GSM 終極指南：您需要知道的一切

您曾否想過您的手機是如何神奇地將您與遠在千里之外的人們連結起來的？早在我們今天使用的超快速網路出現之前，就有一項突破性的技術開啟了這一切。這項技術幫助數十億人跨越全球相互通話和傳送訊息。我們談論的就是 GSM。但 GSM 究竟是什麼？為何它如此重要？

準備好探索這項為我們今天所知的行動世界奠定基礎的技術背後，那個簡單的故事吧！本指南將用簡單易懂的方式，帶您了解關於 GSM 的一切。

世界地圖向量圖由 Vecteezy 提供

什麼是 GSM？

GSM 的意思是 Global System for Mobile Communications，即全球行動通訊系統。它基本上是一個數位標準，一套行動電話和網路用來相互溝通的規則和技術。其主要特點包括：

• 數位化： 與較舊的類比系統（如模糊的收音機）不同，GSM 使用數位訊號。這意味著通話更清晰、雜訊更少。

• 通話和簡訊： GSM 最初主要設計用於語音通話和簡單的簡訊 (SMS - Short Message Service)。

• SIM 卡： GSM 最容易辨識的特點之一是 SIM (Subscriber Identity Module) 卡。這個微小的晶片儲存您的帳號資訊。您可以將您的 SIM 卡插入不同的 GSM 手機，您的號碼和服務方案也會隨之轉移。

• 全球標準： 它成為世界上最廣泛採用的行動標準，遍及歐洲、亞洲、非洲和許多其他地區。

想像一條繁忙的高速公路。您如何讓許多汽車行駛在上面而不發生碰撞？GSM 使用一種稱為 TDMA (Time Division Multiple Access，時分多重接取) 的系統。想像一下網路可用的無線電頻率（高速公路）。TDMA 將此頻率分成小的時隙。每個通話都可以在該頻率上獲得自己的微小時段來「說話」。這個過程發生得如此之快，以至於聽起來像是連續的對話。這就像許多人快速輪流在同一個無線電頻道上講話。

GSM 也運行在特定的頻率頻段上，這些頻段就像政府為行動通訊分配的專用無線電頻道。世界上許多地方常用的 GSM 頻段包括 900 MHz 和 1800 MHz，而在美洲主要使用 850 MHz 和 1900 MHz。您的手機需要支援您所在地區或您旅行區域使用的頻段。

 

GSM 的演進

手機並非總是像今天這樣智慧或互聯。GSM 在促成這一切方面扮演了巨大角色。讓我們看看它的發展歷程。

智慧型手機向量圖由 Vecteezy 提供
 

早期的行動網路

在 GSM 出現之前，1980 年代，歐洲擁有一堆不同的類比行動電話系統（通常稱為 1G 或第一代）。一個國家的手機在另一個國家無法使用。通話不太清晰，安全性也很弱。這一切都令人困惑且受限。

歐洲國家意識到他們需要一個單一、統一的標準來改善行動通訊，並讓人們可以在跨境使用手機。這就是 GSM 誕生的原因 – 為了創建一個所有人都能使用的全球系統。它從一開始就被設計成數位化，提供更好的品質和安全性。

重要里程碑 (2G, GPRS, EDGE, and UMTS)

• GSM (2G - 第二代)： 這就是我們一直在討論的原始標準。它於 1990 年代初期推出，專注於數位語音通話和 SMS 簡訊。它是對 1G 的巨大改進。

• GPRS (General Packet Radio Service)： 通常稱為「2.5G」，GPRS 是對 GSM 網路的升級。它允許「永遠在線」的數據連線，儘管速度相當慢（想想非常基本的行動網頁瀏覽或電子郵件）。

• EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution)： 另一項升級，有時稱為「2.75G」。EDGE 提供比 GPRS 更快的數據速度，使行動網路更加可用，但仍然比我們現在的速度慢得多。

• UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)： 這標誌著 3G（第三代）的開始。雖然技術上是不同的技術系統，UMTS 被設計為從 GSM 演進的路徑。它提供更快的數據速度，實現視訊通話和更好的行動網路。許多 3G 網路都建立在 GSM 建立的核心基礎設施之上。

了解什麼是 GSM 有助於我們理解這些後來的技術如何建立在其成功之上。

 

從 GSM 到現代網路的轉變 (4G LTE & 5G)

隨著我們對數據的需求增長 – 用於串流、應用程式、社交媒體等等 – 即使是 3G 也不夠快。這導致了 4G LTE (Long-Term Evolution) 和現在 5G（第五代）網路的發展。這些技術與 GSM 截然不同，使用更先進的技術（如稍後討論的 OFDMA）來提供令人難以置信的速度並同時支援更多連線裝置。

隨著行動網路從 GSM 演進到強大的 4G LTE 和 5G 技術，我們的連線方式也隨之改變。eSIM（嵌入式 SIM 卡）代表了這一演進中的下一個里程碑，消除了對實體 SIM 卡的需求，並提供了更流暢、更快速、更靈活的連線方式。就像 GSM 為行動通訊奠定基礎一樣，eSIM 正在塑造未來。

類比向量圖由 Vecteezy 提供
 

GSM 網路如何建構

GSM 網路不只是您的手機和一個基地台。它是一個複雜的系統，包含幾個共同運作的關鍵部分。讓我們簡單地分解一下：

• 行動裝置 (Mobile Station - MS)： 這就是您的手機、平板電腦或任何連線到網路的裝置。這裡的關鍵部分是 SIM 卡，它標識您（使用者）對網路。沒有有效的 SIM 卡，您的手機通常只能撥打緊急電話。

• 基地台子系統 (Base Station Subsystem - BSS)： 這部分將您的手機無線連接到主網路。它有兩個主要組成部分：

  • 基地收發台 (Base Transceiver Station - BTS)： 這些就是您隨處可見的基地台。它們包含收發訊號直接到和從您的手機的無線電和天線。每個基地台覆蓋一個稱為「小區」(cell) 的特定區域。
  • 基地台控制器 (Base Station Controller - BSC)： 將其視為幾個基地台 (BTSs) 的管理者。它控制頻道分配（分配頻率和時隙）以及「切換」(handovers) – 當您移動時，您的手機無縫地從一個基地台切換到另一個，而不會中斷通話。

• 網路交換子系統 (Network Switching Subsystem - NSS)： 這是 GSM 網路的「大腦」或核心。它管理通話、訊息，並追蹤使用者。關鍵部分包括：

  • 行動交換中心 (Mobile Switching Center - MSC)： 中央協調元件。它將通話路由到正確的地方（無論是到另一支行動電話還是到普通市話網路），處理訊息服務 (SMS)，並與資料庫通訊以檢查使用者資訊。
  • 歸屬位置暫存器 (Home Location Register - HLR)： 一個大型資料庫，永久儲存該網路營運商的每個使用者的資訊，包括他們的服務、權限和大致位置。
  • 拜訪位置暫存器 (Visitor Location Register - VLR)： 與 MSC 關聯的臨時資料庫。當您進入由特定 MSC 服務的區域時，VLR 會儲存您從 HLR 來的資訊的臨時副本。這有助於 MSC 在本地處理您的通話，而無需不斷檢查主 HLR。

• 操作支援子系統 (Operation and Support Subsystem - OSS)： 這是管理整個網路的幕後部分。它處理網路監控（確保一切運作正常）、維護、軟體更新、網路配置、故障檢測和安全管理。它確保網路順暢可靠地運行。

因此，當您撥打電話時，您的手機 (MS) 與最近的基地台 (BTS) 通話，該基地台由 BSC 管理。BSC 連接到 NSS 中的 MSC。MSC 檢查 VLR/HLR 以驗證您的訂閱，然後將您的通話路由到目的地，無論是另一個行動使用者（通過他們的網路部分）還是市話使用者。

 

GSM 的特性與優勢

GSM 之所以如此受歡迎，有幾個很好的理由。以下是它的一些主要優點：

• 國際漫遊： 這可能是 GSM 最大的賣點。由於許多國家採用了 GSM 標準，網路營運商可以簽訂協議，讓他們的客戶在出國旅行時可以使用其他 GSM 網路。這大大方便了行動使用者的國際旅行。

• SIM 卡的靈活性： 小型、可拆卸的 SIM 卡是一個絕妙的主意。它儲存您獨特的使用者資訊。這意味著您只需將 SIM 卡移動到新的 GSM 手機，即可輕鬆切換您的電話號碼和服務方案。您不像在其他一些系統中那樣綁定到特定裝置。

• 安全通訊 (以當時的標準而言)： 與較舊的類比系統相比，GSM 提供了改進的安全性。它使用數位加密來加擾通話，使非專業竊聽者更難竊聽。雖然以今天的標準來看並不完美，但它是向前邁出的重要一步。

• 廣泛普及： GSM 實現了大規模的全球普及。它成為歐洲、亞洲、非洲和大洋洲的主要標準，並在美洲也被廣泛使用。這個巨大的用戶基礎產生了規模經濟，使得手機和網路設備更便宜、更容易取得。

• 與早期 IoT 裝置的相容性： GSM 的簡潔和廣泛覆蓋範圍（特別是帶有 GPRS 的基本數據）使其適合早期的機器對機器 (M2M) 通訊和物聯網 (IoT) 裝置。想想智能電表傳送讀數、自動販賣機報告庫存或基本的車輛追蹤系統。

攝影者 Andrey Metelev 刊載於 Unsplash

 

GSM vs. CDMA vs. LTE：主要差異

GSM 並非唯一存在的行動通訊技術。在世界某些地方，特別是北美和亞洲部分地區，另一種 2G/3G 技術 CDMA 也曾很受歡迎。而今天，LTE (4G) 和 5G 是主要標準。以下是一個簡單的比較：

 

GSM 的安全性

當 GSM 在 1980 年代後期設計時，安全性是一個考量，特別是相較於容易掃描的類比網路。

GSM 引入了加密來保護語音通話。主要使用的演算法是 A5/1，後來是 A5/2。這些演算法加擾了手機和基地台之間的對話，使得使用簡單無線電掃描器的人難以竊聽。也使用了身份驗證程序來驗證 SIM 卡與網路（儘管不完美），有助於防止複製。

漏洞與安全疑慮

雖然有所改進，但 GSM 的安全性並非萬無一失，特別是以現代標準來看。

• 弱加密： A5/1 演算法後來被發現存在弱點，可能通過足夠的計算能力被破解。A5/2 甚至更弱，並且故意設計成政府可以輕鬆破解。

• 基地台到核心網路的鏈路： 通常，加密只適用於手機和基地台 (BTS) 之間。從基地台返回核心網路的鏈路並不總是加密的，這造成了潛在的弱點。

• IMSI 捕捉器： 稱為「IMSI 捕捉器」或「Stingrays」的裝置可以偽裝成合法的基地台，欺騙手機連接到它們。這使得攻擊者可以攔截通話/簡訊或追蹤使用者位置。

• 缺乏相互驗證 (原始規格中)： 最初，只有網路驗證手機/SIM 卡。手機並不總是驗證網路，使其容易受到偽造基地台攻擊。

現代 GSM 網路是否受到保護？

重要的是要記住，GSM 本身是老舊技術。雖然一些基本的 GSM 服務可能仍然運作，但今天大多數語音和數據流量都運行在 3G、4G (LTE) 和 5G 網路之上。這些較新的標準擁有更強大的安全特性：

• 更強大的加密： 4G/5G 中使用了 AES 等演算法，這些演算法更為強固。

• 相互驗證： 裝置和網路都相互驗證，使得偽造基地台攻擊更難。

• 端對端安全： 努力進一步保護通訊進入網路核心。

• 定期更新： 安全協議會持續審查和更新。

因此，雖然 GSM 存在已知的安全漏洞，但大多數人日常使用的網路 (4G/5G) 提供了更好的保護。

 

GSM 的限制

儘管取得了成功，但隨著技術的進步，GSM 也存在其缺點：

• 干擾問題： GSM 訊號基於無線電波，可能會受到建築物、山丘甚至惡劣天氣等物理障礙物的影響。這可能導致在某些區域通話中斷或訊號品質差。來自其他裝置的電氣干擾有時也可能導致問題。

• 有限的數據速度： 以今天的標準來看，這是 GSM 最大的限制。雖然 GPRS 和 EDGE 升級增加了數據功能，但速度相較於 3G 甚至 4G 或 5G 來說非常慢。在純 2G GSM 連接上進行視訊串流或使用複雜的應用程式根本不可行。理解 GSM 本身意味著什麼，即它首先是為語音設計的，數據是其次的。

• 在訊號弱區需要增強器： 在自然覆蓋較差的區域（如大型建築物內部深處或偏遠農村地區），通常需要訊號增強器或中繼器來放大 GSM 訊號，使其服務可用。這增加了確保 everywhere 覆蓋的複雜性和成本。

• 容量限制： TDMA 結構雖然巧妙，但在給定區域內，可以共享一個頻率的使用者數量是有限的。在人口非常密集的地區，網路有時在高峰時段可能會擁塞。

這些限制推動了向 3G、4G 和 5G 演進的需求，這些新技術被設計來克服這些問題，特別是關於數據速度和容量。

 

GSM 在美國與全球使用情況

在美國，歷史上 AT&T 和 T-Mobile 是主要的 GSM 營運商。然而，這種情況正在迅速改變。這兩家營運商，就像全球其他營運商一樣，正在逐步關閉其較舊的 2G (GSM) 和 3G 網路。他們需要這些舊技術使用的無線電頻率空間（頻譜）來建設更快、更高效的 4G LTE 和 5G 網路。雖然一些最低限度的 GSM 功能可能會暫時保留用於特定的 M2M/IoT 用途或漫遊協議，但活躍的消費者使用正在消失。最好假設在美國面向消費者的 GSM 網路實際上已經消失或即將消失。

美國的情況反映了全球趨勢。歐洲、亞洲和澳洲各國也在積極關閉其 2G 和 3G 網路。時間表因國家和營運商而異，有些已經完成關閉，有些則計劃在未來幾年內完成。原因是一致的：回收寶貴的頻譜用於 4G/5G，降低維護舊網路的成本，並鼓勵使用者轉向更現代、更高效的技術。

對於大多數使用過去 5-7 年內生產的智慧型手機的人來說，這種關閉可能不會直接影響他們。現代手機主要使用 4G LTE 和 5G。但是，如果 GSM 網路關閉，您需要做什麼：
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• 檢查您的手機： 如果您有一支非常舊的手機（可能是十多年前的基礎功能手機），它可能只支援 2G/3G。一旦這些網路在您的地區關閉，該手機將失去服務（可能除了緊急呼叫）。您將需要升級到支援 4G LTE（最好是 VoLTE – Voice over LTE）或 5G 的手機。

• 檢查 IoT 裝置： 一些較舊的智能家居裝置、警報系統或車輛追蹤器可能依賴於 2G/3G 網路。這些裝置的使用者可能需要諮詢服務提供者或製造商關於升級選項或潛在的服務損失。

• 旅行者： 雖然國際漫遊是 GSM 的優勢，但隨著全球網路的關閉，僅依賴 2G/3G 進行漫遊變得越來越不可行。支援多個 4G/5G 頻段的現代手機對於可靠的國際連線至關重要。

攝影者 Christopher 刊載於 Unsplash

 

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