GSM

GSM (alun perin Groupe Spécial Mobile, nyttemmin Global System for Mobile Communications) on digitaalinen matkapuhelinjärjestelmä, jota käytetään maailmanlaajuisesti.

Historia

Euroopan posti- ja telehallintojen yhteistyöelin CEPT oli perustanut vuonna 1982 Alankomaiden ja Pohjoismaiden aloitteesta Groupe Special Mobile (GSM)-työryhmän, jonka tehtäväksi annettiin kehittää yleiseurooppalainen matkapuhelinjärjestelmä. Hanke oli ollut esillä epävirallisessa kokouksessa Pariisissa jo 8.–9. lokakuuta 1980, jolloin oli kartoitettu eri maiden radiopuhelinverkkojen silloista tilannetta ja kehitystarpeita. Yhteistyön tuloksena ensimmäiselle eurooppalaiselle matkapuhelinverkolle varattiin taajuusalueet 900 MHz alueelta. Myöhemmin ranskalainen nimitys Groupe Special Mobile käännettiin englanniksi Global System for Mobile Communications.

GSM-standardia laadittaessa tuli käytettävästä salausmenetelmästä kiistaa: operaattorit ajoivat 64-bittistä salausta, kun taas valtiolliset turvallisuuspalvelut olisivat halunneet helpommin murrettavan 32-bittisen salauksen. Kompromissina päädyttiin 48-bittiseen salaukseen.

7. syyskuuta 1987 kolmetoista maata allekirjoitti yhteisymmärryspöytäkirjan, "Memorandum of Understanding on the Implementation of a Pan-European 900MHz Digital Cellular Mobile Telecommunications Service by 1991", jonka ensimmäisessä artiklassa jokainen järjestelmään liittynyt operaattori velvoitettiin tekemään sopimus verkkovierailusta jokaisen muun järjestelmään liittyneen operaattorin kanssa.

1989 järjestelmän standardointi siirrettiin European Telecommunications Standards Institutelle, ETSI:lle.

Maailman ensimmäinen GSM-verkko avattiin Suomessa virallisesti 1. heinäkuuta 1991 Suomen Pankin silloisen johtajan Harri Holkerin suorittamalla testipuhelulla. Tuossa vaiheessa GSM ei kuitenkaan ollut vielä kaupallisesti valmis, sillä myynnissä ei ollut puhelimia. Holkerin käyttämä Nokia 6050 -autopuhelin saatiin myyntiin vasta seuraavana kesänä. Ensimmäinen GSM-kännykkä oli puolestaan Nokia 1011, joka julkaistiin 10. marraskuuta 1992.

Tekniikka

GSM on tekniikaltaan täysin digitalisoitu eli se on ns. toisen sukupolven (2G) matkapuhelinverkko. Tavallisten puheluiden lisäksi verkossa voi tehdä datapuheluita, lähettää teksti- ja muita lyhytviestejä ja käyttää pakettidatapalveluja (WAP- tai Internet-yhteyksiä).

Taajuusalueet

Pääartikkeli: GSM-taajuusalueet

GSM-verkot käyttivät alun perin 900 MHz:n radiotaajuusaluetta, mutta verkkojen kasvaessa ja käyttäjien lisääntyessä otettiin käyttöön myös 1 800 MHz:n taajuudet. Alkuperäinen nimi tälle järjestelmälle oli 'Digital Cellular System 1800' eli DCS 1800, ja se otettiin käyttöön Isossa-Britanniassa 1998. Joissain maissa, lähinnä Pohjois-Amerikassa, GSM-verkkoja käytetään myös 1 900 MHz:n ja 850 MHz:n taajuuksilla. Myös muita taajuusalueita on käytössä eri puolilla maailmaa.

Kaikki GSM-puhelimet eivät kuitenkaan tue jokaista taajuutta eikä niitä voi käyttää verkoissa, jotka käyttävät erilaisia taajuuksia. Kuitenkin esim. vuonna 2007 kaikissa merkittävissä GSM-verkoissa (850, 900, 1 800 tai 1 900 MHz) toimivat nelitaajuuspuhelimet olivat jo melko tavallisia. Myös kaksitoimipuhelimia, joissa on sekä GSM että WCDMA-toiminnallisuus, on runsaasti saatavilla monilta valmistajilta.

