Komunikacja Mobilna Przed GSM: Analogowe 1G
Przed GSM komunikacja mobilna korzystała z krajowych systemów pierwszej generacji, które miały niezgodne rozwiązania techniczne i regulacyjne. Systemy 1G były analogowe. Użytkownik podróżujący po Europie mógł trafić na różne standardy i potrzebować innego telefonu lub sposobu dostępu do sieci. Jakość głosu pogarszała się wraz z hałasem i warunkami propagacji, a niezabezpieczona transmisja radiowa umożliwiała bierny podsłuch. Powstał w ten sposób zbiór rozproszonych sieci krajowych.
Przykładami były AMPS (Advanced Mobile Phone System) w Ameryce Północnej, TACS (Total Access Communication System) w Wielkiej Brytanii, NMT (Nordic Mobile Telephone) w Skandynawii oraz C-Netz w Niemczech. Systemy analogowe miały kilka ograniczeń technicznych:
- Niekompatybilność i ograniczony roaming: Każdy kraj, a czasem różne regiony tego samego kraju, korzystały z własnego standardu analogowego. Telefon kupiony w Niemczech mógł być niezgodny z siecią we Francji lub Wielkiej Brytanii. Jednego telefonu nie można było uznać za działający za każdą granicą.
- Niskie bezpieczeństwo: Sygnały analogowe były przesyłane bez mechanizmów uwierzytelniania i szyfrowania znanych z GSM. Odbiornik radiowy mógł przechwycić głos, a słaba ochrona danych identyfikacyjnych ułatwiała klonowanie telefonów. Sklonowane urządzenie mogło generować opłaty na rachunek prawowitego abonenta.
- Niska pojemność i nieefektywne wykorzystanie widma: Technologia analogowa obsługiwała ograniczoną liczbę użytkowników w określonym paśmie częstotliwości. Wraz ze wzrostem popytu sieci miejskie doświadczały przeciążenia, zrywanych połączeń i blokady nowych prób. Skończone widmo radiowe wykorzystywano z mniejszą efektywnością widmową niż w systemie cyfrowym wykorzystującym kodowanie i podział czasowy.
- Słaba jakość głosu: Rozmowy analogowe były podatne na trzaski, syki i zakłócenia. Jakość zależała od poziomu odbieranego sygnału i warunków propagacji, szczególnie przy oddalaniu się od stacji bazowej.
- Brak zintegrowanych usług danych: Model usług 1G był przeznaczony do głosu. Wiadomości tekstowe i transmisja pakietowa nie należały do architektury usług znanej z GSM.
Potrzeba Wspólnego Standardu: Powstanie GSM
Na początku lat 80. europejskie administracje uznały, że niezgodne sieci komórkowe ograniczają usługi transgraniczne i korzyści skali produkcji urządzeń. W 1982 roku Europejska Konferencja Administracji Poczty i Telekomunikacji (CEPT) rozpoczęła prace nad wspólnym paneuropejskim standardem cyfrowej telefonii komórkowej. Utworzyła komitet o nazwie Groupe Spécial Mobile, a skrót GSM stał się później nazwą standardu. Projekt miał umożliwić abonentowi korzystanie z jednego telefonu i numeru na całym kontynencie. ETSI powołano w 1988 roku, a odpowiedzialność za standaryzację GSM przeniesiono do ETSI w 1989 roku. Komitet musiał także zdefiniować wspólne parametry radiowe, procedury sygnalizacyjne i interfejsy między elementami sieci, aby urządzenia różnych dostawców mogły współpracować.
GSM: Cyfrowy Standard 2G
GSM, rozwijany obecnie pod nazwą Global System for Mobile Communications (Globalny System Komunikacji Mobilnej), to rodzina standardów, która zdefiniowała znaczną część technologii komórkowej drugiej generacji (2G). Należał do pierwszych szeroko wdrażanych systemów komórkowych z całkowicie cyfrowym interfejsem radiowym i cyfrowymi usługami rdzeniowymi. Pierwsze połączenie GSM wykonano w Finlandii w 1991 roku. Następnie wdrożenia objęły Europę i inne regiony, a GSM stał się jednym z najpowszechniej używanych standardów komórkowych. Rodzina obejmuje dostęp radiowy, zarządzanie mobilnością, sygnalizację, usługi i współpracę z innymi sieciami, więc nazwa opisuje architekturę systemu oraz zestaw interfejsów, zamiast pojedynczego sposobu modulacji.
Podstawy Techniczne GSM
GSM połączył kilka mechanizmów technicznych odpowiadających na ograniczenia systemów 1G. Poniższe funkcje opisują główne zmiany w interfejsie radiowym, tożsamości abonenta, bezpieczeństwie, mobilności, usługach i dostępie do medium.
W przeciwieństwie do 1G, które przesyłało głos jako ciągłą falę analogową, GSM próbkował mowę i kodował ją przed transmisją jako dane cyfrowe. analizuje mowę, wydobywa istotne cechy i koduje je w zwartym formacie. Kodowanie kanałowe oraz przeplot chronią następnie strumień bitów przed błędami radiowymi. Efektem jest bardziej stabilna jakość przy wymaganym poziomie sygnału i efektywniejsze współdzielenie widma radiowego.
