GSM - GSM

GSM

Nombre comercial	Asociación GSM
Industria	telecomunicación
Fundado	Diciembre de 1991
Sucesor	3G
Sede	Finlandia
Área de servicio	En todo el mundo
Productos	redes celulares digitales
Sitio web	www .gsma .com

El logotipo GSM se utiliza para identificar dispositivos y equipos compatibles. Los puntos simbolizan tres clientes en la red doméstica y un cliente itinerante.

El Sistema Global para Comunicaciones Móviles ( GSM ) es un estándar desarrollado por el Instituto Europeo de Estándares de Telecomunicaciones (ETSI) para describir los protocolos para redes celulares digitales de segunda generación ( 2G ) utilizados por dispositivos móviles como teléfonos móviles y tabletas. Se implementó por primera vez en Finlandia en diciembre de 1991. A mediados de la década de 2010, se convirtió en un estándar mundial para las comunicaciones móviles, logrando más del 90% de participación de mercado y operando en más de 193 países y territorios.

Las redes 2G se desarrollaron como reemplazo de las redes celulares analógicas de primera generación ( 1G ). El estándar GSM describió originalmente una red digital con conmutación de circuitos optimizada para telefonía de voz full duplex . Esto se expandió con el tiempo para incluir comunicaciones de datos, primero mediante transporte por conmutación de circuitos , luego mediante transporte de paquetes de datos a través del Servicio general de radio por paquetes (GPRS) y Tasas de datos mejoradas para la evolución GSM (EDGE).

Posteriormente, el 3GPP desarrolló los estándares UMTS de tercera generación ( 3G ) , seguido por los estándares LTE Advanced de cuarta generación ( 4G ) y los estándares 5G de quinta generación , que no forman parte del estándar ETSI GSM.

"GSM" es una marca comercial propiedad de GSM Association . También puede referirse al códec de voz (inicialmente) más utilizado, Full Rate .

Como resultado del uso generalizado de la red en toda Europa, el acrónimo "GSM" se utilizó brevemente como término genérico para los teléfonos móviles en Francia, los Países Bajos y Bélgica . Un gran número de personas en Bélgica todavía lo usa hasta la fecha. Muchos operadores (como Version) cerrarán GSM y CDMA en 2022.

Historia

Desarrollo inicial de GSM por parte de los europeos

El Sr. Dupuis y el Sr. Haug durante una reunión del GSM en Bélgica, abril de 1992

En 1983, se comenzó a trabajar para desarrollar un estándar europeo para las telecomunicaciones de voz celulares digitales cuando la Conferencia Europea de Administraciones de Correos y Telecomunicaciones (CEPT) estableció el comité Groupe Spécial Mobile (GSM) y luego proporcionó un grupo de apoyo técnico permanente con sede en París . Cinco años más tarde, en 1987, 15 representantes de 13 países europeos firmaron un memorando de entendimiento en Copenhague para desarrollar e implementar un sistema de telefonía celular común en toda Europa, y se aprobaron las reglas de la UE para hacer de GSM un estándar obligatorio. La decisión de desarrollar un estándar continental finalmente resultó en una red unificada, abierta y basada en estándares que era más grande que la de los Estados Unidos.

En febrero de 1987, Europa elaboró ​​la primera especificación técnica GSM acordada. Los ministros de los cuatro grandes países de la UE cimentaron su apoyo político al GSM con la Declaración de Bonn sobre Redes Globales de Información en mayo y el MoU GSM se presentó para su firma en septiembre. El memorando de entendimiento atrajo a operadores móviles de toda Europa para que se comprometieran a invertir en nuevas redes GSM hasta una fecha común ambiciosa.

En este breve período de 38 semanas, toda Europa (países e industrias) se había puesto detrás de GSM en una unidad y velocidad inusuales guiadas por cuatro funcionarios públicos: Armin Silberhorn (Alemania), Stephen Temple (Reino Unido), Philippe Dupuis (Francia). y Renzo Failli (Italia). En 1989, el comité de Groupe Spécial Mobile fue transferido de la CEPT al Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI). El IEEE / RSE otorgó a Thomas Haug y Philippe Dupuis la medalla James Clerk Maxwell 2018 por su "liderazgo en el desarrollo del primer estándar internacional de comunicaciones móviles con la posterior evolución hacia la comunicación de datos de teléfonos inteligentes en todo el mundo". El GSM (2G) ha evolucionado a 3G, 4G y 5G.

Primeras redes

Prototipos de teléfonos GSM

Paralelamente, Francia y Alemania firmaron un acuerdo de desarrollo conjunto en 1984 y se unieron a Italia y el Reino Unido en 1986. En 1986, la Comisión Europea propuso reservar la banda de espectro de 900 MHz para GSM. El ex primer ministro finlandés Harri Holkeri hizo la primera llamada GSM del mundo el 1 de julio de 1991, llamando a Kaarina Suonio (teniente de alcalde de la ciudad de Tampere ) utilizando una red construida por Nokia y Siemens y operada por Radiolinja . Al año siguiente, se envió el primer mensaje de servicio de mensajería corta (SMS o "mensaje de texto"), y Vodafone UK y Telecom Finland firmaron el primer acuerdo de roaming internacional .

Mejoras

El trabajo comenzó en 1991 para expandir el estándar GSM a la banda de frecuencia de 1800 MHz y la primera red de 1800 MHz comenzó a funcionar en el Reino Unido en 1993, llamada DCS 1800. También ese año, Telecom Australia se convirtió en el primer operador de red en implementar una red GSM. fuera de Europa y el primer teléfono móvil GSM de mano práctico estuvo disponible.

En 1995 se lanzaron comercialmente servicios de fax, datos y mensajería SMS, la primera red GSM de 1900 MHz entró en funcionamiento en los Estados Unidos y los suscriptores GSM en todo el mundo superaron los 10 millones. En el mismo año, se formó la Asociación GSM . Las tarjetas SIM GSM prepagas se lanzaron en 1996 y los suscriptores GSM en todo el mundo superaron los 100 millones en 1998.

En 2000 se lanzaron los primeros servicios comerciales GPRS y se pusieron a la venta los primeros teléfonos compatibles con GPRS. En 2001, se lanzó la primera red UMTS (W-CDMA), una tecnología 3G que no forma parte de GSM. Los suscriptores de GSM en todo el mundo superaron los 500 millones. En 2002, se introdujo el primer servicio de mensajería multimedia (MMS) y se puso en funcionamiento la primera red GSM en la banda de frecuencia de 800 MHz. Los servicios EDGE empezaron a funcionar en una red en 2003, y el número de suscriptores GSM en todo el mundo superó los mil millones en 2004.

En 2005, las redes GSM representaban más del 75% del mercado mundial de redes celulares y prestaban servicio a 1.500 millones de suscriptores. En 2005, también se puso en funcionamiento la primera red compatible con HSDPA . La primera red HSUPA se lanzó en 2007. (El acceso de paquetes de alta velocidad (HSPA) y sus versiones de enlace ascendente y descendente son tecnologías 3G, no parte de GSM). Los suscriptores de GSM en todo el mundo superaron los tres mil millones en 2008.

Adopción

La Asociación GSM estimó en 2011 que las tecnologías definidas en el estándar GSM servían al 80% del mercado móvil, abarcando a más de 5 mil millones de personas en más de 212 países y territorios, lo que convierte a GSM en el más omnipresente de los muchos estándares para redes celulares.

GSM es un estándar de segunda generación (2G) que emplea distribución de espectro de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA), emitido por el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI). El estándar GSM no incluye el Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles 3G (UMTS), la tecnología de acceso múltiple por división de código (CDMA), ni los estándares de tecnología de acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA) 4G LTE emitidos por el 3GPP.

GSM, por primera vez, estableció un estándar común para Europa para las redes inalámbricas. También fue adoptado por muchos países fuera de Europa. Esto permitió a los suscriptores utilizar otras redes GSM que tienen acuerdos de roaming entre ellos. El estándar común redujo los costos de investigación y desarrollo, ya que el hardware y el software se podían vender con solo pequeñas adaptaciones para el mercado local.

Discontinuación

Telstra en Australia cerró su red GSM 2G el 1 de diciembre de 2016, el primer operador de red móvil en desmantelar una red GSM. El segundo proveedor de telefonía móvil que cerró su red GSM (el 1 de enero de 2017) fue AT&T Mobility de Estados Unidos . Optus en Australia completó el cierre de su red 2G GSM el 1 de agosto de 2017, parte de la red Optus GSM que cubre Australia Occidental y el Territorio del Norte se había cerrado a principios de año en abril de 2017. Singapur cerró los servicios 2G por completo en abril de 2017 El último Banco GSM online fue retirado en 2020 del IES El Puig. Había sido desarrollado en 2018 por cinco estudiantes españoles.

