GSM

GSM
Industrie Telekommunikation
Gegründet Dezember 1991
Nachfolger 3g Edit this on Wikidata
Produkte Digitale Zellnetzwerke
Webseite www.gsma.com

Das Globales System für mobile Kommunikation (GSM) ist ein Standard, der von der entwickelt wurde Europäische Telekommunikationsstandards Institut (ETSI), um die Protokolle für die zweite Generation zu beschreiben (2g) Digital Zelluläre Netzwerke Wird von mobilen Geräten wie Mobiltelefonen und Tablets verwendet. Es wurde zuerst in eingesetzt in Finnland Im Dezember 1991.[2] Mitte der 2010er Jahre wurde es zu einem globalen Standard für die Mobilkommunikation, die über 90% Marktanteil erzielte und in über 193 Ländern und Territorien tätig war.[3]

2G -Netzwerke entwickelten sich als Ersatz für die erste Generation (1g) Analoge zelluläre Netzwerke. Der GSM-Standard beschrieb ursprünglich ein digitales, leitungsgeschaltetes Netzwerk, das für optimiert ist Vollduplex Stimme Telefonie. Dies wurde im Laufe der Zeit um Datenkommunikation erweitert, zunächst von Stromversuchedann durch Paket Datentransport über Allgemeiner Paket -Radio -Service (GPRS) und Verbesserte Datenraten für GSM Evolution (KANTE).

Anschließend die 3GPP entwickelte dritte Generation (3g) UMTS Standards, gefolgt von der vierten Generation (4g) LTE Fortgeschrittene und die fünfte Generation 5g Standards, die nicht Teil des ETSI GSM -Standards sind.

"GSM" ist a Marke im Besitz der GSM Association. Es kann sich auch auf die (anfangs) am häufigsten verwendeten Sprachcodec beziehen, Volltarif.

Aufgrund der weit verbreiteten Verwendung des Netzwerks in ganz Europa wurde das Akronym "GSM" kurz als generischer Begriff für Mobiltelefone in Frankreich, den Niederlanden und in verwendet Belgien. Eine große Anzahl von Menschen in Belgien nutzt es bisher immer noch. Ab Ende der 2010er Jahre weltweit verschiedene Fluggesellschaften begann, ihre GSM -Netzwerke zu schließen.

Geschichte

Erste Entwicklung für GSM durch Europäer

Herr Dupuis und Herr Haug während eines GSM -Treffens in Belgien, April 1992

1983 begann die Arbeit, einen europäischen Standard für die Telekommunikation für digitale Zellpezile zu entwickeln, wenn die Europäische Konferenz für Post- und Telekommunikationsverwaltungen (Cept) richten die auf Groupe Spécial Mobile (GSM) -Komitee und lieferte später eine dauerhafte technische Supportgruppe mit Sitz in Paris. Fünf Jahre später, 1987, unterzeichneten 15 Vertreter aus 13 europäischen Ländern a Memorandum des Verstehens in Kopenhagen Um ein gemeinsames Mobiltelefonsystem in ganz Europa zu entwickeln und bereitzustellen, wurden EU -Regeln verabschiedet, um GSM zu einem obligatorischen Standard zu machen.[4] Die Entscheidung, einen kontinentalen Standard zu entwickeln, führte schließlich zu einem einheitlichen, offenen, Standard-Netzwerk, das größer war als in den USA.[5][6][7][8]

Im Februar 1987 produzierte Europa die erste vereinbarte technische GSM -Spezifikation. Minister aus den vier großen EU -Ländern gefestigten ihre politische Unterstützung für GSM mit der BONN -Erklärung zu globalen Informationsnetzwerken im Mai und der GSM Mou wurde im September für die Unterschrift eingereicht. Die MoU zeichnete Mobilfunkbetreiber aus ganz Europa, um sich zu verpflichten, in neue GSM -Netzwerke zu einem ehrgeizigen gemeinsamen Datum zu investieren.