Puheenpakkaus

GSM-verkoissa on käytössä erilaisia puheenpakkausstandardeja. Alkuperäisen täysnopeuskoodekin (FR, GSM 06.10) lisäksi käytössä on ollut puolinopeuskoodekki (HR, GSM 06.20), parannettu täysnopeuskoodekki (EFR, GSM 06.60) sekä adaptiivinen moninopeuskoodekki (AMR, GSM 06.90).

GSM:n puheenpakkaus on ollut myös suosittu Internetin yli lähetettävän puheen pakkausmenetelmänä.

GSM-päätelaitteet

GSM-verkon päätelaitteet ovat tavallisesti matkapuhelimia. Vuoden 2004 alussa maailmassa oli yli miljardi GSM-standardin mukaista puhelinta.

Aiemmista matkapuhelinjärjestelmistä poiketen GSM-standardit jakoivat matkapäätelaitteen useampaan osaan, joista tärkeimmät ovat varsinainen mobiililaite (ME) ja tilaajan tiedot sisältävä älykortti (SIM).

SIM-kortti

Yksi GSM-järjestelmän parhaista ideoista oli tilaajan tunnistuksen erottaminen puhelimesta erilliselle älykortille (SIM). Tämän ansiosta GSM-verkon käyttäjät voivat vaihtaa hyvin helposti puhelinta tai operaattoria. Joihinkin puhelimiin voi myös asentaa kaksi SIM-korttia, jolloin puhelinta voi käyttää kahden eri tilaajan lukuun. SIM-kortille voidaan lisätä myös muita toimintoja, kuten mobiiliraha.

SIM-kortista löytyy kolme versiota ja ne ovat suurimmasta pienimpään mini SIM, micro SIM ja nano SIM.

SIM-kortin tärkeä toiminto on yhteydenoton suojaaminen. SIM-kortti sisältää operaattorikohtaisia salaisia avaimia, jotka tarkistetaan esim. puhelun yhdistämisessä. SIM-kortin ansiosta luvattomat käyttöönotot, joita tapahtui NMT-puhelinten aikana, vähentyivät.

Verkkovierailu

Pääartikkeli: Verkkovierailu

GSM:n käyttäjät voivat käyttää omaa puhelintaan ja omaa SIM-korttiaan likimain jokaisessa maailman maassa. Jos oma puhelin ei toimi ulkomaisessa verkossa, käyttäjä voi siirtää oman SIM-korttinsa paikallisen GSM-puhelimeen. Vaikka verkkovierailu (engl. roaming) teknisesti onnistuisikin, muiden kuin hätäpuhelujen soittaminen edellyttää että käyttäjän operaattori ja ulkomainen verkko-operaattori ovat tehneet verkkovierailusopimuksen. Jos näin ei ole, tai jostain syystä ei halua käyttää omaa puhelinliittymää ulkomailla, voi hankkia paikallisen, tilapäisen prepaid-liittymän. EU on asettanut ylärajan jäsenmaidensa roaming-maksuille. Jäsenmaiden välisten puheluiden hintoja lasketaan porrastetusti, ensimmäisen kerran näin tapahtui elokuussa 2008, jonka jälkeen niitä alennettiin vuosittain vuoteen 2011 saakka. Vuonna 2017 roaming-maksut poistuvat EU-alueella, mutta operaattorit voivat periä "kohtuuttomasta käytöstä" lisämaksun.

GSM-verkot

GSM-verkot koostuvat mobiilikeskuksista (MSC), tukiasemista (BS) ja niiden ohjausyksiköistä (BSC). GSM-verkot perustuvat digitaaliseen ISDN-puhelinverkkoon.

GSM-verkkojen laajennuksia

• WAP, matkapuhelinten hypertekstipalvelu
• HSCSD, piirikytkentäinen tiedonsiirto
• GPRS, pakettikytkentäinen tiedonsiirto
• EDGE, 2.5G, GPRS:ää kehittyneempi ja nopeampi pakettikytkentäinen tiedonsiirto

GSM-verkot Suomessa

Suomen ensimmäinen GSM-toimilupa myönnettiin Radiolinjalle (nykyinen Elisa) 1. lokakuuta 1990. Tuolloin Telecom Finlandilla (nykyinen Telia Finland) oli hallussaan NMT-matkapuhelinverkot, joten paikallisten oli aloitettava uudella tekniikalla.

