GSM یا Global System for Mobile Communications
مجموعه ای استاندارد می باشد که توسط موسسه استانداردهای ارتباط از دور اروپا (ESTI) برای نسل دوم شبکه های سلولی دیجیتال (2G) توسعه داده شده است. به عنوان جایگزین نسل اول شبکه های سلولی آنالوگ (1G) توسعه داده شده اند. استاندارد GSM در اصل یک شبکه دیجیتال، مدار روشن بهینه شده برای ارتباط تلفنی صدای 2 طرفه کامل را تشریح می کند. این استاندارد با گذشت زمان گسترده شد تا اولین مدار روشن انتقال دیتا را نیز شامل شود و سپس انتقال بسته دیتا از طریق GPRS نیز به آن اضافه شد. سرعت مخابره بسته های دیتا بعد ها از طریق فناوری EDGE افزایش یافت. استاندارد GSM بعد از توسعه نسل سوم شبکه های تلفن همراه (3G) توسط 3GPP بهبود پیدا کرد. شبکه های GSM با توسعه نسل 4 ام تلفن های همراه (4G) بیشتر پیشرفت خواهند کرد.
تاریخچه
کار برای توسعه استاندارد اروپا برای ارتباط تلفنی صوتی دیجیتال از سال 1982 شروع شد، زمانی که کنفرانس پست و ارتباطات از دور اروپا کمیته گروه ویژه موبایل یا GSM را به همراه پرسنل دائمی پشتیبانی تکنیکی ایجاد کرد، مقر این گروه در پاریس می باشد. در سال 1987 پانزده نمایند از 13 کشور اروپایی توافق نامه ای را برای توسعه و گسترش سیستم تلفن معمول در سراسر اروپا امضا کردند. دور اندیشی تصمیم توسعه یک استاندارد قاره ای، سرانجام منجر به ایجاد یک شبکه یکپارچه، باز و استاندارد بزرگ تر در ایالات متحده شد.
فرانسه و آلمان یک توافق نامه توسعه مشترک را در سال 1984 امضا کردند که بعدها ایتالیا و انگلیس نیز در سال 1986 به این موافقت پیوستند. در سال 1986 کمیسیون اروپا پیشنهاد رزرو طیف باند 900 مگاهرتز را برای GSM ارائه کرد. با رسیدن به سال 1987 پارامترهای پایه ای استاندارد GSM توسط 15 نماینده از 13 کشور اروپایی با امضای تفاهم نامه ای مورد موافقت قرار گرفت. در سال 1989 کمیته گروه ویژه موبایل از CEPT به موسسه استاندارد ارتباطات از دور اروپا منتقل شد.
فاز اول مشخصات GSM در سال 1990 منتشر شد. اولین تماس تاریخی GSM جهان توسط نخست وزیر فنلاند، هری هالکری،در تاریخ اول جولای 1991 گرفته شد. اولین شبکه توسط Telenokia و Siemens ساخته شد و توسط Radiolinja اداره گردید. در سال 1992، اولین پیام کوتاه فرستاده شد و اوپراتور های Vodafone UK و Telecom فنلاند اولین توافق نامه رومینگ بین المللی را امضا کردند. کار برای گسترش استاندراد GSM به باند 1800 مگاهرتز در سال 1991 شروع شد و اولین شبکه 1800 مگاهرتز در سال 1993 در انگلیس شروع به کار کرد. همچنین در سال 1993، تلکام استرالیا اولین شبکه ای شد که استاندراد GSM را در خارج از اروپا راه اندازی کرد. اولین تلفن همراه کابردی نیز در این سال در دسترس قرار گرفت. در سال 1995 فکس، دیتا و پیام کوتاه به صورت تجاری راه اندازی شدند، اولین شبکه 1900 مگاهرتزی تلفتن همراه در امریکا راه اندازی شد و مشترکان GSM در سراسر دنیا به بیش از 10 میلیون نفر رسید. در همین سال، انجمن GSM نیز تشکیل شد. سیم کارت های GSM در سال 1996 عرضه شدند و تعداد مشترکان GSM از مرز 100 میلیون نفر در سال 1998 گذشت.
در سال 2000 اولین سرویس GPRS تجاری راه اندازی شد و اولین گوشی های سازگار با این سرویس نیز برای خرید در دسترس قرار گرفتند. در سال 2001، اولین شبکه UMTS راه اندازی شد و تعداد مشترکان سرویس GSM از مرز 500 میلیون نفر در جهان عبور کرد. در سال 2002 اولین سرویس پیام چندرسانه ای معرفی شد و اولین شبکه 800 مگاهرتزی نیز راه اندازی شد. سرویس EDGE در سال 2003 در شبکه ها راه اندازی شد و در سال 2004 تعداد مشترکان GSM در سرتاسر جهان از مرز 1میلیارد نفر گذشت. با رسیدن به سال 2005، شبکه های GSM بیش از 75 درصد از بازار شبکه های سلولی را با سرویس رسانی به بیش از 1.5 میلیارد مشترک در اختیار گرفتند. در سال 2005 اولین شبکه با قابلیت HSDPA راه اندازی شد. اولین شبکه HSUPA نیز در سال 2007 ایجاد شد و تعداد مشترکان شبکه GSM با رسیدن به سال 2008 از مرز 2 میلیارد نفر گذشت.
جزئیات فنی
GSM یک شبکه سلولی است، یعنی تلفن های همراه به وسیله جستجوی بی درنگ سلول در مجاورت خود به آن متصل می شوند. 5 اندازه مختلف از سلول در شبکه GSM موجود می باشد. سلول های macro، micro، pico، femto و چتری. محدوده پوشش هر سلول با توجه به قرارگیری در محیط متفاوت است. سلول های ماکرو می توانند در جایی که ایستگاه مرکزیآنتن روی دکل یا یک ساختمان با ارتفاع بالاتر از سطح متوسط سقف ها قرار دارد به عنوان سلول در نظر گرفته شوند. میکرو سلول ها، سلول هایی هستند که ارتفاع آنتن آن ها زیر سطح متوسط سقف بالایی ساختمان می باشد. این نوع سلول ها معمولا در مناطق شهری استفاده می شوند. پیکو سلول ها، سلول های کوچکی هستند که شعاع پوشش آن ها چند ده متر است. این سلول هل معمولا در داخل ساختمان استفاده می شوند. فمتو سلول ها، سلول هایی هستند که برای استفاده در محیط های مسکونی یا تجاری کوچک و اتصال به شبکه از طریق ارتباط اینترنت پهن باند طراحی شده اند. سلول های چتری برای پوشش مناطق کور سلول های کوچک تر و پر کردن گپ پوششی بین آن سلول ها مورد استفاده قرار می گیرند. شعاع افقی سلول ها با توجه به ارتفاع آنتن، بهره آنتن و شرایط گسترش از چند صد متر تا چند ده کیلومتر متغییر است. بیشترین مسافتی که یک آنتن GSM در عمل می تواند پوشش دهد، 35 کیلومتر است. البته طرح های مفهومی نیز از سلول های گسترش یافته وجود دارد که محدوده پوشش را بسته به سیستم آنتن، نوع میدان و پیش زمان بندی، 2 برابر یا بیشتر خواهند کرد. پوشش داخل ساختمان نیز توسط GSM پشتیبانی می شود و ممکن است با ایستگاه های داخلی پیکو سلولی یا یک تکرار کننده داخلی با آنتن های تغذیه داخلی توزیع یافته برای رساندن سیگنال رادیویی از آنتن های بیرونی به آنتن های تغذیه داخلی، قابل دستیابی باشد. این نوع تجهیزات معمولا زمانی که ظرفیت سلولی زیادی مورد نیاز است، گسترش می یابند. برای مثال در فروشگاه ها و فرودگاه. البته این تجهیزات با توجه به نفوذ سیگنال های رادیویی از سلول های خارجی چندان لازم نیست.
فرکانس استفاده شده در GSM از نوع GMSK، نوعی کدگذاری شیفت فرکانس فاز دائم می باشد.
فرکانس های اوپراتور های GSM
شبکه های GSM در تعدادی از محدوده فرکانس های مختلف کار می کنند. بیشتر شبکه های GSM از نوع 2G در باند های 900 و 1800 مگاهرتز فعالیت می کنند. به دلیل اینکه این باند ها از قبل رزرو شده بود در کشور های امریکا و کانادا از باند های 850 و 1900 مگاهرتز استفاده شد. در موارد نادری باند¬های 400 و 450 مگاهرتز در بعضی از کشور ها
مورد استفاده قرار گرفته است. بیشتر شبکه های 3G در اروپا در باند فرکانسی 2100 مگاهرتز عمل می کنند.
توان مخابره در گوشی به 2 وات برای باندهای 850/900 و 1 وات برای باندهای 1800/1900 محدود شده است.