In dieser kurzen 38-wöchigen Zeit waren ganz Europa (Länder und Branchen) in einer seltenen Einheit und Geschwindigkeit, die von vier Beamten geführt wurde: Armin Silberhorn (Deutschland), Stephen Temple (Großbritannien), hinter GSM gebracht worden. Philippe Dupuis (Frankreich) und Renzo Failli (Italien).[9] 1989 wurde das Groupe Spécial Mobile Committee von CEEPT in die übertragen Europäische Telekommunikationsstandards Institut (ETSI).[6][7][8] Die IEEE/RSE vergeben an Thomas Haug und Philippe Dupuis das 2018 James Clerk Maxwell Medal für ihre "Führung in der Entwicklung des ersten internationalen Standards für Mobilkommunikation mit späterer Entwicklung in die weltweite Smartphone -Datenkommunikation".[10] Das GSM (2G) hat sich zu 3G, 4G und 5G entwickelt.

Erste Netzwerke

Prototype GSM phones from 1991
Prototyp -GSM -Telefone

Parallel zu Frankreich und Deutschland unterzeichnete 1984 einen gemeinsamen Entwicklungsvertrag und wurde von begleitet von Italien und die Vereinigtes Königreich 1986. 1986 die Europäische Kommission schlug vor, das 900 -MHz -Spektrumband für GSM zu reservieren. Das Vorherige finnisch Premierminister Harri Holkeri machte den ersten GSM -Anruf der Welt am 1. Juli 1991, der Anruf Kaarina Suonio (stellvertretender Bürgermeister der Stadt von Tampere) mit einem Netzwerk, das von erstellt wurde von Nokia und Siemens und betrieben durch Radiolinja.[11] Im folgenden Jahr sendete der erste Kurznachrichtenservice (SMS oder "Textnachricht") Nachricht und Vodafone UK und Telekommunikationsfinnland unterzeichnete den ersten Internationalen wandernd Zustimmung.

Verbesserungen

Die Arbeiten begannen 1991, um den GSM -Standard auf die 1800 -MHz -Frequenzbande zu erweitern, und das erste 1800 -MHz -Netzwerk wurde 1993 in Großbritannien in Großbritannien in Betrieb und DCS 1800. Auch in diesem Jahr, Telstra war der erste Netzwerkbetreiber, der ein GSM-Netzwerk außerhalb Europas und der erste praktische Handheld-GSM bereitstellte Handy wurde verfügbar.

Im Jahr 1995 wurden Fax-, Daten- und SMS -Messaging -Dienste kommerziell gestartet, das erste 1900 -MHz -GSM -Netzwerk wurde in den USA und GSM -Abonnenten weltweit über 10 Millionen überschritten. Im selben Jahr die GSM Association gebildet. Prepaid GSM SIM-Karten wurden 1996 auf den Markt gebracht und weltweite GSM-Abonnenten haben 1998 100 Millionen überholt.[7]

Im Jahr 2000 der erste Werbespot Allgemeiner Paket -Radio -Service (GPRS) -Dienste wurden eingeführt und die ersten GPRS-kompatiblen Handys zum Verkauf angeboten. Im Jahr 2001 wurde das erste UMTS (W-CDMA) -Netzwerk eingeführt, eine 3G-Technologie, die nicht Teil von GSM ist. Die weltweiten GSM -Abonnenten übertrafen 500 Millionen. Im Jahr 2002 der erste Multimedia Nachrichten Service (MMS) wurde eingeführt und das erste GSM -Netzwerk im 800 -MHz -Frequenzband wurde operativ. Verbesserte Datenraten für GSM Evolution (Edge) Services wurden 2003 erstmals in einem Netzwerk betriebsbereit, und die Zahl der weltweiten GSM -Abonnenten überstieg 2004 1 Milliarde.[7]

Bis 2005 machten GSM -Netzwerke mehr als 75% des weltweiten Marktes für Mobilfunknetze aus und bedienen 1,5 Milliarden Abonnenten. Im Jahr 2005 der erste HSDPA-Capierbares Netzwerk wurde ebenfalls betriebsbereit. Der Erste Hsupa Netzwerk im Jahr 2007 gestartet. (Hochgeschwindigkeitspaketzugriff (HSPA) und seine Uplink- und Downlink -Versionen sind 3G -Technologien, nicht Teil von GSM.) Weltweite GSM -Abonnenten haben 2008 drei Milliarden überschritten.[7]