GSM-verkkojen rakentaminen Suomeen alkoi 1990-luvun taitteessa. PTL-Tele (vuoden 1994 alusta Telecom Finland Oy, nykyinen Telia Finland) rakensi verkkonsa lukuisilla pienitehoisilla tukiasemilla. Finnet-ryhmän omistuksessa ollut Radiolinja sen sijaan asensi harvempaan suuritehoisia tukiasemia.

Valtioneuvos Harri Holkeri soitti maailman ensimmäisen julkisen puhelun kuluttajille avatussa GSM-verkossa 1. heinäkuuta 1991. Hän soitti Helsingin Esplanadinpuistosta Tampereen apulaiskaupunginjohtajalle Kaarina Suoniolle. Ensimmäisestä puhelusta Holkeri sai muistoksi ikioman GSM-numeron 950-1791. Tätä ennen, verkon ollessa vielä rakenteilla, ensimmäisen puhelun oli soittanut Helsingin Puhelinyhdistyksen toimitusjohtaja Kurt Nordman Puhelinlaitosten liiton puheenjohtaja Aarno Tanhuanpäälle. Täsmällisesti ottaen Holkerin puhelu ei kuitenkaan ollut ensimmäinen vaan muutamaa tuntia ennen Holkerin puhelua Nokian insinööri Pekka Lonka oli jo soittanut GSM-puhelun Marjo Jousiselle Saloon varmistaakseen verkon toiminnan.

Liikkeelle laskettiin myös 2 000 lyhytnumeroa, jotka kaikki ovat edelleen käytössä^milloin?. Numerot ovat nykyään muotoa 050-1xxx sekä 050-2xxx. Myöhemmin Radiolinja laski liikkeelle myös viisinumeroisia liittymänumeroita numeroavaruudesta 050-6xxxx.

GSM 900 sai suuren suosion ja käyttäjämäärän voimakas lisääntyminen uhkasi tukkeuttaa järjestelmän. Tämän vuoksi oli välttämätöntä perustaa rinnalle DCS 1800 -matkapuhelinjärjestelmä, jota kutsutaan myös GSM 1800:ksi. Koska DCS 1800 toimi 1 800 MHz taajuudella eikä sen kantavuus ollut lyhyemmän aallonpituuden vuoksi niin hyvä kuin GSM 900:lla, rakennettiin GSM 1800 ensimmäisenä sinne, missä GSM 900 -verkko oli ruuhkautunut. Tämän vuoksi erotukseksi ensimmäisestä GSM-järjestelmästä, GSM 1800:sta puhuttiin city-GSM:nä eli kaupunki-GSM:nä. Vanhemmat GSM-puhelimet eivät kyenneet hyödyntämään uutta verkkoa, vaan tätä varten asiakas joutui hankkimaan uuden kaksitaajuuspuhelimen. Telecom Finland kannusti kaksitaajuuspuhelinten hankintaan alentamalla GSM 1800 -verkossa soitettujen puhelujen minuuttiveloituksia. Näitä kutsuttiin lähialueiksi. Jatkossa kaikkien uusien puhelinten ollessa kaksitaajuuspuhelimia erillishinnoittelusta lopulta luovuttiin.

Helsingissä Helsingin Puhelinyhdistys HPY ja Telia (ruotsalaisen Telian suomalainen silloinen tytäryhtiö) tarjosivat vuosituhannen vaihteen tienoilla pelkästään 1 800 MHz verkossa toimivia niin kutsuttuja citypuhelimia ja niiden liittymiä. Näillä oli etuinaan edullisemmat minuuttiveloitukset, mutta rajoittuneen kuuluvuusalueen ja hintakilpailun painaessa minuuttiveloitushintoja kautta linjan, ne vähitellen katosivat markkinoilta.

Kun Helsingin Puhelin Oyj (HPY) irtautui Finnet-ryhmästä, se kaappasi Radiolinjan pääosakkaana itselleen. Yhtiö valloitti myös muutaman muun entisen Finnet-yhtiön, kuten Tampereen Puhelin Oyj:n (TPO) (Vanha nimi jäi suojaamatta, joten nyt Tampereen alueella toimii jälleen Finnetin alaisena samanniminen yhtiö.) Myöhemmin kaikki uuteen konserniin kuuluneet yhtiöt fuusioitiin lopullisesti toisiinsa ja koko yhtiö alkoi käyttää nimeä Elisa.

