GSM (Global System for Mobile Communications, ранее Groupe Spécial Mobile) — это глобальный стандарт цифровой мобильной сотовой связи второго поколения (2G), разработанный Европейским институтом по стандартизации в области телекоммуникаций (ETSI) в конце 1980-х годов. Он использует разделение каналов по времени (TDMA) и по частоте (FDMA), обеспечивая цифровую передачу голоса и данных между мобильными устройствами.
Основные технические характеристики
Стандартизация и историческое развитие:
Разработка GSM началась в 1982 году группой из 26 европейских национальных телефонных компаний, которые стремились построить единую для всех европейских стран сотовую систему диапазона 900 МГц. В общей сложности ETSI опубликовал 20 стандартов, касающихся технологии GSM. На сегодняшний день GSM поддерживает более одного миллиарда абонентов мобильной связи в более чем 210 странах по всему миру.
GSM работает в нескольких частотных диапазонах:
- 900 МГц (исходный европейский диапазон): передача подвижной станции 890–915 МГц, приём базовой станции 935–960 МГц
- 1800 МГц (дополнительный европейский диапазон) — добавлена для поддержки растущего количества абонентов
- 1900 МГц — используется, главным образом, в США
- 850 МГц — используется в Австралии, Канаде и многих странах Южной Америки
Мобильные телефоны выпускаются с поддержкой хотя бы одного из перечисленных диапазонов.
- GMSK (Гауссовская манипуляция с минимальным частотным сдвигом) с индексом модуляции ВТ = 0,3, где В — ширина полосы фильтра, Т — длительность одного бита
- Это обеспечивает эффективное использование спектра и снижение помех
- Для голоса: речевой кодек RPE/LTP преобразует речь со скоростью 13 кбит/с
- Для данных (чистый GSM): до 9,6 кбит/с — скорость достаточна для передачи SMS и базовых услуг
- Общая скорость передачи сообщений в радиоканале: 270,833 кбит/сек
- Максимальный радиус действия соты: до 35 км, в режиме extended cell возрастает до 75 км
- Каждый канал 200 кГц разделяется на 8 временных интервалов (таймслотов) по 25 кГц каждый
- Максимум 124 каналов на несущей частоте
- Максимум 16–20 каналов на базовой станции
- Каждый вызов получает свой крошечный отрезок времени на частоте, что происходит так быстро, что звучит как непрерывный разговор
Архитектура и принцип работы
- Радиочастотное разделение: спектр разделяется на несущие частоты
- Временное разделение: каждая частота разделяется на 8 временных слотов с помощью TDMA
- Адресация: каждый телефон получает уникальный номер и использует одну SIM-карту для идентификации в сети
- Безопасность: использование цифрового шифрования для защиты от прослушивания, хотя по современным меркам это не считается надёжной защитой
- Передача/приём: подвижная станция имеет временное разнесение в 2 интервала TDMA кадра между передачей и приёмом
Одной из самых узнаваемых особенностей GSM является SIM (Subscriber Identity Module) карта. Этот крошечный чип:
- Хранит информацию о вашей учетной записи
- Позволяет переносить номер телефона между разными GSM-телефонами
- Вы не были привязаны к конкретному устройству, как в некоторых других системах
Преимущества GSM
Основные достоинства технологии:
- Широкое глобальное распространение — GSM используется в более чем 210 странах, что делает её самым распространённым стандартом в мире. На долю GSM приходится 82% мирового рынка мобильной связи.
- Международный роуминг — возможность использовать мобильный телефон практически везде, переходя из одной сети в другую без необходимости менять номер или уведомлять оператора. Это дает потребителям бесшовные возможности подключения в более чем 210 странах.
- Большой выбор оборудования — разнообразие и доступность мобильных телефонов и сетевого оборудования благодаря массовому внедрению.
- Гибкость SIM-карт — маленькая съемная SIM-карта позволяет легко переносить номер телефона и тарифный план на новый телефон.
- Хорошее качество связи — при достаточной плотности размещения базовых станций. Цифровая передача обеспечивает более четкие звонки и меньше помех по сравнению с аналоговыми системами.
- Большая ёмкость сети — возможность большого числа одновременных соединений, что важно для крупных городов.
- Улучшенная безопасность — использование цифрового шифрования для защиты от случайного прослушивания, хотя по современным меркам это не идеально.
- Поддержка SMS и MMS — текстовые и мультимедийные сообщения.
- Совместимость с ранними IoT-устройствами — простота и широкое покрытие GSM, особенно с GPRS для базовой передачи данных, сделали его пригодным для ранних M2M и IoT-приложений. Думайте о смарт-счетчиках, торговых автоматах и базовых системах отслеживания.
- Стандартизированность — единый глобальный стандарт обеспечивает унификацию и совместимость.
- Поддержка данных через GPRS и EDGE — возможность передачи данных при использовании дополнительных технологий.
- Технология скачков по частоте — использование 217 скачков в секунду для борьбы с интерференционными замираниями.
Недостатки GSM
Основные ограничения технологии:
- Искажение речи — при цифровой обработке и передаче изменяется качество звука.
