Global System for Mobile Communications ( GSM ) (historycznie „Special Mobile Group”) to cyfrowy standard drugiej generacji ( 2G ) dla telefonii komórkowej . Grupa robocza odpowiedzialna za zdefiniowanie tego standardu została powołana w 1982 roku przez Europejską Konferencję Administracji Pocztowych i Telekomunikacyjnych (CEPT).
Został on określony i opracowany przez ETSI (Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych) dla zakresu częstotliwości 900 MHz .
Wariant zwany Systemem Komunikacji Cyfrowej ( DCS ) wykorzystuje zakres 1800 MHz .
Ten standard jest szczególnie stosowany w Europie, Afryce, na Bliskim Wschodzie iw Azji. Wykorzystywane są również dwa inne warianty, 850 MHz i 1900 MHz PCS (usługi łączności osobistej). Ochronę danych zapewniają algorytmy szyfrowania A5/1 i A5/2 .
Tak jak została zaprojektowana sieć GSM idealnie nadaje się do komunikacji typu „głosowego” ( telefonia ). Gdy sieć jest przełączana , zasoby są przydzielane tylko na czas trwania rozmowy, na przykład w przypadku korzystania ze stacjonarnych linii telefonicznych. Klienci mogą kupić kartę przedpłaconą lub wykupić subskrypcję.
Pod egidą organizacji 3GPP standard GSM został następnie rozszerzony o obsługę wyższych prędkości i przesyłu danych w trybie „pakietowym” przez rozszerzenia GPRS (General Packet Radio Services), a następnie EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution). Te dwa tryby mogą współistnieć z trybem „przełączonego głosu” GSM i wykorzystywać te same anteny i te same pasma częstotliwości.
Pojęcie sieci komórkowej wywodzi się z sieci pierwszej generacji oddanych do użytku na początku lat 80. Z kolei kilka krajów rozwija sieci wykorzystujące własne tzw. systemy analogowe (rozmowy są transmitowane w sposób jawny), działające na pasmach cyfrowych. częstotliwości często różnią się w zależności od stanu. Sieci są zorganizowane w najlepszym razie, według stref (komórek) o różnych rozmiarach, odpowiadających mniej więcej okręgom o promieniu od 30 do 50 kilometrów, przyległych lub nie, w środku każdej z nich zainstalowana jest antena przekaźnikowa . W zależności od topografii możliwe jest, że niektóre komórki pokrywają tę samą część terytorium. Gdy abonent usługi włącza swój terminal (najczęściej pokładowy telefon komórkowy), automatycznie wyszukuje stację bazową (BTS) skanując radiowo . W przypadku znalezienia kilku stacji bazowych następuje połączenie z siecią terminala pokładowego ze stacją oferującą najlepszą jakość sygnałów potrzebnych do komunikacji. Następnie mówi się, że terminal jest rozpoznany i zarejestrowany w sieci, że jest skonfigurowany w „trybie czuwania”. Może teraz odbierać przeznaczone dla niego połączenia, a także wysyłać je za pośrednictwem tej stacji bazowej. To połączenie pozostaje aktywne tak długo, jak sygnały pozostają na odpowiednim poziomie. Każda stacja bazowa ma pewną liczbę różnych dwukierunkowych (lub pełnego dupleksu) kanałów dynamicznie przydzielanych (w razie potrzeby) zarejestrowanym terminalom. Jeśli w trakcie komunikacji terminal opuści komórkę i straci połączenie ze stacją, do której jest podłączony, rozmowa ulega stopniowej degradacji lub nawet nagłemu przerwaniu, nawet jeśli akurat znajduje się w innej komórce tej samej sieci, w której terminal natychmiast stara się o ponowną rejestrację. Ta wada często zmusza użytkowników do zatrzymania pojazdu w celu utrzymania (kiedy to możliwe) lub odzyskania dobrej jakości komunikacji. Od dawna nieznana technika przekazywania (możliwość utrzymania komunikacji bez limitu przestrzeni w granicach państw) pozostaje do zdefiniowania i rozwinięcia. Pomimo wysokich kosztów instalacji terminali i kilku niedociągnięć, różne systemy odniosły pewien sukces, co doprowadziło do wąskiego gardła zasobów. Ograniczona przepustowość każdej stacji bazowej w połączeniach w trybie czuwania, poza jednoczesną komunikacją, powoduje konieczność usprawnienia niektórych systemów poprzez przydzielenie pasma częstotliwości usługi, co pozwala na zwiększenie liczby abonentów do jednego, pewnego etapu, przy założeniu, że nie wszystkie telefony w tym samym czasie. Systemy telefonii komórkowej są wciąż w powijakach. Te anteny przekaźnikowe tych BTS następnie wymaga wystarczającej mocy, aby obsługiwać terminale mobilne 2 lub 10 watów o różnych masach w zależności od tego wyposażenia, że rzadkie pieszych lub kierowców. Aby uniknąć zakłóceń, sąsiednie kręgi pokrycia nie mogą ponownie wykorzystać tych samych częstotliwości, zmniejszając w ten sposób widmo częstotliwości dostępne w każdej komórce.