Annahme

Das GSM Association Schätzungsweise im Jahr 2011, dass Technologien, die im GSM -Standard definiert wurden, 80% des mobilen Marktes dienten und mehr als 5 Milliarden Menschen in mehr als 212 Ländern und Territorien umfassten, was GSM zum allgegenwärtigsten der vielen Standards für Zellnetzwerke macht.[12]

GSM ist ein 2G-Standard der zweiten Generation (TDMA) -Scharn des Zeitabteilungsmultiplers (TDMA), das vom Europäischen Telekommunikationsstandards Institute (ETSI) herausgegeben wurde. Der GSM -Standard enthält nicht die 3G Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), Code-Division Multiple Access (CDMA) -Technologie oder 4G LTE Orthogonale Frequenz-Division-Mehrfachzugriff (OFDMA) Technologiestandards vom 3GPP.[13]

GSM hat zum ersten Mal einen gemeinsamen Standard für Europa für drahtlose Netzwerke festgelegt. Es wurde auch von vielen Ländern außerhalb Europas übernommen. Dies ermöglichte Abonnenten, andere GSM -Netzwerke mit Roaming -Vereinbarungen miteinander zu verwenden. Die gängigen Standardkosten reduzierten die Forschungs- und Entwicklungskosten, da Hardware und Software mit nur geringfügigen Anpassungen für den lokalen Markt verkauft werden konnten.[14]

Einstellung

Telstra in Australien Setzen Sie das 2G -GSM -Netzwerk am 1. Dezember 2016, dem ersten Mobilfunknetzbetreiber, ein GSM -Netzwerk abgebaut.[15] Der zweite mobile Anbieter, der sein GSM -Netzwerk (am 1. Januar 2017) abschließt, war AT & T Mobilität von dem Vereinigte Staaten.[16] Optus in Australien Abgeschlossene Abschaltung seines 2G GSM -Netzwerks am 1. August 2017, Teil des Optus GSM -Netzwerks, abdeckt West-Australien und die Nördliches Territorium war Anfang des Jahres im April 2017 geschlossen worden.[17] Singapur Schließen Sie 2G -Dienste vollständig im April 2017 ab.[18]

Technische Details

Die Struktur eines GSM -Netzwerks

Netzwerkstruktur

Das Netzwerk ist in mehrere diskrete Abschnitte strukturiert:

Basisstation Subsystem

GSM verwendet a Mobilfunk, bedeutet, dass Handys Verbinden Sie sich damit, indem Sie in unmittelbarer Nähe nach Zellen suchen. Es gibt fünf verschiedene Zellgrößen in einem GSM -Netzwerk:

Der Abdeckungsbereich jeder Zelle variiert je nach Implementierungsumgebung. Makrozellen können als Zellen angesehen werden, in denen die Basisstation Antenne ist auf einem Mast oder einem Gebäude über dem durchschnittlichen Dachebene installiert. Mikrozellen sind Zellen, deren Antennenhöhe in einem durchschnittlichen Dachniveau ist. Sie werden in der Regel in städtischen Gebieten eingesetzt. Pikozellen sind kleine Zellen, deren Abdeckungsdurchmesser einige Dutzend Meter beträgt. Sie werden hauptsächlich drinnen verwendet. Femtozellen sind Zellen für den Einsatz in Wohngebieten oder Kleinunternehmen Umgebungen und eine Verbindung zu a Telekommunikationsdienstleister's Netzwerk über a Breitband Internet Verbindung. Regenschirmzellen werden verwendet, um Schattenregionen kleinerer Zellen abzudecken und Lücken in der Abdeckung zwischen diesen Zellen zu füllen.

Der horizontale Zellradius variiert - je nach Antennenhöhe, Antennengewinn, und Vermehrung Bedingungen - von ein paar hundert Metern bis zu mehreren zehn Kilometern. Die längste Entfernung, die die GSM -Spezifikation bei der praktischen Verwendung unterstützt, beträgt 22 MI. Es gibt auch mehrere Implementierungen des Konzepts einer erweiterten Zelle.[19] wo der Zellradius doppelt oder sogar mehr sein könnte, abhängig vom Antennensystem, der Art des Geländes und der Timing Fortschritt.