GSM oddzielił tożsamość abonenta od fizycznego aparatu za pomocą . Moduł przechowuje IMSI i dane związane z uwierzytelnianiem w sieci. Pliki operatora mogą zawierać także parametry usług i kontakty. Przełożenie karty do zgodnego aparatu pozwala sieci rozpoznać abonament niezależnie od telefonu, z uwzględnieniem ograniczeń operatora i urządzenia. Wymiana uwierzytelniająca wykorzystuje sekrety przechowywane w module abonenta i centrum uwierzytelniania operatora, a wartość sekretna nie jest przesyłana radiowo jako zwykłe dane użytkownika.
GSM wprowadził uwierzytelnianie abonenta i szyfrowanie interfejsu radiowego. Sieć wysyła wyzwanie do modułu abonenta i sprawdza odpowiedź przed przyznaniem dostępu do usług. Algorytmy rodziny A5, w tym A5/1 w klasycznych wdrożeniach, chronią ruch między stacją ruchomą i bazową, gdy szyfrowanie jest włączone. Ochrona obejmuje łącze radiowe i sama nie zapewnia szyfrowania end-to-end poza siecią operatora. Szyfrowanie jest negocjowane w ramach sterowania zasobami radiowymi, a wybrany algorytm i polityka implementacji wpływają na faktyczną ochronę.
GSM wykorzystuje rozproszony model baz danych abonentów do obsługi mobilności. "Rejestr Abonentów Macierzystych" (HLR) przechowuje profil abonamentu w sieci macierzystego operatora. Po rejestracji w innym obszarze sieć odwiedzana tworzy tymczasowy wpis w "Rejestrze Abonentów Gości" (VLR) i wymienia sygnalizację z HLR w celu uwierzytelniania, zarządzania lokalizacją i kierowania połączeń. Obszary lokalizacji pozwalają przywołać bezczynną stację ruchomą bez ciągłego śledzenia każdej komórki. Usługa za granicą wymaga również zgodnych pasm radiowych, umów operatorów i odpowiednich uprawnień roamingowych.
GSM definiował także usługi wykraczające poza głos komutowany. Usługa Krótkich Wiadomości (SMS) przenosiła krótkie wiadomości tekstowe za pomocą procedur sygnalizacyjnych i początkowo obsługiwała powiadomienia sieciowe. Później stała się powszechną usługą komunikacji między osobami. Specyfikacje GSM tworzyły także podstawę danych mobilnych dzięki usługom takim jak:
- CSD (Circuit Switched Data): Wczesny kanał komutowany do transmisji danych, podobny do połączenia modemowego. Przykładowa przepływność nośnej wynosi około . Dokładna wartość zależy od wynegocjowanego kanału i kodowania.
- GPRS (General Packet Radio Service): Ulepszenie GSM z komutacją pakietów, często nazywane 2.5G. Określenie "zawsze włączone" opisuje dostępność usługi pakietowej i ciągłość sesji, a zasoby radiowe są przydzielane według potrzeb. GPRS zapewniał większe przepływności niż podstawowy CSD.
- EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution): Ulepszenie radia i kodowania dla danych pakietowych GSM, które w odpowiednich warunkach sygnałowych może zapewniać większe przepływności niż GPRS. Stanowiło etap ewolucji w kierunku 3G.
GSM łączy dwie techniki wielodostępu do organizacji widma radiowego:
- FDMA (Frequency Division Multiple Access - Wielodostęp z podziałem częstotliwości): Dostępne widmo dzieli się na wąskie kanały radiowe. Oryginalny plan GSM-900 wykorzystuje pary częstotliwości w paśmie , z rastrem kanałowym 200 kHz. Jedna częstotliwość służy do komunikacji ze stacji ruchomej do stacji bazowej (uplink), a powiązana częstotliwość obsługuje kierunek przeciwny (downlink).
- TDMA (Time Division Multiple Access - Wielodostęp z podziałem czasu): Każdy kanał radiowy utworzony przez FDMA dzieli się w czasie na osiem powtarzających się szczelin. Stacja ruchoma otrzymuje przydział szczeliny dla swoich serii radiowych, a mapowanie zależy od kanału logicznego i usługi. Ośmioszczelinowa ramka pozwala umieścić na jednej nośnej kilka przydziałów ruchowych lub sygnalizacyjnych. Dokładna liczba jednoczesnych rozmów zależy także od konfiguracji kanałów, kanałów sterujących i pracy z połówkową przepływnością. Jedna szczelina trwa około 577 mikrosekund, a cała ramka TDMA około 4,615 milisekundy.
Globalny Wpływ i Dziedzictwo Techniczne GSM
GSM rozprzestrzenił się poza Europę dzięki interoperacyjności urządzeń, obsłudze mobilności międzynarodowej i dużym seriom produkcyjnym. Na początku XXI wieku był dominującym globalnym standardem mobilnym i obsługiwał bardzo dużą bazę abonentów. Cyfrowy dostęp radiowy, tożsamość oparta na karcie SIM, rozwój danych pakietowych i procedury roamingowe rodziny GSM wpłynęły na późniejsze systemy mobilne, w tym architektury 3G, 4G i 5G.