W przeciwieństwie do 1G, które przesyłało głos jako ciągłą falę analogową, GSM przekształcało głos w dane cyfrowe-strumień zer i jedynek-przed transmisją. Osiągnięto to za pomocą urządzenia zwanego wokoderem. Wokoder analizuje ludzką mowę, wydobywa jej istotne cechy i koduje je w kompaktowym formacie cyfrowym. To cyfrowe podejście przyniosło ogromne korzyści: lepszą i bardziej spójną jakość głosu, wyższą odporność na trzaski i szumy oraz znacznie bardziej efektywne wykorzystanie widma radiowego, pozwalając większej liczbie użytkowników na współdzielenie tego samego pasma częstotliwości.

Być może jedną z najgenialniejszych i najbardziej zorientowanych na użytkownika innowacji GSM było wprowadzenie karty SIM. Po raz pierwszy tożsamość użytkownika została oddzielona od fizycznego aparatu telefonicznego. Karta SIM, maleńka inteligentna karta, przechowywała numer telefonu użytkownika, dane uwierzytelniające i osobistą książkę telefoniczną. Oznaczało to, że użytkownicy mogli łatwo zmieniać telefony, po prostu przenosząc swoją kartę SIM. Ta koncepcja wzmocniła pozycję konsumentów, umożliwiła usługi wynajmu telefonów i stworzyła dynamiczny rynek urządzeń mobilnych.

Aby zwalczyć podsłuchy i oszustwa, które nękały 1G, GSM wprowadziło wielowarstwowy system bezpieczeństwa. Przed wykonaniem połączenia sieć uwierzytelniała kartę SIM użytkownika, aby upewnić się, że jest legalna. Co ważniejsze, cała rozmowa w interfejsie radiowym, od telefonu do stacji bazowej, była cyfrowo szyfrowana (przy użyciu algorytmów takich jak A5/1). To sprawiło, że podsłuchiwanie rozmów przez osoby nieupoważnione stało się niezwykle trudne, zapoczątkowując erę bezpiecznej komunikacji mobilnej.

Architektura GSM została od podstaw zaprojektowana w celu realizacji jej głównego celu, czyli bezproblemowego roamingu. Sieć wykorzystywała inteligentny system baz danych. Każdy abonent ma swój profil w "Rejestrze Abonentów Macierzystych" (HLR) w sieci swojego operatora. Gdy użytkownik podróżuje do innego kraju, lokalna sieć ("sieć goszczona") tworzy dla niego tymczasowy wpis w "Rejestrze Abonentów Gości" (VLR) i komunikuje się z jego HLR w celu uwierzytelnienia i prawidłowego kierowania połączeń. Ta elegancka architektura pozwalała użytkownikom bez wysiłku dzwonić i odbierać połączenia za granicą.

Będąc cyfrowym, GSM mógł obsługiwać więcej niż tylko głos. Wprowadził Usługę Krótkich Wiadomości (SMS), czyli wiadomości tekstowe. Początkowo zaprojektowany jako prosty system powiadomień sieciowych, SMS nieoczekiwanie stał się fenomenem kulturowym i ogromnym sukcesem komercyjnym, rewolucjonizując komunikację osobistą. GSM stworzył również podwaliny pod mobilne dane dzięki usługom takim jak:

• CSD (Circuit Switched Data): Wczesna, wolna metoda transferu danych, podobna do połączenia modemowego, oferująca prędkości około $9.6 \text{ kbit/s}$.
• GPRS (General Packet Radio Service): Często nazywany 2.5G, był to duży krok naprzód, który wprowadził komutację pakietów do sieci GSM, umożliwiając "zawsze włączone" połączenie i znacznie wyższe prędkości, co uczyniło mobilny internet praktyczną rzeczywistością.
• EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution): Dalsze ulepszenie GPRS, oferujące jeszcze szybsze prędkości transmisji danych i działające jako pomost do technologii 3G.

Aby efektywnie wykorzystać widmo radiowe, GSM stosuje kombinację dwóch technik wielodostępu:

• FDMA (Frequency Division Multiple Access - Wielodostęp z podziałem częstotliwości): Całe dostępne widmo częstotliwości jest dzielone na szereg wąskich kanałów radiowych, podobnie jak różne stacje radiowe nadają na różnych częstotliwościach. Na przykład, oryginalny standard GSM-900 wykorzystywał częstotliwości w paśmie $900 \text{ MHz}$. Określona częstotliwość jest przydzielana do komunikacji od stacji ruchomej do stacji bazowej (uplink), a oddzielna częstotliwość w przeciwnym kierunku (downlink).
• TDMA (Time Division Multiple Access - Wielodostęp z podziałem czasu): Każdy z kanałów radiowych stworzonych przez FDMA jest dalej dzielony w czasie na osiem powtarzających się szczelin czasowych. Każdemu telefonowi komórkowemu przypisana jest określona szczelina czasowa do nadawania lub odbierania danych. To tak, jakby grupa ośmiu osób dzieliła jedną linię telefoniczną, mówiąc na zmianę, przy czym każda osoba otrzymuje ułamek sekundy na rozmowę w powtarzającym się cyklu. Ta kombinacja pozwala na prowadzenie ośmiu jednoczesnych rozmów na jednej częstotliwości radiowej, radykalnie zwiększając pojemność sieci.