- Ограниченная дальность действия — связь возможна на расстоянии не более 120 км от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн. Поэтому для покрытия определённой площади необходимо большее количество передатчиков, чем в более старых системах.
- Зависимость от частоты — чем выше частота излучения, тем хуже проникающая способность радиоволн в городской застройке. На частоте 1800 МГц требуется больше базовых станций, чем на 900 МГц.
- Подверженность помехам — радиосигналы GSM могут подвергаться воздействию физических препятствий, таких как здания, холмы или плохая погода. Электрические помехи от других устройств также могут вызывать проблемы.
- Очень низкая скорость передачи данных — максимум 9,6 кбит/с для чистого GSM, что является самым большим ограничением по сегодняшним меркам. Даже с GPRS и EDGE скорости остаются очень низкими по сравнению с 3G, 4G или 5G.
- Невозможность передачи мультимедиа — потоковая передача видео, аудио или использование сложных приложений невозможны при чистом подключении 2G GSM. Это было одной из главных причин перехода к 3G и выше.
- Ограниченная пропускная способность — структура TDMA имеет ограничения на количество пользователей, использующих частоту в определённой области. В очень густонаселённых районах сеть может перегружаться в часы пик.
- Требуется тарифная поддержка оператора — GSM-устройства требуют платной подписки на услуги сотовой связи.
- Чувствительность датчиков — в GSM-сигнализации датчики могут быть очень чувствительными и реагировать на малейшее движение, что приводит к ложным вызовам.
- Простота срабатывания экстренного вызова — в системах охраны это может привести к непреднамеренным срабатываниям.
- Необходимость репитеров в зонах слабого сигнала — в областях с плохим естественным покрытием (например, внутри больших зданий или в удаленных сельских районах) часто требуются усилители или репитеры.
- Постепенное вытеснение — в связи с развитием 3G, 4G и 5G, GSM постепенно выводится из эксплуатации многими операторами.
Применение GSM
Использование технологии в различных областях:
- Голосовая коммуникация — основное применение, телефонные звонки
- Текстовые сообщения (SMS) — коротких текстовых сообщений
- Мультимедийные сообщения (MMS) — отправка изображений и видео
- Передача данных (через GPRS/EDGE) — подключение к интернету
- M2M коммуникация — связь между приборами и устройствами
- IoT-приложения — смарт-счетчики, отслеживание груза
- GSM-сигнализация — системы охраны и безопасности
- Управление оборудованием — контроль замков, ворот, шлагбаумов
Сравнение поколений мобильной связи
| Параметр | GSM (2G) | GPRS (2.5G) | EDGE (2.75G) | 3G UMTS | LTE (4G) | 5G |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Скорость данных | 9,6 кбит/с | 171 кбит/с | 384 кбит/с | 2–5 Мбит/с | 150 Мбит/с+ | 1–20 Гбит/с |
| Голос | Да | Да | Да | Да | VoLTE | VoNR |
| SMS | Да | Да | Да | Да | Да | Да |
| Полоса канала | 200 кГц | 200 кГц | 200 кГц | 5 МГц | 1,4–20 МГц | 5–400 МГц |
| Модель доступа | Коммутация каналов | Пакеты | Пакеты | Пакеты | Пакеты | Пакеты |
| Дальность (1800 МГц) | 35 км | 35 км | 35 км | 3–5 км | 2–3 км | <2 км |
| Поколение | 2G | 2.5G | 2.75G | 3G | 4G | 5G |
| Стандартизация | 1990-е | 1997 | 1999 | 2001 | 2009 | 2016 |
Расширения и развитие GSM
HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data):
- Скорость: до 43,2 кбит/с в нисходящем канале и 14,4 кбит/с в восходящем
- Расширение GSM для повышения скорости передачи данных
GPRS (General Packet Radio Service — 2.5G):
EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution — 2.75G):
- Скорость: до 384 кбит/с
- Также называется EGPRS (Enhanced GPRS)
- Использует более эффективную модуляцию 8-PSK
- Поддерживается более чем 90% операторов GSM
Текущее состояние GSM
Несмотря на устаревание, GSM продолжает использоваться благодаря:
- Огромному охвату — везде, где есть мобильная сеть
- Низкой стоимости — оборудование дешевое и доступное
- Совместимости — с миллиардами установленных устройств
- Простоте — надёжная и проверенная технология
Однако постепенное вытеснение GSM более современными технологиями (LTE, 5G) неизбежно, и многие операторы планируют отключение GSM-сетей в ближайшие годы.
GSM представляет собой революционный прорыв в развитии мобильной коммуникации, открывший эру глобальной цифровой сотовой связи. Хотя технология значительно устарела по скорости передачи данных, она остаётся историческим достижением, которое:
- Объединило различные стандарты мобильной связи в едино мировой стандарт
- Открыло возможность международного роуминга
- Обеспечило безопасную и надежную голосовую коммуникацию для миллиардов людей
- Положила основу для всех последующих поколений мобильной связи (3G, 4G, 5G)
Несмотря на предстоящее вытеснение более быстрыми технологиями, GSM останется одной из самых значимых технологий в истории телекоммуникаций, обеспечившей беспроводную связь для большей части населения Земли.