Detalles técnicos

La estructura de una red GSM

Estructura de red

La red está estructurada en varias secciones discretas:

• Subsistema de estación base : las estaciones base y sus controladores
• Subsistema de red y conmutación : la parte de la red más similar a una red fija, a veces simplemente llamada "red central".
• Red central GPRS : la parte opcional que permite conexiones a Internet basadas en paquetes
• Sistema de soporte de operaciones (OSS): mantenimiento de la red

Subsistema de estación base

Antenas de sitio celular GSM en el Deutsches Museum , Munich , Alemania

GSM utiliza una red celular , lo que significa que los teléfonos celulares se conectan a ella buscando celdas en las inmediaciones. Hay cinco tamaños de celda diferentes en una red GSM:

• macro
• micro
• pico
• femto , y
• células paraguas

El área de cobertura de cada celda varía según el entorno de implementación. Las macrocélulas se pueden considerar como células en las que la antena de la estación base se instala en un mástil o en un edificio por encima del nivel medio de la azotea. Las microcélulas son células cuya altura de antena está por debajo del nivel promedio de la azotea; normalmente se despliegan en áreas urbanas. Las picocélulas son pequeñas celdas cuyo diámetro de cobertura es de unas pocas docenas de metros; se utilizan principalmente en interiores. Las femtocélulas son células diseñadas para su uso en entornos residenciales o de pequeñas empresas y se conectan a la red de un proveedor de servicios de telecomunicaciones a través de una conexión de banda ancha a Internet . Las celdas paraguas se utilizan para cubrir regiones sombreadas de celdas más pequeñas y para llenar los espacios en la cobertura entre esas celdas.

El radio horizontal de la celda varía, dependiendo de la altura de la antena, la ganancia de la antena y las condiciones de propagación , desde un par de cientos de metros hasta varias decenas de kilómetros. La distancia más larga que admite la especificación GSM en el uso práctico es de 35 kilómetros (22 millas). También hay varias implementaciones del concepto de celda extendida, donde el radio de la celda podría ser el doble o incluso más, dependiendo del sistema de antena, el tipo de terreno y el avance del tiempo .

GSM admite cobertura en interiores, que se puede lograr mediante el uso de una estación base picocelda interior o un repetidor interior con antenas interiores distribuidas alimentadas a través de divisores de potencia, para enviar las señales de radio desde una antena exterior al sistema de antena distribuida interior independiente. Las picoceldas se implementan normalmente cuando se necesita una gran capacidad de llamadas en interiores, como en centros comerciales o aeropuertos. Sin embargo, esto no es un requisito previo, ya que la cobertura en interiores también se proporciona mediante la penetración de señales de radio en el interior del edificio desde cualquier celda cercana.

Frecuencias portadoras GSM

Las redes GSM operan en varios rangos de frecuencias portadoras diferentes (separados en rangos de frecuencia GSM para las bandas de frecuencia 2G y UMTS para 3G), y la mayoría de las redes GSM 2G operan en las bandas de 900 MHz o 1800 MHz. Cuando estas bandas ya estaban asignadas, se utilizaron en su lugar las bandas de 850 MHz y 1900 MHz (por ejemplo, en Canadá y Estados Unidos). En raras ocasiones, las bandas de frecuencia de 400 y 450 MHz se asignan en algunos países porque anteriormente se utilizaban para sistemas de primera generación.

A modo de comparación, la mayoría de las redes 3G en Europa operan en la banda de frecuencia de 2100 MHz. Para obtener más información sobre el uso de la frecuencia GSM en todo el mundo, consulte Bandas de frecuencia GSM .

Independientemente de la frecuencia seleccionada por un operador, se divide en intervalos de tiempo para teléfonos individuales. Esto permite ocho canales de voz de velocidad completa o dieciséis de velocidad media por frecuencia de radio . Estos ocho intervalos de tiempo de radio (o períodos de ráfaga ) se agrupan en una trama TDMA . Los canales de media velocidad utilizan fotogramas alternativos en el mismo intervalo de tiempo. La velocidad de datos del canal para los 8 canales es 270,833 kbit / s, y la duración de la trama es 4,615 ms.

La potencia de transmisión en el teléfono está limitada a un máximo de 2 vatios en GSM 850/900 y 1 vatio en GSM 1800/1900 .

