отсутствие сложных навыков, последствия их атак на GSM могут быть серьезными, влияя на функциональность сотовых сетей . Учитывая, что GSM продолжает оставаться основным источником сотовых технологий во многих странах, его восприимчивость к потенциальным угрозам со стороны злоумышленников требует решения. [27]
Разработка UMTS представила 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 обеспечивает конфиденциальность и аутентификацию, но ограниченные возможности авторизации и отсутствие неотказуемости .
GSM использует несколько криптографических алгоритмов для обеспечения безопасности. Потоковые шифры A5 /1 , A5/2 и A5/3 используются для обеспечения конфиденциальности передачи голоса по беспроводной сети. A5/1 был разработан первым и представляет собой более надежный алгоритм, используемый в Европе и США; A5/2 слабее и используется в других странах. В обоих алгоритмах были обнаружены серьезные недостатки: A5/2 можно взломать в режиме реального времени с помощью атаки только зашифрованного текста , а в январе 2007 года The Hacker's Choice запустила проект взлома A5/1 с планами использовать FPGA , которые позволяют А5/1 нужно пробить атакой радужной таблицы . [28] Система поддерживает несколько алгоритмов, поэтому операторы могут заменить этот шифр более надежным.
С 2000 года предпринимались различные попытки взломать алгоритмы шифрования A5. Алгоритмы A5/1 и A5/2 были взломаны, и их криптоанализ был описан в литературе. Например, Карстен Нол разработал ряд радужных таблиц (статических значений, которые сокращают время, необходимое для проведения атаки) и нашел новые источники для известных атак с использованием открытого текста . [29] Он сказал, что можно построить «полный перехватчик GSM ... из компонентов с открытым исходным кодом», но они не сделали этого из-за юридических проблем. [30] Нол утверждал, что он мог перехватывать голосовые и текстовые разговоры, выдавая себя за другого пользователя, чтобы прослушивать голосовую почту , совершать звонки или отправлять текстовые сообщения, используя мобильный телефон Motorola семилетней давности и программное обеспечение для дешифрования, доступное бесплатно в Интернете. [31]
GSM использует службу пакетной радиосвязи общего пользования (GPRS) для передачи данных, например просмотра веб-страниц. Наиболее часто используемые шифры GPRS были публично взломаны в 2011 году. [32]
Исследователи выявили недостатки в широко используемых шифрах GEA/1 и GEA/2 (сокращение от алгоритмов шифрования GPRS 1 и 2) и опубликовали программное обеспечение с открытым исходным кодом «gprsdecode» для анализа сетей GPRS. Они также отметили, что некоторые операторы связи не шифруют данные (например, используя GEA/0), чтобы обнаружить использование трафика или протоколов, которые им не нравятся (например, Skype ), оставляя клиентов незащищенными. Кажется, что GEA/3 по-прежнему относительно сложно взломать, и, как говорят, он используется в некоторых более современных сетях. При использовании с USIM для предотвращения подключений к поддельным базовым станциям и атак 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 называемый 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 обеспечивает только 40 битов шифрования. безопасность, обусловленная взаимосвязью между двумя частями алгоритма. Исследователи обнаружили, что эти отношения вряд ли могли бы возникнуть, если бы они не были преднамеренными. Возможно, это было сделано для того, чтобы удовлетворить европейский контроль над экспортом криптографических программ. [33] [34] [35]
Системы и услуги GSM описаны в наборе стандартов, регулируемых ETSI , где ведется полный список. [36]
Существует несколько проектов программного обеспечения с открытым исходным кодом , которые обеспечивают определенные функции GSM: [37]
Патенты остаются проблемой для любой реализации GSM с открытым исходным кодом, поскольку GNU или любой другой дистрибьютор свободного программного обеспечения не может гарантировать иммунитет от всех исков со стороны владельцев патентов против пользователей. Кроме того, в стандарт постоянно добавляются новые функции, а это означает, что они защищены патентом на несколько лет. [ нужна цитата ]
Первоначальные реализации GSM 1991 года теперь могут быть полностью свободны от патентных обременений, однако свобода патентов не определена из-за системы «первого, кто изобрел» в Соединенных Штатах, которая действовала до 2012 года. Система «первого, кто изобрел» в сочетании с «Корректировка срока действия патента» может продлить срок действия патента США далеко за пределы 20 лет с даты его приоритета. В настоящее время неясно, сможет ли OpenBTS реализовать функции этой первоначальной спецификации без ограничений. Однако по мере истечения срока действия патентов эти функции могут быть добавлены в версию с открытым исходным кодом. По состоянию на 2011 год [обновлять]исков против пользователей OpenBTS по поводу использования GSM не поступало. [ нужна цитата ]
[...] вот что [Ингве Зеттерстрем, докладчик группы маркетинга и планирования (MP) Меморандума о взаимопонимании (группа Меморандумов о взаимопонимании, позже ставшая Ассоциацией GSM (GSMA)) в 1989 году] должен был сказать, чтобы разгадать тайну : «[Точки символизируют] трёх [клиентов] в домашней сети и одного клиента в роуминге». Вот и ответ из первоисточника!
До появления GSM в Европе существовала катастрофическая путаница национальных аналоговых стандартов в телефонах и телевидении, призванных защитить национальные отрасли, но вместо этого создавая фрагментированные рынки, уязвимые для крупного оружия из-за границы.
GSM был разработан в основном для голосовой телефонии, но был определен ряд транспортных услуг... позволяющих осуществлять соединения для передачи данных с коммутацией каналов со скоростью до 9600 бит/с.
1982 Конфедерация европейских почт и телекоммуникаций (CEPT) создает Groupe Speciale Mobile (GSM) для разработки общеевропейской мобильной технологии.
Задача была поручена комитету, известному как Groupe Spécial Mobile (GSMTM), которому помогало «постоянное ядро» персонала технической поддержки, базирующееся в Париже.
До появления GSM в Европе существовала катастрофическая путаница национальных аналоговых стандартов в телефонах и телевидении, призванных защитить национальные отрасли, но вместо этого создавая фрагментированные рынки, уязвимые для крупного оружия из-за границы.
Харри Холкери сделал первый звонок в сети Radiolinja (дочерней компании Elisa) на церемонии открытия в Хельсинки 07.01.1991.
Tasan 30 vuotta sitten Esplanadin puistossa tehtiin historiaa.
Kulisseissa vaikutti Nokian nykyinen toimitusjohtaja Pekka Lundmark.
Если вы хотите, чтобы это произошло, вам понадобится 10 дней.
Нол рассказал, что ему удалось перехватывать голосовые и текстовые разговоры, выдавая себя за другого пользователя, чтобы прослушивать его голосовую почту, совершать звонки или отправлять текстовые сообщения.
Еще более тревожным было то, что он смог осуществить это, используя мобильный телефон Motorola семилетней давности и программу для дешифрования, доступную бесплатно в Интернете.