W 1987 roku, wybory techniczne dotyczące korzystania z 2 nd generacji telefonii komórkowej zostały ustalone przez GSM (grupa za usługę Mobile) z ETSI . Wykorzystuje się więc transmisję cyfrową (szyfrowaną), a nie analogową, szyfrowanie informacji i multipleksację z podziałem czasu kanałów radiowych.
W 1988 roku Ericsson opracował swój pierwszy system GSM dla firmy Vodafone .
W 1991 roku grupa GSM przeprowadziła pierwszą eksperymentalną komunikację. Akronim GSM zmienia swoje znaczenie, stając się Globalnym Systemem Komunikacji Mobilnej . Specyfikacje techniczne są następnie uzupełniane, aby móc pracować w paśmie 1800 MHz .
Na targach Telecom 91 w Genewie, za pomocą bazowych stacji transmisyjnych zainstalowanych na pobliskim terytorium Francji, odbywa się demonstracja wykorzystania terminali GSM na pokładach pojazdów mechanicznych.
Są obecne w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie. Niektóre kraje używają tylko standardu GSM 850 (Ekwador, Panama itp.). GSM 1900 jest również nazywany PCS 1900 ( Personal Communications Service ).
Te dwa typy sieci występują w Europie, w szczególności w Belgii, Hiszpanii, Francji, Niemczech, Włoszech, Szwajcarii.
GSM 900 wykorzystuje pasmo 880-915 MHz do wysyłania głosu lub danych z telefonu komórkowego oraz pasmo 925-960 MHz do odbierania informacji z sieci.
GSM 1800 wykorzystuje pasmo 1710 MHz -1785 MHz do wysyłania danych z terminala mobilnego ( wysyłanie ) oraz pasmo 1 805 MHz -1880 MHz do odbierania informacji ( pobieranie ).
Urządzenia działające zarówno w trybie 900, jak i 1800 nazywane są dwuzakresowymi GSM lub po prostu dwuzakresowymi .
GSM 1800 jest również nazywany DCS 1800 ( System Komunikacji Cyfrowej ).
Stworzenie sieci GSM 900 MHz z dobrym zasięgiem jest często kosztowne w krajach rozwijających się. Obszary do objęcia są ogromne, gęstość zaludnienia miejscami niska, a środki finansowe na budowę infrastruktury są ograniczone. Głównym problemem na słabo zaludnionych obszarach jest duża liczba instalowanych stacji bazowych. Nawet kraje uprzemysłowione borykają się z problemem zasięgu na obszarach wiejskich.
Korzystanie z niższych częstotliwości znacznie zwiększa zasięg stacji bazowych. Tak więc przy 450 MHz ich zasięg byłby prawie dwukrotnie większy niż przy 900 MHz . Ericsson i Nokia pracowały na początku XXI wieku nad opracowaniem standardu GSM działającego w pasmach częstotliwości 450 MHz i 480 MHz . Przy tych częstotliwościach zasięg radiowy mógłby sięgać 120 km . Byłoby to szczególnie odpowiednie dla obszarów przybrzeżnych, pustynnych lub wiejskich, gdzie ruch jest niewielki, a teren jest płaski.
