جی‌اس‌ام

جی‌اس‌ام (GSM) یا سامانه جهانی ارتباطات همراه یکی از متداول‌ترین استانداردهای تلفن‌های همراه در جهان است.
فروشنده اصلی آن یعنی شرکت جی‌اس‌ام تخمین می‌زند که ۸۰ درصد از بازار جهانی تلفن همراه از این استاندارد استفاده می‌کند. سه میلیارد نفر در ۲۱۲ کشور از این استاندارد بهره می‌گیرند. گستردگی این استاندارد رومینگ بین‌المللی میان اپراتورهای تلفن همراه را رایج نموده‌است. این امکان مشترکین را قادر می‌سازد از تلفن‌های همراه خود در بیشتر نقاط دنیا استفاده کنند.
جی‌اس‌ام در اصل کوتاه شده Global System For Mobile Communication(سیستم جهانی برای ارتباطات تلفن همراه)
است.
تفاوت GSM با تکنولوژی‌های پیش از آن در سیگنالینگ و کانال‌های صدای دیجیتال است و به همین دلیل از آن به عنوان نسل دوم سیستم‌های تلفن همراه (۲G) یاد می‌شود.
همچنین GSM برای اولین بار یک جایگزین ارزان (برای حامل شبکه) برای تماس‌های تلفنی ارائه کرد، سرویس پیام کوتاه(SMS)، که امروزه در سایر استانداردهای تلفن همراه نیز پشتیبانی می‌شود. یک مزیت دیگر آن است که استاندارد شامل یک شماره تلفن اورژانس جهانی، ۱۱۲، می‌باشد.
نسخه‌های جدیدتر با استاندارد اصلی گوشی‌های GSM سازگار هستند. به عنوان مثال، در نسخه ۹۷ استاندارد قابلیت بسته داده با استفاده از GPRS افزوده شده‌است. نسخه ۹۹ با استفاده از تکنولوژی EDGE ارسال داده با سرعت بالا را ارائه کرد.
GSM سیستم جهانی برای ارتباطات تلفن همراه
یک مجموعه استاندارد توسعه یافته توسط موسسه اروپایی استانداردهای ارتباط از راه دور (ETSI) است، برای توصیف فناوری‌های نسل دوم دیجیتال تلفن همراه شبکه سلولی می‌باشد. این تکنولوژی توسعه یافت به عنوان جایگزینی است برای اولین نسل شبکه‌های سلولی آنالوگ. استاندارد GSM در اصل یک شبکه دیجیتال، مدار بسته بهینه‌سازی شده را توصیف می‌کند. برای ارتباطات دوطرفه تلفنی. این استاندارد در طول زمان گسترش یافت تا شامل انتقال داده روی خط مدار بسته شد، سپس بسته اطلاعات از طریق GPRS منتقل شد. سرعت انتقال بسته داده‌ها بعدا از طریق EDGE افزایش یافت.
انجمن GSM تخمین می‌زند که فناوری تعریف شده در استاندارد GSM در خدمت ۸۰٪ از جمعیت جهان، شامل بیش از ۵ میلیارد نفر در سراسر بیش از ۲۱۲ کشور و سرزمین، GSM را حاضرترین تکنولوژی بین تکنولوژی‌های شبکه‌های سلولی کرده‌است.
تاریخ
شبکه‌های سلولی آنالوگ اروپا ترکیب ناهماهنگی از تکنولوژی‌ها و پروتکل‌هایی که از کشوری به کشور دیگر متنوع اند را به کاربرد. از ایجاد قابلیت همکاری تجهیزات مشترک جلوگیری می‌کند و پیچیدگی ساخت تجهیزات را افزایش می‌دهد برای تولیدکنندگان تجهیزات که با استانداردهای متفاوت از بازارهای پراکنده رقابت می‌کنند. کار جهت توسعه یک استاندارد اروپایی برای تلفن‌های دیجیتال سلولی در سال ۱۹۸۲ آغاز شد زمانی که کنفرانس پستی و مخابرات دولت‌های اروپا (CEPT) کمیته ویژه موبایل Groupe و یک گروه دائمی پرسنل پشتیبانی فنی، مستقر در پاریس را ایجاد کرد. در سال ۱۹۸۷، ۱۵ نماینده از ۱۳ کشور اروپایی یادداشتی توافقی را به امضا رساندند، برای توسعه و استقرار سیستم مشترک تلفن همراه در سراسر اروپا..
فرانسه و آلمان توافقنامه توسعه مشترک در سال ۱۹۸۴ امضا کردند و ایتالیا و بریتانیا در سال ۱۹۸۶ به آن پیوستند. در سال ۱۹۸۶ کمیسیون اروپا رزرو باند طیف ۹۰۰ مگاهرتز را برای GSM پیشنهاد کرد. در سال ۱۹۸۷، پارامترهای اساسی استاندارد GSM به توافق رسید؛ و ۱۵ نماینده از ۱۳ کشور اروپایی تفاهم نامه‌ای را در کپنهاگ به امضا رساندند، به اعزام GSMها متعد شدند. در سال ۱۹۸۹، کمیته Groupe ویژه موبایل از CEPT به موسسه اروپایی استانداردهای ارتباط از راه دور (ETSI) منتقل شد.
فاز یک از مشخصات GSM در سال ۱۹۹۰ منتشر شد. اولین تماس GSM جهان تاریخی را در ۱ ژوئیه سال ۱۹۹۱ توسط نخست‌وزیر فنلاند Harri Holkeriبه Kaarina Suonio شهردار شهر تامپره ایجاد شد. شبکه برای اولین بار توسط Telenokia و زیمنس ساخته شده بود و توسط Radiolinja کار می‌کرد.
سال ۱۹۹۲، اولین SMS فرستاده شد و وودافون بریتانیا و مخابرات فنلاند توافق‌نامه رومینگ بین‌المللی را به امضا رساندند. کار در سال ۱۹۹۱ آغاز شده بود و برای گسترش استاندارد GSM به باند ۱۸۰۰ مگاهرتز فرکانس و ۱۸۰۰ مگاهرتز شبکه عملیاتی در بریتانیا در سال ۱۹۹۳ تبدیل شد؛ همچنین در سال ۱۹۹۳، شرکت مخابرات استرالیا اولین اپراتور شبکه تبدیل شد به استقرار یک شبکه GSM خارج از اروپا و از طرف برگزار شد اولین عملی GSM تلفن همراه در دسترس قرار گرفت.
در سال ۱۹۹۵، فکس، داده‌ها و SMS خدمات پیام رسانی تجاری عملیاتی شد، اولین ۱۹۰۰ مگاهرتز شبکه GSM در جهان عملیاتی در ایالات متحده تبدیل شد و مشترکان GSM در سراسر جهان بیش از ۱۰ میلیون است. در همین سال، انجمن GSM تشکیل شد. پیش پرداخت کارت سیم کارت GSM در سال ۱۹۹۶ آغاز شد و در سراسر جهان مشترک GSM 100 میلیون در سال ۱۹۹۸ به تصویب رساند.
جزئیات فنی
GSM یک شبکه سلولی است که تلفن‌های همراه از طریق جستجوی نزدیک‌ترین فضای اطراف به آن متصل می‌شوند. پنج اندازه متفاوت سلول در شبکه GSM وجود دارد. سلول‌های ماکرو، میکرو، پیکو، فمتو و چتری. محدوده پوشش هر سلول بر طبق محیط قرارگیری متفاوت است. سلول‌ها ماکرو به سلول‌هایی گفته می‌شود که آنتن ایستگاه پایگاه بر روی یک یا ساختمانی بالای ارتفاع متوسط پشت بام قرار گرفته‌است. سلول‌های میکرو سلول‌هایی هستند که ارتفاع آنتن کمتر از سطح متوسط بالای پشت بام است و معمولا در مناطق شهری استفاده. می‌شوند. Picocells سلول‌های کوچکی هستند که قطر پوشش آن‌ها چند ده متر است؛ آن‌ها به‌طور عمده مورد استفاده درون خانه هستند. Femtocells سلول طراحی برای استفاده در محیط‌های مسکونی یا کوچک کاری هستند و از طریق اتصال به اینترنت پهن باند به شبکه ارائه دهنده خدمات متصل می‌شوند. سلول‌های چتر برای پوشش مناطق سایه سلول‌های کوچک‌تر و پر کردن شکاف در پوشش بین این سلول‌ها استفاده می‌شود.
شعاع افقی سلول بر اساس ارتفاع آنتن، گیرش آنتن و شرایط گسترش از چند صد متر تا چند ده کیلومتر تغییر می‌کند. بیشترین مسافتی که مشخصات GSM پشتیبانی می‌کند ۳۵ کیلومتر است. همچنین چندین اجرای مفهوم سلول توسعه یافته وجود دارد که شعاع سلول می‌تواند با توجه به سیستم آنتن، نوع ناحیه (terrain)، زمان‌بندی پیشروی (timing advance)دو برابر یا بیشتر شود.
پوشش داخل سالن نیز توسط GSM پشتیبانی می‌شود و ممکن است با استفاده از picocell سرپوشیده ایستگاه پایه، یا یک تکرار کننده در محیط داخلی با آنتن توزیع داخل ساختمان تغذیه شده از تقسیم قدرت‌ها(power splitters)، برای ارائه سیگنال‌های رادیویی از آنتن خارج از منزل به سیستم جداگانه آنتن توزیع داخل ساختمان دست یافت. این‌ها نوعا زمانی گسترش می‌یابند که تعداد زیادی از ظرفیت تماس در داخل خانه مورد نیاز باشد، به عنوان مثال، در مراکز خرید یا فرودگاه. با این وجود این یک پیش نیاز نمی‌باشد، زیرا پوشش داخل ساختمان نیز توسط سیگنال‌های رادیویی نفوذی در ساختمان از هر سلول مجاور تامین می‌شود.
مدولاسیون مورد استفاده در GSM کلید زنی حداقل تغییر گاوسی (GMSK)، یک نوع از فاز پیوسته فرکانس کلید زنی تغییر است. در GMSK، سیگنالی که باید بر روی حامل مدوله شود ابتدا با یک صافی گاوسی پایین گذر قبل از تغذیه با زیر و بم کننده فرکانس هموار می‌شود، که تا حد زیادی تداخل در کانال‌های همسایه را کاهش می‌دهد (کانال مجاور تداخل)
فرکانس‌های حامل GSM
شبکه‌های GSM در تعدادی از دامنه‌های حامل فرکانس‌های مختلف عمل می‌کنند (جدا شده به محدوده فرکانس GSM برای 2G و باند فرکانس UMTS 3G)، با عملکرد اکثر شبکه‌های 2G GSM در باندهای۹۰۰ مگاهرتز یا ۱۸۰۰ مگاهرتز است که این باند کاملا اختصاص داده شده بود، باندهای ۸۵۰ مگاهرتز و ۱۹۰۰ مگاهرتز در عوض استفاده شد (برای مثال کانادا و ایالات متحده) در موارد نادری باندهای فرکانس ۴۰۰ و ۴۵۰ مگاهرتز در برخی از کشورها اختصاص یافت چرا که آن‌ها قبلا برای سیستم نسل اول مورد استفاده قرار گرفته بودند.
اکثر شبکه‌های 3G در اروپا در باند فرکانس ۲۱۰۰مگاهرتز کار می‌کنند.
صرف نظر از فرکانس انتخابی توسط اپراتور، آن به زمان‌های برای استفاده تلفن‌های شخصی تقسیم شده‌است. اینکار امکان داشتن هشت کانال صوتی با نرخ کامل یا شانزده نرخ نیمه در فرکانس رادیویی را اجازه می‌دهد. این هشت زمان‌های رادیویی (یا هشت دوره پشت سر هم) را به یک فریم TDMA گروه‌بندی می‌شوند. کانال‌های نرخ نیمه از فریم متناوب استفاده در زمان مشابه استفاده می‌کنند. کانال نرخ داده‌ها برای تمام ۸ کانال 270.833 kbit / است، و مدت زمان فریم 4.615 MS است.
قدرت انتقال در گوشی به ۲ وات در GSM850/900 و ۱ وات در GSM800/1900 محدود می‌شود.
کدک‌های صوتی
GSM از کدک‌های صوتی گوناگونی برای فشرده کردن صدای KHz 1/3 بین ۵/۶ و kbit/s13 استفاده کرده‌است. در اصل ۲ کدک نیم نرخ kbit/s5/6 و تمام نرخ kbit/s13 که بر مبنای نوع کانال‌هایی تخصیص یافته، نام‌گذاری شده‌اند، استفاده شد. این کدک‌ها از سیستم مبتنی بر برنامه‌نویسی خطی پیش بینی(LPC) استفاده کردند. علاوه بر اینکه با بیت ریت کارآمد هستند، این کدک‌ها تشخیص قسمت‌های مهم‌تر صدا را آسان‌تر نمودند و اجازه دادند که لایه هوا رابط کاربری قسمت‌های سیگنال را اولویت بندی کند و حفاظت بهتری صورت دهد.
GSM بیشتر در سال ۱۹۹۷ افزایش یافته بود ۸ با بهبود کدک تمام نرخ (EFR)، یک کدک 12.2 kbit / s که از یک کانال پر سرعت تمام نرخ استفاده می‌کند، در نهایت با توسعه UMTS, EFR به کدک سرعت متغیر به نام AMR – با باند باریک Refactored که با کیفیت بالا و مقاوم در برابر تداخل در زمان استفاده بر روی کانال‌های تمام نرخ است، و مقاومت کمتر اما هنوز با کیفیت نسبتا بالا است وقتی در شرایط خوب رادیویی در کانال نیم نرخ استفاده شود.
واحد شناسایی مشترک (SIM)
یکی از ویژگی‌های کلیدیGSM واحد شناسایی مشترک است، که به عنوان یک سیم کارت شناخته می‌شود. سیم کارت هوشمند قابل جداسازی حاوی اطلاعات اشتراک کاربر و دفترچه تلفن است. این کار به کاربر اجازه می‌دهد تا اطلاعات خود را پس از تعویض گوشی. حفظ نماید. متناوبا، کاربر همچنین می‌تواند اپراتور را با تغییر سیم کارت خود تغییر دهد در حالی که گوشی خود را نگاه می‌دارد. برخی اپراتورها با اجازه دادن به یک گوشی برای اتصال تنها به یک سیم کارت. یا تنها با سیم کارت‌های صادر شده توسط آن‌ها، جلوی این کار را می‌گیرند این عمل به عنوان قفل سیم کارت شناخته می‌شود.
قفل تلفن
گاهی اوقات اپراتورهای شبکه تلفن همراه، گوشی‌هایی که برای استفاده با شبکه‌های خود به فروش می‌رسانند محدود می‌کنند این کار به نام قفل کردن شناخته می‌شود و توسط برخی نرم‌افزارهای گوشی اجرا می‌شود. از آنجا که قیمت خرید تلفن همراه به مصرف‌کنندگان ممکن است با درآمد حاصل از اشتراک کم شود، اپراتورها باید این سرمایه‌گذاری را قبل از اینکه یک مشترک به خدمات پایان دهد جبران کند. مشترک معمولا ممکن است با ارائه دهنده برای برداشتن قفل برای هزینه‌ها تماس بگیرید، از خدمات خصوصی برای برداشتن قفل استفاده کند، یا از نرم‌افزارها و وب سایت‌های رایگان برای بازکردن گوشی خود استفاده نماید.
در برخی از کشورها (به عنوان مثال، لبنان، بنگلادش، هنگ‌کنگ، هند، مالزی، پاکستان، سنگاپور تمامی مدل‌ها باز به فروش می‌رسد. در برخی دیگر (به عنوان مثال، فنلاند، سنگاپور برای اپراتورها ارائه هر نوع یارانه‌ها بر قیمت یک گوشی غیرقانونی است ۹
امنیت GSM خدمات
GSM با سطح متوسط امنیتی سرویس طراحی شده بود. این سیستم هویت مشترک را با استفاده از یک کلید از قبل مشترک و سوال و پاسخ طراحی شده شناسایی می‌کند. ارتباطات بین مشترکین و ایستگاه پایه را می‌توان رمزگذاری کرد. توسعه UMTS واحد شناسایی مشترک اختیاری جهانی (USIM) را معرفی کرد که از کلید احراز هویت طولانی‌تر برای دادن امنیت بیشتر، و همچنین به عنوان دو طرف برای تصدیق هویت شبکه و کاربر استفاده می‌کند -- در حالیکه GSM تنها کاربر را به شبکه اعتبار می‌بخشد (و نه بر عکس) بنابراین، مدل امنیتی محرمانه بودن و احراز هویت را ارائه می‌دهد، اما قابلیت‌های اجرایی، و غیرقابل انکار محدود است.
GSM از چندین الگوریتم‌های رمزنگاری برای امنیت استفاده می‌کند رمزهای جریان A5/1 و A5/2 برای اطمینان از حریم خصوصی صدا روی هوا استفاده می‌شود. ابتدا A5/1 توسعه داده شد و یک الگوریتم قوی مورد استفاده در اروپا و ایالات متحده است. A5/2 ضعیف‌تر است و مورد استفاده در کشورهای دیگر است. نقاط ضعف جدی هر دو الگوریتم یافت شده‌است. احتمال شکستن A5/2 در زمان واقعی با حمله ciphertext وجود دارد در ژانویه ۲۰۰۷، انتخاب هکرها پروژه کراکینگ A5 /1 با برنامه استفاده از FPGAها شروع شد که اجازه می‌دهد که A5/1 با حمله جدول رنگین کمان شکسته شود. ۱۰ این سیستم از الگوریتم‌های متعدد پشتیبانی می‌کند تا اپراتورها آن رمزنگاری را با یک رمزنگاری قوی‌تر. جایگزین کنند.
در ۲۸ دسامبر ۲۰۰۹ مهندس کامپیوتر آلمانی کارلستن نول اعلام نمود که او رمزنگاری A5 / 1 را شکسته‌است. ۱۱بر اساس گفته‌های نول، او تعدادی از جداول رنگین کمان (ارزش‌های ایستا که زمان مورد نیاز برای انجام یک حمله را کاهش می‌دهد) را گسترش داد و منابع جدید برای حملات متنی شناخته شده یافت. او همچنین گفت که امکان ساخت "رهگیر GSM کامل برای اجزا منبع باز" وجود دارد اما آن‌ها تا به حال به دلیل مشکلات قانونی این کار را انجام نداده‌اند. ۱۲
حملات جدیدی مشاهده شده‌است که از پیاده‌سازی امنیت و معماری ضعیف و توسعه برنامه‌های کاربردی تلفن‌های هوشمند استفاده می‌کنند. برخی از تکنیک‌های شنود و استراق سمع ۱۳ ورودی و خروجی صوتی را می‌دزدند و فرصتی برای 3rd party فراهم می‌آورد تا به مکالمه گوش دهد. در حال حاضر چنین حملاتی از جمله اغلب در شکل تروجان، malware یا یک ویروس می‌آیند و ممکن است توسط نرم‌افزارهای امنیتی تشخیص داده شوند.
GSM از بسته عمومی خدمات رادیویی (GPRS) برای انتقال داده‌ها مانند مرور وب استفاده می‌کند.. شایع‌ترین GPRS و رمزهای EDGE عموما در سال ۲۰۱۱ شکسته شد و شواهد نشان می‌دهد که آن‌ها یک بار دیگر عمدا توسط طراحان صنعت تلفن همراه ضعیف باقی‌مانده‌اند. ۱۴
محققان نواقصی در رمزهای GEA/1و GEA/2 مورد استفاده عموم را نشان دادند و نرم‌افزار منبع باز "gprsdecode" برای یافتن شبکه‌های GPRS / EDGE منتشر کردند. آن‌ها همچنین اشاره کردند که برخی از حامل‌ها داده‌ها را رمزگذاری نمی‌کنند (به عنوان مثال استفاده از GEA / 0) به منظور تشخیص استفاده از ترافیک یا پروتکل‌هایی که آن‌ها دوست ندارند، به عنوان مثال اسکایپ، مشتریان خود را بدون محافظت تنها می‌گذارند. GEA/3 برای شکستن به نظر نسبتا سخت می‌رسد و گفته می‌شود: در برخی از شبکه‌های مدرن‌تر استفاده. می‌شود. اگر با USIM برای جلوگیری از اتصال به ایستگاه‌های پایه جعلی و حملات جمع و جور استفاده شود، کاربران در حد متوسط محافظت می‌شوند، هر چند انتقال به ۱۲۸ - بیت GEA / 4 هنوز هم توصیه می‌شود.
اما از آنجایی که GEA / 0 ،GEA/1 و GEA/2 به‌طور گسترده مستقر شده‌اند، برنامه‌های کاربردی باید از SSL / TLS برای داده‌های حساس استفاده کنند، همان‌طور که بر روی شبکه‌های Wi - Fi. استفاده می‌کنند.
اطلاعات استاندارد
سیستم‌های GSM و خدمات در مجموعه‌ای از استانداردهای اداره شونده توسط ETSI شرح داده می‌شوند، که لیست کاملی از آن موجود است
ساختار شبکه
شبکه به تعدادی بخش گسسته تقسیم یافته‌است:
 زیر سیستم ایستگاه پایه (ایستگاه‌های پایه و کنترل آن‌ها)
 شبکه و زیر سیستم سوئیچینگ (قسمتی از شبکه بیشتر شبیه به یک شبکه ثابت). گاهی هم فقط به نام شبکه‌های اصلی خوانده می‌شود)
هسته شبکه GPRS (بخش اختیاری که به بسته مبتنی اتصال به اینترنت اجازه می‌دهد).
 سیستم پشتیبانی عملیات (OSS) برای نگهداری از شبکه.
GSM نرم‌افزار کد منبع باز
چندین پروژه نرم‌افزاری منبع باز وجود دارد که ویژگی‌های خاصی از GSM: ارائه می‌دهد:
gsmd شبح توسط اوپن موکو ۱۶
OpenBTS توسعه یک پایگاه ایستگاه فرستنده و گیرنده
هدف پروژه نرم‌افزار GSM ساخت یک تحلیلگر GSM با قیمت کمتر از ۱۰۰۰ دلار است ۱۷
OsmocomBB توسعه‌دهندگان قصد دارند پشته اختصاصی باند GSM را با پیاده‌سازی نرم‌افزار آزاد جایگزین کنند. ۱۸
مشکلات با اختراع ثبت شده و منبع باز
اختراعات یک مشکل برای هر منبع باز پیاده‌سازیGSM باقی می‌مانند، زیرا برای GNU یا هر توزیع کننده نرم‌افزار رایگان برای تضمین مصونیت از تمامی پرونده‌های حقوقی دارندگان اختراع در برابر کاربران امکان‌پذیر نیست. علاوه بر این ویژگی‌های جدید در حال اضافه شدن به استاندارد در همه زمان‌ها است که بدان معنی است که آن‌ها حفاظت از حق ثبت اختراع برای چندین سال دارند.
پیاده‌سازی GSM اصلی از سال ۱۹۹۱ در حال حاضر به‌طور کامل عاری از ثبت اختراع encumbrances است و انتظار می‌رود که OpenBTS قادر به پیاده‌سازی ویژگی‌های آن خصوصیات اولیه بدون محدودیت است و به عنوان اختراع ثبت شده متعاقبا منقضی خواهد شد، آن ویژگی‌ها می‌توان به نسخه منبع باز اضافه شوند. در سال ۲۰۱۱، هیچ منع قانونی علیه کاربران برای استفاده OpenBTS بجای GSM وجود نداشته‌است.