Kompletny Przewodnik po GSM: Wszystko, Co Musisz Wiedzieć

Czy zastanawiałeś się kiedyś, jak Twój telefon komórkowy magicznie łączy Cię z ludźmi oddalonymi o wiele kilometrów? Na długo przed superszybkim internetem, którego używamy dzisiaj, istniała przełomowa technologia, od której wszystko się zaczęło. Ta technologia pomogła miliardom ludzi rozmawiać i wysyłać wiadomości tekstowe na całym świecie. Mówimy o GSM. Ale czym naprawdę jest GSM i dlaczego był tak ważny?

Przygotuj się na poznanie prostej historii technologii, która położyła podwaliny pod świat mobilny, jaki znamy dzisiaj! Ten przewodnik w prostych słowach wyjaśni Ci wszystko, co musisz zrozumieć o GSM.

Grafiki map świata od Vecteezy

Czym jest GSM?

GSM oznacza Global System for Mobile Communications (Globalny System Łączności Mobilnej). Jest to zasadniczo cyfrowy standard, zestaw reguł i technologii, których telefony komórkowe i sieci używają do komunikowania się ze sobą. Jego kluczowe cechy to:

• Cyfrowość: W przeciwieństwie do starszych systemów analogowych (jak zaszumione radio), GSM używa sygnałów cyfrowych. Oznacza to wyraźniejsze połączenia i mniej zakłóceń.

• Połączenia i wiadomości tekstowe: GSM został zaprojektowany głównie do połączeń głosowych i prostych wiadomości tekstowych (SMS - Short Message Service).

• Karty SIM: Jedną z najbardziej rozpoznawalnych cech GSM jest karta SIM (Subscriber Identity Module). Ten mały chip przechowuje informacje o Twoim koncie. Możesz włożyć kartę SIM do różnych telefonów GSM, a Twój numer i plan taryfowy będą z Tobą podróżować.

• Globalny Standard: Stał się najszerzej przyjętym standardem mobilnym na świecie, używanym w Europie, Azji, Afryce i wielu innych regionach.

Wyobraź sobie zatłoczoną autostradę. Jak zmieścić na niej wiele samochodów, aby się nie zderzyły? GSM wykorzystuje system zwany TDMA (Time Division Multiple Access - wielodostęp z podziałem czasowym). Pomyśl o częstotliwości radiowej (autostradzie) dostępnej dla sieci. TDMA dzieli tę częstotliwość na małe przedziały czasowe. Każde połączenie telefoniczne otrzymuje swój własny, malutki fragment czasu na „rozmowę” na tej częstotliwości. Dzieje się to tak szybko, że dla Ciebie brzmi to jak ciągła rozmowa. To tak, jakby wielu ludzi szybko mówiło na zmianę na tym samym kanale radiowym.

GSM działa również w określonych pasmach częstotliwości, które są jak dedykowane kanały radiowe przydzielone przez rządy do użytku mobilnego. Typowe pasma GSM to 900 MHz i 1800 MHz w wielu częściach świata, a także 850 MHz i 1900 MHz głównie w obu Amerykach. Twój telefon musi obsługiwać pasma używane w Twojej okolicy lub w miejscu, do którego podróżujesz.

 

Ewolucja GSM

Telefony komórkowe nie zawsze były tak inteligentne i połączone, jak są dzisiaj. GSM odegrał ogromną rolę w doprowadzeniu nas do tego punktu. Przyjrzyjmy się jego historii.

Grafiki smartfonów od Vecteezy
 

Wczesne sieci komórkowe

Przed GSM, w latach 80. XX wieku, w Europie istniała mieszanina różnych analogowych systemów telefonii komórkowej (często nazywanych 1G, czyli Pierwszą Generacją). Telefon z jednego kraju nie działał w innym. Połączenia nie były zbyt wyraźne, a bezpieczeństwo było słabe. Było to chaotyczne i ograniczone.

Kraje europejskie zdały sobie sprawę, że potrzebują jednego, jednolitego standardu, aby poprawić komunikację mobilną i umożliwić ludziom używanie telefonów za granicą. Dlatego narodził się GSM – aby stworzyć Globalny System, którego wszyscy mogliby używać. Od początku został zaprojektowany jako cyfrowy, oferując lepszą jakość i bezpieczeństwo.

