Полное руководство по GSM: Все, что нужно знать

Вы когда-нибудь задумывались, как ваш мобильный телефон волшебным образом соединяет вас с людьми за сотни километров? Задолго до сверхбыстрого интернета, которым мы пользуемся сегодня, существовала новаторская технология, с которой все началось. Эта технология помогла миллиардам людей общаться и отправлять текстовые сообщения друг другу по всему миру. Мы говорим о GSM. Но что такое GSM на самом деле, и почему он был так важен?

Приготовьтесь узнать простую историю технологии, которая заложила основу для мобильного мира, каким мы его знаем сегодня! Это руководство поможет вам понять все о GSM простыми словами.

Векторы карты мира от Vecteezy

Что такое GSM?

GSM означает Global System for Mobile Communications (Глобальная система мобильной связи). По сути, это цифровой стандарт, набор правил и технологий, которые используют мобильные телефоны и сети для взаимодействия. Его основные особенности:

• Цифровой: В отличие от старых аналоговых систем (как шумное радио), GSM использует цифровые сигналы. Это означает более четкие звонки и меньше помех.

• Звонки и текстовые сообщения: GSM был разработан в первую очередь для голосовых звонков и простых текстовых сообщений (SMS - Short Message Service).

• SIM-карты: Одной из самых узнаваемых особенностей GSM является SIM (Subscriber Identity Module) карта. Этот крошечный чип хранит информацию о вашей учетной записи. Вы можете вставить свою SIM-карту в разные GSM-телефоны, и ваш номер и тарифный план будут работать с ней.

• Глобальный стандарт: Он стал наиболее широко принятым мобильным стандартом в мире, используемым в Европе, Азии, Африке и многих других регионах.

Представьте себе оживленное шоссе. Как разместить на нем много машин, чтобы они не столкнулись? GSM использует систему под названием TDMA (Time Division Multiple Access - Множественный доступ с разделением по времени). Представьте радиочастоту (шоссе), доступную для сети. TDMA делит эту частоту на небольшие временные слоты. Каждый телефонный звонок получает свой крошечный отрезок времени, чтобы «говорить» на этой частоте. Это происходит так быстро, что для вас это звучит как непрерывный разговор. Это как если бы много людей быстро по очереди говорили на одном радиоканале.

GSM также работает в определенных частотных диапазонах, которые похожи на выделенные радиоканалы, выделенные правительствами для мобильного использования. Распространенные диапазоны GSM включают 900 МГц и 1800 МГц во многих частях мира, а также 850 МГц и 1900 МГц в основном в Северной и Южной Америке. Ваш телефон должен поддерживать диапазоны, используемые в вашем районе или в районе, куда вы путешествуете.

 

Эволюция GSM

Мобильные телефоны не всегда были такими умными и подключенными, как сегодня. GSM сыграл огромную роль в достижении этого. Давайте посмотрим на его путь.

Векторы смартфонов от Vecteezy
 

Ранние мобильные сети

До GSM, в 1980-х годах, в Европе существовал набор различных аналоговых систем мобильной связи (часто называемых 1G, или Первое поколение). Телефон из одной страны не работал в другой. Звонки были не очень четкими, а безопасность слабой. Все это было запутанным и ограниченным.

Европейские страны поняли, что им нужен единый, унифицированный стандарт, чтобы улучшить мобильную связь и позволить людям пользоваться телефонами через границы. Именно поэтому появился GSM – для создания Глобальной системы, которой мог бы пользоваться каждый. Он был разработан как цифровой с самого начала, предлагая лучшее качество и безопасность.

Ключевые вехи (2G, GPRS, EDGE и UMTS)

• GSM (2G - Второе поколение): Это исходный стандарт, который мы обсуждали. Запущенный в начале 1990-х годов, он был ориентирован на цифровые голосовые вызовы и текстовые сообщения SMS. Это было огромное улучшение по сравнению с 1G.

• GPRS (General Packet Radio Service): Часто называемый “2.5G”, GPRS был обновлением сетей GSM. Он обеспечивал “постоянное” подключение для передачи данных, хотя скорости были довольно низкими (подумайте об очень простом мобильном веб-браузинге или электронной почте).

• EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution): Еще одно обновление, иногда называемое “2.75G”. EDGE предлагал более высокие скорости передачи данных, что делало мобильный интернет немного более пригодным для использования, но все еще намного медленнее, чем то, что у нас есть сейчас.

• UMTS (Universal Mobile Telecommunications System): Это ознаменовало начало 3G (Третьего поколения). Хотя UMTS технически является другой технологической системой, он был разработан как эволюционный путь от GSM. Он предлагал гораздо более высокие скорости передачи данных, позволяя совершать видеозвонки и улучшать мобильный интернет. Многие сети 3G были построены на базовой инфраструктуре, созданной GSM.

Понимание того, что такое GSM, помогает нам оценить, как эти более поздние технологии развивались, опираясь на его успех.

 

Переход от GSM к современным сетям (4G LTE и 5G)

По мере роста нашей потребности в данных – для стриминга, приложений, социальных сетей и многого другого – даже 3G стало недостаточно быстрым. Это привело к развитию сетей 4G LTE (Long-Term Evolution) и теперь 5G (Пятое поколение). Эти технологии значительно отличаются от GSM, используя более продвинутые методы (например, OFDMA, обсуждаемый позже) для обеспечения невероятно высоких скоростей и одновременной поддержки гораздо большего количества подключенных устройств.

По мере эволюции мобильных сетей от GSM до мощных технологий 4G LTE и 5G, изменился и способ нашего подключения. eSIM (встроенная SIM) представляет собой следующую веху в этой эволюции, устраняя необходимость в физических SIM-картах и предлагая более удобный, быстрый и гибкий способ оставаться на связи. Подобно тому, как GSM заложил основу для мобильной связи, eSIM формирует будущее.

Аналоговые векторы от Vecteezy
 

Структура сетей GSM

Сеть GSM — это не только ваш телефон и вышка сотовой связи. Это сложная система, состоящая из нескольких ключевых частей, работающих вместе. Давайте разберем ее просто:

• Мобильные устройства (Мобильная станция - MS): Это ваш телефон, планшет или любое устройство, которое подключается к сети. Ключевая часть здесь — SIM-карта, которая идентифицирует вас (абонента) в сети. Без действующей SIM-карты ваш телефон обычно может совершать только экстренные вызовы.

• Подсистема базовых станций (BSS): Эта часть беспроводным способом подключает ваш телефон к основной сети. Она состоит из двух основных компонентов:

  • Приемопередающая станция базовой станции (BTS): Это вышки сотовой связи, которые вы видите повсюду. Они содержат радиостанции и антенны, которые передают и принимают сигналы непосредственно на ваш телефон и от него. Каждая вышка покрывает определенную область, называемую ‘сотой’.
  • Контроллер базовой станции (BSC): Представьте его как менеджера для нескольких вышек сотовой связи (BTS). Он контролирует такие вещи, как распределение каналов (назначение частот и временных слотов) и ‘переключения’ (handovers) – когда ваш телефон плавно переключается с одной вышки на другую по мере вашего движения, не прерывая разговор.

• Подсистема коммутации сети (NSS): Это ‘мозг’ или ядро сети GSM. Она управляет звонками, сообщениями и отслеживает пользователей. Ключевые части включают:

  • Центр коммутации мобильной связи (MSC): Центральный координирующий элемент. Он маршрутизирует звонки в нужное место (будь то на другой мобильный телефон или в обычную сеть стационарной телефонной связи), обрабатывает службы сообщений (SMS) и взаимодействует с базами данных для проверки информации об абонентах.
  • Домашний регистр местоположения (HLR): Большая база данных, которая постоянно хранит информацию о каждом абоненте оператора сети, включая их услуги, разрешения и общее местоположение.
  • Гостевой регистр местоположения (VLR): Временная база данных, связанная с MSC. Когда вы попадаете в зону, обслуживаемую конкретным MSC, VLR сохраняет временную копию вашей информации из HLR. Это помогает MSC обрабатывать ваши звонки локально, не проверяя постоянно основной HLR.

• Подсистема эксплуатации и поддержки (OSS): Это скрытая часть, которая управляет всей сетью. Она занимается мониторингом сети (обеспечением работы всего), обслуживанием, обновлениями программного обеспечения, конфигурацией сети, обнаружением неисправностей и управлением безопасностью. Она обеспечивает бесперебойную и надежную работу сети.

Таким образом, когда вы совершаете звонок, ваш телефон (MS) связывается с ближайшей вышкой сотовой связи (BTS), которая управляется BSC. BSC подключается к MSC в NSS. MSC проверяет VLR/HLR для подтверждения вашей подписки, а затем маршрутизирует ваш звонок к месту назначения, будь то другой мобильный пользователь (проходящий через свои сетевые части) или кто-то по стационарной связи.

 

Особенности и преимущества GSM

GSM стал настолько популярным по нескольким веским причинам. Вот некоторые из его основных преимуществ:

• Международный роуминг: Возможно, это было самым большим преимуществом GSM. Поскольку так много стран приняли стандарт GSM, операторы сетей могли заключать соглашения, позволяющие их клиентам использовать свои телефоны в других сетях GSM при поездках за границу. Это значительно упростило международные поездки для пользователей мобильной связи.

• Гибкость SIM-карт: Маленькая съемная SIM-карта была блестящей идеей. Она хранит вашу уникальную информацию об абоненте. Это означает, что вы можете легко перенести свой номер телефона и тарифный план на новый GSM-телефон, просто переставив SIM-карту. Вы не были привязаны к конкретному устройству, как в некоторых других системах.

• Безопасная связь (для своего времени): По сравнению со старыми аналоговыми системами, GSM предлагал улучшенную безопасность. Он использовал цифровое шифрование для шифрования звонков, что затрудняло случайным слушателям их прослушивание. Хотя по сегодняшним меркам это не идеально, это был значительный шаг вперед.

• Широкое распространение: GSM достиг массового глобального масштаба. Он стал доминирующим стандартом в Европе, Азии, Африке и Океании, а также широко использовался в Северной и Южной Америке. Эта огромная пользовательская база создала эффект масштаба, сделав телефоны и сетевое оборудование дешевле и доступнее.

• Совместимость с ранними устройствами IoT: Простота и широкое покрытие GSM (особенно с GPRS для базовой передачи данных) сделали его пригодным для ранних устройств связи Machine-to-Machine (M2M) и Интернета вещей (IoT). Подумайте о таких вещах, как умные счетчики, отправляющие показания, торговые автоматы, сообщающие о запасах, или базовые системы отслеживания транспортных средств.

Фото Андрея Метелева на Unsplash

 

GSM против CDMA против LTE: Основные отличия

GSM не был единственной мобильной технологией. В некоторых частях мира, особенно в Северной Америке и частях Азии, также была популярна другая технология 2G/3G под названием CDMA. А сегодня LTE (4G) и 5G являются доминирующими стандартами. Вот простое сравнение:

 

Безопасность в GSM

Когда GSM разрабатывался в конце 1980-х годов, безопасность была учтена, особенно по сравнению с легко сканируемыми аналоговыми сетями.

GSM ввел шифрование для защиты голосовых вызовов. Основными используемыми алгоритмами были A5/1, а затем A5/2. Эти алгоритмы шифровали разговор между телефоном и вышкой сотовой связи, что затрудняло прослушивание для случайных слушателей с простым радиосканером. Также использовались процессы аутентификации для проверки SIM-карты с сетью, что помогало предотвратить клонирование (хотя и не идеально).

Уязвимости и проблемы безопасности

Хотя безопасность GSM была улучшением, она не была безупречной, особенно по современным стандартам.

• Слабое шифрование: Позднее было обнаружено, что алгоритм A5/1 имеет слабости, которые потенциально можно взломать при наличии достаточной вычислительной мощности. A5/2 был еще слабее и намеренно разработан таким образом, чтобы его можно было легко взломать правительствами.

• Соединение от вышки до сети: Часто шифрование применялось только между телефоном и вышкой сотовой связи (BTS). Соединение от вышки обратно в основную сеть не всегда шифровалось, что создавало потенциально слабое место.

• IMSI-кетчеры: Устройства, известные как “IMSI-кетчеры” или “Stingrays”, могут притворяться легальными вышками сотовой связи, обманывая телефоны, заставляя их подключаться к ним. Это позволяет злоумышленникам перехватывать звонки/сообщения или отслеживать местоположение пользователя.

• Отсутствие взаимной аутентификации (в исходной спецификации): Изначально только сеть аутентифицировала телефон/SIM-карту. Телефон не всегда аутентифицировал сеть, что делало его уязвимым для атак с использованием поддельных вышек.

Защищены ли современные сети GSM?

Важно помнить, что сам GSM — это старая технология. Хотя некоторые базовые услуги GSM могут все еще работать, большинство голосового трафика и трафика данных сегодня передается по сетям 3G, 4G (LTE) и 5G. Эти более новые стандарты имеют гораздо более надежные функции безопасности:

• Более сильное шифрование: В 4G/5G используются алгоритмы, такие как AES, которые гораздо более устойчивы.

• Взаимная аутентификация: Устройство и сеть аутентифицируют друг друга, что затрудняет атаки с использованием поддельных вышек.

• Комплексная безопасность (End-to-End): Предпринимаются усилия по дальнейшей защите связи вплоть до ядра сети.

• Регулярные обновления: Протоколы безопасности постоянно пересматриваются и обновляются.

Таким образом, хотя у GSM были известные недостатки безопасности, сети, которыми большинство людей пользуются ежедневно (4G/5G), предлагают гораздо лучшую защиту.

 

Ограничения GSM

Несмотря на успех, у GSM были свои недостатки, особенно по мере развития технологий:

• Проблемы с помехами: Основанные на радиоволнах, сигналы GSM могли подвергаться воздействию физических препятствий, таких как здания, холмы или даже плохая погода. Это могло приводить к обрывам звонков или плохому качеству сигнала в определенных областях. Электрические помехи от других устройств также иногда могли вызывать проблемы.

• Ограниченная скорость передачи данных: Это самое большое ограничение GSM по сегодняшним меркам. Хотя обновления GPRS и EDGE добавили возможности передачи данных, скорости были очень низкими по сравнению с 3G, не говоря уже о 4G или 5G. Потоковая передача видео или использование сложных приложений было просто невозможным при чистом подключении 2G GSM. Понимание того, что GSM изначально означает, позволяет признать, что он был создан сначала для голоса, а затем для данных.

• Необходимость репитеров в зонах слабого сигнала: В областях с плохим естественным покрытием (например, внутри больших зданий или в удаленных сельских районах) часто требовались усилители или репитеры для усиления сигнала GSM и обеспечения работоспособности сервиса. Это добавляло сложности и затрат на обеспечение покрытия везде.

• Ограничения по пропускной способности: Структура TDMA, хотя и умная, имела ограничения на то, сколько пользователей могло использовать частоту в определенной области. В очень густонаселенных районах сеть иногда могла перегружаться в часы пик.

Эти ограничения стимулировали необходимость эволюции до 3G, 4G и 5G, которые были разработаны для преодоления этих проблем, особенно в отношении скорости передачи данных и пропускной способности.

 

GSM в США и глобальное использование

Исторически в США AT&T и T-Mobile были основными операторами GSM. Однако это быстро меняется. Оба оператора, как и другие по всему миру, находятся в процессе отключения своих старых сетей 2G (GSM) и 3G. Им требуется радиочастотный спектр, используемый этими старыми технологиями, для построения своих более быстрых и эффективных сетей 4G LTE и 5G. Хотя некоторые минимальные возможности GSM могут временно сохраняться для специфических применений M2M/IoT или роуминговых соглашений, активное использование потребителями исчезает. Лучше считать, что сети GSM, ориентированные на потребителей, фактически исчезли или исчезнут очень скоро в США.

Ситуация в США отражает глобальную тенденцию. Страны по всей Европе, Азии и Австралии также активно отключают свои сети 2G и 3G. Сроки различаются в зависимости от страны и оператора, причем некоторые уже завершили отключение, а другие планируют это в ближайшие несколько лет.

Причины совпадают: вернуть ценный спектр для 4G/5G, снизить затраты на обслуживание старых сетей и побудить пользователей переходить на более современные, эффективные технологии.

Для большинства людей, использующих смартфоны, выпущенные за последние 5-7 лет, это отключение, вероятно, не повлияет напрямую. Современные телефоны преимущественно используют 4G LTE и 5G. Однако, вот что нужно делать, если сети GSM отключатся:

• Проверьте свой телефон: Если у вас очень старый телефон (возможно, базовый кнопочный телефон 10+ лет назад), он может поддерживать только 2G/3G. Как только эти сети будут отключены в вашем районе, этот телефон потеряет связь (за исключением, возможно, экстренных вызовов). Вам понадобится обновить телефон до модели, которая поддерживает 4G LTE (и в идеале VoLTE – Voice over LTE) или 5G.

• Проверьте устройства IoT: Некоторые старые устройства для умного дома, системы сигнализации или трекеры транспортных средств могут полагаться на сети 2G/3G. Пользователям этих устройств может потребоваться связаться с поставщиком услуг или производителем относительно вариантов обновления или возможной потери сервиса.

• Путешественники: Хотя международный роуминг был сильной стороной GSM, поскольку сети отключаются по всему миру, полагаться только на 2G/3G для роуминга становится менее целесообразным. Современные телефоны, поддерживающие несколько диапазонов 4G/5G, необходимы для надежного международного подключения.

Фото Кристофера на Unsplash

 

Обновитесь с GSM в будущее с eSIM от Yoho Mobile!

Как GSM изменил мобильную связь, так и eSIM от Yoho Mobile выводит ее на новый уровень. Забудьте о поиске местных SIM-карт или беспокойстве о совместимости с устаревшими сетями. Yoho Mobile предлагает бесшовное подключение с использованием современных сетей 4G и 5G по всему миру, все через удобство eSIM. Никаких физических замен SIM-карт — просто мгновенное глобальное подключение, куда бы вы ни отправились.

Оставайтесь на связи во время путешествий — попробуйте бесплатную пробную eSIM от Yoho Mobile и получите мгновенный доступ к мобильным данным более чем в 70 странах. Без SIM-карты, без контрактов — всего лишь быстрая настройка, и вы в сети за считанные минуты.

Если вы захотите приобрести план eSIM позже, используйте код YOHO12 при оформлении заказа для получения скидки 12%!