Códecs de voz

GSM ha utilizado una variedad de códecs de voz para comprimir audio de 3,1 kHz entre 7 y 13 kbit / s. Originalmente, se utilizaron dos códecs, llamados así por los tipos de canales de datos que se les asignaron, denominados Half Rate (6,5 kbit / s) y Full Rate (13 kbit / s). Estos utilizaron un sistema basado en codificación predictiva lineal (LPC). Además de ser eficientes con las tasas de bits , estos códecs también facilitaron la identificación de partes más importantes del audio, lo que permitió que la capa de interfaz aérea priorizara y protegiera mejor estas partes de la señal. GSM se mejoró aún más en 1997 con el códec de velocidad completa mejorada (EFR), un códec de 12,2 kbit / s que utiliza un canal de velocidad completa. Finalmente, con el desarrollo de UMTS , EFR fue refactorizado en un códec de tasa variable llamado AMR-Narrowband , que es de alta calidad y robusto contra interferencias cuando se usa en canales de tasa completa, o menos robusto pero de calidad relativamente alta cuando se usa en buenas condiciones. condiciones de radio en el canal de media velocidad.

Módulo de identidad del suscriptor (SIM)

Un nano sim utilizado en teléfonos móviles

Una de las características clave de GSM es el módulo de identidad del suscriptor , comúnmente conocido como tarjeta SIM . La SIM es una tarjeta inteligente extraíble que contiene la información de suscripción del usuario y la agenda telefónica. Esto permite al usuario retener su información después de cambiar de teléfono. Alternativamente, el usuario puede cambiar de operador mientras conserva el teléfono simplemente cambiando la SIM.

Bloqueo de teléfono

A veces, los operadores de redes móviles restringen los teléfonos que venden para uso exclusivo en su propia red. Esto se denomina bloqueo de SIM y se implementa mediante una función de software del teléfono. Por lo general, un suscriptor puede comunicarse con el proveedor para quitar el candado por una tarifa, utilizar servicios privados para quitar el candado o usar software y sitios web para desbloquear el teléfono. Es posible piratear un teléfono bloqueado por un operador de red.

En algunos países y regiones (por ejemplo, Bangladesh , Bélgica , Brasil , Canadá , Chile , Alemania , Hong Kong , India , Irán , Líbano , Malasia , Nepal , Noruega , Pakistán , Polonia , Singapur , Sudáfrica , Sri Lanka , Tailandia ) todos los teléfonos se venden desbloqueados debido a la abundancia de operadores y teléfonos con doble SIM.

Seguridad GSM

GSM estaba destinado a ser un sistema inalámbrico seguro. Ha considerado la autenticación del usuario utilizando una clave previamente compartida y un desafío-respuesta , y un cifrado por aire. Sin embargo, GSM es vulnerable a diferentes tipos de ataques, cada uno de ellos dirigido a una parte diferente de la red.

El desarrollo de UMTS introdujo un Módulo de Identidad de Suscriptor Universal (USIM) opcional, que usa una clave de autenticación más larga para brindar mayor seguridad, además de autenticar mutuamente la red y el usuario, mientras que GSM solo autentica al usuario en la red (y no viceversa). al revés). Por lo tanto, el modelo de seguridad ofrece confidencialidad y autenticación, pero capacidades de autorización limitadas y sin rechazo .

GSM utiliza varios algoritmos criptográficos para la seguridad. Los cifrados de flujo A5 / 1 , A5 / 2 y A5 / 3 se utilizan para garantizar la privacidad de la voz por aire. A5 / 1 se desarrolló primero y es un algoritmo más sólido que se utiliza en Europa y Estados Unidos; A5 / 2 es más débil y se usa en otros países. Se han encontrado serias debilidades en ambos algoritmos: es posible romper A5 / 2 en tiempo real con un ataque de solo texto cifrado , y en enero de 2007, The Hacker's Choice inició el proyecto de craqueo A5 / 1 con planes para usar FPGA que permiten A5 / 1 se romperá con un ataque de mesa de arco iris . El sistema admite múltiples algoritmos, por lo que los operadores pueden reemplazar ese cifrado por uno más fuerte.

Desde 2000, se han realizado diferentes esfuerzos para descifrar los algoritmos de cifrado A5. Los algoritmos A5 / 1 y A5 / 2 se han roto y su criptoanálisis ha sido revelado en la literatura. Como ejemplo, Karsten Nohl desarrolló una serie de tablas de arco iris (valores estáticos que reducen el tiempo necesario para llevar a cabo un ataque) y ha encontrado nuevas fuentes para ataques de texto plano conocidos . Dijo que es posible construir "un interceptor GSM completo ... a partir de componentes de código abierto", pero que no lo habían hecho por cuestiones legales. Nohl afirmó que pudo interceptar conversaciones de voz y texto haciéndose pasar por otro usuario para escuchar el correo de voz , hacer llamadas o enviar mensajes de texto usando un teléfono celular Motorola de siete años y un software de descifrado disponible gratis en línea.

GSM utiliza el servicio general de radio por paquetes (GPRS) para transmisiones de datos, como navegar por la web. Los cifrados GPRS más comúnmente implementados se rompieron públicamente en 2011.