Finnet-ryhmä alkoi rakentaa omaa verkkoaan Radiolinjan siirryttyä yksin Elisan hallintaan. Tässä verkossa toimivien, Finnet-ryhmän omien palvelujen, sekä nykyisin myös mobiiliverkon markkinoinnissa käytetään DNA-tuotenimeä.

Vuoden 2001 aikana lisättiin Suomessa käytettäviin matkapuhelinverkkoihin tietoliikennettä varten GPRS-pakettiradiopalvelu, jonka avulla parannettiin matkapuhelinten WAP- ja Internet-palveluiden toimivuutta.

Vielä 2010-luvun alussa näytti siltä, että GSM-verkot tultaisiin ennen pitkää sulkemaan. 900 megahertsin taajuusalueella toimivan UMTS:n tulon myötä kolmannen sukupolven matkapuhelinverkot saavuttivat saman kantaman kuin vanha GSM, ja kahden maanlaajuisen kännykkäverkon ylläpitäminen oli tuolloin operaattoreille suuri rasite. Esimerkiksi Elisa aikoi pitkään sulkea GSM-verkkonsa vaiheittain alkaen vuonna 2015. Yksikään operaattori ei kuitenkaan toistaiseksi ole lakkauttamassa GSM-verkkoa, sillä nykyaikainen, ohjelmistopohjainen tukiasematekniikka (multiradio) mahdollistaa kaikkien kolmen tekniikan käytön yhdessä ja samassa fyysisessä tukiasemassa, minkä vuoksi GSM:n tarjoaminen ei enää merkittävästi kasvata kustannuksia aiempaan tapaan. Ennen 2010-lukua jokaisella sukupolvelle nimittäin tarvittiin oma, tilaavievä ja paljon hukkalämpöä tuottava kaappimallinen tukiasemalaitteisto. Haittapuolena on kuitenkin yhä 900 MHz:n alueen UMTS:n käytettävissä oleva rajallisempi taajuuskaista, koska puolet kaistasta menee GSM:n käyttöön, minkä vuoksi nykyisen teoreettisen maksiminopeuden 21 Mbit/s kaksinkertaistaminen ei ole mahdollista 2 100 MHz:n alueen tapaan.^lähde?

Ahvenanmaan Ålcom on alkanut poistaa GSM-verkkoa käytöstä.

GSM:n tietoturvaominaisuudet

Todennus

GSM-verkko todentaa käyttäjänsä haaste-vaste menetelmällä. 128-bittinen satunnaisluku (RAND) lähetetään päätelaitteeseen. Päätelaite (oikeammin päätelaitteen SIM-kortti) laskee 32-bittisen allekirjoitetun vastineen (SRES) saadusta satunnaisluvusta käyttäen A3-algoritmia ja jokaisessa SIM-kortissa olevaa yksilöllistä avainta (Ki). Vastaus lähetetään takaisin GSM-verkkoon, jossa suoritetaan sama laskutoimitus. Mikäli vastineet (SRES) täsmäävät, päätelaite on todennettu.

Signaloinnin ja datan luottamuksellisuus

SIM-kortti sisältää 64-bittisen salakirjoitusavaimen (Kc) muodostamiseen tarkoitetun A8-algoritmin. Avain muodostetaan SIM-kortissa käyttäen todennuksen yhteydessä saatua satunnaislukua (RAND) sekä yksilöllistä avainta (Ki). Salakirjoitusavainta (Kc) käytetään salakirjoittamaan ja purkamaan dataa ja puhetta päätelaitteen ja tukiaseman välillä. Salakirjoitusavain voidaan tarvittaessa myös vaihtaa lennosta.

Puhe ja data päätelaitteen ja verkon välillä salakirjoitetaan A5-algoritmilla. Salakirjoitettu liikenne alkaa verkon lähettäessä salakirjoituspyynnön päätelaitteelle. Päätelaite vastaanottaa pyynnön ja aloittaa salakirjoituksen ja purkamisen käyttäen A5-algoritmia ja salakirjoitusavainta (Kc).

