Какая организация разработала основные стандарты gsm
Обновлено: 03.05.2024
GSM - это стандарт мобильных сетей второго поколения 2G.
В восьмидесятых годах была сформирована группа для разработки общего стандарта мобильной связи. По словам Groupe Speciale Mobile (так раньше расшифровывался GSM), его основной задачей было разработать единую, согласованную сеть для всей Европы и предложить лучшее и более эффективное техническое решение для беспроводной связи.
Хотя стандарт основан на системе множественного доступа с временным разделением (TDMA), его технология использует цифровые сигнальные и речевые каналы и считается второй системой (2G) для мобильных телефонов.
Будучи сотовой сетью, стандарт сотовой связи использует ячейки для обеспечения беспроводной связи абонентам, находящимся в непосредственной близости от этих ячеек. Четыре основные ячейки, которые составляют сеть GSM, называются макросами, микро, пико и фемто. Наружное покрытие обычно обеспечивается макро и микро ячейками, в то время как крытый охват обычно обеспечивается клетками pico и femto.
Телефоны GSM могут быть идентифицированы наличием модуля идентификации абонента (SIM). Этот крошечный объект, размером примерно с палец, представляет собой съемную смарт-карту, содержащую информацию о подписке пользователя, а также некоторые записи контактов. Эта SIM-карта позволяет пользователю переключаться с одного GSM-телефона на другой. В некоторых странах, особенно в Азии, телефоны GSM заблокированы для конкретного оператора. Однако, если пользователю удастся разблокировать телефон, он может вставить любую SIM-карту с любого носителя в тот же телефон.
Одним из основных преимуществ стандарта GSM является возможность перемещаться и переключаться между операторами с помощью отдельных мобильных устройств (если партнерские сети расположены в пункте назначения).
История GSM
Как уже говорилось, началась работа над тем, что в конечном итоге станет стандартом GSM в 1981 году, когда CEPT сформировала комитет Groupe Spécial Mobile для работы над европейским стандартом для технологии цифровых сотовых телефонов. Спустя более пяти лет представители из 13 европейских стран подписали Меморандум о взаимопонимании в Копенгагене, который согласился разработать, а затем развернуть общую сотовую систему по всей Европе.
Первая техническая спецификация GSM была опубликована в феврале 1987 года. Чтобы полагаться на общий мобильный стандарт для Европы, министры из четырех более крупных стран ЕС сделали еще одно политическое подтверждение своей поддержки стандарта GSM в рамках Боннской декларации о глобальных информационных сетях в мае 1987 (Германия, Великобритания, Франция и Италия). «МГС GSM» был подписан в сентябре 1987 года и помог получить денежные взносы на инвестиции в сеть. В результате европейская сеть GSM смогла увидеть гораздо более быстрое развертывание, чем считалось ранее возможным. В 1986 году Европейская комиссия предложила зарезервировать полосу частот 900 МГц исключительно для использования GSM.
Первая спецификация GSM стала доступной в 1990г. Всего через год бывший премьер-министр Финляндии Харри Холкери сделал первый телефонный звонок в мире. Звонок был сделан по сети, работающей от Radiolinja и построенной Telenokia и Siemens. А в 1992 году по сети GSM было отправлено первое SMS . В течение этого года Vodafone UK и Telecom Finland также подписали первое международное соглашение о роуминге.
Особенности стандарта
GSM - это система с коммутацией каналов. Она разделяет все каналы 200кГц на восемь временных интервалов 25кГц. Стандарт работает на трех разных несущих частотах: 900МГц, которая использовалась исходной системой GSM; 1800МГц, которая была добавлена для поддержки числа набухающих абонентов и частоты 1900МГц, которая используется, главным образом, в США.
Диапазон 850 МГц также используется для GSM и 3GSM в Австралии, Канаде и многих странах Южной Америки. GSM поддерживает скорость передачи данных до 9,6 кбит / с, что позволяет передавать базовые услуги передачи данных, такие как SMS.
Другим важным преимуществом является возможность международного роуминга, позволяющая пользователям получать доступ к тем же услугам что и дома, когда выезжаете за границу. Это дает потребителям бесшовные и одинаковые возможности подключения в более чем 210 странах. Спутниковый роуминг GSM также расширил доступ к услугам в районах, где наземное покрытие недоступно.
GSM900/GSM1800
Эти два стандарта используют большинство стран мира.
GSM-900 работает на частотном диапазоне 890-915МГц, и используется для обмена информацией между мобильной станцией и базовой приемопередающей станцией (восходящая линия связи) и 935-960МГц для нисходящей линии. Это обеспечивает 124 радиочастотных канала (каналы 1 - 124), расположенные на расстоянии 200кГц.
В данном случае используют дуплексный интервал 45МГц.
Для охвата более широкого частотного диапазона, был создан «расширенный GSM900 или E-GSM». Он работает в частотах от 880 МГц до 915 МГц (на восходящей линии) и от 925 МГц до 960 МГц (на нисходящей), что позволяет добавить 50 каналов (975-1023 и 0) в диапазон GSМ-900. Спецификация имеет также стандарт GSM-R, который использует частоту от 876 МГц до 915 МГц (восходящая) и от 921 МГц до 960 МГц (нисходящая). Номера каналов при этом 955-1023. GSM-R предлагает специализированные каналы и услуги, которые используются железнодорожным персоналом. Все эти модификации включаются в спецификацию GSM-900.
GSM-1800 в свою очередь работает в частотном диапазоне от 1710 МГц до 1785 МГц при передаче данных с мобильной станции на базовую приемопередающую и 1805-1880 МГц для другого направления. Он обеспечивает 374 канала (512-885) и дуплексный интервал в 95 МГц.
GSM-1800 также называется PCS в Гонконге и Великобритании. Большинство операторов GSM в Индии используют диапазон 900 МГц. Такие операторы, как Hutch, Airtel, Idea и некоторые другие, используют 900 МГц в сельских районах и 1800 МГц в городских районах.
Разница между GSM-900 и GSM-1800 заключается в том, что GSM-900 имеет двойной охват по сравнению с GSM-1800. Это связано с тем, что по мере увеличения частоты размер ячейки уменьшается из-за увеличения потерь в пути. Поэтому для обеспечения полного охвата конкретной территории в GSM-1800 необходимо установить большее количество башен, чем в GSM-900. Но поскольку в диапазонах GSM-1800 есть больше частот, больше возможностей можно обеспечить хорошим трафиком. Это позволяет GSM-1800 обрабатывать больше абонентов, чем GSM-900. Баланс обоих может помочь достичь хорошего охвата.
GSM-850
GSM-850 и GSM-1900 используются в США, Канаде и многих других странах Северной и Южной Америки. GSM-850 также иногда ошибочно называется GSM-800. В Австралии GSM 850 - это частота, выделенная для NextG Network Telstra, которая была включена в октябре 2006 года. Сеть NextG является шагом вверх от сети 3G и доступна на более высоких скоростях в Австралии по сравнению с сетью 3G, которая ограничена только для крупных населенных пунктов.
GSM-850 использует 824 - 849 МГц для передачи информации с мобильной станции на базовую приемопередающую станцию (восходящая линия связи) и 869 - 894 МГц для другого направления (нисходящая линия связи). Номера каналов от 128 до 251.
Cellular - это термин, используемый для описания диапазона 850 МГц, поскольку в этом спектре была выделена исходная система аналоговой сотовой мобильной связи. Поставщики обычно работают в одном или обоих частотных диапазонах.
GSM использует модуляции: QPSK, 8PSK, 16-QAM.
GSM работает по принципу комбинации двух известных технологий TDMA и FDMA - множественного доступа с временным и частотным разделением каналов. Вторая в свою очередь обеспечивает деление по частоте полосы с максимальной шириной 25МГц на 124 несущих частоты, которые разносятся на 200кГц друг от друга.
Каждая базовая станция имеет одну или несколько назначенных несущих частот. Затем каждую из несущих делят по времени с помощью TDMA. Базовая единица времени в этой схеме TDMA называется периодом импульсов и составляет
0,578 мс. Восемь периодов группируются в кадр TDMA (
4,62 мс), который формирует базовый блок для определения логических каналов. Один физический канал представляет собой один период пакета для кадра TDMA.