GSM unterstützt Innenabdeckung - erreichbar mit einer Innenpicocell -Basisstation oder einer Repeater für Innenräume mit verteilten Innenantennen, die durch Stromspalten gespeist werden - um die Funksignale von einer Antenne im Freien an das separate Innenantennensystem zu liefern. Pikozellen werden normalerweise eingesetzt, wenn in Einkaufszentren oder Flughäfen erhebliche Anrufkapazität benötigt wird. Dies ist jedoch keine Voraussetzung, da die Abdeckung in der Innenräume auch durch das Eindringen von Funksignalen aus jeder nahe gelegenen Zelle bereitgestellt wird.

GSM -Trägerfrequenzen

GSM -Netzwerke arbeiten in einer Reihe von verschiedenen Trägerfrequenz Bereiche (getrennt in GSM -Frequenzbereiche für 2g und UMTS -Frequenzbänder für 3g) mit den meisten 2g GSM -Netzwerke, die in den 900 MHz- oder 1800 -MHz -Bändern arbeiten. Wo diese Bands bereits zugewiesen wurden, wurden stattdessen die 850 MHz- und 1900 -MHz -Bands verwendet (zum Beispiel in Kanada und den USA). In seltenen Fällen werden in einigen Ländern die Frequenzbanden von 400 und 450 MHz zugeordnet, da sie zuvor für Systeme der ersten Generation verwendet wurden.

Zum Vergleich die meisten 3g Netzwerke in Europa arbeiten im 2100 -MHz -Frequenzband. Weitere Informationen zur weltweiten Nutzung der GSM -Frequenz finden Sie unter GSM -Frequenzbänder.

Unabhängig von der Frequenz, die von einem Operator ausgewählt wird Zeitfenster für einzelne Telefone. Dies ermöglicht acht Vollrate- oder sechzehn Halbrate-Sprachkanäle pro pro Radiofrequenz. Diese acht Radio -Zeitschläge (oder platzen Perioden) werden in a gruppiert Tdma rahmen. Halbwertkanäle verwenden alternative Frames im selben Zeitfenster. Die Kanaldatenrate für alle 8 Kanäle ist 270.833 kbit/s, und die Rahmendauer ist 4,615 ms.

Die Übertragungsleistung im Mobilteil ist auf maximal 2 Watt in begrenzt GSM 850/900 und 1 Watt in GSM 1800/1900.

Sprachcodecs

GSM hat eine Vielzahl von Stimme verwendet Codecs 3,1 kHz -Audio in 7 und 13 kbit/s drücken. Ursprünglich wurden zwei Codecs verwendet, die nach den von ihnen zugewiesenen Datenkanaltypen benannt wurden, genannt, genannt Halbrate (6,5 kbit/s) und Volltarif (13 kbit/s). Diese verwendeten ein System basierend auf Lineare Vorhersagecodierung (LPC). Neben der effizienten mit BitratenDiese Codecs erleichterten es auch einfacher, wichtigere Teile des Audios zu identifizieren, sodass die Luftschnittstellenschicht diese Teile des Signals priorisieren und besser schützen konnte. GSM wurde 1997 weiter verbessert[20]mit dem Verbesserte volle Rate (EFR) Codec, ein 12,2 kbit/s-Codec, der einen Vollrate-Kanal verwendet. Schließlich mit der Entwicklung von UMTS, EFR wurde in einen variablen Codec genannt, der genannt wird Amr-Narrowband, was qualitativ hochwertig und robust gegen Störungen ist, wenn es auf Vollrate-Kanälen verwendet wird, oder weniger robust, aber dennoch relativ hohe Qualität, wenn sie unter guten Funkbedingungen auf halbrate Kanal verwendet werden.

Abonnenten -Identitätsmodul (SIM)

Eine Nano -Sim, die in Mobiltelefonen verwendet wird

Eines der Schlüsselmerkmale von GSM ist die Abonnenten -Identitätsmodul, allgemein bekannt als a SIM Karte. Die SIM ist abnehmbar Chipkarte Enthält Abonnementinformationen und Telefonbuche eines Benutzers. Auf diese Weise können Benutzer ihre Informationen nach dem Wechsel von Mobilteilen beibehalten. Alternativ können Benutzer die Bediener wechseln, während sie ein Mobilteil behalten - einfach durch Ändern der SIM.