Tilaajan identiteetin luottamuksellisuus

Jotta tilaajan identiteetin luottamuksellisuus varmistettaisiin, GSM-verkoissa käytetään tilapäistä tilaajan identiteettiä (Temporary Mobile Subscriber Identity, TMSI). TMSI lähetetään päätelaitteelle todennuksen ja salakirjoitusoperaatioiden suorittamisen jälkeen. Päätelaite kuittaa vastaanottaneensa TMSI:n.

GSM-verkkojen algoritmeista

Todennukseen käytetty A3-algoritmi ja salakirjoitusavaimen (Kc) luomiseen käytetty A8-algoritmi ovat samankaltaisia ja ne on usein toteutettu yhtenä algoritmina nimeltään COMP128. Algoritmista on sittemmin julkaistu uudempia versioita (COMP128/2 ja COMP128/3), joissa on tehty parannuksia tietoturvaan.

Myös A5-algoritmista on useita eri versioita:

• A5/0 ei sisällä lainkaan salakirjoitusta
• A5/1 on alkuperäinen A5-algoritmi
• A5/2 on heikennetty algoritmi
• A5/3 on vahva salausalgoritmi

Nykyisellään A5/3 on suositeltava algoritmi käytettäväksi turvallisuutensa ansiosta.

GSM-verkkojen turvaongelmia

• Security by obscurity
  • Kaikki algoritmit eivät ole olleet tai eivät vieläkään ole avoimia
• Kiinteässä verkossa ja tukiasemien radiolinkeissä data liikkuu salaamattomana
• Algoritmeista löydetyt heikkoudet
• Päätelaite ei todenna tukiasemaa

GSM-puhelinten ja -verkkojen valmistajia

GSM-puhelinten alkuaikoina markkinajohtajana niiden valmistuksessa oli suomalainen Nokia. Myöhemmin jalansijaa saivat myös eteläkorealainen Samsung ja LG tekemällä operaattoreille näiden toivomusten mukaisia puhelimia. Nykyään matkapuhelimet ovat pääosin korvautuneet älypuhelimilla.

GSM-verkkoja valmistavat tai ovat valmistaneet Ericsson, Nokia Networks, Nortel, Motorola, Alcatel-Lucent ja Huawei.

Muut käytöstä poistuneet matkapuhelinjärjestelmät

GSM-järjestelmien merkittävin kilpailija 2G-puhelimissa oli CDMA, jota käyttävät laitteet eivät tavallisesti toimineet GSM-verkossa tai toisin päin. Aikaisemmin käytetyt WCDMA-puhelimet toimivat myös GSM-verkossa.

Lähteet

• Siegmund M. Redl, Matthias K. Weber, Malcolm W. Oliphant: "An Introduction to GSM", Artech House, March 1995, ISBN 978-0-89006-785-7
• Siegmund M. Redl, Matthias K. Weber, Malcolm W. Oliphant: "GSM and Personal Communications Handbook", Artech House, May 1998, ISBN 978-0-89006-957-8
• Yhdistämme – 200 vuotta historiaa – haasteena tulevaisuus – Lennätinlaitoksesta Telecom Finland Oy:ksi, Turpeinen O., Telecom Finland Oy, 1994
• Kertomus Suomen Matkaviestinnästä, Toivola K., TELE, 1992
• Alkuräjähdys – Radiolinja ja Suomen GSM-matkapuhelintoiminta 1988–1998, Häikiö M., Radiolinja Oy, 1998

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta GSM Wikimedia Commonsissa

• GSM-verkon kattavuus CellMapper-palvelussa (englanniksi)

Matkapuhelinverkkostandardit

0G	AMTS ARP Autotel/PALM IMTS MTD MTS OLT PTT
1G	CDPD DataTAC Hicap Mobitex NMT TACS/ETACS
2G	CSD cdmaOne D-AMPS EDGE Evolved EDGE GPRS GSM HSCSD iDEN PDC PHS WiDEN
3G	CDMA2000 FOMA HSDPA HSPA HSPA+ HSUPA Super-Charged TD-CDMA TD-SCDMA UMTS W-CDMA
3.5G	E-UTRA GAN (UMA) HiperMAN iBurst WiBro
4G	UMB UMTS Revision 8 (LTE) WiMAX
5G	5G