Голосовые кодеки GSM
GSM использует голосовые кодеки, чтобы соответствовать 3,1 кГц аудио в максимальной скорости передачи данных в полосах частот GSM. Исходными кодеками, используемыми стандартом GSM, были Full Rate (13 кбит / с) и Half Rate (6,5 кбит / с). Каждый из них использовал систему, основанную на LPC (линейное предсказательное кодирование). Эти кодеки помогли довести максимальную эффективность до битрейта, а также сделали возможным приоритет и защиту более важных компонентов передаваемого аудиосигнала.
В 1997 году был опубликован и внедрен кодек EFR в стандарте GSM. EFR предоставил GSM-сеть 12,2 тыс. / секунду и использовал полноскоростной канал. Как только UMTS была разработана, EFR превратилась в AMR-Narrowband CODEC, который более устойчив к помехам и считается более качественным, чем устаревшие GSM-кодеки.
Как работает служба безопасности GSM?
Стандарт GSM был разработан с учетом безопасности с самого начала. Сеть была создана с возможностью аутентификации подписчиков с использованием предварительно открытого ключа и методологии ответа на запрос. В GSM связь между мобильной телефонной трубкой и базовой станцией также может быть зашифрована. С развитием UMTS существует также дополнительный USIM (Universal Subscriber Identity Module), который обеспечивает более длительный ключ аутентификации, чтобы обеспечить повышенную безопасность, а также обеспечивает аутентификацию базовой станции для защиты пользователя от подмены.
Существует несколько криптографических алгоритмов, используемых GSM для обеспечения безопасности сети. Шифраторы A5 / 1, A5 / 2 и A5 / 3 подаются взысканием за конфиденциальность голоса в эфире, причем A5 / 1 является более сильным алгоритмом, используемым в Европе и США. GSM поддерживает использование нескольких алгоритмов шифрования, поэтому алгоритмы могут быть изменены сетевыми операторами по мере появления более сильных. Проблемы безопасности GSM, такие как кража услуг, конфиденциальность и юридический перехват, продолжают вызывать значительный интерес у сообщества GSM. Болнее детальную информацию о безопасности GSM можно найти на портале безопасности GSM.
Некоторые идеи, высказанные ниже, являются чистой воды спекуляцией на тему истории технологии. При написании данной статьи использовались различные источники, часть из которых указана в разделе «Ссылки». Автор с удовольствием примет указания на неточности и ошибки.
В начале 80-х годов в Европе существовало несколько конкурирующих стандартов аналоговой сотовой связи. Я неоднократно встречал утверждения, что к 1982 году (год создания Groupe Speciale Mobile, см. ниже) стали очевидны недостатки аналоговой связи, в том числе недостаточная ёмкость, высокая стоимость, незащищённость информации (собственно звонков) и возможность клонирования аппаратов, т.е. создания их нелегальных двойников.
Некоторые авторы пишут также, что важную роль сыграл тот факт, что государственные и частные компании понимали, как сложно окупить исследования и разработку без международного распространения созданного стандарта. Частично такая точка зрения подтверждается распространенностью аналоговых систем мобильной связи первого поколения.
| Аналоговые стандартны (системы первого поколения) | ||
| Название Системы | Дата | Страна |
| AMPS | 1983 | США, другие страны |
| C-Netz | 1981, 1988 | Германия, Австрия, Португалия |
| Comvik | 1981 | Швеция |
| ETACS | 1987 | Великобритания, другие страны |
| NMT450 (Nordic Mobile Telephone) | 1981 | Швеция, Норвегия, Дания, Финляндия |
| NMT900 | 1986 | Швеция, Норвегия, Дания, Финляндия |
| RadioCom | 1985 | Франция |
| RTMS (Radio Telephone Mobile System) | 1985 | Италия |
| TACS (Total Acess Communications System) | 1985 | Великобритания, Италия, Испания, Австрия, Ирландия |
Как можно было увидеть эти недостатки столь рано, до введения в эксплуатацию доброй половины сетей первого поколения и до приобретения хоть какого-то опыта, я не совсем понимаю. Вероятно, сведения о прозорливости тогдашних правительств и лидеров промышленности несколько преувеличены, а вот году эдак к 1986 эти недостатки стали проявляться. Именно в это время и была создана Ассоциация MoU GSM, да и вообще 1986-1987 гг. очень богаты на события, породившие современный стандарт GSM.
Трудно себе представить, что созданная в 1982 году группа была изначально направлена на создание некоего специфического стандарта сотовой мобильной связи. Вероятно, некая идея общеевропейского цифрового стандарта витала в воздухе, и Groupe Speciale Mobile была призвана исследовать эту проблему.
Зачастую среди изначальных спецификаций GSM называют совместимость с ISDN, хотя первые рекомендации по ISDN появились в 1984 году (CCITT Recommendation I.120). Понятно, что к 1982 году дебаты по поводу ISDN уже шли, и мне представляется, что второй отправной точкой могла быть идея создания беспроводного аналога ISDN. Может быть, свою роль сыграла и идея объединённой Европы. Не будучи очевидцем, трудно представить, какие политические интриги и страсти кипели вокруг новой системы сотовой связи. Современные дебаты о третьем поколении – это даже не тень, а тень тени разгоревшейся в середине восьмидесятых битвы.
Вернёмся ещё раз в 1982-ой год. Не будем забывать, что ни о каком GSM в современном понимании речь пока не идёт, существует просто идея всеевропейской системы сотовой связи, и проталкивают её государственные монополии при полной поддержке соответствующих правительств.
В Европе к тому времени уже двадцать лет как существовал вполне подходящий инструмент для решения подобных вопросов – CEPT. Конференция CEPT (Conference Europeenne des Administration des postes et des telecommunications, The European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) была основана в 1959. Её деятельность в основном сводилась к урегулированию международных коммерческих и операционных вопросов и стандартизации в области связи.
В 1982 этом году CEPT создала Groupe Speciale Mobile для изучения будущей европейской системы сотовой связи. Встречаются упоминания о том, что эта группа была создана по предложению Nordic Telecom и Netherlands PTT.
В 1985 году Франция и Германия подписывают в Ницце соглашение о поддержке GSM, т.е. общеевропейского цифрового стандарта.
В 1986 году к ним присоединяются Великобритания и Италия, в Париже создаётся постоянная группа экспертов, ответственная за разработку стандарта - GSM Permanent Nucleus. На совещании глав государств в декабре 1986 был поднят вопрос о стандартизации и обязательствах со стороны операторов мобильной связи. Совет министров Европы издал директиву с указанием странам-участникам отвести полосу частот в диапазоне 900 МГц под новую систему связи.
Система должна была отвечать следующим критериям:
- Хорошее субъективное качество речи
- Низкая стоимость оборудования и абонентной подписки
- Поддержка международного роуминга
- Возможность создания портативных терминалов
- Поддержка ряда новых возможностей и услуг
- Спектральная эффективность
- Совместимость с ISDN
Я отнёс чёткую формулировку этих критериев к 1986 году исключительно потому, что мне это кажется более логичным, чем общепринятая датировка 1982 годом.
В 1987 году были проведены полевые испытания нескольких систем на соответствие некоторым из этих условий, так, они включили в себя проверки спектральной эффективности, качества речи и радиоинтерфейса (т.е. модуляции радиосигнала и системы множественного доступа). В том же году на совещании в Мадейре было подписано соглашение о том, что новая система будет узкополосной цифровой с временным разделением каналов. На встрече министров в мае, все страны-участницы согласились со стандартом и датой введения новых сетей в эксплуатацию – июль 1991 года. Операторам связи было указано на необходимость подписания протокола о намерениях (Memorandum of Understanding, MoU). Этот протокол был разработан чиновником британского департамента торговли и промышленности. Седьмого сентября в Копенгагене этот документ был подписан.
Аббревиатура GSM стала читаться как Global System for Mobile Communications. Здесь можно заподозрить происки англосаксов и тевтонов, так как произнести Groupe Speciale Mobile с правильным французским прононсом может не каждый, а конфузиться никому не хотелось. Таким образом, организация, объединяющая операторов и производителей оборудования, называется GSM MoU Association, но обычно её называют просто Ассоциация GSM.
К 1988 году было доказано, что система будет работать, и в 1989 году работало несколько тестовых сетей.
В 1989 году обязанности по развитию стандарта перешли от GSM Permanent Nucleus к недавно созданному ETSI (European Telecommunications Standards Institute), который и оформил GSM в качестве международного стандарта. В 1990 году спецификации GSM Phase 1 были закреплены, то есть стали неизменяемыми, что позволило начать разработку и производство сетевого, пользовательского и тестового оборудования.
Конечно же, к июлю 1991 запустить сервис не успели по причине отсутствия собственно мобильных телефонов. Огромной проблемой было отсутствие процесса подтверждения соответствия стандарту или сертификации (validation – type approval). Так как стандарт достаточно сложен, то процесс сертификации телефона, т.е. проверки на соответствие стандарту занимает довольно много времени, положительных результатов очень редко удаётся достичь с первого раза. Сейчас (в 2002 году) это уже хорошо отлаженный процесс, но в начале девяностых пришлось вводить временную меру - Interim Type Approval , т.е. ограниченной сертификации.
После закрепления стандарта Фазы 1 прошло около двух лет до запуска в Финляндии первой сети GSM. И если в январе 1992-го года она была одна, то к концу 1992 существовало уже около четырнадцати сетей. Надо сказать, что международные бюрократы от технологии не теряли времени даром, и между 1990 и 1992 годами были созданы системы сертификации, а многозначительные взгляды сфокусировались на диапазоне 1800 МГц.
Не обошлось без съездов – Pan European Digital Cellular Conference состоялась в 1987 году в Лондоне. В 1995 в Мадриде это событие стало называться Всемирный Конгресс GSM. До 1996 года конференции и конгрессы проводились в европейских столицах, пока здравый смысл не победил, и постоянным местом для конференций стали Канны.
Из примечательных событий стоит отметить появление роуминга и присоединение первой неевропейской компании к Ассоциации в 1993 году, закрепление спецификации GSM Фазы 2, включающей диапазон 1900 МГц в 1995, удачную попытку взлома SIM-карты в 1998 и появления GPRS в 1999 году. 26 октября 1999 года Ассоциация GSM и ETSI заново подписали соглашение о сотрудничестве. С июня 2002-го года ответственность за поддержку стандарта взяла на себя 3GPP (3rd Generation Partnership Project).
[1] J. Scourias, «Overview of the Global System for Mobile Communications»
[2] Самуйлов К.Е. и Никитина М.В., «Сети сотовой подвижной связи в стандарте GSM». Примечание: данный труд является неплохим переводом работы Джона Скуриаса [1] почему-то опубликованным под другими именами.
Глобальная система мобильной связи ( GSM ) представляет собой стандарт , разработанный институт стандартизации электросвязи Европейского (ETSI) для описания протоколов для второго поколения ( 2G ) цифровые сотовые сети используют мобильные устройства , такие как мобильные телефоны и планшеты. Впервые он был развернут в Финляндии в декабре 1991 года. К середине 2010-х годов он стал мировым стандартом мобильной связи, достигнув более 90% доли рынка и работая более чем в 193 странах и территориях.
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 Бельгии . Многие люди в Бельгии до сих пор пользуются им.
СОДЕРЖАНИЕ
История
Первоначальная разработка GSM европейцами
В 1983 году началась работа по разработке 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. Решение разработать континентальный стандарт в конечном итоге привело к созданию единой открытой сети на основе стандартов, которая была больше, чем в Соединенных Штатах.
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.
Первые сети
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.
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.
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.
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.
GSM впервые установил общий европейский стандарт для беспроводных сетей. Он также был принят во многих странах за пределами Европы. Это позволило 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.
Прекращение
Telstra в Австралии закрыла свою сеть 2G GSM 1 декабря 2016 года, став первым оператором мобильной связи, который вывел из эксплуатации сеть GSM. Вторым оператором мобильной связи, отключившим свою сеть GSM (1 января 2017 г.), была компания AT&T Mobility из США . 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. Сингапур полностью отключил услуги 2G в апреле 2017 года. Последний онлайн-банк GSM Bank был удален в 2020 году из IES El Puig. Его разработали в 2018 году пять испанских студентов.