Telefonsperrung

Manchmal Mobilfunknetzbetreiber Beschränken Sie Mobilteile, die sie für die exklusive Verwendung in ihrem eigenen Netzwerk verkaufen. Das nennt man SIM -Sperren und wird durch eine Softwarefunktion des Telefons implementiert. Ein Abonnent kann sich in der Regel an den Anbieter wenden, um die Schloss gegen eine Gebühr zu entfernen, private Dienste zu nutzen, um die Sperre zu entfernen oder Software und Websites zu verwenden, um das Mobilteil selbst zu entsperren. Es ist möglich, an einem von einem Netzwerkbetreiber gesperrten Telefon vorbei zu hacken.

In einigen Ländern und Regionen (z. B.,, Bangladesch, Belgien, Brasilien, Kanada, Chile, Deutschland, Hongkong, Indien, Iran, Libanon, Malaysia, Nepal, Norwegen, Pakistan, Polen, Portugal, Singapur, Südafrika, Sri Lanka, Thailand) Alle Telefone werden aufgrund der Fülle von Dual-SIM-Handys und -betreibern freigeschaltet.[21]

GSM -Sicherheit

GSM sollte ein sicheres drahtloses System sein. Es hat die Benutzerauthentifizierung mit a berücksichtigt Geteilter Schlüssel und Challenge -Reaktionund Überflüssigkeitsverschlüsselung. GSM ist jedoch anfällig für verschiedene Arten von Angriffen, von denen jeder auf einen anderen Teil des Netzwerks abzielte.[22]

Die Entwicklung von UMTS stellte eine optionale Einführung vor Universal -Abonnenten -Identitätsmodul (USIM), das einen längeren Authentifizierungsschlüssel verwendet, um mehr Sicherheit zu gewährleisten und das Netzwerk und den Benutzer gegenseitig zu authentifizieren, während GSM den Benutzer nur mit dem Netzwerk authentifiziert (und nicht umgekehrt). Das Sicherheitsmodell bietet daher Vertraulichkeit und Authentifizierung, aber begrenzte Autorisierungsfunktionen und nein Nicht-Repudiation.

GSM verwendet mehrere kryptografische Algorithmen zur Sicherheit. Das A5/1, A5/2, und A5/3 Stream -Chiffren werden zur Gewährleistung der Privatsphäre von der Luftstimme verwendet. A5/1 wurde zuerst entwickelt und ist ein stärkerer Algorithmus in Europa und den Vereinigten Staaten. A5/2 ist schwächer und in anderen Ländern verwendet. In beiden Algorithmen wurden schwerwiegende Schwächen gefunden: Es ist möglich, A5/2 in Echtzeit mit a zu brechen Ciphertext-Angriffund im Januar 2007 startete die Wahl des Hackers das A5/1 -Cracking -Projekt mit Plänen zu verwenden Fpgas Dadurch kann A5/1 mit a gebrochen werden Regenbogentisch Attacke.[23] Das System unterstützt mehrere Algorithmen, sodass die Bediener diese Verschlüsselung durch eine stärkere ersetzen können.

Seit 2000 wurden unterschiedliche Anstrengungen unternommen, um die A5 -Verschlüsselungsalgorithmen zu knacken. Sowohl A5/1- als auch A5/2 -Algorithmen wurden gebrochen, und ihre Kryptanalyse wurde in der Literatur offenbart. Als Beispiel, Karsten Nohl entwickelte eine Reihe von einer Reihe von Regenbogentische (statische Werte, die die für die Ausführung eines Angriffs benötigte Zeit verkürzen) und neue Quellen für gefunden haben Bekannte Klartextangriffe.[24] Er sagte, dass es möglich sei, "einen vollen GSM-Interceptor ... aus Open-Source-Komponenten" zu erstellen, aber dass sie dies wegen rechtlicher Bedenken nicht getan hätten.[25] Nohl behauptete, er könne Sprach- und Textgespräche abfangen, indem er einen anderen Benutzer zum Anhören veranlasste VoicemailAnrufe tätigen oder Textnachrichten mit einem Siebenjährigen senden Motorola Mobiltelefon- und Entschlüsselungssoftware kostenlos online verfügbar.[26]

GSM verwendet Allgemeiner Paket -Radio -Service (GPRS) für Datenübertragungen wie das Durchsuchen des Webs. Die am häufigsten eingesetzten GPRS -Chiffren wurden 2011 öffentlich gebrochen.[27]

Die Forscher zeigten Mängel in den häufig verwendeten GEA/1 und GEA/2 (stand schnüffeln GPRS -Netzwerke. Sie stellten auch fest, dass einige Fluggesellschaften die Daten nicht verschlüsseln (d. H. Mit GEA/0), um die Verwendung von Verkehr oder Protokollen zu erkennen, die sie nicht mögen (z. B.,,,, Skype), Kunden ungeschützt lassen. GEA/3 scheint relativ schwer zu brechen und soll in einigen moderneren Netzwerken verwendet werden. Wenn verwendet mit Usim Um Verbindungen zu gefälschten Basisstationen zu verhindern und Downgrade -Angriffe herabstufen, Benutzer werden mittelfristig geschützt, obwohl die Migration auf 128-Bit-GEA/4 noch empfohlen wird.

Die erste öffentliche Kryptanalyse von GEA/1 und GEA/2 (auch geschrieben GEA-1 und GEA-2) wurde 2021 durchgeführt. Es kam zu dem Schluss, dass der GEA-1-Algorithmus zwar nur einen 64-Bit-Schlüssel verwendet hat, aber tatsächlich nur 40 Bit von liefert Sicherheit, aufgrund einer Beziehung zwischen zwei Teilen des Algorithmus. Die Forscher fanden heraus, dass diese Beziehung sehr unwahrscheinlich war, wenn sie nicht beabsichtigt war. Dies kann geschehen, um die europäischen Kontrollen beim Export kryptografischer Programme zu erfüllen.[28][29][30]

Standardinformationen

Die GSM -Systeme und -Dienste werden in einer Reihe von Standards beschrieben, die von geregelt sind ETSI, wo eine vollständige Liste gewartet wird.[31]

GSM Open-Source-Software

Mehrere Quelloffene Software Es gibt Projekte, die bestimmte GSM -Funktionen bieten:[32]

Probleme mit Patenten und Open Source

Patente bleiben ein Problem für eine Open-Source-GSM-Implementierung, da GNU oder andere kostenlose Software-Distributor nicht möglich ist, die Immunität aller Klagen durch die Patentinhaber gegen die Benutzer zu garantieren. Darüber hinaus werden immer neue Funktionen zum Standard hinzugefügt, was bedeutet, dass sie einige Jahre lang Patentschutz haben.

Die ursprünglichen GSM -Implementierungen aus 1991 können nun völlig frei von Patent -Belastungen sein, aber die Patentfreiheit ist jedoch nicht sicher "Patentzeitanpassung" kann die Lebensdauer eines US -Patents weit über 20 Jahre nach seinem Prioritätsdatum über 20 Jahre verlängern. Es ist zu diesem Zeitpunkt unklar, ob OpenBTS Kann Funktionen dieser Anfangsspezifikation ohne Grenzwert implementieren. Da die Patente anschließend ablaufen, können diese Funktionen jedoch in die Open-Source-Version hinzugefügt werden. Ab 2011Es gab keine Klagen gegen Nutzer von OpenBTS gegenüber der GSM -Verwendung.

Siehe auch

Verweise

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Weitere Lektüre

  • Redl, Siegmund M.; Weber, Matthias K.; Oliphant, Malcolm W (Februar 1995). Eine Einführung in GSM. Artech House. ISBN 978-0-89006-785-7.
  • Redl, Siegmund M.; Weber, Matthias K.; Oliphant, Malcolm W (April 1998). GSM und persönliches Kommunikationshandbuch. Artech House Mobile Communications Library. Artech House. ISBN 978-0-89006-957-8.
  • Hillebrand, Friedhelm, hrsg. (Dezember 2001). GSM und UMTS, die Schaffung globaler Mobilkommunikation. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-84322-2.
  • Mouly, Michel; Pauutet, Marie-Bernardette (Juni 2002). Das GSM -System für mobile Kommunikation. Telecom Publishing. ISBN 978-0-945592-15-0.
  • Salgues, Salgues B. (April 1997). Les Télécoms Handys GSM DCS. Hermes (2. Aufl.). Hermes Sciences Publications. ISBN 978-2866016067.

Externe Links