Ale ta technologia nie odniosła sukcesu komercyjnego; w 2012 roku to pasmo nie było nigdzie wykorzystywane w sieciach GSM i nie sprzedano żadnego telefonu kompatybilnego z GSM-450.
Częstotliwości w paśmie 900 MHz mogą być wykorzystywane dla GSM, a od 2008 roku dla UMTS .
Sieć GSM-R to prywatna sieć dedykowana do komunikacji kolejowej Sol-Trains. Jest niekompatybilny z ogólnodostępnymi terminalami GSM lub UMTS i dlatego jest niedostępny dla konwencjonalnych abonentów GSM. We Francji pasmo częstotliwości przeznaczone dla GSM-R (876 - 880 MHz i 921 - 925 MHz ) jest przydzielane kilku przedsiębiorstwom kolejowym, w szczególności SNCF Réseau i Eurotunnel, z których każde posiada własną sieć GSM-R.
Alokacja GSM częstotliwości i jego ewolucji są opisane w poniższych sekcjach.
Przed połową 2011 r.Na całym obszarze metropolitalnym oraz na niektórych obszarach bardzo gęstych do końca 2012 roku:
Od 12 lipca 2011 (przybycie Free mobile )Operatorzy mogą dzielić to pasmo częstotliwości pomiędzy GSM i UMTS . W przypadku użytkowania mieszanego operatorzy o szerokości pasma 10 MHz przydzielają 5 MHz na UMTS i 5 MHz na GSM.
W większości obszaru metropolitalnego :
Około 13 obozów wojskowych :
Na całym obszarze metropolitalnym z wyjątkiem obszarów bardzo gęstych:
W bardzo gęstych obszarach:
Między 1 st października 2013 i 24 maja 2016Bouygues Telecom może dzielić swoje pasmo częstotliwości zredukowane do 2 x 21,6 MHz między GSM i LTE we Francji kontynentalnej:
Od 25 maja 2016Zgodnie z decyzjami Arcep of lipiec 2015, Bouygues Telecom, Orange i SFR mogą korzystać z tego pasma częstotliwości dla GSM i LTE od maja 2016 roku .
Free ma dupleks 15 MHz w tym paśmie częstotliwości, które można wykorzystać dla LTE . Pasma częstotliwości 3 innych operatorów zostały przesunięte i zredukowane do 20 MHz dupleks we Francji metropolitalnej:
Te telefony komórkowe zawierają karty SIM do zdemontowania w celu identyfikacji użytkownika (abonenta) i ewentualnie do przechowywania wielu numerów telefonicznych . W niektórych nowszych terminalach kartę SIM można zastąpić niewymienną wirtualną kartą SIM, eSIM .
Każde urządzenie (urządzenie użytkownika ) jest również identyfikowane, niezależnie od jego marki , numerem IMEI uzyskanym przez wpisanie na klawiaturze sekwencji USSD : *#06#. Ten identyfikator IMEI może zostać odnotowany i zgłoszony swojemu operatorowi , w przypadku kradzieży, w celu jego zablokowania. Tego identyfikatora nie należy mylić z IMSI zawartym na karcie SIM.
Kod PIN to hasło na karcie SIM ; kod PUK służy do odblokowania karty SIM, blokowanej po wprowadzeniu 3 błędnych kodów PIN. Kod PIN2, jeśli istnieje, jest hasłem dla określonego podzbioru funkcji karty SIM; w ten sam sposób jest z nim powiązany kod PUK2.
W sieci komórkowej urządzenie jest identyfikowane przez kod TMSI ( tymczasowy identyfikator stacji mobilnej ) uzyskany z kodu IMSI. Dzięki temu systemowi IMSI/TMSI telefon komórkowy nie ma ujawnianego numeru telefonu w sieci radiowej , co gwarantuje poufność połączeń: ponieważ TMSI często się zmieniają i są naprzemiennie przypisywane do kilku terminali, osoba przechwytująca ruch ma bardzo mało możliwość skojarzenia numeru telefonu z TMSI.
Specyficzna sieć GSM nazywa się PLMN ( Public Land Mobile Network ), każdy operator ma swój własny. Jest podłączony do publicznej komutowanej sieci telefonicznej (PSTN), ale także bezpośrednio do innych sieci telefonii komórkowej ( UMTS , LTE ) oraz innych operatorów.
TDMA ( podział czasu multiple access lub angielskie dla TDMA Time Division Multiple Access ) i FDMA ( Division Multiple częstotliwości dostępu lub angielskim dla FDMA podziałem częstotliwości Multiple Access ) są wykorzystywane w celu umożliwienia większej liczbie użytkowników należy podłączyć do stacji bazowych bez nasycania sieci.
GSM wykorzystuje dwa pasma częstotliwości, jedno dla łącza w górę (TX), drugie dla łącza w dół (RX), z którym zintegrowane są kanały sygnalizacyjne; moc sygnału jest modulowana zgodnie z odległością między anteną a rozważaną siecią GSM, co umożliwia oszacowanie odległości między użytkownikiem a anteną.
Pasmo 880-915 MHz jest używane w Europie dla uplinku , natomiast pasmo 925-960 MHz jest używane dla downlinku. Każde z tych pasm zawiera 175 nośnych ( kanałów ) oddalonych od siebie o 200 kHz ; we Francji są one rozdzielone pomiędzy 4 operatorów (patrz Częstotliwości GSM we Francji ). Modulacja stosowana na tych nośnych to GMSK , co pozwala uniknąć nakładania się nośnych.
Każdy przewoźnik ma osiem przedziałów czasowych (TS). Trwają około 577 μs. Fizyczne kanały używane do transmisji głosu (lub sygnalizacji) są tymi szczelinami.
Każda nośna ma surową szybkość 271 kbit/s , podczas gdy kanały fizyczne mają surową szybkość 33,8 kbit/s . Użyteczna prędkość to 24,7 kbit/sw GSM. Prędkość ta jest wyższa w przypadku standardów, zoptymalizowanych do przesyłania danych GPRS i EDGE, które pochodzą z GSM i wykorzystują te same pasma częstotliwości i te same anteny przekaźnikowe.
Plan częstotliwości GSM jest bardzo skomplikowany, ponieważ konieczne jest, aby rozprowadzać stosowanych długości fal pomiędzy anten , tak, aby uniknąć efektu rezonansowego, które zacięcia komunikację. Tak więc zasięg anten, a także rozkład długości fal jest dość delikatną pracą, aby komórki nie mieszały się ze sobą (jedna komórka = powierzchnia promieniowania anteny).
W praktyce, jeśli jest umieszczony na krawędzi komórki radiowej, GSM może zobaczyć do 7 anten, tę do której jest aktualnie podłączony i 6 w rezerwie, na którą może się przełączyć w przypadku przemieszczenia, gdy tylko emisja mocy wymagana do komunikacji z jedną z anten rezerwowych będzie słabsza niż wymagana do osiągnięcia jej obecnej anteny; zasadą jest ciągłe używanie minimum energii do komunikacji.
Sieć GSM umożliwia kilka usług:
Sieci GSM znajdują się na dużej części powierzchni ziemi; warunkiem koniecznym połączenia z siecią jest dostępność stacji bazowych („komórek radiowych”) w pobliżu lokalizacji telefonu komórkowego (na zasięg odbioru ma również wpływ stan naładowania baterii telefonu). Tak więc obszary słabo zaludnione (wysokie góry, rozległe tereny wiejskie, pustynie), duże wysokości (na przykład samolotem), wnęki naziemne (jaskinie, tunele) i morze (nad i pod powierzchnią) są często pozbawione dostępu do sieci GSM.
W 2014 r. sieci GSM ( Global System for Mobile Communications ) obejmowały 219 krajów lub terytoriów.
W 2016 r. stowarzyszenie GSMA odpowiadało za GSM i pochodne sieci komórkowych ( UMTS i LTE ) 4,8 miliarda unikalnych użytkowników i 7,9 miliarda kart SIM z możliwością podłączenia na całym świecie.