Kluczowe etapy rozwoju (2G, GPRS, EDGE i UMTS)

• GSM (2G - Druga Generacja): To oryginalny standard, o którym mówiliśmy. Uruchomiony na początku lat 90., skupiał się na cyfrowych połączeniach głosowych i wiadomościach tekstowych SMS. Była to ogromna poprawa w stosunku do 1G.

• GPRS (General Packet Radio Service): Często nazywany “2.5G”, GPRS był ulepszeniem sieci GSM. Umożliwiał połączenia danych typu “always-on”, choć prędkości były dość wolne (pomyśl o bardzo podstawowym przeglądaniu mobilnego internetu lub poczcie e-mail).

• EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution): Kolejne ulepszenie, czasami nazywane “2.75G”. EDGE oferował szybsze prędkości danych niż GPRS, co sprawiło, że mobilny internet stał się nieco bardziej użyteczny, ale wciąż znacznie wolniejszy niż to, co mamy dzisiaj.

• UMTS (Universal Mobile Telecommunications System): Oznaczało to początek 3G (Trzeciej Generacji). Chociaż technicznie inny system technologiczny, UMTS został zaprojektowany jako ścieżka ewolucji z GSM. Oferował znacznie szybsze prędkości danych, umożliwiając wideorozmowy i lepszy mobilny internet. Wiele sieci 3G zostało zbudowanych na podstawowej infrastrukturze ustanowionej przez GSM.

Zrozumienie, czym jest GSM, pomaga nam docenić, jak te późniejsze technologie oparły się na jego sukcesie.

 

Przejście z GSM na nowoczesne sieci (4G LTE i 5G)

W miarę wzrostu naszego zapotrzebowania na dane – do strumieniowania, aplikacji, mediów społecznościowych i innych – nawet 3G nie było wystarczająco szybkie. Doprowadziło to do rozwoju sieci 4G LTE (Long-Term Evolution), a teraz 5G (Piątej Generacji). Technologie te znacznie różnią się od GSM, używając bardziej zaawansowanych technik (takich jak OFDMA, omówione później) w celu zapewnienia niewiarygodnie szybkich prędkości i obsługi znacznie większej liczby urządzeń połączonych jednocześnie.

W miarę ewolucji sieci mobilnych z GSM do potężnych technologii 4G LTE i 5G, zmienił się również sposób, w jaki się łączymy. eSIM (embedded SIM - wbudowana karta SIM) reprezentuje kolejny kamień milowy w tej ewolucji, eliminując potrzebę fizycznych kart SIM i oferując płynniejszy, szybszy i bardziej elastyczny sposób pozostawania w kontakcie. Tak jak GSM położył podwaliny pod komunikację mobilną, eSIM kształtuje przyszłość.

Grafiki analogowe od Vecteezy
 

Jak zbudowane są sieci GSM

Sieć GSM to nie tylko Twój telefon i maszt komórkowy. To złożony system składający się z kilku kluczowych części współpracujących ze sobą. Rozłóżmy to w prosty sposób:

• Urządzenia Mobilne (Mobile Station - MS): To Twój telefon, tablet lub dowolne urządzenie, które łączy się z siecią. Kluczową częścią jest tutaj karta SIM, która identyfikuje Ciebie (abonenta) w sieci. Bez ważnej karty SIM, Twój telefon zazwyczaj może wykonywać tylko połączenia alarmowe.

• Podsystem Stacji Bazowych (Base Station Subsystem - BSS): Ta część bezprzewodowo łączy Twój telefon z główną siecią. Składa się z dwóch głównych komponentów:

  • Nadawczo-odbiorcza Stacja Bazowa (Base Transceiver Station - BTS): To maszty komórkowe, które widzisz wszędzie. Zawierają radia i anteny, które przesyłają i odbierają sygnały bezpośrednio do i z Twojego telefonu. Każdy maszt pokrywa określony obszar zwany „komórką”.
  • Kontroler Stacji Bazowych (Base Station Controller - BSC): Pomyśl o nim jako o menedżerze dla kilku masztów komórkowych (BTS). Kontroluje takie rzeczy jak przydział kanałów (przydzielanie częstotliwości i przedziałów czasowych) oraz “przekazywanie” – gdy Twój telefon płynnie przełącza się z jednego masztu na inny podczas ruchu, bez przerywania połączenia.

• Podsystem Komutacji Sieci (Network Switching Subsystem - NSS): To “mózg” lub rdzeń sieci GSM. Zarządza połączeniami, wiadomościami i śledzi użytkowników. Kluczowe części obejmują:

  • Centrala Komutacji Mobilnej (Mobile Switching Center - MSC): Centralny element koordynujący. Przekierowuje połączenia we właściwe miejsce (czy to do innego telefonu komórkowego, czy do zwykłej sieci stacjonarnej), obsługuje usługi wiadomości (SMS) i komunikuje się z bazami danych w celu sprawdzenia informacji o abonencie.
  • Rejestr Abonentów Macierzystych (Home Location Register - HLR): Duża baza danych, która trwale przechowuje informacje o każdym abonencie danego operatora sieci, w tym o ich usługach, uprawnieniach i ogólnej lokalizacji.
  • Rejestr Abonentów Gościnnych (Visitor Location Register - VLR): Tymczasowa baza danych powiązana z MSC. Gdy podróżujesz do obszaru obsługiwanego przez konkretne MSC, VLR przechowuje tymczasową kopię Twoich informacji z HLR. Pomaga to MSC obsługiwać Twoje połączenia lokalnie, bez konieczności ciągłego sprawdzania głównego HLR.

• Podsystem Operacji i Wsparcia (Operation and Support Subsystem - OSS): To część działająca “za kulisami”, która zarządza całą siecią. Zajmuje się monitoringiem sieci (dbając o to, by wszystko działało), konserwacją, aktualizacjami oprogramowania, konfiguracją sieci, wykrywaniem usterek i zarządzaniem bezpieczeństwem. Zapewnia to płynne i niezawodne działanie sieci.

Więc kiedy wykonujesz połączenie, Twój telefon (MS) rozmawia z najbliższym masztem komórkowym (BTS), który jest zarządzany przez BSC. BSC łączy się z MSC w NSS. MSC sprawdza VLR/HLR, aby zweryfikować Twoją subskrypcję, a następnie kieruje Twoje połączenie do celu, czy to do innego użytkownika mobilnego (przechodząc przez jego części sieci), czy kogoś na linii stacjonarnej.

 

Funkcje i zalety GSM

GSM stał się tak popularny z kilku dobrych powodów. Oto niektóre z jego głównych zalet:

• Roaming międzynarodowy: To była chyba największa zaleta GSM. Ponieważ tak wiele krajów przyjęło standard GSM, operatorzy sieci mogli zawierać umowy umożliwiające swoim klientom korzystanie z telefonów w innych sieciach GSM podczas podróży za granicę. To znacznie ułatwiło podróżowanie międzynarodowe użytkownikom mobilnym.

• Elastyczność karty SIM: Mała, wyjmowana karta SIM była genialnym pomysłem. Przechowuje Twoje unikalne informacje abonenckie. Oznacza to, że możesz łatwo przenieść swój numer telefonu i plan taryfowy do nowego telefonu GSM, po prostu przenosząc kartę SIM. Nie byłeś związany z konkretnym urządzeniem, jak w niektórych innych systemach.

• Bezpieczna komunikacja (jak na swoje czasy): W porównaniu ze starszymi systemami analogowymi, GSM oferował lepsze bezpieczeństwo. Używał szyfrowania cyfrowego do zaszyfrowania rozmów, co utrudniało przypadkowym podsłuchiwaczom ich nasłuchiwanie. Choć nie było to doskonałe według dzisiejszych standardów, był to znaczący krok naprzód.

• Powszechne przyjęcie: GSM osiągnął ogromną skalę globalną. Stał się dominującym standardem w Europie, Azji, Afryce i Oceanii, a także był szeroko stosowany w obu Amerykach. Ta ogromna baza użytkowników stworzyła korzyści skali, co sprawiło, że telefony i sprzęt sieciowy stały się tańsze i bardziej dostępne.

• Kompatybilność z wczesnymi urządzeniami IoT: Prostota i powszechne pokrycie GSM (zwłaszcza z GPRS dla podstawowych danych) sprawiły, że nadawał się do wczesnej komunikacji Machine-to-Machine (M2M) i urządzeń Internetu Rzeczy (IoT). Pomyśl o takich rzeczach jak inteligentne liczniki wysyłające odczyty, automaty sprzedające raportujące stan magazynowy czy podstawowe systemy śledzenia pojazdów.

Zdjęcie autorstwa Andrey Metelev na Unsplash

 

GSM vs. CDMA vs. LTE: Kluczowe różnice

GSM nie był jedyną technologią mobilną na rynku. W niektórych częściach świata, zwłaszcza w Ameryce Północnej i części Azji, popularna była również inna technologia 2G/3G zwana CDMA. A dzisiaj LTE (4G) i 5G to dominujące standardy. Oto proste porównanie:

 

Bezpieczeństwo w GSM

Kiedy projektowano GSM pod koniec lat 80., bezpieczeństwo było brane pod uwagę, zwłaszcza w porównaniu z łatwo skanowalnymi sieciami analogowymi.

