Il Global System for Mobile Communications ( GSM ) (storicamente “Special Mobile Group”) è uno standard digitale di seconda generazione ( 2G ) per la telefonia mobile . Il gruppo di lavoro responsabile della definizione di questo standard è stato istituito nel 1982 dalla Conferenza europea delle amministrazioni delle poste e delle telecomunicazioni (CEPT).
È stato specificato e sviluppato dall'ETSI (Istituto europeo per gli standard di telecomunicazione) per la gamma di frequenze 900 MHz .
Una variante chiamata Digital Communication System ( DCS ) utilizza la gamma 1800 MHz .
Questo standard è particolarmente utilizzato in Europa, Africa, Medio Oriente e Asia. Vengono utilizzate anche altre due varianti, PCS (servizi di comunicazione personale) a 850 MHz e 1900 MHz . La protezione dei dati è garantita dagli algoritmi di crittografia A5/1 e A5/2 .
Per come è stata progettata, la rete GSM è ideale per comunicazioni di tipo “vocale” ( telefonia ). Poiché la rete è commutata , le risorse vengono allocate solo per la durata della conversazione, ad esempio quando si utilizzano linee telefoniche fisse. I clienti possono acquistare una carta prepagata o sottoscrivere un abbonamento.
Sotto l'egida dell'organizzazione 3GPP , lo standard GSM è stato poi esteso per supportare velocità più elevate e il trasporto di dati in modalità "packet" dalle estensioni GPRS (General Packet Radio Services) quindi EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution). Queste due modalità possono coesistere con la modalità “switched voice” del GSM e utilizzare le stesse antenne e le stesse bande di frequenza.
Il concetto di rete cellulare trae origine dalle reti di prima generazione messe in servizio all'inizio degli anni 80. Diversi paesi stanno a loro volta sviluppando reti utilizzando i propri sistemi cosiddetti analogici (le conversazioni sono trasmesse in chiaro), operanti su bande digitali. frequenze spesso diverse da uno stato all'altro. Le reti sono organizzate al meglio, secondo zone (celle) di dimensioni variabili corrispondenti grosso modo a cerchi di 30-50 chilometri di raggio, contigui o meno, al centro di ciascuna delle quali è installata un'antenna a relè . A seconda della topografia, è possibile che alcune celle coprano la stessa porzione di territorio. Quando un abbonato al servizio accende il suo terminale (il più delle volte cellulare a bordo), cerca automaticamente una stazione base (BTS) tramite scansione radio . Nel caso si trovino più stazioni base, il collegamento alla rete del terminale di bordo viene effettuato con la stazione che offre la migliore qualità dei segnali necessari per la comunicazione. Si dice poi che il terminale sia riconosciuto e registrato alla rete, che sia configurato in "modalità standby". Ora può ricevere chiamate ad esso destinate e inviarle tramite questa stazione base. Questa connessione rimane attiva finché i segnali rimangono ad un livello adeguato. Ciascuna stazione base dispone di un numero di canali bidirezionali (o full duplex) differenti assegnati dinamicamente (secondo necessità) ai terminali registrati. Se durante una comunicazione il terminale esce dalla cella e perde il collegamento con la stazione a cui è connesso, la conversazione viene gradualmente degradata, o addirittura interrotta improvvisamente, anche se capita di trovarsi in un'altra cella della stessa rete dove il terminale immediatamente cerca di registrarsi nuovamente. Questo inconveniente costringe spesso gli utenti a fermare il proprio veicolo per mantenere (quando possono) o per ritrovare una buona qualità di comunicazione. A lungo sconosciuta, la tecnica dell'handover (possibilità di mantenere la comunicazione senza limiti di spazio all'interno dei confini nazionali) resta da definire e sviluppare. Nonostante l'alto costo di installazione dei terminali e alcune carenze, i vari sistemi hanno riscontrato un certo successo, portando a un collo di bottiglia di risorse. La capacità di ciascuna stazione base limitata nelle connessioni in standby oltre alle comunicazioni simultanee rende obbligatorio il miglioramento di alcuni sistemi assegnando una banda di frequenza di servizio, consentendo di aumentare il numero di abbonati fino a uno stadio determinato, nell'ipotesi che essi non telefonate tutti contemporaneamente. I sistemi di telefonia mobile sono ancora agli inizi. Le antenne a relè delle BTS richiedono poi una potenza sufficiente per servire i terminali mobili da 2 o 10 watt con pesi diversi a seconda che si attrezzino rari pedoni o automobilisti. Per evitare interferenze, i cerchi di copertura adiacenti non possono riutilizzare le stesse frequenze riducendo così lo spettro di frequenza disponibile in ciascuna cella.
Nel 1987 le scelte tecniche relative all'utilizzo delle telecomunicazioni mobili di 2 ° generazione sono state fissate dal GSM (Gruppo per un Servizio Mobile) dell'ETSI . Vengono quindi utilizzate la trasmissione digitale (criptata) e non più analogica, la crittografia delle informazioni e il multiplexing a divisione di tempo dei canali radio.
Nel 1988, Ericsson ha sviluppato il suo primo sistema GSM per l'azienda Vodafone .
Nel 1991 è stata effettuata una prima comunicazione sperimentale da parte del gruppo GSM. Anche l'acronimo GSM cambia significato diventando Global System for Mobile communication . Le specifiche tecniche sono poi completate per poter operare nella banda 1800 MHz .
Al Salone Telecom 91 di Ginevra, tramite stazioni di trasmissione base installate nel vicino territorio francese, si dimostra l'utilizzo dei terminali GSM a bordo degli autoveicoli.
Sono presenti negli Stati Uniti e in Canada. Alcuni paesi utilizzano solo lo standard GSM 850 (Ecuador, Panama, ecc.). GSM 1900 è anche chiamato PCS 1900 ( Personal Communications Service ).
Questi due tipi di reti si trovano in Europa, in particolare, in Belgio, Spagna, Francia, Germania, Italia, Svizzera.
Il GSM 900 utilizza la banda 880-915 MHz per l'invio di voce o dati dal cellulare e la banda 925-960 MHz per la ricezione di informazioni dalla rete.
Il GSM 1800 utilizza la banda 1710 MHz -1 785 MHz per l'invio dei dati dal terminale mobile ( upload ) e la banda 1 805 MHz -1 880 MHz per la ricezione delle informazioni ( download ).
I dispositivi che funzionano sia a 900 che a 1800 sono chiamati GSM dual band o semplicemente dual band .
GSM 1800 è anche chiamato DCS 1800 ( Sistema di comunicazione digitale ).
La creazione di una rete GSM a 900 MHz con una buona copertura è spesso costosa nei paesi in via di sviluppo. Le aree da coprire sono enormi, la densità di popolazione in alcune località bassa ei mezzi finanziari per realizzare le infrastrutture sono ridotti. Il problema principale nelle aree scarsamente popolate è l'elevato numero di stazioni base da installare. Anche i paesi industrializzati affrontano questo problema di copertura nelle aree rurali.
L'uso di frequenze più basse aumenta notevolmente la portata delle stazioni base. Così in 450 MHz , la loro portata sarebbe quasi il doppio di quella che è in 900 MHz . Ericsson e Nokia hanno lavorato nei primi anni 2000 per sviluppare uno standard GSM operante nelle bande di frequenza 450 MHz e 480 MHz . Con queste frequenze la copertura radio potrebbe raggiungere i 120 km . Questo sarebbe particolarmente adatto per le zone costiere, desertiche o rurali, dove il traffico è leggero e il terreno è pianeggiante.
Ma questa tecnologia non ha avuto successo commerciale; nel 2012 questa banda di frequenza non è stata utilizzata da nessuna parte per le reti GSM e non è stato venduto alcun telefono compatibile GSM-450.
Le frequenze nella banda 900 MHz possono essere utilizzate per il GSM e, dal 2008, per l' UMTS .
La rete GSM-R è una rete privata dedicata alle comunicazioni ferroviarie Sol-Treni. È incompatibile con i terminali GSM o UMTS “pubblici” e quindi inaccessibile agli abbonati GSM convenzionali. In Francia, la banda di frequenza dedicata al GSM-R (876 - 880 MHz e 921 - 925 MHz ) è assegnata a diverse imprese ferroviarie, in particolare SNCF Réseau ed Eurotunnel, che dispongono ciascuna di una propria rete GSM-R.
L' assegnazione delle frequenze GSM e la sua evoluzione sono descritte nelle sezioni seguenti.
Prima della metà del 2011Su tutto il territorio metropolitano e in alcune aree molto dense fino alla fine del 2012:
Gli operatori possono condividere questa banda di frequenza tra GSM e UMTS . In caso di utilizzo misto, gli operatori con 10 MHz di banda allocano 5 MHz all'UMTS e 5 MHz al GSM.
Nella maggior parte dell'area metropolitana :
Circa 13 campi militari :
Su tutto il territorio metropolitano tranne che in aree molto dense:
In aree molto dense:
Bouygues Telecom può condividere la sua banda di frequenza ridotta a 2 x 21,6 MHz tra GSM e LTE nella Francia continentale:
Secondo le decisioni di Arcep of luglio 2015, Bouygues Telecom, Orange e SFR possono utilizzare questa banda di frequenza per GSM e LTE da maggio 2016 .