W Niemczech współistniało czterech operatorów:
Sieci E-Plus i O 2połączone w 2014 roku pod marką O 2 ; Niemcy przechodzą następnie do 3 operatorów po przejęciu E-Plus przez Telefònica.
W Belgii działa trzech operatorów: Base , Orange , Proximus . GSM lub bardziej potocznie G jest również wyrażeniem powszechnie używanym do oznaczenia telefonu komórkowego w Belgii, zarówno francuskojęzycznym , jak i niderlandzkim .
W Hiszpanii działa czterech operatorów:
We Francji działa czterech operatorów :
Pierwsze trzy sieci oferują dostęp do usług mobilnych w trybie GSM i GPRS / EDGE na pasmach częstotliwości 900 MHz i 1800 MHz oraz w trybie UMTS , uzupełnionym o nowszą technologię 4G LTE dla Orange, SFR, Bouygues Telecom i Free mobilny. Darmowa sieć komórkowa wykorzystuje standard 3G UMTS w pasmach częstotliwości 900 MHz i 2100 MHz oraz standard LTE w pasmach częstotliwości 700 MHz , 1800 MHz i 2600 MHz ; nie jest kompatybilny z GSM. Abonenci bezpłatnych sieci komórkowych mają natomiast dostęp do sieci GSM/EDGE i UMTS Orange dzięki umowie roamingowej podpisanej między dwoma operatorami.
W Wielkiej Brytanii działa czterech operatorów, po połączeniu Orange i T-Mobile .
We Włoszech działa czterech operatorów:
Szwajcaria ma trzech operatorów telefonii komórkowej:
Portugalia ma trzech operatorów telefonii komórkowej :
W Demokratycznej Republice Konga działa pięciu operatorów telekomunikacyjnych:
W Maroku działa trzech operatorów:
W Algierii działa trzech operatorów:
W Tunezji działa trzech operatorów:
W Togo są dwaj operatorzy:
W Senegalu działa trzech operatorów:
W Kongo działa czterech operatorów:
W Mauretanii działa trzech operatorów:
W Nigrze działa czterech operatorów:
Burkina Faso ma trzech operatorów:
W Mali działa dwóch operatorów:
Wybrzeże Kości Słoniowej ma 3 operatorów:
W Kamerunie działa 3 głównych operatorów:
Stany Zjednoczone, które ze względów historycznych zastosowały inny standard: CDMA , od 2004 roku za pośrednictwem krajowych sieci operatorów AT&T i T-Mobile obejmują zasięg GSM/UMTS niemalże całego terytorium.
Są też operatorzy wirtualni, którzy nie posiadają infrastruktury radiowej GSM, ani przydzielonego pasma częstotliwości, ale wynajmują sieci innych operatorów : MVNO .
Sieć GSM charakteryzuje się tym, że uwierzytelnia tylko użytkownika za pomocą karty SIM . Telefon nie uwierzytelnia sieci. Następnie możliwe jest przeprowadzanie ataków typu IMSI-catcher lub man-in-the-middle w celu przechwycenia komunikacji.
28 grudnia 2009, inżynier oprogramowania i ekspert ds. szyfrowania Karsten Nohl ujawnił na Kongresie Komunikacji Chaosu, że on i grupa „złamali” kod szyfrujący GSM, A5/1 . Ich atak wykazał możliwość odszyfrowania komunikacji w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Mimo to urzędnicy ds. rozwoju GSM wskazali, że chociaż algorytm jest teraz dostępny dla wszystkich, przechwytywanie połączenia pozostaje skomplikowane.
Wielu dostawców telefonii komórkowej oferuje w swoich witrynach stronę, która umożliwia poznanie obszarów odbioru dla każdego rodzaju transmisji (2G, 3G). Są one w wielu przypadkach przeszacowane. Z tego powodu istnieje kilka projektów, które mają na celu zbudowanie tego typu mapy na podstawie informacji dostarczanych przez rzeczywisty odbiór telefonów i smartfonów z GPS ; możemy znaleźć na przykład: