Perimmäinen opas GSM:ään: Kaikki, mitä sinun tarvitsee tietää

Oletko koskaan miettinyt, miten matkapuhelimesi yhdistää sinut ihmisiin maileja kauempana kuin taikaiskusta? Kauan ennen nykypäivän supernopeaa internetiä oli uraauurtava teknologia, joka aloitti kaiken. Tämä teknologia auttoi miljardeja ihmisiä puhumaan ja tekstiviestimään toisilleen ympäri maailmaa. Puhumme GSM:stä. Mutta mitä GSM todella on, ja miksi se oli niin tärkeä?

Valmistaudu löytämään yksinkertainen tarina teknologian takana, joka rakensi perustan tuntemallemme mobiilimaailmalle! Tämä opas johdattaa sinut läpi kaiken, mitä sinun tarvitsee ymmärtää GSM:stä helpoin termein.

Maailmankarttavektorit: Vecteezy

Mikä on GSM?

GSM tarkoittaa Global System for Mobile Communications -järjestelmää (Globaali järjestelmä mobiiliviestintään). Se on periaatteessa digitaalinen standardi, joukko sääntöjä ja teknologioita, joita matkapuhelimet ja verkot käyttävät kommunikoidakseen keskenään. Sen keskeisiä ominaisuuksia ovat:

• Digitaalinen: Toisin kuin vanhemmat analogiset järjestelmät (kuten epäselvä radio), GSM käyttää digitaalisia signaaleja. Tämä tarkoittaa selkeämpiä puheluita ja vähemmän häiriöitä.

• Puhelut ja tekstiviestit: GSM suunniteltiin ensisijaisesti äänipuheluille ja yksinkertaisille tekstiviesteille (SMS - Short Message Service).

• SIM-kortit: Yksi GSM:n tunnistettavimmista ominaisuuksista on SIM (Tilaajan tunnistusmoduuli) -kortti. Tämä pieni siru tallentaa tilisi tiedot. Voit asettaa SIM-korttisi eri GSM-puhelimiin, ja numerosi ja palvelupakettisi seuraavat mukana.

• Maailmanlaajuinen standardi: Siitä tuli maailman laajimmin käytetty mobiilistandardi, jota käytettiin Euroopassa, Aasiassa, Afrikassa ja monilla muilla alueilla.

Kuvittele vilkas valtatie. Miten sille mahtuu paljon autoja ilman, että ne törmäävät? GSM käyttää järjestelmää nimeltä TDMA (Time Division Multiple Access - Aikaositteinen monikäyttö). Ajattele verkon käytettävissä olevaa radiotaajuutta (valtatie). TDMA jakaa tämän taajuuden pieniin aikaosiin. Jokaiselle puhelulle annetaan oma pieni aikaviipale ‘puhua’ kyseisellä taajuudella. Se tapahtuu niin nopeasti, että se kuulostaa sinusta jatkuvalta keskustelulta. Se on kuin monet ihmiset vuorottelisivat nopeasti puhuakseen samalla radiokanavalla.

GSM toimii myös tietyillä taajuusalueilla, jotka ovat kuin hallitusten mobiilikäyttöön osoittamia omistettuja radiokanavia. Yleisiä GSM-alueita ovat 900 MHz ja 1800 MHz monissa osissa maailmaa, sekä 850 MHz ja 1900 MHz ensisijaisesti Amerikassa. Puhelimesi on tuettava alueellasi tai matkakohteessasi käytettäviä taajuusalueita.

 

GSM:n kehitys

Matkapuhelimet eivät aina olleet niin älykkäitä tai yhdistettyjä kuin ne ovat nykyään. GSM:llä oli massiivinen rooli tässä kehityksessä. Katsotaanpa sen matkaa.

Älypuhelinvektorit: Vecteezy
 

Varhaiset mobiiliverkot

Ennen GSM:ää 1980-luvulla Euroopassa oli sekamelska erilaisia analogisia matkapuhelinjärjestelmiä (joita kutsuttiin usein 1G:ksi, tai Ensimmäiseksi sukupolveksi). Puhelin yhdestä maasta ei toiminut toisessa. Puhelut eivät olleet kovin selkeitä, ja turvallisuus oli heikko. Kaikki oli sekavaa ja rajoitettua.

Euroopan maat tajusivat tarvitsevansa yhden, yhtenäisen standardin tehdäkseen mobiiliviestinnästä parempaa ja antaakseen ihmisille mahdollisuuden käyttää puhelimiaan yli rajojen. Siksi GSM syntyi – luomaan globaali järjestelmä, jota kaikki voisivat käyttää. Se suunniteltiin alusta asti digitaaliseksi, mikä tarjosi parempaa laatua ja turvallisuutta.

Keskeiset virstanpylväät (2G, GPRS, EDGE ja UMTS)

• GSM (2G - Toinen sukupolvi): Tämä on alkuperäinen standardi, josta olemme keskustelleet. Se lanseerattiin 1990-luvun alussa, ja se keskittyi digitaalisiin äänipuheluihin ja tekstiviesteihin (SMS). Se oli massiivinen parannus 1G:hen verrattuna.

• GPRS (General Packet Radio Service): Usein kutsuttu “2.5G:ksi”, GPRS oli päivitys GSM-verkkoihin. Se mahdollisti “aina päällä olevat” datayhteydet, vaikka nopeudet olivat melko hitaita (ajattele hyvin perustasoista mobiiliselausta tai sähköpostia).

• EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution): Toinen päivitys, jota joskus kutsutaan “2.75G:ksi”. EDGE tarjosi nopeampia datanopeuksia kuin GPRS, tehden mobiili-internetistä hieman käyttökelpoisemman, mutta silti paljon hitaamman kuin mitä meillä on nyt.

• UMTS (Universal Mobile Telecommunications System): Tämä merkitsi 3G:n (Kolmas sukupolvi) alkua. Vaikka UMTS on teknisesti eri teknologi järjestelmä, se suunniteltiin GSM:n kehityspoluksi. Se tarjosi paljon nopeampia datanopeuksia, mahdollistaen videopuhelut ja paremman mobiili-internetin. Monet 3G-verkot rakennettiin GSM:n perustaman infrastruktuurin päälle.

GSM:n ymmärtäminen auttaa meitä arvostamaan, miten nämä myöhemmät teknologiat rakentuivat sen menestyksen päälle.

 

Siirtyminen GSM:stä nykyaikaisiin verkkoihin (4G LTE ja 5G)

Kun datan tarpeemme kasvoivat – suoratoistoa, sovelluksia, sosiaalista mediaa ja muuta varten – edes 3G ei ollut tarpeeksi nopea. Tämä johti 4G LTE (Long-Term Evolution) ja nyt 5G (Viides sukupolvi) -verkkojen kehitykseen. Nämä teknologiat ovat valtavasti erilaisia kuin GSM, käyttäen kehittyneempiä tekniikoita (kuten OFDMA, josta keskustellaan myöhemmin) tarjotakseen uskomattoman nopeita nopeuksia ja tukeakseen paljon enemmän samanaikaisesti yhdistettyjä laitteita.

Kun mobiiliverkot kehittyivät GSM:stä tehokkaisiin 4G LTE- ja 5G-teknologioihin, samoin kehittyi tapa, jolla olemme yhteydessä. eSIM (embedded SIM) edustaa seuraavaa virstanpylvästä tässä kehityksessä, eliminoiden fyysisten SIM-korttien tarpeen ja tarjoten sujuvamman, nopeamman ja joustavamman tavan pysyä yhteydessä. Aivan kuten GSM loi perustan mobiiliviestinnälle, eSIM muokkaa tulevaisuutta.

Analogiavektorit: Vecteezy
 

Miten GSM-verkot on rakennettu

GSM-verkko ei ole vain puhelimesi ja tukiasema. Se on monimutkainen järjestelmä, jossa useat keskeiset osat toimivat yhdessä. Jaetaan se yksinkertaisesti:

• Mobiililaitteet (Mobile Station - MS): Tämä on puhelimesi, tablettisi tai mikä tahansa laite, joka muodostaa yhteyden verkkoon. Tärkeä osa tässä on SIM-kortti, joka tunnistaa sinut (tilaajan) verkolle. Ilman kelvollista SIM-korttia puhelimesi voi yleensä soittaa vain hätäpuheluita.

