Полное руководство по GSM: все, что вам нужно знать

Вы когда-нибудь задумывались, как ваш мобильный телефон волшебным образом соединяет вас с людьми за многие мили? Задолго до сверхскоростного интернета, которым мы пользуемся сегодня, существовала революционная технология, с которой все началось. Эта технология помогла миллиардам людей разговаривать и обмениваться текстовыми сообщениями по всему миру. Речь идет о GSM. Но что такое GSM на самом деле, и почему это было так важно?

Приготовьтесь узнать простую историю технологии, которая заложила фундамент для мобильного мира, который мы знаем сегодня! Это руководство проведет вас через все, что вам нужно понять о GSM, простыми словами.

Мировые Карты Векторы 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 мобильные телефоны и сети используют для взаимодействия друг с другом. Его ключевые особенности:

• Цифровой: В отличие от старых аналоговых систем (например, с помехами, как у радио), GSM использует цифровые сигналы. Это означает более чистые звонки и меньше статических шумов.

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

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

• Глобальный стандарт: Он стал самым распространенным 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 временным разделением). Представьте себе радиочастоту (шоссе), доступную сети. TDMA делит эту частоту на маленькие временные интервалы. Каждый телефонный звонок получает свой крошечный отрезок времени для «разговора» на этой частоте. Это происходит так быстро, что для вас это звучит как непрерывный разговор. Это похоже на то, как много людей быстро по очереди говорят на одном и том же радиоканале.

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

 

Эволюция GSM

Мобильные телефоны не всегда были такими умными или подключенными, как сегодня. GSM сыграл огромную роль в том, чтобы мы достигли этого. Давайте посмотрим на его путь.

Смартфон Векторы от Vecteezy
 

Ранние мобильные сети

До GSM, в 1980-х годах, в Европе существовала мешанина из 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 была слабой. Все это было запутанно и ограничено.

Европейские страны поняли, что им нужен единый, унифицированный стандарт, чтобы улучшить мобильную связь и позволить людям использовать свои телефоны за границей. Вот почему родился GSM – чтобы создать Глобальную Систему, которой могли бы пользоваться все. Он был разработан как цифровой с самого начала, предлагая лучшее качество и безопасность.

Ключевые этапы (2G, GPRS, EDGE и UMTS)

• GSM (2G - Второе поколение): Это оригинальный стандарт, который мы обсуждали. Запущенный в начале 1990-х годов, он был сосредоточен на цифровых голосовых вызовах и SMS-сообщениях. Это было огромное улучшение по сравнению с 1G.

• GPRS (General Packet Radio Service - Пакетная радиосвязь общего пользования): Часто называемый «2.5G», GPRS был обновлением сетей GSM. Он позволил использовать «всегда включенные» соединения для передачи данных, хотя скорости были довольно низкими (представьте себе очень базовый мобильный веб-серфинг или электронную почту).

• EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution - Усовершенствованные скорости передачи данных для эволюции GSM): Еще одно обновление, иногда называемое «2.75G». EDGE предлагал более высокие скорости передачи данных, чем GPRS, делая мобильный интернет немного более удобным, но все же намного медленнее, чем то, что у нас есть сейчас.

• UMTS (Universal Mobile Telecommunications System - Универсальная система мобильной связи): Это ознаменовало начало 3G (Третье поколение). Хотя технически это другая технологическая система, UMTS была разработана как эволюционный путь от GSM. Она предлагала гораздо более высокие скорости передачи данных, позволяя совершать видеозвонки и использовать лучший мобильный интернет. Многие сети 3G были построены на основной инфраструктуре, созданной GSM.

Понимание того, что такое GSM, помогает нам оценить, как эти более поздние технологии основывались на его успехе.

 

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

По мере роста нашей потребности в данных – для потоковой передачи, приложений, социальных сетей и многого другого – даже 3G стал недостаточно быстрым. Это привело к разработке 4G LTE (Long-Term Evolution - Долгосрочная эволюция) и теперь сетей 5G (Пятое поколение). Эти технологии значительно отличаются от GSM, используя более продвинутые методы (например, OFDMA, обсуждаемый позже) для обеспечения невероятно высоких скоростей и поддержки одновременного подключения гораздо большего числа устройств.

По мере того как мобильные сети эволюционировали от GSM к мощным технологиям 4G LTE и 5G, менялся и способ подключения. eSIM (встроенная SIM-карта) представляет собой следующий этап этой эволюции, устраняя необходимость в физических SIM-картах и предлагая более плавный, быстрый и гибкий способ оставаться на связи. Точно так же, как GSM заложил основу мобильной связи, eSIM формирует будущее.

Аналоговые Векторы от Vecteezy
 

Как устроены сети GSM

Сеть GSM — это не просто ваш телефон и базовая станция. Это сложная система, состоящая из нескольких ключевых частей, работающих вместе. Давайте разберем это просто:

• Мобильные устройства (Mobile Station - MS): Это ваш телефон, планшет или любое устройство, подключающееся к сети. Важнейшей частью здесь является SIM-карта, которая идентифицирует вас (абонента) в сети. Без действующей SIM-карты ваш телефон обычно может совершать только экстренные вызовы.

• Подсистема базовых станций (Base Station Subsystem - BSS): Эта часть подключает ваш телефон по беспроводной связи к основной сети. Она имеет два основных компонента:

  • Приемопередающая базовая станция (Base Transceiver Station - BTS): Это вышки сотовой связи, которые вы видите повсюду. Они содержат радиопередатчики и антенны, которые передают и принимают сигналы непосредственно на ваш телефон и с него. Каждая вышка покрывает определенную область, называемую «сотой».
  • Контроллер базовых станций (Base Station Controller - BSC): Представьте себе это как менеджер для нескольких базовых станций (BTS). Он управляет такими вещами, как распределение каналов (назначение частот и временных интервалов) и «хэндоверы» — когда ваш телефон плавно переключается с одной вышки на другую при движении без прерывания вызова.

• Подсистема коммутации сети (Network Switching Subsystem - NSS): Это «мозг» или ядро сети GSM. Она управляет звонками, сообщениями и отслеживает пользователей. Ключевые части включают:

  • Центр мобильной коммутации (Mobile Switching Center - MSC): Центральный координирующий элемент. Он направляет вызовы в нужное место (будь то другой мобильный телефон или обычная стационарная телефонная сеть), обрабатывает службы обмена сообщениями (SMS) и взаимодействует с базами данных для проверки информации об абоненте.
  • Домашний регистр местоположения (Home Location Register - HLR): Большая база данных, которая постоянно хранит информацию о каждом абоненте данного оператора сети, включая их услуги, разрешения и общее местоположение.
  • Гостевой регистр местоположения (Visitor Location Register - VLR): Временная база данных, связанная с MSC. Когда вы въезжаете в зону, обслуживаемую определенным MSC, VLR сохраняет временную копию вашей информации из HLR. Это помогает MSC обрабатывать ваши вызовы локально, не постоянно обращаясь к основному HLR.

• Подсистема эксплуатации и поддержки (Operation and Support Subsystem - OSS): Это закулисная часть, которая управляет всей сетью. Она занимается мониторингом сети (убеждаясь, что все работает), техническим обслуживанием, обновлениями программного обеспечения, конфигурацией сети, обнаружением неисправностей и управлением безопасностью. Она обеспечивает бесперебойную и надежную работу сети.

Итак, когда вы совершаете звонок, ваш телефон (MS) связывается с ближайшей базовой станцией (BTS), которой управляет BSC. BSC подключается к MSC в NSS. MSC проверяет VLR/HLR для подтверждения вашей подписки, а затем направляет ваш вызов к месту назначения, будь то другой мобильный пользователь (проходя через их сетевые компоненты) или кто-то на стационарном телефоне.

 

Особенности и преимущества GSM

GSM стал таким 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 во время поездок за границу. Это значительно облегчило международные поездки для мобильных пользователей.

• Гибкость SIM-карты: Маленькая съемная SIM-карта была гениальной идеей. Она хранит вашу уникальную информацию об абоненте. Это означает, что вы можете легко перенести свой номер телефона и тарифный план на новый телефон GSM, просто переместив 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 скремблирования вызовов, что затрудняло прослушивание случайными злоумышленниками. Хотя по сегодняшним стандартам это не идеально, это был значительный шаг вперед.

• Широкое распространение: GSM достиг огромного 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 экономию за счет 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 подходящим для ранней связи Машина-к-Машине (M2M) и устройств 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: Ключевые различия

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

 

Безопасность в GSM

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

GSM ввел шифрование для защиты голосовых вызовов. Основными используемыми алгоритмами были A5/1 и позже A5/2. Эти алгоритмы скремблировали разговор между телефоном и базовой станцией, затрудняя прослушивание для кого-то с простым радиосканером. Также использовались процессы аутентификации для проверки SIM-карты сетью, что помогало предотвратить клонирование (хотя и не идеально).

Уязвимости и проблемы безопасности

Хотя это и было улучшением, безопасность GSM не была безупречной, особенно по современным стандартам.

• Слабое шифрование: Позже было обнаружено, что алгоритм A5/1 имеет слабые места, которые потенциально могут быть взломаны при достаточной вычислительной мощности. A5/2 был еще слабее и намеренно разработан так, чтобы его могли легко взломать правительственные структуры.

• Связь вышка-сеть: Часто шифрование применялось только между телефоном и базовой станцией (BTS). Связь от вышки к ядру сети не всегда шифровалась, создавая потенциальное слабое место.

• IMSI-ловушки: Устройства, известные как «IMSI Catchers» или «Stingrays», могут выдавать себя за легитимные базовые станции, обманом заставляя телефоны подключаться к ним. Это позволяет злоумышленникам перехватывать звонки/тексты или отслеживать местоположение пользователя.

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

Защищены ли современные сети GSM?

Важно помнить, что сам GSM — это старая технология. Хотя некоторые базовые услуги GSM все еще могут работать, большая часть голосового и数据 трафика сегодня проходит через сети 3G, 4G (LTE) и 5G. Эти новые стандарты имеют гораздо более сильные функции безопасности:

• Более сильное шифрование: Алгоритмы, такие как AES, используются в 4G/5G, и они намного надежнее.

• Взаимная аутентификация: И устройство, и сеть аутентифицируют друг друга, что затрудняет атаки с поддельными вышками.

• Сквозная безопасность: Прилагаются усилия для дальнейшей защиты связи в ядре сети.

• Регулярные обновления: Протоколы безопасности постоянно пересматриваются и обновляются.

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

 

Ограничения GSM

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

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

• Ограниченные скорости передачи данных: Это самое большое ограничение GSM по сегодняшним стандартам. Хотя обновления GPRS и EDGE добавили возможности передачи данных, скорости были очень низкими по сравнению с 3G, не говоря уже о 4G или 5G. Потоковое видео или использование сложных приложений было просто невозможным на чистом 2G GSM-соединении. Понимание того, что по своей сути означает GSM, признает, что он был создан в первую очередь для голоса, а во вторую — для данных.

• Необходимость репитеров в зонах со слабым сигналом: В районах с плохим естественным покрытием (например, глубоко внутри больших зданий или в отдаленных сельских районах) часто требовались усилители сигнала или репитеры для усиления сигнала GSM и обеспечения работоспособности сервиса. Это добавляло сложности и затрат для обеспечения покрытия повсеместно.

• Ограничения емкости: Структура TDMA, хотя и была продуманной, имела ограничения по количеству пользователей, которые могли делить частоту в данной области. В очень густонаселенных местах сеть иногда могла перегружаться в часы пик.

Эти ограничения обусловили необходимость эволюции к 3G, 4G и 5G, которые были разработаны для преодоления этих проблем, особенно в отношении скорости и емкости передачи данных.

 

GSM в США и глобальное использование

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

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

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

Для большинства людей, использующих смартфоны, произведенные за последние 5-7 лет, это отключение, скорее всего, не повлияет напрямую. Современные телефоны преимущественно используют 4G LTE и 5G. Однако вот что вам нужно сделать, если сети GSM отключат:
:

• Проверьте свой телефон: Если у вас очень старый телефон (базовый кнопочный телефон 10+ летней давности, возможно), 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 потребуется обновить телефон до модели, поддерживающей 4G LTE (и в идеале VoLTE – Voice over LTE) или 5G.

• Проверьте устройства IoT: Некоторые старые устройства 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 по поводу вариантов обновления или потенциальной потери обслуживания.

• Путешественники: Хотя международный роуминг был сильной стороной GSM, по мере отключения сетей по всему миру, полагаться только на 2G/3G для роуминга становится менее целесообразным. Современные телефоны, поддерживающие несколько диапазонов 4G/5G, необходимы для надежной международной связи.

Фото Christopher на Unsplash

 

Переходите от GSM к будущему с Yoho Mobile eSIM!

Точно так же, как GSM изменил мобильную связь, eSIM от Yoho Mobile выводит ее на новый уровень. Забудьте о поиске местных SIM-карт или беспокойстве о совместимости со стареющими сетями. Yoho Mobile предлагает бесшовное подключение с использованием современных сетей 4G и 5G по всему миру, и все это с удобством eSIM. Никаких физических замен SIM-карт — просто мгновенное глобальное подключение, где бы вы ни находились.

• Используйте код YOHO12 при оформлении заказа для получения скидки 12%!