Los investigadores revelaron defectos en el GEA comúnmente usado / 1 y GEA / 2 (de pie para GPRS cifrado Algoritmos 1 y 2) sistemas de cifrado y publicaron el software de código abierto "gprsdecode" para oler las redes GPRS. También señalaron que algunos operadores no cifran los datos (es decir, utilizan GEA / 0) para detectar el uso de tráfico o protocolos que no les gustan (p. Ej., Skype ), dejando a los clientes desprotegidos. GEA / 3 parece seguir siendo relativamente difícil de romper y se dice que está en uso en algunas redes más modernas. Si se usa con USIM para evitar conexiones a estaciones base falsas y ataques de degradación , los usuarios estarán protegidos a mediano plazo, aunque aún se recomienda la migración a GEA / 4 de 128 bits.

El primer criptoanálisis público de GEA / 1 y GEA / 2 (también escrito GEA-1 y GEA-2) se realizó en 2021. Llegó a la conclusión de que, aunque utiliza una clave de 64 bits, el algoritmo GEA-1 en realidad proporciona solo 40 bits de seguridad, debido a una relación entre dos partes del algoritmo. Los investigadores encontraron que era muy poco probable que esta relación hubiera sucedido si no fuera intencional. Esto puede haberse hecho para satisfacer los controles europeos sobre la exportación de programas criptográficos.

Información sobre estándares

Los sistemas y servicios GSM se describen en un conjunto de estándares regidos por ETSI , donde se mantiene una lista completa.

Software GSM de código abierto

Existen varios proyectos de software de código abierto que proporcionan ciertas características GSM:

• demonio gsmd de Openmoko
• OpenBTS desarrolla una estación transceptora base
• El proyecto de software GSM tiene como objetivo construir un analizador GSM por menos de $ 1,000
• Los desarrolladores de OsmocomBB tienen la intención de reemplazar la pila GSM de banda base patentada con una implementación de software gratuita
• YateBTS desarrolla una estación transceptora base

Problemas con patentes y código abierto

Las patentes siguen siendo un problema para cualquier implementación de GSM de código abierto, porque no es posible para GNU o cualquier otro distribuidor de software libre garantizar la inmunidad frente a todas las demandas de los titulares de patentes contra los usuarios. Además, se están agregando nuevas características al estándar todo el tiempo, lo que significa que tienen protección de patente durante varios años.

Las implementaciones originales de GSM de 1991 pueden estar ahora completamente libres de gravámenes de patentes, sin embargo, la libertad de patentes no es segura debido al sistema de "primero en inventar" de los Estados Unidos que estuvo vigente hasta 2012. El sistema de "primero en inventar", junto con El "ajuste del plazo de la patente" puede extender la vida de una patente estadounidense más allá de los 20 años a partir de su fecha de prioridad. No está claro en este momento si OpenBTS podrá implementar características de esa especificación inicial sin límite. Sin embargo, a medida que las patentes caducan posteriormente, esas características se pueden agregar a la versión de código abierto. A partir de 2011, no ha habido demandas contra los usuarios de OpenBTS por el uso de GSM.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

• Redl, Siegmund M .; Weber, Matthias K .; Oliphant, Malcolm W (febrero de 1995). Introducción a GSM . Casa Artech. ISBN 978-0-89006-785-7.
• Redl, Siegmund M .; Weber, Matthias K .; Oliphant, Malcolm W (abril de 1998). Manual de comunicaciones personales y GSM . Biblioteca de comunicaciones móviles de Artech House. Casa Artech. ISBN 978-0-89006-957-8.
• Hillebrand, Friedhelm, ed. (Diciembre de 2001). GSM y UMTS, la creación de comunicaciones móviles globales . John Wiley e hijos. ISBN 978-0-470-84322-2.
• Mouly, Michel; Pautet, Marie-Bernardette (junio de 2002). El sistema GSM para comunicaciones móviles . Publicación de telecomunicaciones. ISBN 978-0-945592-15-0.
• Salgues, Salgues B. (abril de 1997). Les télécoms móviles GSM DCS . Hermes (2ª ed.). Publicaciones Hermes Sciences. ISBN 978-2866016067.

enlaces externos

• Asociación GSM: grupo comercial oficial de la industria que representa a los operadores de redes GSM en todo el mundo
• 3GPP: grupo de desarrollo de estándares GSM 3G
• LTE-3GPP.info: decodificador de mensajes GSM en línea totalmente compatible con todas las versiones 3GPP, desde el primer GSM hasta el último 5G