История развития стандарта GSM

Сети первого поколения имеют множество недостатков: малая емкость сети, незащищенность от прослушивания, возможность несанкционированного входа в систему и т. д. В Западной Европе к этим недостатком прибавился еще один – на ее территории действовали сети на базе 9 различных стандартов, абсолютно не совместимые между собой. Сотовые телефоны европейцев совершенно не подходили для путешествий: стоило, к примеру, французу со своим телефоном покинуть пределы Франции, и он оказывался без связи. Данный недостаток, специфичный лишь для Европы, сыграл существенную роль в форсировании процесса создания сотовой системы второго поколения.

В 1982 г. Европейская конференция администраций почт и электросвязи (СЕРТ), озабоченная разнородностью и несовместимостью европейских сотовых систем, решила создать специальную группу – Groupe Special Mobile (GSM). От группы требовалось: разработать спецификации общеевропейской сотовой системы связи, способной обслуживать не тысячи, а миллионы абонентов. В условиях задачи было всего одно требование: система должна функционировать в соответствии с рекомендацией СЕРТ 1980 г. в диапазоне 862-960 МHz. К 1984 г. требования к системе стали более конкретными – было решено, что система будет цифровой, совместимой с сетями ISDN (Integrated Service Digital Network) по набору предоставляемых услуг.

В 1986 г. на совещании стран, подписавших “Соглашение о сотрудничестве” (Англия, Германия, Италия, Франция), было решено развернуть сеть GSM в 1991 г. Данное решение было весьма необдуманным – к тому времени группой GSM были выбраны лишь технологии, на которых будет базироваться система. Тем не менее в 1987 г. группа решила пойти еще дальше: в сентябре этого года в Копенгагене операторами связи из 13 европейских стран был подписан “Меморандум о взаимопонимании” (Memorandum of Understanding – MoU), в котором оговаривался срок ввода системы в эксплуатацию – 1 июля 1991 г. Однако к 1989 г. стало понятно, что к заявленному сроку не только не получится развернуть сеть, но и скорее всего не удаться полностью разработать все спецификации. Выход из сложившейся ситуации был найден довольно быстро: было решено развертывать сеть в две стадии (фазы). Вначале развертывалась сеть GSM первой фазы, которая предоставляла абонентам лишь возможность передачи голоса, а затем система модифицировалась до второй фазы, в которой реализовывались все цифровые возможности стандарта GSM. Данное решение спасло от катастрофы сам проект GSM, но не уберегло от наказания группу GSM. В 1989 г. произошла передача полномочий от группы GSM Европейскому институту стандартов по телекоммуникациям (European Telecommunications Standards Institute – ETSI).

Результатом работы группы GSM и частично института ETSI стал опубликованный в 1990 г. многостраничный документ, содержащий спецификации стандарта GSM первой фазы. В спецификациях описывались многочисленные технологии, многие из которых были уникальны и делали уникальным сам стандарт сотовой связи. Особое внимание разработчики стандарта GSM уделили устранению недостатков, присущих сетям первого поколения.

Для разделения каналов был использован множественный доступ с разделением по времени (Time Division Multiple Access – TDMA). Смысл данной технологии в том, что одной полосе частот передаются несколько различных сигналов. Достигается это разнесением сигналов во времени, то есть сигналы передаются по очереди: сначала передается один, длительностью, к примеру, 1 мс, затем другой и т. д.; когда очередь закончится, процесс начинается заново. Таким образом, реализуется псевдоодновременная передача нескольких радиосигналов в одной полосе частот. В стандарте GSM TDMA-кадр состоит из 8 TDMA-окон, то есть в диапазоне частот шириной в 200 kHz псевдоодновременно передаются 8 радиосигналов. Помимо разделения по времени, в GSM каналы связи разделяются еще и по частоте. Всего система использует 124 частотных канала, каждый из которых делится еще на 8 временных, то есть емкость сети составляет 992 канала. TDMA и еще ряд технологий, применяемых в стандарте GSM, позволяют более эффективно использовать радиоспектр и обеспечивать лучшую помехоустойчивость (отношение “сигнал/шум” для GSM-приемников составляет 9 дБ) по сравнению с аналоговыми стандартами.

GSM – цифровой стандарт, то есть речь преобразуется в дискретный сигнал. Для оцифровывания применяют специальный кодер, одной из особенностей которого является то, что в его состав входит детектор активности речи (Voice Activated Detector – VAD), поэтому кодек работает лишь тогда, когда VAD считает, что абонент говорит. Далее осуществляется канальное кодирование, позволяющее в случае потери данных при передаче восстановить до 12,5% информации. Для обеспечения секретности передаваемой информации на заключительном этапе происходит шифрование данных по алгоритму RSA (шифрование с открытым ключом). Благодаря рассмотренным мерам, стандарт GSM обеспечивает высокое качество речи и конфиденциальность разговора абонентов.