Free ha 15 MHz duplex in questa banda di frequenza utilizzabile per LTE . Le bande di frequenza degli altri 3 operatori sono state spostate e ridotte a 20 MHz duplex nella Francia metropolitana:
I telefoni cellulari contengono una scheda SIM estraibile per l'identificazione dell'utente (abbonato) ed eventualmente per memorizzare un numero di numeri di telefono . In alcuni terminali recenti, la carta SIM può essere sostituita da una carta SIM virtuale non rimovibile, la eSIM .
Ogni dispositivo ( apparecchiatura utente ) è inoltre identificato, indipendentemente dalla sua marca, un numero IMEI ottenuto digitando sulla tastiera, la sequenza USSD : *#06#. Questo identificatore IMEI può essere annotato e segnalato al suo operatore , in caso di furto, in modo da bloccarlo. Questo identificatore non deve essere confuso con l' IMSI contenuto nella carta SIM.
Il codice PIN è la password della carta SIM ; il codice PUK viene utilizzato per sbloccare una carta SIM, bloccata dopo aver inserito 3 codici PIN errati. Il codice PIN2, se presente, è una password per uno specifico sottoinsieme delle funzioni della carta SIM; ad esso viene associato, allo stesso modo, il codice PUK2.
Su una rete cellulare , un dispositivo è identificato da un codice TMSI ( Temporary Mobile Station Identifier ) derivato dal codice IMSI. Grazie a questo sistema IMSI/TMSI, un telefono cellulare non ha il proprio numero di chiamata divulgato sulla rete radio , il che garantisce la riservatezza delle chiamate: poiché i TMSI cambiano spesso e sono assegnati alternativamente a più terminali, una persona che intercetta traffico ha ben poco possibilità di associare un numero di telefono a un TMSI.
La rete specifica per il GSM si chiama PLMN ( Public Land Mobile Network ), ogni operatore ha il proprio. È collegato alla rete telefonica pubblica commutata (PSTN), ma anche direttamente ad altre reti di telefonia mobile ( UMTS , LTE ) ea quelle di altri operatori.
Il TDMA ( Time Division Multiple Access o inglese per TDMA Time Division Multiple Access ) e FDMA ( Frequency-Division Multiple Access o inglese per FDMA Frequency Division Multiple Access ) sono utilizzati per consentire a più utenti di essere connessi a stazioni di base senza saturare la rete.
Il GSM utilizza due bande di frequenza, una per l'uplink (TX), l'altra per il downlink (RX) a cui sono integrati i canali di segnalazione; la potenza del segnale è modulata in base alla distanza tra l'antenna e il GSM considerato, il che permette di avere una stima della distanza tra un utente e l'antenna.
La banda 880-915 MHz viene utilizzata in Europa, per l' uplink , mentre la banda 925-960 MHz viene utilizzata per il downlink. Ognuna di queste bande comprende 175 portanti ( canali ) distanziati di 200 kHz l'uno dall'altro ; in Francia, sono distribuiti tra 4 operatori (vedi frequenze GSM in Francia ). La modulazione utilizzata su queste portanti è GMSK , che consente di evitare sovrapposizioni di portanti.
Ogni vettore ha otto time slot (TS). Durano circa 577 μs. I canali fisici utilizzati per trasmettere la voce (o la segnalazione) sono questi slot.
Ogni vettore ha una velocità grezza di 271 kbit/s , mentre i canali fisici hanno una velocità grezza di 33,8 kbit/s . La velocità utile è di 24,7 kbit/s in GSM. Questa velocità è maggiore con gli standard, ottimizzati per il trasferimento di dati GPRS e EDGE che derivano dal GSM e utilizzano le stesse bande di frequenza e le stesse antenne a relè.
Il piano delle frequenze GSM è piuttosto complesso perché è necessario distribuire le lunghezze d'onda utilizzate tra le antenne in modo da evitare un effetto di risonanza che bloccherebbe le comunicazioni. Quindi la portata delle antenne così come la distribuzione delle lunghezze d'onda è un lavoro piuttosto delicato in modo che le celle non si confondano tra loro (una cella = la superficie radiante di un'antenna).
In pratica, se posto a margine di una cella radio, un GSM può vedere fino a 7 antenne, quella a cui è attualmente agganciato e 6 di riserva su cui può commutare in caso di spostamento, non appena il l'emissione di potenza necessaria per comunicare con una delle antenne di riserva diventerà più debole di quella necessaria per raggiungere la sua antenna attuale; una regola è quella di utilizzare costantemente la minima energia per comunicare.
La rete GSM consente diversi servizi:
Le reti GSM sono dislocate su un'ampia porzione della superficie terrestre; condizione necessaria per la connessione a una rete è la disponibilità di stazioni base (“celle radio”) vicine alla posizione del telefono cellulare (la carica della batteria del telefono influenza anche il raggio di ricezione). Pertanto, le aree scarsamente popolate (alta montagna, vaste campagne, deserti), le alte quote (ad esempio in aereo), le cavità terrestri (grotte, tunnel) e il mare (sopra e sotto la superficie) sono spesso prive di accesso alla rete GSM.
Le reti GSM ( Sistema globale per le comunicazioni mobili ) hanno coperto 219 paesi o territori nel 2014.
Nel 2016, l'associazione GSMA contava per le reti mobili GSM e derivate ( UMTS e LTE ) 4,8 miliardi di utenti unici e 7,9 miliardi di schede SIM collegabili in tutto il mondo.
In Germania coesistevano quattro operatori:
Le reti E-Plus e O 2fusa nel 2014 sotto il marchio O 2 ; La Germania passa poi a 3 operatori a seguito dell'acquisizione di E-Plus da parte di Telefònica.
In Belgio ci sono tre operatori: Base , Orange , Proximus . GSM o più colloquialmente G è anche l'espressione comunemente usata per designare un telefono cellulare in Belgio, sia francofono che neerlandese .
In Spagna ci sono quattro operatori:
In Francia ci sono quattro operatori :
Le prime tre reti offrono l'accesso ai servizi mobili in modalità GSM e GPRS / EDGE sulle bande di frequenza 900 MHz e 1 800 MHz , e in modalità UMTS , ora integrate dalla più recente tecnologia 4G LTE per Orange, SFR, Bouygues Telecom e Free mobile. La rete mobile Free utilizza lo standard 3G UMTS sulle bande di frequenza 900 MHz e 2100 MHz e lo standard LTE sulle bande di frequenza 700 MHz , 1800 MHz e 2600 MHz ; non è compatibile con GSM. Gli abbonati mobili gratuiti hanno invece accesso alle reti GSM/EDGE e UMTS di Orange grazie a un accordo di roaming siglato tra i due operatori.
Nel Regno Unito sono presenti quattro operatori, in seguito alla fusione di Orange e T-Mobile .
In Italia sono presenti quattro operatori:
La Svizzera ha tre operatori di telefonia mobile:
Il Portogallo ha tre operatori di telefonia mobile :
Nella Repubblica Democratica del Congo ci sono cinque operatori di telecomunicazioni:
In Marocco ci sono tre operatori:
In Algeria ci sono tre operatori:
In Tunisia ci sono tre operatori:
In Togo ci sono due operatori:
In Senegal ci sono tre operatori:
In Congo ci sono quattro operatori:
In Mauritania ci sono tre operatori:
In Niger ci sono quattro operatori:
Il Burkina Faso ha tre operatori:
In Mali ci sono due operatori:
La Costa d'Avorio ha 3 operatori:
In Camerun ci sono 3 operatori principali:
Gli Stati Uniti, che, per ragioni storiche, hanno utilizzato un altro standard: CDMA , hanno dal 2004, tramite le reti nazionali degli operatori AT&T e T-Mobile, la copertura GSM/UMTS di quasi tutto il territorio.
Esistono anche operatori virtuali che non dispongono di un'infrastruttura radio GSM, né di una banda di frequenza assegnata, ma che affittano le reti di altri operatori : gli MVNO .
La rete GSM ha la particolarità di autenticare solo l'utente, utilizzando la carta SIM . Il telefono non autentica la rete. È quindi possibile effettuare attacchi IMSI-catcher o man-in-the-middle per intercettare le comunicazioni.
Il 28 dicembre 2009, l'ingegnere del software ed esperto di crittografia Karsten Nohl ha rivelato al Chaos Communication Congress che lui e un gruppo avevano "infranto" il codice di crittografia GSM, A5 / 1 . Il loro attacco ha dimostrato la possibilità di decifrare le comunicazioni quasi in tempo reale. Nonostante ciò, i funzionari dello sviluppo GSM hanno indicato che sebbene l'algoritmo sia ora disponibile per tutti, l'intercettazione di una chiamata rimane complicata.
Molti gestori di telefonia mobile offrono sul proprio sito una pagina che permette di conoscere le aree di ricezione per ogni tipo di trasmissione (2G, 3G). Questi sono in molti casi sopravvalutati. Per questo esistono diversi progetti che mirano a costruire questo tipo di mappa a partire dalle informazioni fornite dalla ricezione effettiva di telefoni e smartphone che incorporano un GPS ; possiamo trovare ad esempio: