G/M

El Global System for Mobile Communications (GSM) es un estándar desarrollado por el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI) para describir los protocolos de las redes celulares digitales de segunda generación (2G). utilizado por dispositivos móviles como teléfonos móviles y tabletas. GSM también es una marca comercial propiedad de GSM Association. GSM también puede referirse al códec de voz Full Rate.

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, logró una participación de mercado superior al 90 % y opera en más de 193 países y territorios.

Redes 2G desarrolladas como reemplazo de las redes celulares analógicas de primera generación (1G). El estándar GSM originalmente describía una red digital con conmutación de circuitos optimizada para telefonía de voz full dúplex. Esto se expandió con el tiempo para incluir comunicaciones de datos, primero por transporte de conmutación de circuitos, luego por transporte de paquetes de datos a través del Servicio General de Paquetes de Radio (GPRS) y Velocidades de Datos Mejoradas para GSM Evolution (EDGE).

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

Como resultado del uso generalizado de la red en toda Europa, el acrónimo "GSM" se utilizó brevemente como término genérico para teléfonos móviles en Francia, los Países Bajos, Bulgaria y Bélgica. Un gran número de personas en Bélgica todavía lo usan hasta la fecha. A fines de la década de 2010, varios operadores de todo el mundo comenzaron a cerrar sus redes GSM.

Historia

Desarrollo europeo inicial

Mr Dupuis and Mr Haug during a GSM meeting in Belgium, April 1992

En 1983, se comenzó a trabajar para desarrollar un estándar europeo para telecomunicaciones de voz celular digital cuando la Conferencia Europea de Administraciones Postales y de 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 normas de la UE para hacer de GSM un estándar obligatorio. La decisión de desarrollar un estándar continental eventualmente 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 produjo la primera especificación técnica GSM acordada. Los ministros de los cuatro grandes países de la UE cimentaron su apoyo político a GSM con la Declaración de Bonn sobre Redes Globales de Información en mayo y el MoU de GSM se presentó para su firma en septiembre. El MoU atrajo a operadores móviles de toda Europa para comprometerse a invertir en nuevas redes GSM en una ambiciosa fecha común.

En este breve período de 38 semanas, toda Europa (países e industrias) se había puesto detrás de GSM en una unidad y una velocidad excepcionales guiadas por cuatro funcionarios públicos: Armin Silberhorn (Alemania), Stephen Temple (Reino Unido), Philippe Dupuis (Francia) y Renzo Failli (Italia). En 1989, el comité Groupe Spécial Mobile se transfirió 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 de 2018 por su "liderazgo en el desarrollo del primer estándar internacional de comunicaciones móviles con la posterior evolución hacia la comunicación mundial de datos de teléfonos inteligentes". El GSM (2G) ha evolucionado a 3G, 4G y 5G.

Primeras redes

Prototipo GSM teléfonos

Paralelamente, Francia y Alemania firmaron un acuerdo de desarrollo conjunto en 1984 y se les unieron Italia y el Reino Unido en 1986. En 1986, la Comisión Europea propuso reservar la banda de espectro de 900 MHz para GSM. Durante mucho tiempo se creyó que el ex primer ministro finlandés Harri Holkeri realizó 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. En 2021, un ex ingeniero de Nokia, Pekka Lonka, le reveló a Helsingin Sanomat que había realizado una llamada de prueba solo un par de horas antes. La primera llamada GSM del mundo la hice yo. Llamé a Marjo Jousinen, en Salo.", informó Lonka. Al año siguiente se envió el primer mensaje del servicio de mensajería corta (SMS o 'mensaje de texto'), y Vodafone UK y Telecom Finlandia 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 entró en funcionamiento en el Reino Unido en 1993, llamada DCS 1800. También ese año, Telstra se convirtió en el primer operador de red en implementar una Red GSM fuera de Europa y se puso a disposición el primer teléfono móvil GSM de mano práctico.

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

En 2000, se lanzaron los primeros servicios comerciales de General Packet Radio Service (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 entró en funcionamiento la primera red GSM en la banda de frecuencia de 800 MHz. Las tarifas de datos mejoradas para los servicios GSM Evolution (EDGE) se pusieron en funcionamiento por primera vez en una red en 2003, y la cantidad de suscriptores GSM en todo el mundo superó los mil millones en 2004.

Para 2005, las redes GSM representaban más del 75 % del mercado mundial de redes celulares y prestaban servicio a 1500 millones de suscriptores. En 2005, también entró en funcionamiento la primera red compatible con HSDPA. La primera red HSUPA se lanzó en 2007. (Acceso a paquetes de alta velocidad (HSPA) y sus versiones de enlace ascendente y descendente son tecnologías 3G, no forman 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, que abarca a más de 5000 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 espectro compartido 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 (UMTS) 3G, 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 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 sí. El estándar común redujo los costos de investigación y desarrollo, ya que el hardware y el software podían venderse con adaptaciones menores para el mercado local.

Descontinuación

Telstra en Australia cerró su red 2G GSM el 1 de diciembre de 2016, el primer operador de red móvil en desmantelar una red GSM. El segundo proveedor de telefonía móvil en cerrar 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 cerró a principios de año en abril de 2017. Singapur cerró los servicios 2G por completo en abril de 2017.