Для исключения несанкционированного доступа в систему стандартом предусмотрен специальный механизм аутентификации. Вся необходимая для идентификации абонента информация хранится на специальном съемном модуле SIM (Subscribe Identification Module), причем считать или изменить ее практически невозможно. Можно сказать, что идентификационный модуль является “черным ящиком” – на его вход поступает код, переданный телефону системой в ходе процедуры аутентификации, а на выходе – ответный код, сгенерированный с помощью микропроцессора SIM-карты по NP-полному алгоритму. Полученный код передается в сеть, где сравнивается с результатом вычислений, произведенных системой. Даже если злоумышленник сумеет перехватить коды, то вычислить идентификационный ключ, хранимый на SIM-карте, ему не удастся. Таким образом, сделать “трубку-двойника” в сети GSM не представляется возможным.

На SIM-карте находится вся информация, необходимая для нормального функционирования телефона в сети. Поэтому менять GSM-телефон очень легко – достаточно лишь вставить в новый телефон старую SIM-карту. Именно данное новшество сделало стандарт GSM весьма популярным среди простых пользователей.

Помимо характерных для всех аналоговых сотовых сетей проблем, стандарт GSM решал и специфическую европейскую проблему. Протокол GSM MAP, подобный американскому IS-41, позволял коммутаторам различных сетей GSM общаться друг с другом. Таким образом, обеспечивался автоматический роуминг.

Стандарт GSM чрезвычайно заинтересовал операторов связи и производителей мобильного оборудования. На выставке TELECOM 91, проходившей в Женеве, был представлен опытный образец сети GSM, который привлек широкое внимание публики. Однако первое представление оказалось несколько смазанным – на выставке не были представлены телефонные аппараты, функционирующие в стандарте GSM. Произошло это из-за того, что к тому времени не была еще разработана процедура испытания на соответствие стандарту. Появилась она лишь в апреле 1992 г., после чего все стало на свои места.

В мае 1992 г. заработала первая коммерческая сеть GSM900, произошло это в Германии. Какая страна была следующей после Германии, сказать трудно, со стопроцентной уверенностью можно лишь утверждать, что это была западноевропейская страна. Буквально за пару месяцев во всех странах, подписавших “Меморандум о взаимопонимании”, были развернуты сети GSM. В июне 1992 г. произошло событие, ради которого собственно и была сформирована группа GSM: между операторами связи было заключено первое соглашение о роуминге. Благодаря протоколу GSM MAP, финские абоненты сети GSM могли путешествовать по Англии, а английские – по Финляндии. К концу 1992 г. практически по всей Западной Европе можно было путешествовать с телефоном GSM.

1992 г. стал началом “мобильного бума” в Европе – всего за полтора года количество абонентов GSM выросло с нуля до одного миллиона человек. Таких темпов роста операторы связи еще не видели, как оказалось – это было лишь начало. В 1993 г. к MoU присоединился австралийский оператор сотовой связи Telstra – стандарт GSM вышел за пределы Европы и начал свое победное шествие по всему миру. Уже к 1995 г. аббревиатура GSM из-за распространенности стандарта стала расшифровываться как Global System for Mobile communications – “Глобальная система для мобильного общения”.

С начала своего существования стандарт GSM практически непрерывно подвергался различного рода модификациям. Самая первая и самая глобальная модификация произошла со стандартом еще до того, как была развернута первая сеть GSM. Сразу после опубликования спецификаций в 1990 г. стало ясно, что обеспечиваемая стандартом емкость сети – 992 канала – слишком мала для мегаполисов. Поэтому уже в 1991 г. на базе GSM был разработан стандарт DCS1800 (Digital Cellular System). Впоследствии его стали называть GSM1800, а базовый – GSM900. Основные отличия GSM1800 от GSM900 заключаются в ином диапазоне рабочих частот и увеличении емкости сети. Увеличение емкости было достигнуто за счет расширения полосы частот (2х75 вместо 2х25). Таким образом, емкость сети стандарта DCS1800 стала рекордной для того времени – 2976 каналов. Иной диапазон рабочих частот сетей стандарта GSM1800 (1710-1880 МHz) обусловил уменьшение радиуса ячейки с 35 до 10 км. Характеристики DCS1800 являются практически идеальными для мегаполисов.

Стандарт GSM1800 сразу же был принят Великобританией в качестве основы для их концепции “Сети персональной связи” – PCN (Personal Communication Networks). В то время как вся остальная Европа разворачивала сети GSM900, Англия остановила свой выбор на GSM1800. Однако очередного “мобильного раскола” в Европе не произошло – практически сразу производители стали выпускать телефонные аппараты, способные работать и в GSM900, и в GSM1800 (dual-band telephone). Данные аппараты могут автоматически переключаться между сетями GSM900 и GSM1800. Впоследствии dual-band аппараты стали использоваться не только для роуминга. Многие операторы связи развернули две сети: GSM1800 – в городах, а GSM900 – в сельской местности. Таким образом, абоненты практически в любом месте были обеспечены качественной связью, а операторы экономили деньги, не ставя базовые станции стандарта GSM1800 через каждые 10 км в местности с низкой плотностью населения.

США также не обошли стороной стандарт GSM. Американский цифровой стандарт TDMA (IS-136) уступал по многим характеристикам GSM. Поэтому некоторые американские операторы связи решили по-своему реализовать американскую концепцию “Услуги персональной связи” – PCS (Personal Communication Services). Для этого была разработана очередная модификация стандарта – PCS1900, еще называемая GSM1900. Главное и фактически единственное отличие американского GSM от европейского заключается в ином диапазоне рабочих частот. Сети PCS1900 функционируют в 1900-мегагерцовом диапазоне, выделенном FCC специально для реализации концепции PCS. Как и в первом случае, производители сотовых телефонов не заставили себя долго ждать. Весьма быстро появились tri-band аппараты, которые могли работать в GSM900, GSM1800 и GSM1900. Таким образом, к 1997 г. абоненты сети GSM в буквальном смысле могли путешествовать по всему миру – сети GSM были развернуты на всех континентах.

В настоящее время существуют модификации стандарта, использующие 400- и 800-мегагерцовый диапазон (GSM400, GSM800). Они еще не получили широкого распространения и скорее всего уже не получат ввиду того, что они базируются на неэффективной по сегодняшним меркам технологии TDMA.

На протяжении своего существования сети GSM меняли не только диапазоны рабочих частот. К 1995 г. была завершена работа по разработке спецификаций GSM второй фазы. Сети GSM фазы 2 предоставляли абонентам множество дополнительных услуг, таких как: голосовая почта; конференц-связь; определитель номера; антиопределитель номера; служба коротких текстовых сообщений – SMS (Short Message Service); информация о стоимости разговора; закрытая группа пользователей; использование двух телефонных номеров на одном аппарате; передача факсимильных сообщений и данных на скоростях до 9600 Kbit/s.

К 1997 г. данные услуги стали предоставлять все европейские операторы. Таким образом, сети GSM реализовали все заявленные группой GSM в 1986 г. возможности не в 1991-м, а лишь 1996 г. Внедренные услуги быстро стали весьма популярными среди простых пользователей. Особенно популярной окалась служба коротких текстовых сообщений: данный сервис позволял абонентам обмениваться друг с другом текстовыми сообщениями длиной до 160 символов – телефон GSM стал еще и пейджером.

После внедрения спецификаций фазы второй ETSI задумался о дальнейшем развитии стандарта GSM. Им было предложено осуществлять все дальнейшие усовершенствования стандарта в рамках фазы 2+. Фаза 2+ не имеет конкретных сроков внедрения – в нее входят любые спецификации, расширяющие возможности стандарта GSM, разработанные после 1995 г. Таким образом, фаза 2+ окажется полностью внедренной, когда сети GSM прекратят свое существование.

Многие спецификации фазы 2+, первоначально разработанные для сетей GSM, нашли применение в сотовых сетях на базе иных стандартов. К примеру, протокол WAP, первоначально ориентированный на передачу данных исключительно в сетях GSM, впоследствии был усовершенствован с целью обеспечения передачи данных в других сетях. В настоящее время развитием протокола WAP занимается независимая организация – WAP-Forum. Данный пример не единичен. О многих разработках, осуществленных в рамках фазы 2+, уже впору писать отдельные истории их развития.

Благодаря модификациям в рамках фазы 2+, сети GSM весьма сильно изменились. Даже было решено называть сети GSM с внедренными технологиями HSCSD, GPRS и/или EDGE сетями 2,5G. В настоящее время количество данных сетей превышает число всех остальных сотовых сетей.

Стандарт GSM является на данный момент абсолютным лидером на планете: сетями на его базе опутано большинство стран мира, по количеству абонентов GSM еще долгое время не уступит никому пальму первенства. По данным на начало 2004 г., количество абонентов GSM достигло 1 млрд человек и, по прогнозам аналитиков, по крайне мере, до 2007 г. их число будет неуклонно расти. О свертывании сетей GSM пока не идет речи – даже в районах, где развернуты сети 3G, GSM все еще остается лидером. По прогнозам, подобная ситуация будет наблюдаться до 2010 г. После этого стандарт начнет сдавать свои позиции. Однако, как показывает практика, делать долговременные прогнозы в отношении стандарта GSM – занятие абсолютно бесперспективное, так как практически все предположения оказываются ошибочными. Поэтому только время покажет, что произойдет с этим удивительным стандартом.