GSM ryšys – tai technologija, kuri fundamentaliai pakeitė mūsų gyvenimą, nors daugelis net nesusimąsto, kaip ji veikia. Kiekvieną kartą, kai skambinate telefonu ar siunčiate žinutę, jūsų prietaisas atlieka sudėtingą technologinį šokį su artimiausia bazine stotimi. Šis procesas, nors ir atrodo paprastas, iš tikrųjų yra vienas išradingiausių inžinerijos sprendimų XX amžiuje.
Kad suprastume GSM veikimo principus, reikia pažvelgti į šią technologiją kaip į gerai suorganizuotą miestą, kuriame kiekvienas elementas turi savo vaidmenį ir tiksliai žino, kada ir kaip veikti.
Kaip gimė GSM technologija
1980-ųjų pradžioje Europa susidūrė su problema – kiekviena šalis turėjo savo mobiliojo ryšio standartą. Vokietijoje veikė vienas, Prancūzijoje – kitas, o keliaujant per sieną telefono prietaisas tiesiog tapdavo nenaudingu gabalu plastiko ir metalo. Europos telekomunikacijų standartų institutas (ETSI) nusprendė sukurti bendrą standartą, kuris leistų laisvai naudotis mobiliuoju ryšiu visoje Europoje.
Pirmasis GSM skambutis buvo atliktas 1991 metais Suomijoje, o technologija greitai išplito po visą pasaulį. Interesus faktas – GSM iš pradžių reiškė „Groupe Spécial Mobile” (Specialioji mobilumo grupė), bet vėliau buvo pakeista į „Global System for Mobile Communications” (Globalus mobiliojo ryšio sistemos).
GSM technologija tapo tokia sėkminga ne tik dėl savo techninio tobulėjimo, bet ir dėl to, kad ji buvo sukurta kaip atviras standartas. Tai reiškė, kad bet kuris gamintojas galėjo kurti GSM suderinamą įrangą, o vartotojai galėjo laisvai rinktis tiek prietaisus, tiek paslaugų teikėjus.
GSM tinklo architektūra ir pagrindiniai komponentai
GSM tinklas veikia kaip sudėtinga hierarchinė sistema, kurioje kiekvienas lygmuo atlieka specifines funkcijas. Pats paprasčiausias būdas tai suprasti – įsivaizduoti piramidę, kurios viršuje yra jūsų telefonas, o apačioje – visa pasaulinė telekomunikacijų infrastruktūra.
Bazinės stotys (BTS – Base Transceiver Station) yra tie bokštai su antenomis, kuriuos matome mieste ar prie kelių. Jos tiesiogiai bendrauja su mobiliaisiais telefonais ir yra atsakingos už radijo signalų siuntimą bei gavimą. Kiekviena bazinė stotis aptarnauja tam tikrą teritoriją, vadinamą ląstele (cell), ir gali vienu metu palaikyti šimtus aktyvių pokalbių.
Bazinių stočių kontroleriai (BSC – Base Station Controller) koordinuoja kelių bazinių stočių darbą. Jie priima sprendimus apie tai, kuriai bazinei stočiai perduoti jūsų skambutį, kai judate, ir valdo radijo išteklių paskirstymą. Vienas BSC gali kontroliuoti dešimtis ar net šimtus bazinių stočių.
Mobilumo perjungimo centrai (MSC – Mobile Switching Center) yra GSM tinklo „smegenys”. Jie apdoroja skambučius, valdo autentifikaciją ir užtikrina, kad jūsų skambutis pasiektų gavėją, nesvarbu, kur jis būtų. MSC taip pat sąveikauja su kitais tinklais – fiksuoto ryšio, interneto ar kitų šalių GSM tinklais.
Radijo bangų valdymas ir dažnių paskirstymas
GSM technologijos širdis – tai radijo bangų valdymas. Sistema naudoja dažnių juostą nuo 890 iki 960 MHz (GSM 900) arba nuo 1710 iki 1880 MHz (GSM 1800). Šie dažniai padalinti į mažus kanalus, kurių kiekvienas gali perduoti vieną pokalbį.
