Hướng dẫn toàn diện về GSM: Mọi điều bạn cần biết

Bạn có bao giờ tự hỏi làm thế nào điện thoại di động của mình có thể kết nối một cách kỳ diệu bạn với những người cách xa hàng dặm không? Rất lâu trước khi có internet siêu tốc mà chúng ta sử dụng ngày nay, đã có một công nghệ đột phá khởi đầu tất cả. Công nghệ này đã giúp hàng tỷ người nói chuyện và nhắn tin với nhau trên khắp thế giới. Chúng ta đang nói về GSM. Nhưng GSM thực sự là gì và tại sao nó lại quan trọng đến vậy?

Hãy sẵn sàng khám phá câu chuyện đơn giản đằng sau công nghệ đã xây dựng nền móng cho thế giới di động mà chúng ta biết ngày nay! Hướng dẫn này sẽ đưa bạn qua mọi thứ bạn cần hiểu về GSM một cách dễ dàng.

Vector Bản đồ thế giới của Vecteezy

GSM là gì?

GSM là viết tắt của Global System for Mobile Communications (Hệ thống Toàn cầu cho Truyền thông Di động). Về cơ bản, đó là một tiêu chuẩn kỹ thuật số, một bộ quy tắc và công nghệ mà điện thoại di động và mạng lưới sử dụng để giao tiếp với nhau. Các tính năng chính của nó là:

• Kỹ thuật số: Không giống như các hệ thống analog cũ (như sóng radio nhiễu), GSM sử dụng tín hiệu kỹ thuật số. Điều này có nghĩa là các cuộc gọi rõ ràng hơn và ít nhiễu hơn.

• Gọi và Nhắn tin: GSM chủ yếu được thiết kế cho các cuộc gọi thoại và tin nhắn văn bản đơn giản (SMS - Short Message Service).

• Thẻ SIM: Một trong những tính năng dễ nhận biết nhất của GSM là thẻ SIM (Subscriber Identity Module - Mô-đun Nhận dạng Người dùng). Con chip nhỏ này lưu trữ thông tin tài khoản của bạn. Bạn có thể lắp thẻ SIM vào các điện thoại GSM khác nhau, và số điện thoại cùng gói dịch vụ của bạn sẽ đi theo.

• Tiêu chuẩn Toàn cầu: Nó đã trở thành tiêu chuẩn di động được áp dụng rộng rãi nhất trên thế giới, được sử dụng khắp châu Âu, châu Á, châu Phi và nhiều khu vực khác.

Hãy tưởng tượng một đường cao tốc đông đúc. Làm thế nào bạn có thể đặt nhiều ô tô lên đó mà không gây va chạm? GSM sử dụng một hệ thống gọi là TDMA (Time Division Multiple Access - Đa truy nhập phân chia theo thời gian). Hãy nghĩ về tần số radio (đường cao tốc) có sẵn cho mạng lưới. TDMA chia tần số này thành các khe thời gian nhỏ. Mỗi cuộc gọi điện thoại được cấp một lát cắt thời gian nhỏ để ‘nói chuyện’ trên tần số đó. Điều này xảy ra rất nhanh đến nỗi bạn nghe có vẻ như một cuộc trò chuyện liên tục. Nó giống như nhiều người nhanh chóng thay phiên nhau nói trên cùng một kênh radio.

GSM cũng hoạt động trên các dải tần cụ thể, giống như các kênh radio chuyên dụng được chính phủ phân bổ cho mục đích di động. Các dải tần GSM phổ biến bao gồm 900 MHz và 1800 MHz ở nhiều nơi trên thế giới, và 850 MHz và 1900 MHz chủ yếu ở châu Mỹ. Điện thoại của bạn cần hỗ trợ các dải tần được sử dụng ở khu vực của bạn hoặc khu vực bạn đến du lịch.

 

Sự phát triển của GSM

Điện thoại di động không phải lúc nào cũng thông minh hay kết nối như ngày nay. GSM đã đóng một vai trò to lớn trong việc đưa chúng ta đến đây. Hãy cùng xem hành trình của nó.

Vector Điện thoại thông minh của Vecteezy
 

Các mạng di động đời đầu

Trước GSM, vào những năm 1980, châu Âu có một mớ hỗn độn các hệ thống điện thoại di động analog khác nhau (thường được gọi là 1G, hoặc Thế hệ thứ nhất). Một chiếc điện thoại từ nước này sẽ không hoạt động ở nước khác. Các cuộc gọi không rõ ràng lắm, và bảo mật yếu. Tất cả đều rắc rối và hạn chế.

Các quốc gia châu Âu nhận ra họ cần một tiêu chuẩn duy nhất, thống nhất để cải thiện truyền thông di động và cho phép mọi người sử dụng điện thoại của họ qua biên giới. Đó là lý do GSM ra đời – để tạo ra một Hệ thống Toàn cầu (Global System) mà mọi người có thể sử dụng. Nó được thiết kế là kỹ thuật số ngay từ đầu, mang lại chất lượng và bảo mật tốt hơn.

Các cột mốc quan trọng (2G, GPRS, EDGE và UMTS)

• GSM (2G - Thế hệ thứ hai): Đây là tiêu chuẩn gốc mà chúng ta đã thảo luận. Ra mắt vào đầu những năm 1990, nó tập trung vào các cuộc gọi thoại kỹ thuật số và tin nhắn SMS. Đó là một cải tiến lớn so với 1G.

• GPRS (General Packet Radio Service): Thường được gọi là “2.5G,” GPRS là một nâng cấp cho mạng GSM. Nó cho phép kết nối dữ liệu “luôn bật”, mặc dù tốc độ khá chậm (hãy nghĩ về việc duyệt web di động cơ bản hoặc email).

• EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution): Một nâng cấp khác, đôi khi được gọi là “2.75G.” EDGE cung cấp tốc độ dữ liệu nhanh hơn GPRS, giúp internet di động trở nên khả dụng hơn một chút, nhưng vẫn chậm hơn nhiều so với những gì chúng ta có hiện nay.

• UMTS (Universal Mobile Telecommunications System): Điều này đánh dấu sự khởi đầu của 3G (Thế hệ thứ ba). Mặc dù về mặt kỹ thuật là một hệ thống công nghệ khác, UMTS được thiết kế như là con đường phát triển từ GSM. Nó cung cấp tốc độ dữ liệu nhanh hơn nhiều, cho phép gọi video và internet di động tốt hơn. Nhiều mạng 3G được xây dựng trên cơ sở hạ tầng cốt lõi đã được thiết lập bởi GSM.

Hiểu GSM là gì giúp chúng ta đánh giá cao cách các công nghệ sau này được xây dựng dựa trên sự thành công của nó.

 

Chuyển đổi từ GSM sang các mạng hiện đại (4G LTE & 5G)

Khi nhu cầu về dữ liệu của chúng ta tăng lên – để truyền phát, ứng dụng, mạng xã hội, v.v. – ngay cả 3G cũng không đủ nhanh. Điều này dẫn đến sự phát triển của các mạng 4G LTE (Long-Term Evolution) và hiện nay là 5G (Thế hệ thứ năm). Những công nghệ này rất khác so với GSM, sử dụng các kỹ thuật tiên tiến hơn (như OFDMA, sẽ thảo luận sau) để cung cấp tốc độ cực nhanh và hỗ trợ nhiều thiết bị được kết nối đồng thời hơn.

Khi mạng di động phát triển từ GSM đến các công nghệ 4G LTE và 5G mạnh mẽ, cách chúng ta kết nối cũng thay đổi. eSIM (SIM nhúng) đại diện cho cột mốc tiếp theo trong sự phát triển này, loại bỏ nhu cầu về thẻ SIM vật lý và cung cấp một cách kết nối mượt mà hơn, nhanh hơn và linh hoạt hơn để luôn kết nối. Giống như GSM đã đặt nền móng cho truyền thông di động, eSIM đang định hình tương lai.

Vector Tín hiệu Analog của Vecteezy
 

Cấu trúc mạng GSM

Mạng GSM không chỉ bao gồm điện thoại của bạn và một trạm phát sóng. Nó là một hệ thống phức tạp với nhiều bộ phận chính hoạt động cùng nhau. Hãy cùng phân tích nó một cách đơn giản:

• Thiết bị Di động (Mobile Station - MS): Đây là điện thoại, máy tính bảng của bạn hoặc bất kỳ thiết bị nào kết nối với mạng. Phần quan trọng ở đây là thẻ SIM, thứ nhận dạng bạn (người đăng ký) với mạng. Nếu không có SIM hợp lệ, điện thoại của bạn thường chỉ có thể thực hiện cuộc gọi khẩn cấp.

• Hệ thống Trạm gốc (Base Station Subsystem - BSS): Phần này kết nối điện thoại của bạn không dây với mạng chính. Nó có hai thành phần chính:

  • Trạm thu phát gốc (Base Transceiver Station - BTS): Đây là các cột sóng bạn thấy khắp nơi. Chúng chứa các bộ phát sóng và ăng-ten truyền và nhận tín hiệu trực tiếp đến và từ điện thoại của bạn. Mỗi tháp phủ một khu vực cụ thể gọi là ‘ô’ (cell).
  • Bộ điều khiển Trạm gốc (Base Station Controller - BSC): Hãy nghĩ về đây như một người quản lý cho một số cột sóng (BTS). Nó kiểm soát các việc như phân bổ kênh (gán tần số và khe thời gian) và ‘chuyển giao’ (handovers) – khi điện thoại của bạn chuyển đổi liền mạch từ tháp này sang tháp khác khi bạn di chuyển mà không bị rớt cuộc gọi.

• Hệ thống Chuyển mạch Mạng (Network Switching Subsystem - NSS): Đây là ‘bộ não’ hoặc lõi của mạng GSM. Nó quản lý các cuộc gọi, tin nhắn và theo dõi người dùng. Các phần chính bao gồm:

  • Trung tâm Chuyển mạch Di động (Mobile Switching Center - MSC): Thành phần điều phối trung tâm. Nó định tuyến cuộc gọi đến đúng nơi (dù là đến một điện thoại di động khác hay đến mạng điện thoại cố định thông thường), xử lý các dịch vụ nhắn tin (SMS) và giao tiếp với các cơ sở dữ liệu để kiểm tra thông tin thuê bao.
  • Bộ đăng ký vị trí cố định (Home Location Register - HLR): Một cơ sở dữ liệu lớn lưu trữ vĩnh viễn thông tin về mọi thuê bao của nhà mạng đó, bao gồm các dịch vụ, quyền hạn và vị trí chung của họ.
  • Bộ đăng ký vị trí khách (Visitor Location Register - VLR): Một cơ sở dữ liệu tạm thời liên kết với một MSC. Khi bạn di chuyển vào một khu vực được phục vụ bởi một MSC cụ thể, VLR lưu trữ một bản sao tạm thời thông tin của bạn từ HLR. Điều này giúp MSC xử lý cuộc gọi của bạn tại chỗ mà không cần liên tục kiểm tra HLR chính.

• Hệ thống Vận hành và Hỗ trợ (Operation and Support Subsystem - OSS): Đây là phần làm việc phía sau hậu trường quản lý toàn bộ mạng. Nó xử lý việc giám sát mạng (đảm bảo mọi thứ hoạt động), bảo trì, cập nhật phần mềm, cấu hình mạng, phát hiện lỗi và quản lý bảo mật. Nó đảm bảo mạng hoạt động trơn tru và đáng tin cậy.

Vì vậy, khi bạn thực hiện cuộc gọi, điện thoại của bạn (MS) nói chuyện với tháp di động gần nhất (BTS), được quản lý bởi một BSC. BSC kết nối với MSC trong NSS. MSC kiểm tra VLR/HLR để xác minh thuê bao của bạn và sau đó định tuyến cuộc gọi của bạn đến đích, dù là một người dùng di động khác (thông qua các bộ phận mạng của họ) hay ai đó sử dụng điện thoại cố định.

 

Các tính năng & Ưu điểm của GSM

GSM trở nên phổ biến như vậy vì nhiều lý do tốt. Dưới đây là một số lợi ích chính của nó:

• Chuyển vùng Quốc tế: Đây có lẽ là điểm bán hàng lớn nhất của GSM. Bởi vì rất nhiều quốc gia đã áp dụng tiêu chuẩn GSM, các nhà mạng có thể thỏa thuận cho phép khách hàng của họ sử dụng điện thoại trên các mạng GSM khác khi đi du lịch nước ngoài. Điều này giúp việc đi lại quốc tế dễ dàng hơn nhiều đối với người dùng di động.

• Tính linh hoạt của Thẻ SIM: Thẻ SIM nhỏ, có thể tháo rời là một ý tưởng tuyệt vời. Nó lưu trữ thông tin thuê bao duy nhất của bạn. Điều này có nghĩa là bạn có thể dễ dàng chuyển số điện thoại và gói dịch vụ sang một điện thoại GSM mới chỉ bằng cách di chuyển thẻ SIM. Bạn không bị ràng buộc với một thiết bị cụ thể như trong một số hệ thống khác.

• Giao tiếp An toàn (so với thời điểm đó): So với các hệ thống analog cũ hơn, GSM cung cấp bảo mật được cải thiện. Nó sử dụng mã hóa kỹ thuật số để xáo trộn các cuộc gọi, khiến những người nghe trộm thông thường khó nghe lén hơn. Mặc dù không hoàn hảo theo tiêu chuẩn ngày nay, đó là một bước tiến đáng kể.

• Áp dụng Rộng rãi: GSM đã đạt được quy mô toàn cầu lớn. Nó trở thành tiêu chuẩn chi phối ở châu Âu, châu Á, châu Phi và châu Đại Dương, và cũng được sử dụng rộng rãi ở châu Mỹ. Cơ sở người dùng khổng lồ này đã tạo ra lợi thế kinh tế theo quy mô, làm cho điện thoại và thiết bị mạng rẻ hơn và sẵn có hơn.

• Tương thích với các thiết bị IoT đời đầu: Sự đơn giản và phạm vi phủ sóng rộng lớn của GSM (đặc biệt với GPRS cho dữ liệu cơ bản) đã làm cho nó phù hợp với truyền thông Máy-đối-Máy (M2M) và các thiết bị Internet of Things (IoT) đời đầu. Hãy nghĩ đến những thứ như đồng hồ thông minh gửi số liệu, máy bán hàng tự động báo cáo tồn kho, hoặc các hệ thống theo dõi xe cơ bản.

Ảnh bởi Andrey Metelev trên Unsplash

 

GSM so với CDMA so với LTE: Những khác biệt chính

GSM không phải là công nghệ di động duy nhất trên thị trường. Ở một số nơi trên thế giới, đặc biệt là Bắc Mỹ và một số khu vực châu Á, một công nghệ 2G/3G khác gọi là CDMA cũng phổ biến. Và ngày nay, LTE (4G) và 5G là các tiêu chuẩn chi phối. Dưới đây là so sánh đơn giản:

 

Bảo mật trong GSM

Khi GSM được thiết kế vào cuối những năm 1980, bảo mật là một yếu tố được cân nhắc, đặc biệt so với các mạng analog dễ dàng bị quét.

GSM đã giới thiệu mã hóa để bảo vệ các cuộc gọi thoại. Các thuật toán chính được sử dụng là A5/1 và sau đó là A5/2. Các thuật toán này xáo trộn cuộc trò chuyện giữa điện thoại và tháp di động, khiến người nào đó có máy quét radio đơn giản khó nghe lén. Các quy trình xác thực cũng được sử dụng để xác minh thẻ SIM với mạng, giúp ngăn chặn việc nhân bản (mặc dù không hoàn hảo).

Các lỗ hổng và lo ngại về bảo mật

Mặc dù là một cải tiến, bảo mật GSM không phải là hoàn hảo, đặc biệt theo tiêu chuẩn hiện đại.

• Mã hóa yếu: Thuật toán A5/1 sau đó được phát hiện có điểm yếu mà có khả năng bị phá vỡ với đủ sức mạnh tính toán. A5/2 thậm chí còn yếu hơn và được cố tình thiết kế để các chính phủ dễ dàng crack.

• Liên kết từ Tháp đến Mạng: Thường thì mã hóa chỉ áp dụng giữa điện thoại và tháp di động (BTS). Liên kết từ tháp quay lại mạng lõi không phải lúc nào cũng được mã hóa, tạo ra một điểm yếu tiềm ẩn.

• IMSI Catchers: Các thiết bị được gọi là “IMSI Catchers” hoặc “Stingrays” có thể giả làm các tháp di động hợp pháp, lừa điện thoại kết nối với chúng. Điều này cho phép kẻ tấn công chặn cuộc gọi/tin nhắn hoặc theo dõi vị trí của người dùng.

• Thiếu xác thực hai chiều (trong đặc tả gốc): Ban đầu, chỉ mạng xác thực điện thoại/SIM. Điện thoại không phải lúc nào cũng xác thực mạng, khiến nó dễ bị tấn công tháp giả.

Các mạng GSM hiện đại có được bảo vệ không?

Điều quan trọng cần nhớ là bản thân GSM là công nghệ cũ. Mặc dù một số dịch vụ GSM cơ bản vẫn có thể hoạt động, nhưng hầu hết lưu lượng thoại và dữ liệu ngày nay chạy trên mạng 3G, 4G (LTE) và 5G. Các tiêu chuẩn mới hơn này có các tính năng bảo mật mạnh mẽ hơn nhiều:

• Mã hóa mạnh hơn: Các thuật toán như AES được sử dụng trong 4G/5G, chúng mạnh mẽ hơn nhiều.

• Xác thực hai chiều: Cả thiết bị và mạng đều xác thực lẫn nhau, khiến các cuộc tấn công tháp giả trở nên khó khăn hơn.

• Bảo mật đầu cuối: Nỗ lực được thực hiện để bảo mật thông tin liên lạc sâu hơn vào lõi mạng.

• Cập nhật thường xuyên: Các giao thức bảo mật liên tục được xem xét và cập nhật.

Vì vậy, mặc dù GSM có những lỗ hổng bảo mật đã biết, các mạng mà hầu hết mọi người sử dụng hàng ngày (4G/5G) cung cấp khả năng bảo vệ tốt hơn nhiều.

 

Hạn chế của GSM

Bất chấp thành công của nó, GSM vẫn có những nhược điểm, đặc biệt khi công nghệ tiến bộ:

• Các vấn đề Nhiễu: Do dựa trên sóng radio, tín hiệu GSM có thể bị ảnh hưởng bởi các vật cản vật lý như tòa nhà, đồi núi, hoặc thậm chí thời tiết xấu. Điều này có thể dẫn đến rớt cuộc gọi hoặc chất lượng tín hiệu kém ở một số khu vực nhất định. Nhiễu điện từ các thiết bị khác đôi khi cũng có thể gây ra vấn đề.

• Tốc độ dữ liệu hạn chế: Đây là hạn chế lớn nhất của GSM theo tiêu chuẩn ngày nay. Mặc dù các bản nâng cấp GPRS và EDGE đã bổ sung khả năng dữ liệu, tốc độ rất chậm so với 3G, chưa kể đến 4G hoặc 5G. Phát video trực tuyến hoặc sử dụng các ứng dụng phức tạp đơn giản là không khả thi trên kết nối GSM 2G thuần túy. Hiểu GSM vốn dĩ có nghĩa gì, nhận ra nó được xây dựng cho thoại trước, dữ liệu sau.

• Cần bộ lặp ở các khu vực tín hiệu yếu: Ở những khu vực phủ sóng tự nhiên kém (như sâu bên trong các tòa nhà lớn hoặc các địa điểm nông thôn hẻo lánh), thường cần bộ tăng sóng hoặc bộ lặp để khuếch đại tín hiệu GSM và làm cho dịch vụ có thể sử dụng được. Điều này làm tăng sự phức tạp và chi phí để đảm bảo vùng phủ sóng ở mọi nơi.

• Giới hạn dung lượng: Cấu trúc TDMA, mặc dù thông minh, có giới hạn về số lượng người dùng có thể chia sẻ một tần số trong một khu vực nhất định. Ở những địa điểm có mật độ dân số rất cao, mạng đôi khi có thể bị tắc nghẽn trong giờ cao điểm.

Những hạn chế này đã thúc đẩy nhu cầu phát triển lên 3G, 4G và 5G, những công nghệ được thiết kế để khắc phục các vấn đề này, đặc biệt liên quan đến tốc độ dữ liệu và dung lượng.

 

GSM tại Hoa Kỳ và việc sử dụng trên toàn cầu

Trong lịch sử tại Hoa Kỳ, AT&T và T-Mobile là các nhà mạng GSM chính. Tuy nhiên, điều này đang thay đổi nhanh chóng. Cả hai nhà mạng, giống như các nhà mạng khác trên toàn cầu, đang trong quá trình đóng cửa các mạng 2G (GSM) và 3G cũ hơn của họ. Họ cần không gian tần số radio (phổ tần) được sử dụng bởi các công nghệ cũ hơn này để xây dựng các mạng 4G LTE và 5G nhanh hơn, hiệu quả hơn. Mặc dù một số khả năng GSM tối thiểu có thể tồn tại tạm thời cho các mục đích M2M/IoT cụ thể hoặc các thỏa thuận chuyển vùng, việc sử dụng tích cực của người tiêu dùng đang biến mất. Tốt nhất là nên coi các mạng GSM tập trung vào người tiêu dùng đã biến mất hoặc sắp biến mất rất sớm tại Hoa Kỳ.

Tình hình tại Hoa Kỳ phản ánh một xu hướng toàn cầu. Các quốc gia trên khắp châu Âu, châu Á và Úc cũng đang tích cực đóng cửa mạng 2G và 3G của họ. Thời gian biểu khác nhau tùy theo quốc gia và nhà mạng, một số đã hoàn thành việc đóng cửa và những người khác đang lên kế hoạch trong vài năm tới.

Lý do là nhất quán: lấy lại phổ tần quý giá cho 4G/5G, giảm chi phí duy trì mạng cũ và khuyến khích người dùng chuyển sang công nghệ hiện đại, hiệu quả hơn.

Đối với hầu hết những người sử dụng điện thoại thông minh được sản xuất trong 5-7 năm qua, việc đóng cửa này có thể sẽ không ảnh hưởng trực tiếp đến họ. Điện thoại hiện đại chủ yếu sử dụng 4G LTE và 5G. Tuy nhiên, đây là những gì bạn cần làm nếu mạng GSM đóng cửa:
:

• Kiểm tra điện thoại của bạn: Nếu bạn có một chiếc điện thoại rất cũ (có thể là một chiếc điện thoại cơ bản từ 10+ năm trước), nó có thể chỉ hỗ trợ 2G/3G. Khi các mạng đó bị đóng cửa ở khu vực của bạn, chiếc điện thoại đó sẽ mất dịch vụ (trừ khả năng gọi khẩn cấp). Bạn sẽ cần nâng cấp lên một chiếc điện thoại hỗ trợ 4G LTE (và lý tưởng là VoLTE – Voice over LTE) hoặc 5G.

• Kiểm tra thiết bị IoT: Một số thiết bị nhà thông minh, hệ thống báo động hoặc thiết bị theo dõi xe cũ hơn có thể dựa vào mạng 2G/3G. Người dùng các thiết bị này có thể cần kiểm tra với nhà cung cấp dịch vụ hoặc nhà sản xuất về các tùy chọn nâng cấp hoặc khả năng mất dịch vụ.

• Người đi du lịch: Mặc dù chuyển vùng quốc tế là một thế mạnh của GSM, khi các mạng đóng cửa trên toàn cầu, việc chỉ dựa vào 2G/3G để chuyển vùng trở nên kém khả thi hơn. Điện thoại hiện đại hỗ trợ nhiều dải tần 4G/5G là điều cần thiết để có kết nối quốc tế đáng tin cậy.

Ảnh bởi Christopher trên Unsplash

 

Nâng cấp từ GSM lên Tương lai với eSIM của Yoho Mobile!

Giống như GSM đã thay đổi truyền thông di động, eSIM của Yoho Mobile đưa nó lên một tầm cao mới. Quên việc phải săn lùng thẻ SIM địa phương hay lo lắng về khả năng tương thích với các mạng cũ. Yoho Mobile cung cấp kết nối liền mạch sử dụng mạng 4G và 5G hiện đại trên khắp thế giới, tất cả thông qua sự tiện lợi của eSIM. Không cần đổi SIM vật lý – chỉ cần kết nối toàn cầu tức thì dù bạn đi đâu.

• Sử dụng mã YOHO12 khi thanh toán để được giảm giá 12%!