کدک های صدا
شبکه GSM از کدک های صدای مختلفی برای فشردن صدای 3.1 کیلوهرتزی بین 6.5 تا 13 کیلوبیت بر ثانیه استفاده کرده است. کدک 6.5 کیلوبیت بر ثانیه half rate و کدک 13 کیلوبیت بر ثانیه Full rate نام گرفته است. برای کارایی بیشتر، این کدک ها تشخیص قسمت های بیشتری از صدا را اسان تر کردند و اجازه دادند که لایه هوا اولویت بندی شود و محافظت بهتری از این قسمت سیگنال به عمل آید. شبکه GSM در سال 1997 توسط EFR بیشتر بهبود پیدا کرد، یک کدک 12.2 کیلوبیت بر ثانیه ای که از نرخ کامل کانال استفاده می کند. در نهایت با توسعه UTMS، EFR به نرخ کدک های متغییری به نام AMR-Narrowband تغییر یافت که از کیفیت بسیار بالایی برخوردار است و در مقابل اختلالات مقاوم تر است.
ساختار شبکه
شبکه به تعدادی بخش مجزا تقسیم بندی شده است:
زیرسیستم ایستگاه مرکزی
شبکه و مدار زیرسیستم
شبکه اصلی GPRS
سیستم عامل پشتیبانی
مدول هویت مشترک (SIM)
یکی از قابلیت های کلیدی GSM، مدول هویت مشترک می باشد، که به سیم کارت معروف است. سیم کارت یک کارت هوشمند جدا شونده می باشد که حاوی اطلاعات مشترک و دفترچه تلفن می باشد. این باعث می شود که کاربر بتواند با تعویض گوشی اطلاعات خود را بازیابی کند. همچنین مشترک می تواند با تعویض سیم کارت اوپراتور خود را عوض کند. بعضی از اوپراتور ها با لاک کردن گوشی امکان استفاده از سیم کارت سایر اوپراتور ها را ممنوع می کنند.
قفل تلفن
در بعضی مواقع اوپراتورهای تلفن همراه ارائه شده توسط خود را محدود به استفاده از سیم کارت های خود می کنند. این عمل قفل گذاری نامیده می شود که به وسیله یک قابلیت نرم افزاری در تلفن قرار داده می شود. دلیل این امر فروش با قیمت پایین تر گوشی توسط اوپراتور هاست.
امنیت سرویس GSM
شبکه GSM با سطح متوسط امنیت سرویس طراحی شد. سیستم طراحی شده بود تا هویت مشترک را با یک کلید pre-shared تایید کند. ارتباط بین مشترک و ایستگاه مرکزی می تواند کدگذاری شود. توسعه UTMS یک مدول هویت جهانی مشترک را معرفی کرد که از یک کلید تایید طولانی تر برای امنیت بیشتر استفاده می کند. بنابراین مدل امنیتی تایید هویت محرمانه ای را ارائه کرد.
شبکه GSM از چندین الگوریتم پنهانی برای امنیت استفاده می کند. رمزهای جریان A5/1، A5/2 و A5/3 برای اطمینان از حفظ حریم مکالمات صوتی مورد استفاده قرار گرفت. کد A5/1 اول توسعه یافت و الگوریتم قوی تری می باشد که در اروپا و امریکا استفاده می شود. الگوریتم A5/2 که ضعیف تر است در سایر کشورها استفاده می شود. امکان کرک این کدها وجود دارد، بنابراین این سیستم ها از الگوریتم های چندگانه پشتیبانی می کنند تا اوپراتور بتواند سیستم کدگذاری خود را در مواقع لزوم تعویض کند.
در 28 دسامبر سال 2009 مهندس کامپیوتر آلمانی karstenNohl اعلام کرد که با موفقیت الگوریتم A5/1 را کرک کرده است.
حملات جدیدی با بهره گیری از امنیت ضعیف ساختار و توسعه برنامه های گوشی های هوشمند مشاهد شد.
اطلاعات استاندارد
سیستم و سرویس GSM در مجموعه ای از استانداردها توسط ETSI تشریح شده است. نرم افزارهای متن باز چندین پروژه نرم افزاری GSM موجود می باشد که قابلیت های مشخصی را فراهم می کنند:
gsmd daemon به وسیله Openmoko
توسعه ایستگاه فرستند و گیرنده توسط OpenBTS
پروژه نرم افزار GSM که هدف آن ساخت آنالیزر GSM با هزینه ای کمتر از 1000 دلار بود.
توسعه دهندگان OsmocomBB قصد تعویض بسته باند اصلی GSM را با یک نرم افزار مجانی داشتند.