Bet čia prasideda tikrasis technologinis stebuklas – laiko padalijimo metodas (TDMA – Time Division Multiple Access). Kiekvienas dažnių kanalas padalijamas į aštuonis laiko tarpus, vadinamus slotais. Tai reiškia, kad vienu metu viename kanale gali „kalbėti” aštuoni skirtingi telefonai, tik kiekvienas iš jų siunčia informaciją skirtingu laiko momentu.
Procesas vyksta tokiu greičiu, kad žmogaus ausis to nepajunta – jūsų telefonas siunčia duomenis tik 1/8 viso laiko, o likusį laiką „klauso” kitų pokalbių ar laukia savo eilės. Tai panašu į labai greitą pokalbį, kuriame kiekvienas dalyvis gali pasakyti tik vieną žodį kas sekundę, bet daro tai tokiu greičiu, kad atrodo, jog kalba nuolat.
Kad išvengtų trukdžių, gretimos bazinės stotys naudoja skirtingus dažnius. Tai vadinama dažnių pakartojimo schema – jei viena bazinė stotis naudoja dažnį A, tai gretimos naudos dažnius B ir C, o dažnis A bus naudojamas tik pakankamai nutolusioje bazinėje stotyje.
Skambučio užmezgimo procesas
Kai paspaudžiate skambinimo mygtuką, jūsų telefone prasideda fascinuojantis technologinis procesas. Pirmiausia telefonas turi „pristatyti save” tinklui – jis siunčia savo unikalų identifikatorių (IMSI – International Mobile Subscriber Identity), kuris saugomas SIM kortelėje.
Bazinė stotis gauna šią informaciją ir perduoda ją toliau grandinėje – BSC, tada MSC. Mobilumo perjungimo centras kreipiasi į specialų duomenų bazę (HLR – Home Location Register), kur saugoma informacija apie visus tinklo abonentus, jų paslaugų planus ir dabartinę buvimo vietą.
Jei viskas tvarkoje – abonentas egzistuoja, turi teisę naudotis paslaugomis ir nepažeidė mokėjimo terminų – tinklas „priima” telefoną ir priskiria jam laikinį identifikatorių (TMSI – Temporary Mobile Subscriber Identity). Šis identifikatorius keičiamas reguliariai saugumo sumetimais.
Dabar, kai norite kam nors paskambinti, jūsų telefonas siunčia užklausą su gavėjo numeriu. MSC analizuoja numerį ir nustato, kur yra gavėjas – galbūt jis prisijungęs prie kitos bazinės stoties šiame pačiame tinkle, o galbūt yra visai kitoje šalyje. Priklausomai nuo to, skambutis nukreipiamas atitinkamais kanalais.
Duomenų šifravimas ir saugumas
GSM buvo viena iš pirmųjų masiškai naudojamų technologijų, kuri įdiegė šifravimą kaip standartinę funkciją. Kiekvienas pokalbis ir žinutė šifruojami naudojant A5 algoritmą, nors šiandien jis laikomas pasenusiu ir nesaugiu.
Autentifikacijos procesas vyksta kiekvieną kartą, kai telefonas jungiasi prie tinklo. SIM kortelėje saugomas slaptas raktas (Ki – Individual Subscriber Authentication Key), kuris niekada neišeina iš kortelės. Kai tinklas nori patikrinti telefono tapatybę, jis siunčia atsitiktinį skaičių (RAND). SIM kortelė šį skaičių apdoroja naudodama slaptą raktą ir grąžina rezultatą (SRES). Tinklas atlieka tą patį skaičiavimą ir palygina rezultatus.
Šis procesas užtikrina, kad niekas negali „apsimesti” jūsų telefonu, net jei žino jūsų telefono numerį ar kitus viešus duomenis. Tačiau svarbu paminėti, kad GSM saugumas šiandien laikomas nepakankamu – profesionalūs piktadariai gali perklausyti pokalbius naudodami specializuotą į
Perdavimo procesas – sklandus judėjimas tarp bazinių stočių
Vienas iš GSM technologijos stebuklų – galimybė kalbėti telefonu judant automobiliu ar traukiniu. Šis procesas, vadinamas perdavimu arba „handoff”, yra tikras inžinerijos meistras.
Jūsų telefonas nuolat stebi ne tik tos bazinės stoties signalo stiprumą, prie kurios yra prisijungęs, bet ir visų gretimų stočių signalus. Kai signalo kokybė pradeda blogėti (pavyzdžiui, tolstant nuo bazinės stoties), telefonas apie tai praneša BSC.
BSC analizuoja situaciją ir nusprendžia, ar reikia perduoti pokalbį kitai bazinei stočiai. Jei taip, prasideda sudėtingas koordinacijos procesas – naujoji bazinė stotis paruošia kanalą, senoji gauna komandą perduoti pokalbį, o telefonas gauna instrukciją perjungti į naują dažnį.
Visas šis procesas užtrunka vos kelias milisekundes, todėl kalbantys žmonės jo nepajunta. Tačiau kartais, ypač judant dideliu greičiu arba vietovėse su prasta tinklo aprėptimi, galima išgirsti trumpus trukdžius – tai būtent handover proceso pėdsakai.
SMS žinučių perdavimo mechanizmas
Trumpųjų žinučių tarnyba (SMS) buvo sukurta kaip GSM technologijos „šalutinis produktas”, tačiau tapo viena iš populiariausių funkcijų. SMS žinutės keliauja visiškai kitaip nei balso duomenys – jos naudoja specialų kontrolės kanalą, kuris skirtas tinklo valdymo informacijai.
Kai siunčiate SMS žinutę, ji pirmiausia patenka į trumpųjų žinučių centrą (SMSC – Short Message Service Center). Šis centras veikia kaip pašto skyrius – jis priima žinutę, patikrina gavėjo numerį ir bando ją pristatyti. Jei gavėjo telefonas išjungtas arba nepasiekiamas, SMSC saugo žinutę ir bando pristatyti vėliau.
Dėl šio mechanizmo SMS žinutės kartais gali būti pristatytos su vėlavimu – jei tinklas apkrautas arba gavėjas ilgai buvo nepasiekiamas. Taip pat dėl to SMS žinutės yra itin patikimos – jos retai „pasimeta”, nes SMSC bando pristatyti žinutę keletą dienų.
Technologijos plėtra ir ateities perspektyvos
Nors GSM technologija šiandien gali atrodyti pasenusi, palyginti su 4G ar 5G, ji vis dar plačiai naudojama visame pasaulyje. Daugelis IoT (interneto daiktų) prietaisų naudoja GSM ryšį dėl jo patikimumo ir mažo energijos suvartojimo.
GSM technologija taip pat tapo pagrindu visoms vėlesnėms mobiliojo ryšio technologijoms. 3G (UMTS), 4G (LTE) ir 5G technologijos naudoja panašius principus – ląstelių struktūrą, dažnių valdymą ir skaitmeninį signalų apdorojimą. Net šiuolaikiniai išmanieji telefonai vis dar palaiko GSM ryšį kaip atsarginį variantą.
Kai kurios šalys jau pradėjo išjunginėti GSM tinklus, pakeisdamos juos modernesnėmis technologijomis. Tačiau šis procesas užtruks dar daug metų, nes GSM infrastruktūra yra labai plačiai paplitusi ir patikima.
Kodėl GSM vis dar formuoja mūsų ryšio ateitį
GSM technologija išmokė mus, kad mobilus ryšys gali būti ne tik patikimas, bet ir universalus. Jos sukurti principai – ląstelių struktūra, dažnių pakartojimo schemos, skaitmeninis signalų apdorojimas – vis dar naudojami šiuolaikinėse technologijose.
Jei šiandien galite laisvai keliauti po pasaulį ir naudotis telefonu bet kurioje šalyje, tai daugiausia GSM technologijos nuopelnas. Ji pirmoji įrodė, kad globalus mobiliojo ryšio standartas yra ne tik įmanomas, bet ir būtinas.
Praktiškai tai reiškia, kad suprasdami GSM veikimo principus, lengviau suprasti ir šiuolaikines technologijas. 5G tinklai naudoja panašią ląstelių struktūrą, tik daug mažesnes ląsteles ir aukštesnius dažnius. Handover procesas išliko panašus, tik tapo greitesnis ir protingesnis.
Taigi GSM – tai ne tik technologijos istorijos dalis, bet ir pamatas, ant kurio statoma mūsų skaitmeninė ateitis. Kiekvieną kartą, kai naudojatės telefonu, prisiminkite – jūs dalyvaujate viename sudėtingiausių technologinių procesų, kurį žmonija kada nors sukūrė.