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:
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 соты, предназначенные для использования в жилых помещениях или в среде малого бизнеса, которые подключаются к сети поставщика телекоммуникационных услуг через широкополосное интернет- соединение. 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, 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 году с помощью усовершенствованного кодека с полной скоростью (EFR), кодека 12,2 кбит / с, который использует канал с полной скоростью. Наконец, с развитием UMTS , EFR был преобразован 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 пользователя и телефонную книгу. Это позволяет пользователю сохранять 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.
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.
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 , и 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 . Система поддерживает несколько алгоритмов, поэтому операторы могут заменить этот шифр более надежным.
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.
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.
Информация о стандартах
Системы и услуги GSM описаны в наборе стандартов, регулируемых ETSI , полный список которых поддерживается.
Программное обеспечение с открытым исходным кодом GSM
Существует несколько программных проектов с открытым исходным кодом, которые предоставляют определенные функции GSM:
- демон gsmd от Openmoko
- OpenBTS разрабатывает базовую приемопередающую станцию
- Проект программного обеспечения GSM направлен на создание анализатора GSM менее чем за 1000 долларов.
- Разработчики OsmocomBB намерены заменить проприетарный стек GSM основной полосы частот бесплатной программной реализацией.
- YateBTS разрабатывает базовую приемопередающую станцию
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.
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 г. судебных исков против пользователей OpenBTS из-за использования GSM не было.
При пользовании мобильным телефоном, мало кто задумывается о том, как в нем происходят звонки и откуда появляется интернет. На самом деле, всё не на столько просто, как можно подумать. Существуют специализированные стандарты сотовой связи – это обобщающее обозначение для всех технологий, которые применяются при создании мобильной связи. Часть из этих стандартов схожа друг с другом. Стандарты создаются похожим путем и имеют практически одинаковые характеристики. На основании параметров все стандарты разделены по группам, называющимся поколениями. Отсюда и происходят известные всем обозначения 1G, 2G, 3G и 4G. Буква G в данном случае является сокращением от английского слова generation – поколение. Также Вы узнаете, как развивалась сотовая связь, и какие кардинальные различия существуют между ее поколениями.
p, blockquote 1,0,0,0,0 -->
p, blockquote 2,0,0,0,0 -->
GSM История возникновения стандарта
Название GSM первоначально было аббревиатурой группы, которая вела разработку этого стандарта. Позже ее значение было интерпретировано в нужном ключе и стало обозначать Глобальную систему для мобильной связи. В 1982 году стартовало создание GSM. Оно велось коалицией из 26 Европейских компаний, предоставлявших услуги связи. Цель состояла в том, чтобы объединить все европейские страны с единым стандартом связи, который будет работать на 900 мегагерц. Спустя 7 лет ETSI продолжил работу над развитием GSM. Стандарт начал полноценно работать только в середине 1991 года. При этом он наголову обходил ближайших конкурентов, таких как североамериканский PCS. После этого усовершенствование стандарта проводилось в 1993 году. После производились лишь улучшения текущей версии.
p, blockquote 3,0,0,0,0 -->
Первое поколение мобильной связи (1G)
Данное поколение использовало в своей работе аналоговые стандарты, которые внедрялись в течение 1980-х годов. Впоследствии они были заменены цифровой технологией 2G, по всем параметрам превосходившей первое поколение. Принципиальное отличие между ними – возможность пользоваться СМС и шифровать звонки: только цифровой стандарт может позволить сделать это. Всего 1G поддерживал более 10 стандартов. Самые известные из них: NMT, AMPS, TACS, C-450, RtMI. Все они использовались отдельно, в зависимости от региона применения. Скорость загрузки при использовании 1G не превышала 5,6 килобайт в секунду, что является просто смешным по сегодняшним меркам.
p, blockquote 4,0,0,0,0 -->
Характеристики аналоговых стандартов сотовой связи
Основные аналоговые сети использовали в своей работе частоты 450, 800 и 900 мегагерц. Radiocom 2000, стандарт, использовавшийся во Франции, выделяется из этого ряда: он применял диапазоны 170, 200 и 400 МГц.
p, blockquote 5,0,0,0,0 -->
p, blockquote 6,0,0,0,0 -->
p, blockquote 7,0,0,0,0 -->
Второе поколение мобильной связи (2G)
p, blockquote 8,0,0,0,0 -->
Цифровые стандарты сотовой связи 2-го поколения
p, blockquote 9,0,0,0,0 -->
p, blockquote 10,0,0,0,0 -->
Переходный период (2,5G)
p, blockquote 11,0,1,0,0 -->
Архитектура сети GSM
Разберем пример идеальной модели сети. На рисунке изображенном ниже представлена модель, у каждой БС есть по 6 соседей. К примеру, эти станции расположены на гладкой поверхности, без холмов, деревьев, зданий и неровностей.
p, blockquote 12,0,0,0,0 -->
Базовая станция (БС) — это приемо-передающая станция, которая взаимодействует с вашим мобильным телефоном по радиоканалу. Зона охвата БС при таких условиях представляет окружность, которые будут пересекаться между собой. Если соединим точки пересечения окружностей, то получим шестиугольники – пчелиные соты.
p, blockquote 13,0,0,0,0 -->
p, blockquote 14,0,0,0,0 -->
Сеть подразделяется на 2-е основные системы BSS (Base Station System) – подсистема базовой станции и SSS – система коммутации. Эта система включает:
p, blockquote 16,0,0,0,0 -->
BSC – контроллер базовой станции.
p, blockquote 17,0,0,0,0 -->
p, blockquote 18,0,0,0,0 -->
К его обязанностям относится:
- Распределение радиоканалов между базовой станцией и мобильной станцией;
- Контролирует соединение с мобильной станцией (МС);
- Уведомление МС о поступившем вызове;
- Контроль уровня выходной излучаемой мощности между мобильной и базовой станцией в течение разговоров абонентов.
Промежуточное звено между БС и системой коммутации является транскодер (TCE) — это оборудование, которое преобразует входные сигналы канала передачи голоса и данных из коммутационного центра в форму, соответствующую рекомендации GSM по радиоинтерфейсу.
p, blockquote 20,0,0,0,0 -->
p, blockquote 21,0,0,0,0 -->
Проще говоря, по проводным линиям, голос в цифровом виде отправляется со V=64 Кбит/с. Сигнал с одинаковой скоростью передаётся с выхода коммутационного центра. А уже между мобильной станции и БС речь передается со V=13 Кбит/с. Транскодер превращает 64 Кбит/с в 13.
p, blockquote 22,0,0,0,0 -->
Mobile Switching Center (MSC) переводится с английского как мобильный коммутационный центр. Коммутатор обслуживает ограниченную по территории группу сот, например в конкретном городе, и выполняет все виды соединений, нужных для работы МС.
p, blockquote 23,1,0,0,0 -->
p, blockquote 24,0,0,0,0 -->
Home Location Register (HLR) – «домашний» регистр местоположения. Это устройство содержит информацию о местонахождении любой из мобильных станций, что позволяет коммутационному центру отправлять вызов на эту станцию.
p, blockquote 26,0,0,0,0 -->
p, blockquote 27,0,0,0,0 -->
HLR это справочная база данных (БД) о регулярно регистрируемых абонентов в сети:
- Параметры достоверности пользователей;
- Определенные номера;
- Перечень оказываемых клиенту услуг связи;
- Спец. информация о маршрутизации;
- Оформление данных о роуминге.
Visitor Location Register (VLR) – Регистр местоположения посетителя.
p, blockquote 29,0,0,0,0 -->
p, blockquote 30,0,0,0,0 -->
Это временная база данных абонентов, которые находятся в зоне действия конкретного коммутационного центра. Основная роль VLR заключается в минимизации количества запросов, которые MSC должны выполнять к регистру домашнего местоположения (HLR), который содержит постоянные данные, относящиеся к абонентам сотовой сети.
p, blockquote 31,0,0,0,0 -->
В идеале, должен быть только один регистр местоположения посетителя на MSC, но также возможно, чтобы один VLR обслуживал несколько MSC.
p, blockquote 32,0,0,0,0 -->
p, blockquote 33,0,0,0,0 -->
Authentication Center (AUC) – центр аутентификации. Это функция в сети GSM, используемая для аутентификации мобильного абонента, который хочет подключиться к сети. Аутентификация осуществляется путем идентификации и проверки действительности SIM-карты.
p, blockquote 34,0,0,0,0 -->
p, blockquote 35,0,0,1,0 -->
Как только подписчик аутентифицирован, AUC отвечает за генерацию параметров, используемых для конфиденциальности, и шифрование радиолинии. Чтобы обеспечить конфиденциальность мобильного абонента, временная идентификация мобильного абонента (TMSI) назначается на время, в течение которого абонент контролируется конкретным центром коммутации мобильной связи (MSC), связанным с AUC.
p, blockquote 36,0,0,0,0 -->
| Определяет достоверность пользователя |
| Включает несколько блоков и создаёт ключи и алгоритмы аутентификации |
| Сверяются права абонента и реализуется доступ к сети связи |
| Центр имеет несколько уникальных номеров, индивидуальный ключ и алгоритм аутентификации клиента, которые впоследствии отправляются в коммутационный центр |
Equipment Identity Register (EIR) – регистр идентификации оборудования.
p, blockquote 37,0,0,0,0 -->
p, blockquote 38,0,0,0,0 -->
В регистре имеются специальные номера IMEI (международный идентификационный номер оборудования мобильной станции) практически на всех мобильных станциях, которые имеют доступ к конкретной сети связи.
p, blockquote 39,0,0,0,0 -->
База данных разделяется:
- Белый список – для авторизованной МС;
- Чёрный список попадают номера, которые были украдены, или лишенные доступа по любой другой причине;
- Серый для МС с проблемами данных программного обеспечения.
Управляющее звено сети, которая не включена в систему коммутации, является Operation and Maintenance Center (центром эксплуатации и технического обслуживания), сокращенно ЦЭиТО.
p, blockquote 41,0,0,0,0 -->
p, blockquote 42,0,0,0,0 -->
Operation and Maintenance Center проверяет и распоряжается остальными компонентами сети. В появления чрезвычайной ситуации ЦЭиТО уведомит персонал, и зарегистрирует сведения об аварийной ситуации. В зависимости от степени повреждения ОМС позволяет устранить ситуацию автоматически или с вмешательством персонала.
p, blockquote 43,0,0,0,0 -->
Для создания разумного иерархического управления сетью GSM, подходит Network Management Center (NMC) – сетевой операционный центр, который:
p, blockquote 44,0,0,0,0 -->
| Ответственный за использование и тех. обслуживание на всём уровне сети, при поддержке региональных центров |
| При ЧС, к примеру, поломка механизма или перегрузка узлов, NMC обеспечит управление трафиком в сети и диспетчерское управление сетью |
| Контролирует техническое состояние узлов управления, применяемых в оборудовании сети, и отображает состояние сети на мониторах для операторов центра управления сетью. Что позволяет работникам отслеживать процесс и помогать центрам эксплуатации |
| Персонал отвечает за мониторинг одной или нескольких сетей на предмет определенных условий, которые могут потребовать особого внимания во избежание ухудшения качества обслуживания |
| Организации могут управлять более чем одним NMC, либо для управления различными сетями, либо для обеспечения географической избыточности в случае недоступности одного сайта |
p, blockquote 45,0,0,0,0 -->
Видео о работе сети GSM
p, blockquote 46,0,0,0,0 -->
Заключение
Как можно заметить, весь процесс перехода от аналоговой связи до цифровой занял чуть больше пяти лет, после чего вновь появившиеся стандарты постепенно совершенствовались, ускоряя передачу сигнала и увеличивая его качество. На сегодняшний день развитие мобильной связи идет с гораздо большей скоростью, так как технологии создаются намного быстрее, чем 30 лет назад: тогда никто и подумать не мог о скорости передачи данных через телефон в разы выше компьютерной. На текущий момент активно ведется разработка стандартов пятого поколения, которые позволят передавать информацию с немыслимой скоростью, приближающейся к показателям в гигабайты/секунду. Но те эпохальные события, когда только началось зарождение новых поколений сотовой связи стали самым настоящим толчком к совершенствованию, импульс от которого сохраняется до сих пор.
Читайте также: