Повний посібник із GSM: Все, що вам потрібно знати

Ви коли-небудь замислювалися, як ваш мобільний телефон магічним чином з’єднує вас з людьми за багато кілометрів? Задовго до надшвидкого інтернету, який ми використовуємо сьогодні, існувала новаторська технологія, яка все це започаткувала. Ця технологія допомогла мільярдам людей спілкуватися та обмінюватися текстовими повідомленнями по всьому світу. Йдеться про GSM. Але що таке GSM насправді, і чому він був таким важливим?

Приготуйтеся дізнатися просту історію технології, яка заклала основу для мобільного світу, який ми знаємо сьогодні! Цей посібник у простій формі розповість вам про все, що потрібно зрозуміти про GSM.

Векторні карти світу від Vecteezy

Що таке GSM?

GSM означає Global System for Mobile Communications (Глобальна система мобільного зв’язку). По суті, це цифровий стандарт, набір правил і технологій, який використовують мобільні телефони та мережі для зв’язку між собою. Його ключові особливості:

• Цифровий: На відміну від старих аналогових систем (як розмите радіо), GSM використовує цифрові сигнали. Це означає чіткіші дзвінки та менше статичних перешкод.

• Дзвінки та тексти: GSM був розроблений насамперед для голосових дзвінків та простих текстових повідомлень (SMS - Short Message Service).

• SIM-картки: Однією з найбільш впізнаваних особливостей GSM є SIM (Subscriber Identity Module) картка. Цей крихітний чіп зберігає інформацію вашого облікового запису. Ви можете вставляти свою SIM-картку в різні GSM-телефони, і ваш номер та тарифний план перейдуть з нею.

• Глобальний стандарт: Він став найбільш широко поширеним мобільним стандартом у світі, який використовується в Європі, Азії, Африці та багатьох інших регіонах.

Уявіть собі жваве шосе. Як вмістити на ньому багато автомобілів, щоб вони не зіткнулися? GSM використовує систему під назвою TDMA (Time Division Multiple Access). Уявіть радіочастоту (шосе), доступну мережі. TDMA ділить цю частоту на маленькі часові проміжки. Кожен телефонний дзвінок отримує свій крихітний шматочок часу, щоб «говорити» на цій частоті. Це відбувається настільки швидко, що вам здається безперервною розмовою. Це як багато людей швидко по черзі розмовляють на одному радіоканалі.

GSM також працює на певних частотних діапазонах, які схожі на виділені радіоканали, призначені урядами для мобільного використання. Загальні діапазони GSM включають 900 МГц і 1800 МГц у багатьох частинах світу, а також 850 МГц і 1900 МГц переважно в Північній та Південній Америці. Ваш телефон повинен підтримувати діапазони, що використовуються у вашій місцевості або в місцевості, куди ви подорожуєте.

 

Еволюція GSM

Мобільні телефони не завжди були такими розумними чи підключеними, як сьогодні. GSM відіграв величезну роль у досягненні цього. Давайте поглянемо на його шлях.

Векторні смартфони від Vecteezy
 

Ранні мобільні мережі

До GSM, у 1980-х роках, у Європі була плутанина з різними аналоговими мобільними телефонними системами (часто їх називали 1G, або Перше покоління). Телефон з однієї країни не працював в іншій. Дзвінки були не дуже чіткими, а безпека – слабкою. Це було все заплутано та обмежено.

Європейські країни зрозуміли, що їм потрібен єдиний уніфікований стандарт, щоб покращити мобільний зв’язок і дозволити людям користуватися телефонами за кордоном. Саме тому народився GSM – для створення Глобальної системи, якою міг би користуватися кожен. Він був розроблений як цифровий з самого початку, пропонуючи кращу якість та безпеку.

Ключові етапи (2G, GPRS, EDGE та UMTS)

• GSM (2G - Друге покоління): Це оригінальний стандарт, який ми обговорювали. Запущений на початку 1990-х, він зосереджувався на цифрових голосових дзвінках та текстових повідомленнях SMS. Це було значне покращення порівняно з 1G.

• GPRS (General Packet Radio Service): Часто називається “2.5G”, GPRS був оновленням для GSM-мереж. Він дозволяв використовувати постійні з’єднання для передачі даних, хоча швидкості були досить низькими (подумайте про дуже базовий мобільний веб-браузинг або електронну пошту).

• EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution): Ще одне оновлення, іноді називається “2.75G”. EDGE пропонував вищі швидкості передачі даних, що зробило мобільний інтернет трохи більш зручним, але все ще набагато повільнішим, ніж те, що ми маємо зараз.

• UMTS (Universal Mobile Telecommunications System): Це ознаменувало початок 3G (Третє покоління). Хоча технічно це інша технологічна система, UMTS була розроблена як еволюційний шлях від GSM. Вона пропонувала набагато вищі швидкості передачі даних, що уможливило відеодзвінки та кращий мобільний інтернет. Багато 3G-мереж будувалися на основі інфраструктури, створеної GSM.

Розуміння того, що таке GSM, допомагає нам оцінити, як ці пізніші технології будувалися на його успіху.

 

Перехід від GSM до сучасних мереж (4G LTE та 5G)

Зі зростанням нашої потреби в даних – для стрімінгу, додатків, соціальних мереж тощо – навіть 3G стало недостатньо швидким. Це призвело до розробки 4G LTE (Long-Term Evolution), а тепер і 5G (П’яте покоління) мереж. Ці технології суттєво відрізняються від GSM, використовуючи більш передові методи (наприклад, OFDMA, обговорено пізніше) для забезпечення неймовірно високих швидкостей та одночасної підтримки набагато більшої кількості підключених пристроїв.

З еволюцією мобільних мереж від GSM до потужних технологій 4G LTE та 5G змінився і спосіб нашого підключення. eSIM (вбудована SIM) є наступним етапом цієї еволюції, що усуває необхідність у фізичних SIM-картках і пропонує більш плавний, швидкий та гнучкий спосіб залишатися на зв’язку. Подібно до того, як GSM заклав основу для мобільного зв’язку, eSIM формує майбутнє.

Векторна аналогова графіка від Vecteezy
 

Як влаштовані GSM-мережі

Мережа GSM – це не просто ваш телефон і стільникова вежа. Це складна система з кількома ключовими компонентами, що працюють разом. Давайте просто розберемо її:

• Мобільні пристрої (Mobile Station - MS): Це ваш телефон, планшет або будь-який пристрій, що підключається до мережі. Важливою частиною тут є SIM-картка, яка ідентифікує вас (абонента) в мережі. Без дійсної SIM-картки ваш телефон зазвичай може здійснювати лише екстрені виклики.

• Підсистема базових станцій (Base Station Subsystem - BSS): Ця частина бездротово з’єднує ваш телефон з основною мережею. Вона має два основних компоненти:

  • Базова приймально-передавальна станція (Base Transceiver Station - BTS): Це стільникові вежі, які ви бачите скрізь. Вони містять радіо та антени, що передають та отримують сигнали безпосередньо до та від вашого телефону. Кожна вежа покриває певну область, що називається ‘стільником’ (cell).
  • Контролер базових станцій (Base Station Controller - BSC): Уявіть його як менеджера для кількох стільникових веж (BTS). Він керує такими речами, як розподіл каналів (призначення частот і часових проміжків) та ‘передачі’ (handovers) – коли ваш телефон плавно перемикається з однієї вежі на іншу під час руху без розриву дзвінка.

• Підсистема комутації мережі (Network Switching Subsystem - NSS): Це ‘мозок’ або ядро мережі GSM. Вона керує дзвінками, повідомленнями та відстежує користувачів. Ключові компоненти включають:

  • Центр мобільної комутації (Mobile Switching Center - MSC): Центральний координаційний елемент. Він маршрутизує дзвінки в потрібне місце (чи до іншого мобільного телефону, чи до звичайної стаціонарної телефонної мережі), обробляє служби повідомлень (SMS) та зв’язується з базами даних для перевірки інформації про абонента.
  • Домашній регістровий центр (Home Location Register - HLR): Велика база даних, яка постійно зберігає інформацію про кожного абонента цього оператора мережі, включаючи його послуги, дозволи та загальне місцезнаходження.
  • Відвідувацький регістровий центр (Visitor Location Register - VLR): Тимчасова база даних, пов’язана з MSC. Коли ви подорожуєте в область, що обслуговується певним MSC, VLR зберігає тимчасову копію вашої інформації з HLR. Це допомагає MSC обробляти ваші дзвінки локально, не перевіряючи постійно основний HLR.

• Підсистема експлуатації та підтримки (Operation and Support Subsystem - OSS): Це частина, що працює за кадром, яка управляє всією мережею. Вона здійснює моніторинг мережі (переконання, що все працює), технічне обслуговування, оновлення програмного забезпечення, конфігурацію мережі, виявлення несправностей та управління безпекою. Вона забезпечує безперебійну та надійну роботу мережі.

Отже, коли ви здійснюєте дзвінок, ваш телефон (MS) розмовляє з найближчою стільниковою вежею (BTS), якою управляє BSC. BSC підключається до MSC в NSS. MSC перевіряє VLR/HLR для підтвердження вашої підписки, а потім маршрутизує ваш дзвінок до місця призначення, будь то інший мобільний користувач (проходячи через їхні мережеві компоненти) або хтось на стаціонарній лінії.

 

Особливості та переваги GSM

GSM став таким популярним з кількох вагомих причин. Ось деякі з його головних переваг:

• Міжнародний роумінг: Це, мабуть, був найбільший перевага GSM. Оскільки так багато країн прийняли стандарт GSM, оператори мереж могли укладати угоди, що дозволяли їхнім абонентам користуватися телефонами в інших GSM-мережах під час подорожей за кордон. Це значно полегшило міжнародні поїздки для мобільних користувачів.

• Гнучкість SIM-картки: Маленька, знімна SIM-картка була чудовою ідеєю. Вона зберігає вашу унікальну інформацію про абонента. Це означає, що ви можете легко перенести свій номер телефону та тарифний план на новий GSM-телефон, просто перемістивши SIM-картку. Ви не були прив’язані до певного пристрою, як в деяких інших системах.

• Безпечний зв’язок (на свій час): Порівняно зі старими аналоговими системами, GSM пропонував покращену безпеку. Він використовував цифрове шифрування для скрамблювання дзвінків, що ускладнювало прослуховування для випадкових підслуховувачів. Хоча і не ідеально за сучасними стандартами, це був значний крок вперед.

• Широке поширення: GSM досяг величезних глобальних масштабів. Він став домінуючим стандартом в Європі, Азії, Африці та Океанії, а також широко використовувався в Північній та Південній Америці. Ця величезна база користувачів створила ефект масштабу, зробивши телефони та мережеве обладнання дешевшими та доступнішими.

• Сумісність з ранніми пристроями IoT: Простота та широке покриття GSM (особливо з GPRS для базової передачі даних) зробили його придатним для ранньої комунікації Machine-to-Machine (M2M) та пристроїв Інтернету речей (IoT). Подумайте про такі речі, як розумні лічильники, що надсилають показання, торгові автомати, що звітують про запаси, або базові системи відстеження транспортних засобів.

Фото Andrey Metelev на Unsplash

 

GSM vs. CDMA vs. LTE: Ключові відмінності

GSM не був єдиною мобільною технологією. У деяких частинах світу, зокрема в Північній Америці та частині Азії, також була популярна інша технологія 2G/3G під назвою CDMA. А сьогодні LTE (4G) та 5G є домінуючими стандартами. Ось просте порівняння:

 

Безпека в GSM

Коли GSM розроблявся наприкінці 1980-х, безпека була важливим аспектом, особливо порівняно з легко сканованими аналоговими мережами.

GSM запровадив шифрування для захисту голосових дзвінків. Основними використовуваними алгоритмами були A5/1, а пізніше A5/2. Ці алгоритми скрамблювали розмову між телефоном і стільниковою вежею, ускладнюючи прослуховування для когось із простим радіосканером. Також використовувалися процеси аутентифікації для перевірки SIM-картки в мережі, що допомагало запобігти клонуванню (хоча і не ідеально).

Вразливості та проблеми безпеки

Хоча безпека GSM була покращенням, вона не була абсолютною, особливо за сучасними стандартами.

• Слабке шифрування: Пізніше було виявлено, що алгоритм A5/1 має слабкі місця, які потенційно можна зламати за достатньої обчислювальної потужності. A5/2 був ще слабшим і навмисно розроблений так, щоб уряди могли його легко зламати.

• Зв’язок вежа-мережа: Часто шифрування застосовувалося лише між телефоном і стільниковою вежею (BTS). Зв’язок від вежі назад до ядра мережі не завжди був зашифрований, що створювало потенційне слабке місце.

• IMSI-кетчери: Пристрої, відомі як “IMSI Catchers” або “Stingrays”, можуть прикидатися легітимними стільниковими вежами, змушуючи телефони підключатися до них. Це дозволяє зловмисникам перехоплювати дзвінки/текстові повідомлення або відстежувати місцезнаходження користувача.

• Відсутність взаємної аутентифікації (в оригінальній специфікації): Спочатку лише мережа аутентифікувала телефон/SIM. Телефон не завжди аутентифікував мережу, що робило його вразливим до атак фальшивих веж.

Чи захищені сучасні GSM-мережі?

Важливо пам’ятати, що сам GSM – це стара технологія. Хоча деякі базові послуги GSM все ще можуть функціонувати, більшість голосового та дата-трафіку сьогодні проходить через мережі 3G, 4G (LTE) та 5G. Ці новіші стандарти мають набагато сильніші функції безпеки:

• Сильніше шифрування: В 4G/5G використовуються алгоритми, такі як AES, які набагато надійніші.

• Взаємна аутентифікація: І пристрій, і мережа аутентифікують одне одного, що ускладнює атаки фальшивих веж.

• Наскрізна безпека: Докладаються зусилля для подальшого захисту зв’язку в ядрі мережі.

• Регулярні оновлення: Протоколи безпеки постійно переглядаються та оновлюються.

Отже, хоча GSM мав відомі недоліки безпеки, мережі, якими більшість людей користується щодня (4G/5G), пропонують набагато кращий захист.

 

Обмеження GSM

Незважаючи на свій успіх, GSM мав свої недоліки, особливо з розвитком технологій:

• Проблеми з перешкодами: Будучи заснованим на радіохвилях, сигнали GSM могли зазнавати впливу фізичних перешкод, таких як будівлі, пагорби або навіть погана погода. Це могло призводити до переривання дзвінків або низької якості сигналу в певних областях. Електричні перешкоди від інших пристроїв також іноді могли спричиняти проблеми.

• Обмежена швидкість передачі даних: Це найбільше обмеження GSM за сучасними стандартами. Хоча оновлення GPRS та EDGE додали можливості передачі даних, швидкості були дуже низькими порівняно з 3G, не кажучи вже про 4G або 5G. Стрімінг відео або використання складних додатків було просто неможливим на чистому 2G GSM-з’єднанні. Розуміння того, що GSM за своєю суттю означає, визнання того, що він був створений в першу чергу для голосу, в другу – для даних.

• Потреба в ретрансляторах в зонах зі слабким сигналом: В областях з поганим природним покриттям (наприклад, глибоко всередині великих будівель або у віддалених сільських районах) часто були потрібні підсилювачі сигналу або ретранслятори для посилення сигналу GSM і забезпечення можливості користування послугою. Це додавало складності та витрат для забезпечення покриття скрізь.

• Обмеження ємності: Структура TDMA, хоч і була хитрою, мала обмеження щодо того, скільки користувачів могли розділити частоту в даній області. У дуже густонаселених місцях мережа іноді могла перевантажуватися в години пік.

Ці обмеження спонукали до необхідності еволюції до 3G, 4G та 5G, які були розроблені для подолання цих проблем, зокрема, щодо швидкості передачі даних та ємності.

 

GSM у США та глобальне використання

Історично в США AT&T та T-Mobile були основними GSM-операторами. Однак це швидко змінюється. Обидва оператори, як і інші по всьому світу, перебувають у процесі вимкнення своїх старих мереж 2G (GSM) та 3G. Їм потрібен радіочастотний простір (спектр), що використовується цими старими технологіями, для побудови своїх швидших, ефективніших мереж 4G LTE та 5G. Хоча деякі мінімальні можливості GSM можуть залишатися для конкретних M2M/IoT застосувань або тимчасових роумінгових угод, активне споживче використання зникає. Найкраще припускати, що споживчі GSM-мережі фактично зникли або дуже скоро зникнуть у США.

Ситуація в США відображає глобальну тенденцію. Країни Європи, Азії та Австралії також активно вимикають свої мережі 2G та 3G. Терміни різняться залежно від країни та оператора: деякі вже завершили вимкнення, а інші планують їх на найближчі кілька років.

Причини узгоджуються: повернути цінний спектр для 4G/5G, зменшити витрати на підтримку старих мереж та заохотити користувачів до більш сучасних, ефективних технологій.

Для більшості людей, які використовують смартфони, виготовлені за останні 5-7 років, це вимкнення, ймовірно, не вплине безпосередньо. Сучасні телефони переважно використовують 4G LTE та 5G. Однак, ось що вам потрібно зробити, якщо мережі GSM вимкнено:
:

• Перевірте свій телефон: Якщо у вас дуже старий телефон (можливо, базовий функціональний телефон 10+ років тому), він може підтримувати лише 2G/3G. Після вимкнення цих мереж у вашому регіоні цей телефон втратить зв’язок (крім, можливо, екстрених викликів). Вам потрібно буде оновити телефон до такого, що підтримує 4G LTE (і бажано VoLTE – Голос через LTE) або 5G.

• Перевірте пристрої IoT: Деякі старіші пристрої розумного дому, системи сигналізації або трекери транспортних засобів можуть покладатися на мережі 2G/3G. Користувачам цих пристроїв, можливо, доведеться зв’язатися з постачальником послуг або виробником щодо варіантів оновлення або можливої втрати послуги.

• Мандрівники: Хоча міжнародний роумінг був сильною стороною GSM, зі згортанням мереж у всьому світі покладатися лише на 2G/3G для роумінгу стає менш життєздатним. Сучасні телефони, що підтримують кілька діапазонів 4G/5G, є важливими для надійного міжнародного зв’язку.

Фото Christopher на Unsplash

 

Оновіться від GSM до майбутнього з eSIM від Yoho Mobile!

Так само, як GSM змінив мобільний зв’язок, eSIM від Yoho Mobile виводить його на новий рівень. Забудьте про пошук місцевих SIM-карток або хвилювання щодо сумісності зі старіючими мережами. Yoho Mobile пропонує безперебійне підключення за допомогою сучасних мереж 4G та 5G по всьому світу, все це завдяки зручності eSIM. Жодних фізичних замін SIM-карт – просто миттєве глобальне підключення, куди б ви не поїхали.

• Використовуйте код YOHO12 при оформленні замовлення для знижки 12%!