• Tukiasemajärjestelmä (Base Station Subsystem - BSS): Tämä osa yhdistää puhelimesi langattomasti pääverkkoon. Siinä on kaksi pääkomponenttia:

  • Tukiasemalangaton lähetin (Base Transceiver Station - BTS): Nämä ovat kaikkialla näkemäsi matkapuhelintornit. Ne sisältävät radiot ja antennit, jotka lähettävät ja vastaanottavat signaaleja suoraan puhelimeesi ja puhelimesta. Jokainen torni kattaa tietyn alueen, jota kutsutaan ‘soluksi’.
  • Tukiasemaohjain (Base Station Controller - BSC): Ajattele tätä useiden matkapuhelintornien (BTS) hallinnoijana. Se ohjaa asioita, kuten kanavan varausta (taajuuksien ja aikaosien osoittamista) ja ‘siirtoja’ (handovers) – kun puhelimesi siirtyy saumattomasti tornista toiseen liikkuessasi puhelun katkeamatta.

• Verkkovaihtojärjestelmä (Network Switching Subsystem - NSS): Tämä on GSM-verkon ‘aivot’ tai ydin. Se hallinnoi puheluita, viestejä ja pitää kirjaa käyttäjistä. Keskeisiä osia ovat:

  • Mobiilinvaihtokeskus (Mobile Switching Center - MSC): Keskeinen koordinoiva elementti. Se reitittää puhelut oikeaan paikkaan (oli kyse sitten toisesta matkapuhelimesta tai tavallisesta lankapuhelinverkosta), hoitaa viestipalveluja (SMS) ja kommunikoi tietokantojen kanssa tarkistaakseen tilaajatiedot.
  • Kotipaikan rekisteri (Home Location Register - HLR): Suuri tietokanta, joka tallentaa pysyvästi tiedot jokaisesta kyseisen verkko-operaattorin tilaajasta, mukaan lukien heidän palvelunsa, luvat ja yleinen sijainti.
  • Vierailijan paikan rekisteri (Visitor Location Register - VLR): Väliaikainen tietokanta, joka liittyy MSC:hen. Kun matkustat tiettyä MSC:tä palvelevalle alueelle, VLR tallentaa tilapäisen kopion tiedoistasi HLR:stä. Tämä auttaa MSC:tä käsittelemään puheluitasi paikallisesti ilman, että se tarkistaa jatkuvasti pää-HLR:ää.

• Toiminta- ja tukijärjestelmä (Operation and Support Subsystem - OSS): Tämä on kulissien takainen osa, joka hallinnoi koko verkkoa. Se hoitaa verkon seurantaa (varmistaen, että kaikki toimii), ylläpitoa, ohjelmistopäivityksiä, verkon konfigurointia, vikojen tunnistusta ja turvallisuushallintaa. Se varmistaa, että verkko toimii sujuvasti ja luotettavasti.

Kun siis soitat puhelun, puhelimesi (MS) puhuu lähimmälle matkapuhelintornille (BTS), jota hallinnoi BSC. BSC yhdistää NSS:n MSC:hen. MSC tarkistaa VLR/HLR:n varmistaakseen tilauksesi ja reitittää sitten puhelusi määränpäähän, oli se sitten toinen mobiilikäyttäjä (kulkien heidän verkko-osien kautta) tai lankapuhelimessa oleva henkilö.

 

GSM:n ominaisuudet ja edut

GSM:stä tuli niin suosittu useista hyvistä syistä. Tässä muutamia sen tärkeimmistä eduista:

• Kansainvälinen verkkovierailu: Tämä oli ehkä GSM:n suurin myyntivaltti. Koska niin monet maat ottivat GSM-standardin käyttöön, verkko-operaattorit pystyivät tekemään sopimuksia, jotka mahdollistivat asiakkaidensa puhelimien käytön muissa GSM-verkoissa ulkomailla matkustaessaan. Tämä teki kansainvälisestä matkustamisesta paljon helpompaa mobiilikäyttäjille.

• SIM-kortin joustavuus: Pieni, irrotettava SIM-kortti oli loistava idea. Se tallentaa ainutlaatuiset tilaajatiedot. Tämä tarkoittaa, että voit helposti vaihtaa puhelinnumerosi ja palvelupakettisi uuteen GSM-puhelimeen siirtämällä SIM-kortin. Et ollut sidottu tiettyyn laitteeseen kuten joissakin muissa järjestelmissä.

• Turvallinen viestintä (omaan aikaansa nähden): Verrattuna vanhempiin analogisiin järjestelmiin, GSM tarjosi parannettua turvallisuutta. Se käytti digitaalista salausta puheluiden koodaamiseen, mikä vaikeutti satunnaisten kuuntelijoiden salakuuntelua. Vaikka se ei ollut täydellinen nykypäivän standardeilla, se oli merkittävä askel eteenpäin.

• Laaja käyttöönotto: GSM saavutti valtavan maailmanlaajuisen mittakaavan. Siitä tuli hallitseva standardi Euroopassa, Aasiassa, Afrikassa ja Oseaniassa, ja sitä käytettiin laajalti myös Amerikassa. Tämä valtava käyttäjäkunta loi mittakaavaetuja, tehden puhelimista ja verkkolaitteista halvempia ja helpommin saatavilla.

• Yhteensopivuus varhaisten IoT-laitteiden kanssa: GSM:n yksinkertaisuus ja laaja kattavuus (erityisesti GPRS:n avulla perustason tiedonsiirtoon) tekivät siitä sopivan varhaiseen Machine-to-Machine (M2M) -kommunikaatioon ja Internet of Things (IoT) -laitteisiin. Ajattele esimerkiksi älykkäitä mittareita, jotka lähettävät lukemia, myyntiautomaatteja, jotka ilmoittavat varastosta, tai perustason ajoneuvoseurantajärjestelmiä.

Photo by Andrey Metelev on Unsplash

 

GSM vs. CDMA vs. LTE: Keskeiset erot

GSM ei ollut ainoa mobiiliteknologia markkinoilla. Joissain osissa maailmaa, erityisesti Pohjois-Amerikassa ja osissa Aasiaa, toinen 2G/3G-teknologia nimeltä CDMA oli myös suosittu. Ja nykyään LTE (4G) ja 5G ovat hallitsevia standardeja. Tässä yksinkertainen vertailu:

 

Turvallisuus GSM:ssä

Kun GSM suunniteltiin 1980-luvun lopulla, turvallisuus otettiin huomioon, erityisesti verrattuna helposti skannattaviin analogisiin verkkoihin.

GSM otti käyttöön salauksen puheluiden suojaamiseksi. Tärkeimmät käytetyt algoritmit olivat A5/1 ja myöhemmin A5/2. Nämä algoritmit koodasivat keskustelun puhelimen ja tukiaseman välillä, vaikeuttaen salakuuntelijoiden kuuntelemista yksinkertaisella radiokuulokkeella. Todennusprosesseja käytettiin myös SIM-kortin todentamiseen verkon kanssa, mikä auttoi estämään kloonausta (vaikka ei täydellisesti).

Haavoittuvuudet ja turvallisuusriskit

Vaikka parannus, GSM:n turvallisuus ei ollut täysin pettämätön, varsinkaan nykyaikaisilla standardeilla.

• Heikko salaus: A5/1-algoritmissa todettiin myöhemmin heikkouksia, jotka voitiin mahdollisesti murtaa riittävällä laskentateholla. A5/2 oli vielä heikompi ja suunniteltiin tarkoituksella hallitusten helposti murrettavaksi.

• Tukiaseman ja verkon välinen yhteys: Usein salaus koski vain puhelimen ja tukiaseman (BTS) välistä yhteyttä. Yhteys tukiasemasta takaisin ydinverkkoon ei aina ollut salattu, mikä loi potentiaalisen heikon kohdan.

• IMSI Catchers: Laitteet, jotka tunnetaan nimellä “IMSI Catchers” tai “Stingrays”, voivat teeskennellä olevansa laillisia tukiasemia, huijaten puhelimia yhdistymään niihin. Tämä mahdollistaa hyökkääjien siepata puheluita/tekstiviestejä tai seurata käyttäjän sijaintia.

• Keskinäisen todennuksen puute (alkuperäisessä spesifikaatiossa): Alun perin vain verkko todensi puhelimen/SIM-kortin. Puhelin ei aina todentanut verkkoa, mikä teki siitä haavoittuvan väärennettyjä tukiasemia vastaan.

Ovatko nykyaikaiset GSM-verkot suojattuja?

On tärkeää muistaa, että GSM itsessään on vanhaa teknologiaa. Vaikka joitain perustason GSM-palveluita saattaa olla yhä toiminnassa, suurin osa nykypäivän ääni- ja dataliikenteestä kulkee 3G-, 4G (LTE)- ja 5G-verkkojen kautta. Näissä uudemmissa standardeissa on paljon vahvemmat turvaominaisuudet:

• Vahvempi salaus: Algoritmeja, kuten AES, käytetään 4G/5G:ssä, jotka ovat paljon vankempia.

• Keskinäinen todennus: Sekä laite että verkko todentavat toisensa, mikä vaikeuttaa väärennettyjä tukiasemia vastaan hyökkäämistä.

• Päästä päähän -turvallisuus: Pyritään suojaamaan viestintää pidemmälle verkon ytimeen.

• Säännölliset päivitykset: Turvallisuusprotokollat tarkistetaan ja päivitetään jatkuvasti.

Joten, vaikka GSM:ssä oli tunnettuja turva-aukkoja, useimmat ihmiset päivittäin käyttämät verkot (4G/5G) tarjoavat paljon paremman suojan.

 

GSM:n rajoitukset

Mennestyksestään huolimatta GSM:llä oli haittapuolensa, erityisesti teknologian kehittyessä:

• Häiriöongelmat: Radiopohjaisena GSM-signaaleihin saattoivat vaikuttaa fyysiset esteet, kuten rakennukset, mäet tai jopa huono sää. Tämä saattoi johtaa puheluiden katkeiluun tai huonoon signaalin laatuun tietyillä alueilla. Sähkömagneettiset häiriöt muista laitteista saattoivat myös joskus aiheuttaa ongelmia.

• Rajoitetut datanopeudet: Tämä on GSM:n suurin rajoitus nykypäivän standardeilla. Vaikka GPRS- ja EDGE-päivitykset lisäsivät datakyvykkyyttä, nopeudet olivat erittäin hitaita verrattuna 3G:hen, puhumattakaan 4G:stä tai 5G:stä. Videon suoratoisto tai monimutkaisten sovellusten käyttö ei yksinkertaisesti ollut mahdollista puhtaalla 2G GSM-yhteydellä. Ymmärtäminen, mitä GSM pohjimmiltaan tarkoittaa, tunnistaa sen rakennetun ensin äänelle, sitten datalle.

• Toistimien tarve heikon signaalin alueilla: Alueilla, joilla oli huono luonnollinen peitto (kuten syvällä suurissa rakennuksissa tai syrjäisillä maaseutualueilla), tarvittiin usein signaalinvahvistimia tai toistimia GSM-signaalin vahvistamiseksi ja palvelun käyttökelpoisuuden varmistamiseksi. Tämä lisäsi monimutkaisuutta ja kustannuksia kattavuuden varmistamiseen kaikkialla.

• Kapasiteettirajat: TDMA-rakenne, vaikka nokkela, asetti rajoituksia sille, kuinka monta käyttäjää pystyi jakamaan taajuuden tietyllä alueella. Erittäin tiheään asutuilla paikoilla verkko saattoi joskus ruuhkautua ruuhka-aikoina.

Datanopeuden ja kapasiteetin osalta nämä rajoitukset ajoivat tarvetta siirtyä 3G:hen, 4G:hen ja 5G:hen, jotka suunniteltiin voittamaan nämä ongelmat.

 

GSM Yhdysvalloissa ja maailmanlaajuinen käyttö

Historiallisesti Yhdysvalloissa AT&T ja T-Mobile olivat ensisijaiset GSM-operaattorit. Tämä on kuitenkin nopeasti muuttumassa. Molemmat operaattorit, kuten muutkin maailmanlaajuisesti, ovat parhaillaan sulkemassa vanhempia 2G (GSM) ja 3G-verkkojaan. Ne tarvitsevat näiden vanhempien teknologioiden käyttämän radiotaajuustilan (spektrin) rakentaakseen nopeampia, tehokkaampia 4G LTE- ja 5G-verkkojaan. Vaikka jotain minimaalista GSM-kyvykkyyttä saattaa vielä olla olemassa tietyissä M2M/IoT-käytöissä tai väliaikaisissa verkkovierailusopimuksissa, aktiivinen kuluttajakäyttö on katoamassa. On parasta olettaa, että kuluttajille suunnatut GSM-verkot ovat käytännössä poissa tai katoavat hyvin pian Yhdysvalloissa.

Yhdysvaltain tilanne heijastaa maailmanlaajuista trendiä. Maat ympäri Eurooppaa, Aasiaa ja Australiaa sulkevat myös aktiivisesti 2G- ja 3G-verkkojaan. Aikataulu vaihtelee maittain ja operaattoreittain, joissakin on jo suoritettu sulkemiset ja toiset suunnittelevat niitä seuraavien vuosien aikana.

Syyt ovat johdonmukaiset: arvokkaan spektrin takaisin valtaaminen 4G/5G:lle, vanhojen verkkojen ylläpitokustannusten vähentäminen ja käyttäjien kannustaminen siirtymään nykyaikaisempaan, tehokkaampaan teknologiaan.

Useimmilla viimeisen 5-7 vuoden aikana valmistettuja älypuhelimia käyttävillä ihmisillä tämä sulkeminen ei todennäköisesti vaikuta heihin suoraan. Nykyaikaiset puhelimet käyttävät pääasiassa 4G LTE- ja 5G-verkkoja. Tässä kuitenkin mitä sinun on tehtävä, jos GSM-verkot suljetaan:

• Tarkista puhelimesi: Jos sinulla on erittäin vanha puhelin (peruspuhelin ehkä yli 10 vuoden takaa), se saattaa tukea vain 2G/3G:tä. Kun nämä verkot suljetaan alueellasi, kyseinen puhelin menettää palvelun (paitsi mahdollisesti hätäpuhelut). Sinun on päivitettävä puhelimeen, joka tukee 4G LTE:tä (ja mieluiten VoLTE – Voice over LTE) tai 5G:tä.

• Tarkista IoT-laitteet: Jotkut vanhemmat älykotilaitteet, hälytysjärjestelmät tai ajoneuvoseurantalaitteet saattavat luottaa 2G/3G-verkkoihin. Näiden laitteiden käyttäjien on ehkä tarkistettava palveluntarjoajalta tai valmistajalta päivitysvaihtoehdot tai mahdollinen palvelun menetys.

• Matkailijat: Vaikka kansainvälinen verkkovierailu oli GSM:n vahvuus, verkkojen sulkeutuessa maailmanlaajuisesti, pelkästään 2G/3G:hen tukeutuminen verkkovierailussa tulee vähemmän käyttökelpoiseksi. Nykyaikaiset useita 4G/5G-alueita tukevat puhelimet ovat välttämättömiä luotettavaan kansainväliseen yhteyteen.

Photo by Christopher on Unsplash

 

Päivitä GSM:stä tulevaisuuteen Yoho Mobile eSIMin avulla!

Aivan kuten GSM muutti mobiiliviestinnän, Yoho Mobilen eSIM vie sen seuraavalle tasolle. Unohda paikallisten SIM-korttien etsiminen tai huoli yhteensopivuudesta vanhenevien verkkojen kanssa. Yoho Mobile tarjoaa saumattoman yhteyden nykyaikaisilla 4G- ja 5G-verkoilla ympäri maailmaa, kaikki eSIMin kätevyydellä. Ei fyysisiä SIM-korttien vaihtoja – vain välitön, globaali yhteys minne tahansa menetkin.

• Käytä koodia YOHO12 kassalla saadaksesi 12 % alennuksen!