GSM wprowadził szyfrowanie w celu ochrony połączeń głosowych. Główne używane algorytmy to A5/1, a później A5/2. Algorytmy te szyfrowały rozmowę między telefonem a masztem komórkowym, co utrudniało przypadkowym podsłuchiwaczom słuchanie. Procesy uwierzytelniania były również używane do weryfikacji karty SIM w sieci, pomagając zapobiegać klonowaniu (choć nie idealnie).

Podatności i obawy dotyczące bezpieczeństwa

Choć GSM był ulepszeniem, jego bezpieczeństwo nie było niezawodne, zwłaszcza według współczesnych standardów.

• Słabe szyfrowanie: Algorytm A5/1 okazał się później mieć słabości, które potencjalnie można było złamać przy wystarczającej mocy obliczeniowej. A5/2 był jeszcze słabszy i celowo zaprojektowany tak, aby rządy mogły go łatwo złamać.

• Połączenie maszt-sieć: Często szyfrowanie dotyczyło tylko połączenia między telefonem a masztem komórkowym (BTS). Połączenie z masztu z powrotem do rdzenia sieci nie zawsze było szyfrowane, co tworzyło potencjalnie słaby punkt.

• IMSI Catchers: Urządzenia znane jako “IMSI Catchers” lub “Stingrays” mogą udawać legalne maszty komórkowe, zwodząc telefony, aby się z nimi połączyły. Pozwala to atakującym przechwytywać połączenia/wiadomości tekstowe lub śledzić lokalizację użytkownika.

• Brak wzajemnego uwierzytelniania (w oryginalnej specyfikacji): Początkowo tylko sieć uwierzytelniała telefon/SIM. Telefon nie zawsze uwierzytelniał sieć, co czyniło go podatnym na ataki fałszywych masztów.

Czy nowoczesne sieci GSM są chronione?

Ważne jest, aby pamiętać, że sam GSM jest starą technologią. Chociaż niektóre podstawowe usługi GSM mogą nadal działać, większość dzisiejszego ruchu głosowego i danych odbywa się przez sieci 3G, 4G (LTE) i 5G. Te nowsze standardy mają znacznie silniejsze zabezpieczenia:

• Silniejsze szyfrowanie: W sieciach 4G/5G używane są algorytmy takie jak AES, które są znacznie bardziej odporne.

• Wzajemne uwierzytelnianie: Zarówno urządzenie, jak i sieć wzajemnie się uwierzytelniają, co utrudnia ataki fałszywych masztów.

• Bezpieczeństwo od końca do końca: Podejmowane są wysiłki w celu zabezpieczenia komunikacji głębiej w rdzeniu sieci.

• Regularne aktualizacje: Protokoły bezpieczeństwa są ciągle przeglądane i aktualizowane.

Więc chociaż GSM miał znane wady bezpieczeństwa, sieci, których większość ludzi używa na co dzień (4G/5G), oferują znacznie lepszą ochronę.

 

Ograniczenia GSM

Mimo swojego sukcesu, GSM miał swoje wady, zwłaszcza w miarę postępu technologii:

• Problemy z zakłóceniami: Będąc opartym na falach radiowych, sygnały GSM mogły być zakłócane przez przeszkody fizyczne, takie jak budynki, wzgórza, a nawet zła pogoda. Mogło to prowadzić do przerywania połączeń lub słabej jakości sygnału w niektórych obszarach. Zakłócenia elektryczne z innych urządzeń również mogły czasami powodować problemy.

• Ograniczone prędkości danych: To największe ograniczenie GSM według dzisiejszych standardów. Chociaż ulepszenia GPRS i EDGE dodały możliwości przesyłania danych, prędkości były bardzo wolne w porównaniu do 3G, a tym bardziej do 4G czy 5G. Strumieniowanie wideo czy używanie skomplikowanych aplikacji było po prostu niewykonalne na czystym połączeniu 2G GSM. Zrozumienie, czym z natury jest GSM, oznacza uznanie, że został zbudowany przede wszystkim dla głosu, a dane były drugorzędne.

• Potrzeba repeaterów w obszarach o słabym sygnale: W obszarach o słabym naturalnym zasięgu (np. głęboko w dużych budynkach lub odległych obszarach wiejskich), często potrzebne były wzmacniacze sygnału lub repeatery, aby wzmocnić sygnał GSM i uczynić usługę użyteczną. Zwiększało to złożoność i koszt zapewnienia zasięgu wszędzie.

• Limity pojemności: Struktura TDMA, choć sprytna, miała ograniczenia co do liczby użytkowników, którzy mogli dzielić częstotliwość w danym obszarze. W bardzo gęsto zaludnionych miejscach sieć mogła czasami być przeciążona w godzinach szczytu.

Te ograniczenia napędzały potrzebę ewolucji do 3G, 4G i 5G, które zostały zaprojektowane, aby pokonać te problemy, zwłaszcza dotyczące prędkości danych i pojemności.

 

GSM w USA i zastosowanie globalne

Historycznie w USA, AT&T i T-Mobile były głównymi operatorami GSM. Jednak szybko się to zmienia. Obaj operatorzy, podobnie jak inni na całym świecie, są w trakcie wyłączania swoich starszych sieci 2G (GSM) i 3G. Potrzebują przestrzeni częstotliwości radiowych (widma) używanej przez te starsze technologie, aby budować swoje szybsze, bardziej wydajne sieci 4G LTE i 5G. Chociaż pewne minimalne możliwości GSM mogą pozostać na krótko dla specyficznych zastosowań M2M/IoT lub umów roamingowych, aktywne wykorzystanie przez konsumentów zanika. Najlepiej zakładać, że sieci GSM dla konsumentów są w USA faktycznie wyłączone lub znikną bardzo szybko.

Sytuacja w USA odzwierciedla trend globalny. Kraje w Europie, Azji i Australii również aktywnie wyłączają swoje sieci 2G i 3G. Harmonogram różni się w zależności od kraju i operatora, przy czym niektóre już zakończyły wyłączenia, a inne planują je w ciągu najbliższych kilku lat.

Powody są spójne: odzyskanie cennego widma dla 4G/5G, zmniejszenie kosztów utrzymania starych sieci i zachęcenie użytkowników do korzystania z nowocześniejszej, bardziej wydajnej technologii.

Dla większości ludzi korzystających ze smartfonów wyprodukowanych w ciągu ostatnich 5-7 lat, to wyłączenie prawdopodobnie nie wpłynie bezpośrednio. Nowoczesne telefony korzystają głównie z 4G LTE i 5G. Jednak oto, co musisz zrobić, jeśli sieci GSM zostaną wyłączone:
:

• Sprawdź swój telefon: Jeśli masz bardzo stary telefon (może podstawowy telefon z klawiszami sprzed ponad 10 lat), może on obsługiwać tylko 2G/3G. Gdy te sieci zostaną wyłączone w Twojej okolicy, ten telefon straci usługę (z wyjątkiem potencjalnie połączeń alarmowych). Będziesz musiał zaktualizować go do telefonu obsługującego 4G LTE (i najlepiej VoLTE – Voice over LTE) lub 5G.

• Sprawdź urządzenia IoT: Niektóre starsze urządzenia inteligentnego domu, systemy alarmowe lub lokalizatory pojazdów mogą polegać na sieciach 2G/3G. Użytkownicy tych urządzeń mogą potrzebować skontaktować się z dostawcą usług lub producentem w sprawie opcji modernizacji lub potencjalnej utraty usługi.

• Podróżujący: Chociaż roaming międzynarodowy był siłą GSM, w miarę globalnego wyłączania sieci, poleganie tylko na 2G/3G do roamingu staje się mniej wykonalne. Nowoczesne telefony obsługujące wiele pasm 4G/5G są niezbędne do niezawodnej łączności międzynarodowej.

Zdjęcie autorstwa Christopher na Unsplash

 

Przejdź z GSM w Przyszłość z eSIM Yoho Mobile!

Tak jak GSM zmienił komunikację mobilną, eSIM Yoho Mobile przenosi ją na wyższy poziom. Zapomnij o szukaniu lokalnych kart SIM czy martwieniu się o kompatybilność ze starzejącymi się sieciami. Yoho Mobile oferuje płynną łączność za pomocą nowoczesnych sieci 4G i 5G na całym świecie, wszystko dzięki wygodzie eSIM. Bez wymiany fizycznych kart SIM — po prostu natychmiastowa, globalna łączność, gdziekolwiek jesteś.

• Użyj kodu YOHO12 przy kasie, aby uzyskać 12% zniżki!