Detalles técnicos

La estructura de una red GSM

Estructura de red

La red está estructurada en varias secciones discretas:

• Subsistema de estación de 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 llamada "red de núcleos"
• GPRS Core Network – la parte opcional que permite conexiones de Internet basadas en paquetes
• Sistema de soporte de operaciones (OSS) – mantenimiento de redes

Subsistema de estación base

antenas del sitio GSM en el Museo Deutsches, Munich, Alemania

GSM utiliza una red celular, lo que significa que los teléfonos celulares se conectan 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 macro celdas pueden considerarse celdas en las que la antena de la estación base está instalada en un mástil o en un edificio por encima del nivel promedio de la azotea. Las micro celdas son celdas cuya altura de antena está por debajo del nivel promedio de los techos; por lo general, se implementan en áreas urbanas. Las picoceldas son celdas pequeñas cuyo diámetro de cobertura es de algunas decenas de metros; se utilizan principalmente en interiores. Las femtoceldas son celdas 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 a Internet de banda ancha. 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, según 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 mi). 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 de tiempo.

GSM admite cobertura en interiores, que se puede lograr mediante el uso de una estación base de picoceldas para interiores o un repetidor para interiores con antenas interiores distribuidas alimentadas a través de divisores de potencia, para entregar las señales de radio desde una antena exterior al sistema de antena distribuida interior independiente. Las picoceldas generalmente se implementan cuando se necesita una capacidad de llamadas significativa 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 edificio desde cualquier celda cercana.

Frecuencias portadoras GSM

Las redes GSM funcionan en varios rangos de frecuencia de operador diferentes (separados en rangos de frecuencia GSM para 2G y bandas de frecuencia 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 usaron las bandas de 850 MHz y 1900 MHz (por ejemplo, en Canadá y Estados Unidos). En casos excepcionales, las bandas de frecuencia de 400 y 450 MHz se asignan en algunos países porque se usaban anteriormente para sistemas de primera generación.

A modo de comparación, la mayoría de las redes 3G de Europa funcionan 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 tasa completa o dieciséis de tasa media por radiofrecuencia. 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 usaban dos códecs, llamados así por los tipos de canal de datos que se les asignaban, denominados Half Rate (6,5 kbit/s) y Full Rate (13 kbit/s). Estos utilizaron un sistema basado en la 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 se refactorizó en un códec de velocidad variable llamado AMR-Narrowband, que es de alta calidad y resistente a las interferencias cuando se usa en canales de velocidad completa, o menos robusto pero de calidad relativamente alta cuando se usa en buenas condiciones. condiciones de radio en el canal de tasa media.

Módulo de identidad del suscriptor (SIM)

Un nano sim usado 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 desmontable que contiene la información de suscripción y la guía telefónica del usuario. Esto permite a los usuarios conservar su información después de cambiar de teléfono. Alternativamente, los usuarios pueden cambiar redes o identidades de red sin cambiar de teléfono, simplemente cambiando la tarjeta 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 eliminar el bloqueo por una tarifa, utilizar servicios privados para eliminar el bloqueo 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, Brasil y Alemania), todos los teléfonos se venden desbloqueados debido a la abundancia de teléfonos y operadores con doble SIM.

Seguridad GSM

GSM fue diseñado para ser un sistema inalámbrico seguro. Ha considerado la autenticación del usuario utilizando una clave precompartida y desafío-respuesta y encriptación inalámbrica. 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 utiliza 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 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 fuerte que se usa en Europa y Estados Unidos; A5/2 es más débil y se usa en otros países. Se han encontrado debilidades graves en ambos algoritmos: es posible romper A5/2 en tiempo real con un ataque solo de texto cifrado, y en enero de 2007, The Hacker's Choice inició el proyecto de craqueo A5/1 con planes para use FPGA que permitan romper A5/1 con un ataque de tabla de arco iris. El sistema admite múltiples algoritmos para que los operadores puedan reemplazar ese cifrado por uno más fuerte.

Desde el año 2000, se han realizado diferentes esfuerzos para descifrar los algoritmos de cifrado A5. Se han roto los algoritmos A5/1 y A5/2, y su criptoanálisis ha sido revelado en la literatura. Como ejemplo, Karsten Nohl desarrolló una serie de tablas arcoíris (valores estáticos que reducen el tiempo necesario para llevar a cabo un ataque) y encontró nuevas fuentes para ataques de texto sin formato conocidos. Dijo que es posible construir "un interceptor GSM completo... a partir de componentes de código abierto" pero que no lo habían hecho por motivos 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 utilizando un teléfono celular Motorola de siete años y un software de descifrado disponible de forma gratuita en línea.

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

Los investigadores revelaron fallas en los cifrados GEA/1 y GEA/2 (que representan los algoritmos de cifrado GPRS 1 y 2) comúnmente utilizados y publicaron el código abierto "gprsdecode" software para rastrear redes GPRS. También señalaron que algunos operadores no encriptan los datos (es decir, usando GEA/0) para detectar el uso de tráfico o protocolos que no les gustan (por ejemplo, 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 usa 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 ocurrido si no fuera intencional. Es posible que esto se haya 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 funciones GSM:

• gsmd daemon por Openmoko
• OpenBTS desarrolla una estación de transceptor Base
• The GSM Software Project pretende construir un analizador GSM por menos de $1,000
• OsmocomBB los desarrolladores tienen la intención de reemplazar la pila GSM de banda base patentada con una implementación de software libre
• YateBTS desarrolla una estación de transceptor Base

Problemas con patentes y código abierto

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

Es posible que las implementaciones GSM originales de 1991 ahora estén completamente libres de gravámenes de patentes, sin embargo, la libertad de patentes no es segura debido a que los Estados Unidos & # 39; "primero en inventar" que estuvo vigente hasta 2012. El "primero en inventar" sistema, junto con el "ajuste del plazo de la patente" puede extender la vida de una patente estadounidense mucho 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 vencen posteriormente, esas funciones 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.