GSM

GSM

El logotipo GSM se utiliza para identificar dispositivos y equipos compatibles. Los puntos simbolizan tres clientes en la red doméstica y un cliente en itinerancia. [1]
Industria	Telecomunicaciones
Fundado	Diciembre de 1991 ; hace 32 años ( Diciembre de 1991 )
Sucesor	3G
Productos	Redes celulares digitales
Sitio web	www.gsma.com

El Sistema Global para Comunicaciones Móviles ( GSM ) es un estándar desarrollado por el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI) para describir los protocolos para redes celulares digitales de segunda generación ( 2G ) utilizadas por dispositivos móviles como teléfonos móviles y tabletas. GSM también es una marca registrada propiedad de la Asociación GSM . ^[2] GSM también puede referirse al códec de voz Full Rate . ^[3]

Se implementó por primera vez en Finlandia en diciembre de 1991. ^[4] A mediados de la década de 2010, se convirtió en un estándar global para comunicaciones móviles, logrando más del 90% de la participación de mercado y operando en más de 193 países y territorios. ^[5]

Las redes 2G se desarrollaron como reemplazo de las redes celulares analógicas de primera generación ( 1G ). El estándar GSM originalmente describía una red digital conmutada por circuitos optimizada para telefonía de voz full duplex . Esto se expandió con el tiempo para incluir comunicaciones de datos, primero mediante transporte conmutado por circuitos , luego mediante transporte de datos en paquetes a través del Servicio General de Radio por Paquetes (GPRS) y Velocidades de Datos Mejoradas para la Evolución GSM (EDGE).

Posteriormente, el 3GPP desarrolló los estándares UMTS de tercera generación ( 3G ) , seguidos por los estándares LTE Advanced de cuarta generación ( 4G ) y los estándares 5G de quinta generación , que no forman parte del estándar ETSI GSM.

A finales de la década de 2010, varios operadores de todo el mundo comenzaron a cerrar sus redes GSM. Sin embargo, como resultado del uso generalizado de la red, el acrónimo "GSM" todavía se utiliza como término genérico para la gran cantidad de tecnologías de telefonía móvil G que evolucionaron a partir de ella.

En 1983, se comenzó a trabajar en el desarrollo de un estándar europeo para las telecomunicaciones de voz celular digital cuando la Conferencia Europea de Administraciones de Correos y Telecomunicaciones (CEPT) creó el comité Groupe Spécial Mobile (GSM) y más tarde proporcionó un grupo de apoyo técnico permanente con sede en París . Cinco años después, en 1987, 15 representantes de 13 países europeos firmaron un memorando de entendimiento en Copenhague para desarrollar e implementar un sistema de telefonía celular común en toda Europa, y se aprobaron las reglas de la UE para convertir el GSM en un estándar obligatorio. ^[6] La decisión de desarrollar un estándar continental finalmente resultó en una red unificada, abierta y basada en estándares que era más grande que la de los Estados Unidos. ^{[7] [8] [9] [10]}

En febrero de 1987, Europa elaboró ​​la primera especificación técnica GSM acordada. Los ministros de los cuatro grandes países de la UE consolidaron su apoyo político al GSM con la Declaración de Bonn sobre las Redes Globales de Información en mayo y el memorando de entendimiento sobre el GSM se presentó para su firma en septiembre. El memorando de entendimiento atrajo a operadores móviles de toda Europa para comprometerse a invertir en nuevas redes GSM en una ambiciosa fecha común.

En este breve período de 38 semanas, toda Europa (países e industrias) se había unido al GSM en una rara unidad y velocidad guiada por cuatro funcionarios públicos: Armin Silberhorn (Alemania), Stephen Temple (Reino Unido), Philippe Dupuis (Francia) y Renzo Failli (Italia). ^[11] En 1989, el comité Groupe Spécial Mobile fue transferido de la CEPT al Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI). ^{[8] [9] [10]} El IEEE/RSE otorgó a Thomas Haug y Philippe Dupuis la medalla James Clerk Maxwell 2018 por su "liderazgo en el desarrollo del primer estándar internacional de comunicaciones móviles con la posterior evolución hacia la comunicación mundial de datos por teléfonos inteligentes". ^[12] El GSM (2G) ha evolucionado hacia 3G, 4G y 5G.

En paralelo, Francia y Alemania firmaron un acuerdo de desarrollo conjunto en 1984 y se les unieron Italia y el Reino Unido en 1986. En 1986, la Comisión Europea propuso reservar la banda de espectro de 900 MHz para GSM. Durante mucho tiempo se creyó que el ex primer ministro finlandés Harri Holkeri realizó la primera llamada GSM del mundo el 1 de julio de 1991, llamando a Kaarina Suonio (vicealcaldesa de la ciudad de Tampere ) utilizando una red construida por Nokia y Siemens y operada por Radiolinja . ^[13] En 2021, un ex ingeniero de Nokia, Pekka Lonka, reveló a Helsingin Sanomat haber realizado una llamada de prueba solo un par de horas antes. "La primera llamada GSM del mundo la hice yo. Llamé a Marjo Jousinen, en Salo", informó Lonka. ^[14] El año siguiente se envió el primer mensaje de servicio de mensajes cortos (SMS o "mensaje de texto"), y Vodafone UK y Telecom Finland firmaron el primer acuerdo de roaming internacional .

En 1991 se empezó a trabajar para ampliar el estándar GSM a la banda de frecuencia de 1800 MHz y en 1993 se puso en funcionamiento en el Reino Unido la primera red de 1800 MHz, denominada DCS 1800. Ese mismo año, Telstra se convirtió en el primer operador de red en desplegar una red GSM fuera de Europa y se puso a disposición el primer teléfono móvil GSM portátil práctico .

En 1995 se lanzaron comercialmente los servicios de fax, datos y mensajería SMS, la primera red GSM de 1900 MHz entró en funcionamiento en los Estados Unidos y los abonados GSM en todo el mundo superaron los 10 millones. Ese mismo año se formó la Asociación GSM . En 1996 se lanzaron las tarjetas SIM GSM de prepago y en 1998 los abonados GSM en todo el mundo superaron los 100 millones. ^[9]

En 2000 se lanzaron los primeros servicios comerciales del Servicio General de Radio por Paquetes (GPRS) y los primeros teléfonos móviles compatibles con GPRS estuvieron disponibles para la venta. En 2001 se lanzó la primera red UMTS (W-CDMA), una tecnología 3G que no forma parte de GSM. Los suscriptores de GSM en todo el mundo superaron los 500 millones. En 2002 se introdujo el primer Servicio de Mensajería Multimedia (MMS) y la primera red GSM en la banda de frecuencia de 800 MHz entró en funcionamiento. Los servicios de Velocidades de Datos Mejoradas para la Evolución GSM (EDGE) comenzaron a funcionar en una red en 2003, y el número de suscriptores de GSM en todo el mundo superó los mil millones en 2004. ^[9]

En 2005, las redes GSM representaban más del 75% del mercado mundial de redes celulares, y prestaban servicio a 1.500 millones de suscriptores. En 2005, también se puso en funcionamiento la primera red compatible con HSDPA . La primera red HSUPA se lanzó en 2007. ( El acceso a paquetes de alta velocidad (HSPA) y sus versiones de enlace ascendente y descendente son tecnologías 3G, no parte de GSM). Los suscriptores mundiales de GSM superaron los tres mil millones en 2008. ^[9]

La Asociación GSM estimó en 2011 que las tecnologías definidas en el estándar GSM servían al 80% del mercado móvil, abarcando a más de 5 mil millones de personas en más de 212 países y territorios, lo que convierte a GSM en el más omnipresente de los muchos estándares para redes celulares. ^[15]

GSM es un estándar de segunda generación (2G) que utiliza el acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) para compartir el espectro, emitido por el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI). El estándar GSM no incluye el Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (UMTS) 3G, la tecnología de acceso múltiple por división de código (CDMA) ni los estándares de tecnología de acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA) 4G LTE emitidos por el 3GPP. ^[16]

Por primera vez, el GSM estableció un estándar común para las redes inalámbricas en Europa. También fue adoptado por muchos países fuera de Europa, lo que permitió a los abonados utilizar otras redes GSM que tenían acuerdos de itinerancia entre sí. El estándar común redujo los costos de investigación y desarrollo, ya que el hardware y el software se podían vender con apenas pequeñas adaptaciones para el mercado local. ^[17]

Telstra en Australia cerró su red GSM 2G el 1 de diciembre de 2016, el primer operador de red móvil en desmantelar una red GSM. ^[18] El segundo proveedor móvil en cerrar su red GSM (el 1 de enero de 2017) fue AT&T Mobility de los Estados Unidos . ^[19] Optus en Australia completó el cierre de su red GSM 2G el 1 de agosto de 2017, parte de la red GSM de Optus que cubre Australia Occidental y el Territorio del Norte se había cerrado a principios de año en abril de 2017. ^[20] Singapur cerró los servicios 2G por completo en abril de 2017. ^[21]

La red está estructurada en varias secciones discretas:

• Subsistema de estación base : las estaciones base y sus controladores
• Subsistema de red y conmutación : la parte de la red más similar a una red fija, a veces llamada simplemente "red central".
• Red central GPRS : la parte opcional que permite conexiones a Internet basadas en paquetes
• Sistema de soporte de operaciones (OSS) – mantenimiento de red

GSM utiliza una red celular , lo que significa que los teléfonos celulares se conectan a ella buscando celdas en las inmediaciones. Hay cinco tamaños de celda diferentes en una red GSM:

• macro
• micro
• pico
• femto , y
• células paraguas

El área de cobertura de cada celda varía según el entorno de implementación. Las macroceldas pueden considerarse celdas en las que la antena de la estación base está instalada en un mástil o en un edificio por encima del nivel medio del tejado. Las microceldas son celdas cuya altura de antena está por debajo del nivel medio del tejado; normalmente se instalan en zonas urbanas. Las picoceldas son celdas pequeñas cuyo diámetro de cobertura es de unas pocas docenas de metros; se utilizan principalmente en interiores. Las femtoceldas son celdas diseñadas para su uso en entornos residenciales o de pequeñas empresas y se conectan a la red de un proveedor de servicios de telecomunicaciones a través de una conexión a Internet de banda ancha . Las celdas paraguas se utilizan para cubrir regiones sombreadas de celdas más pequeñas y para rellenar los huecos de cobertura entre esas celdas.

El radio horizontal de la celda varía, dependiendo de la altura de la antena, la ganancia de la antena y las condiciones de propagación , desde un par de cientos de metros hasta varias decenas de kilómetros. La distancia más larga que la especificación GSM admite en el uso práctico es de 35 kilómetros (22 millas). También existen varias implementaciones del concepto de celda extendida, ^[22] donde el radio de la celda podría ser el doble o incluso más, dependiendo del sistema de antena, el tipo de terreno y el avance de tiempo .

GSM admite cobertura en interiores (lo que se logra mediante el uso de una estación base de picoceldas en interiores o un repetidor en interiores con antenas distribuidas en interiores alimentadas a través de divisores de potencia) para enviar las señales de radio desde una antena en el exterior al sistema de antena distribuida en interiores independiente. Las picoceldas se suelen implementar cuando se necesita una capacidad de llamadas significativa en interiores, como en centros comerciales o aeropuertos. Sin embargo, esto no es un requisito previo, ya que la cobertura en interiores también se proporciona mediante la penetración en el interior de los edificios de señales de radio desde cualquier celda cercana.

Las redes GSM operan en varios rangos de frecuencias de portadora diferentes (separados en rangos de frecuencia GSM para 2G y bandas de frecuencia UMTS para 3G), y la mayoría de las redes GSM 2G operan en las bandas de 900 MHz o 1800 MHz. En los casos en que estas bandas ya estaban asignadas, se utilizaron en su lugar las bandas de 850 MHz y 1900 MHz (por ejemplo, en Canadá y Estados Unidos). En casos excepcionales, las bandas de frecuencia de 400 y 450 MHz se asignan en algunos países porque se utilizaron anteriormente para sistemas de primera generación.

A modo de comparación, la mayoría de las redes 3G en Europa operan en la banda de frecuencia de 2100 MHz. Para obtener más información sobre el uso de frecuencias GSM en todo el mundo, consulte Bandas de frecuencia GSM .

Independientemente de la frecuencia seleccionada por un operador, se divide en intervalos de tiempo para teléfonos individuales. Esto permite ocho canales de voz de velocidad completa o dieciséis de velocidad media por frecuencia de radio . Estos ocho intervalos de tiempo de radio (o períodos de ráfaga ) se agrupan en una trama TDMA . Los canales de velocidad media utilizan tramas alternas en el mismo intervalo de tiempo. La velocidad de datos del canal para los 8 canales es de 270,833 kbit/s y la duración de la trama es de 4,615 ms. ^[23] El ruido TDMA es una interferencia que se puede escuchar en los altavoces cerca de un teléfono GSM que utiliza TDMA, audible como un zumbido. ^[24]

La potencia de transmisión en el teléfono está limitada a un máximo de 2 vatios en GSM 850/900 y 1 vatio en GSM 1800/1900 .

GSM ha utilizado una variedad de códecs de voz para comprimir el audio de 3,1 kHz en entre 7 y 13 kbit/s. Originalmente, se utilizaban dos códecs, nombrados según el tipo de canal de datos al que se les asignaba, llamados Half Rate (6,5 kbit/s) y Full Rate (13 kbit/s). Estos utilizaban un sistema basado en codificación predictiva lineal (LPC). Además de ser eficientes con las tasas de bits , estos códecs también facilitaban la identificación de partes más importantes del audio, lo que permitía a la capa de interfaz aérea priorizar y proteger mejor estas partes de la señal. GSM se mejoró aún más en 1997 ^[25] con el códec Enhanced Full Rate (EFR), un códec de 12,2 kbit/s que utiliza un canal de tasa completa. Finalmente, con el desarrollo de UMTS , EFR se refactorizó en un códec de velocidad variable llamado AMR-Narrowband , que es de alta calidad y robusto contra interferencias cuando se usa en canales de velocidad completa, o menos robusto pero aún de relativamente alta calidad cuando se usa en buenas condiciones de radio en un canal de velocidad media.

ʜ=== Módulo de identidad del suscriptor (SIM) ===

Una de las características clave del GSM es el módulo de identidad del abonado , comúnmente conocido como tarjeta SIM . La SIM es una tarjeta inteligente extraíble ^[2] que contiene la información de suscripción y la agenda telefónica del usuario. Esto permite a los usuarios conservar su información después de cambiar de teléfono. Alternativamente, los usuarios pueden cambiar de red o de identidad de red sin cambiar de teléfono, simplemente cambiando la SIM.

En ocasiones, los operadores de redes móviles restringen los teléfonos que venden para uso exclusivo en su propia red. Esto se denomina bloqueo de SIM y se implementa mediante una función de software del teléfono. Por lo general, un suscriptor puede comunicarse con el proveedor para eliminar el bloqueo a cambio de una tarifa, utilizar servicios privados para eliminar el bloqueo o utilizar software y sitios web para desbloquear el teléfono por sí mismo. Es posible hackear un teléfono bloqueado por un operador de red.

En algunos países y regiones (por ejemplo, Brasil y Alemania ), todos los teléfonos se venden desbloqueados debido a la abundancia de terminales y operadores con doble SIM. ^[26]

El GSM fue concebido como un sistema inalámbrico seguro. Se ha considerado la autenticación de usuarios mediante una clave precompartida y un sistema de desafío-respuesta , así como el cifrado por aire. Sin embargo, el GSM es vulnerable a distintos tipos de ataques, cada uno de ellos dirigido a una parte diferente de la red. ^[27]

Los resultados de la investigación indican que GSM se enfrenta a la vulnerabilidad de ser hackeado por script kiddies , un término que se refiere a individuos inexpertos que utilizan hardware y software fácilmente disponibles. La vulnerabilidad surge de la accesibilidad de herramientas como un sintonizador de TV DVB-T, lo que representa una amenaza tanto para los usuarios de teléfonos móviles como para los de la red. A pesar de que el término "script kiddies" implica una falta de habilidades sofisticadas, las consecuencias de sus ataques al GSM pueden ser graves y afectar la funcionalidad de las redes celulares . Dado que GSM sigue siendo la principal fuente de tecnología celular en numerosos países, su susceptibilidad a posibles amenazas de ataques maliciosos es algo que debe abordarse. ^[28]

El desarrollo de UMTS introdujo un módulo de identidad de abonado universal (USIM) opcional, que utiliza una clave de autenticación más larga para ofrecer mayor seguridad, además de autenticar mutuamente la red y el usuario, mientras que GSM sólo autentica al usuario en la red (y no al revés). El modelo de seguridad ofrece, por tanto, confidencialidad y autenticación, pero capacidades de autorización limitadas y no repudio .

GSM utiliza varios algoritmos criptográficos para la seguridad. Los cifrados de flujo A5/1 , A5/2 y A5/3 se utilizan para garantizar la privacidad de la voz por aire. A5/1 se desarrolló primero y es un algoritmo más fuerte utilizado en Europa y Estados Unidos; A5/2 es más débil y se utiliza en otros países. Se han encontrado debilidades graves en ambos algoritmos: es posible romper A5/2 en tiempo real con un ataque de solo texto cifrado , y en enero de 2007, The Hacker's Choice comenzó el proyecto de descifrado A5/1 con planes de usar FPGAs que permitan romper A5/1 con un ataque de tabla arco iris . ^[29] El sistema admite múltiples algoritmos para que los operadores puedan reemplazar ese cifrado con uno más fuerte.

Desde el año 2000 se han llevado a cabo diferentes esfuerzos para descifrar los algoritmos de cifrado A5. Se han descifrado tanto los algoritmos A5/1 como A5/2, y su criptoanálisis ha sido revelado en la literatura. Como ejemplo, Karsten Nohl desarrolló una serie de tablas arco iris (valores estáticos que reducen el tiempo necesario para llevar a cabo un ataque) y ha encontrado nuevas fuentes para ataques de texto plano conocidos . ^[30] Dijo que es posible construir "un interceptor GSM completo  ... a partir de componentes de código abierto", pero que no lo habían hecho por cuestiones legales. ^[31] Nohl afirmó que era capaz de interceptar conversaciones de voz y texto haciéndose pasar por otro usuario para escuchar el correo de voz , hacer llamadas o enviar mensajes de texto utilizando un teléfono móvil Motorola de siete años de antigüedad y un software de descifrado disponible de forma gratuita en línea. ^[32]

GSM utiliza el Servicio General de Radio por Paquetes (GPRS) para la transmisión de datos, como navegar por Internet. Los cifrados GPRS más utilizados se descifraron públicamente en 2011. ^[33]

Los investigadores revelaron fallos en los algoritmos de cifrado GEA/1 y GEA/2 (GPRS Encryption Algorithms 1 y 2) de uso común y publicaron el software de código abierto "gprsdecode" para rastrear redes GPRS. También observaron que algunos operadores no cifran los datos (es decir, utilizan GEA/0) para detectar el uso de tráfico o protocolos que no les gustan (por ejemplo, Skype ), lo que deja a los clientes desprotegidos. GEA/3 parece seguir siendo relativamente difícil de descifrar y se dice que se utiliza en algunas redes más modernas. Si se utiliza con USIM para evitar conexiones a estaciones base falsas y ataques de degradación , los usuarios estarán protegidos a medio plazo, aunque todavía se recomienda la migración a GEA/4 de 128 bits.

El primer criptoanálisis público de GEA/1 y GEA/2 (también escrito GEA-1 y GEA-2) se realizó en 2021. Concluyó que, aunque utiliza una clave de 64 bits, el algoritmo GEA-1 en realidad proporciona solo 40 bits de seguridad, debido a una relación entre dos partes del algoritmo. Los investigadores descubrieron que era muy poco probable que esta relación hubiera sucedido si no hubiera sido intencional. Esto puede haberse hecho para satisfacer los controles europeos sobre la exportación de programas criptográficos. ^{[34] [35] [36]}

Los sistemas y servicios GSM se describen en un conjunto de normas regidas por ETSI , donde se mantiene una lista completa. ^[37]

Existen varios proyectos de software de código abierto que proporcionan ciertas funciones GSM: ^[38]

• Demonio gsmd de Openmoko ^[39]
• OpenBTS desarrolla una estación transceptora base
• El Proyecto de Software GSM tiene como objetivo construir un analizador GSM por menos de 1.000 dólares ^[40]
• Los desarrolladores de OsmocomBB pretenden reemplazar la pila GSM de banda base propietaria con una implementación de software libre ^[41]
• YateBTS desarrolla una estación transceptora base ^[42]

Las patentes siguen siendo un problema para cualquier implementación GSM de código abierto, porque ni GNU ni ningún otro distribuidor de software libre pueden garantizar inmunidad frente a todas las demandas de los titulares de patentes contra los usuarios. Además, todo el tiempo se añaden nuevas características al estándar, lo que significa que tienen protección de patente durante varios años. ^{[ cita requerida ]}

Las implementaciones originales de GSM de 1991 pueden estar ahora completamente libres de gravámenes de patentes, sin embargo, la libertad de patentes no es segura debido al sistema de "primero en inventar" de los Estados Unidos que estuvo vigente hasta 2012. El sistema de "primero en inventar", junto con el "ajuste del plazo de la patente" puede extender la vida de una patente estadounidense mucho más allá de los 20 años a partir de su fecha de prioridad. No está claro en este momento si OpenBTS podrá implementar características de esa especificación inicial sin límite. Sin embargo, a medida que las patentes expiren posteriormente, esas características se pueden agregar a la versión de código abierto. A partir de 2011 ^[actualizar], no ha habido demandas contra los usuarios de OpenBTS por el uso de GSM. ^{[ cita requerida ]}

• Redl, Siegmund M.; Weber, Matthias K.; Oliphant, Malcolm W. (febrero de 1995). Introducción al GSM . Artech House. ISBN 978-0-89006-785-7.
• Redl, Siegmund M.; Weber, Matthias K.; Oliphant, Malcolm W. (abril de 1998). Manual de comunicaciones personales y GSM . Biblioteca de comunicaciones móviles de Artech House. Artech House. ISBN 978-0-89006-957-8.
• Hillebrand, Friedhelm, ed. (diciembre de 2001). GSM y UMTS: la creación de las comunicaciones móviles globales . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-84322-2.
• Mouly, Michel; Pautet, Marie-Bernardette (junio de 2002). El sistema GSM para comunicaciones móviles . Telecom Publishing. ISBN 978-0-945592-15-0.
• Salgues, Salgues B. (abril de 1997). Les telécoms mobiles GSM DCS . Hermes (2ª ed.). Publicaciones de Ciencias Hermes. ISBN 978-2866016067.

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• Asociación GSM: grupo comercial oficial de la industria que representa a los operadores de redes GSM en todo el mundo
• 3GPP—Grupo de desarrollo de estándares GSM 3G
• LTE-3GPP.info: decodificador de mensajes GSM en línea totalmente compatible con todas las versiones 3GPP, desde GSM inicial hasta la última versión 5G