Czym jest GSM? Od sieci 2G do współczesnych sieci IoT | Com4

W niniejszym przewodniku szczegółowo wyjaśniono architekturę sieci GSM, dlaczego wprowadzony przez nią model karty SIM nadal stanowi podstawę każdego połączenia komórkowego w sieci IoT oraz co dokładnie oznacza harmonogram wyłączania sieci 2G w Norwegii dla bieżących wdrożeń.

Najważniejsze wnioski:

• GSM to standard 2G, który wprowadził cyfrową transmisję głosu, wyjmowaną kartę SIM oraz model identyfikacji abonenta, na którym nadal opierają się wszystkie późniejsze generacje sieci komórkowych, w tym 5G.
• Architektura sieci GSM oddziela radiową sieć dostępową (BTS i BSC) od rdzeniowej sieci przełączającej (MSC, HLR, VLR) – jest to konstrukcja warstwowa, którą późniejsze generacje udoskonaliły, a nie zastąpiły.
• GSM wykorzystuje jednocześnie TDMA i FDMA do podziału widma radiowego na kanały i przedziały czasowe, co stanowi podejście zasadniczo odmienne od metod dostępu opartych na OFDMA, stosowanych w sieciach 4G i 5G.
• Telia zakończyła już wyłączanie swojej sieci 2G w Norwegii, a proces ten zakończy się w grudniu 2025 roku. Telenor planuje utrzymać działanie sieci 2G do początku 2028 roku.
• Każde urządzenie IoT nadal łączące się przez GSM wymaga planu migracji do LTE-M, NB-IoT lub standardowej sieci 4G, zanim operator sieci wyłączy sieć 2G.
• Com4 zapewnia łączność SIM w ramach następców GSM w obszarze IoT, czyli LTE-M i NB-IoT, oraz współpracuje z firmami przy planowaniu i realizacji migracji z sieci 2G, zanim urządzenie przestanie działać.

Co właściwie oznacza skrót GSM i co wprowadził ten standard?

Skrót GSM oznacza Global System for Mobile Communications (Globalny System Komunikacji Mobilnej), pierwotnie Groupe Spécial Mobile – od nazwy europejskiej grupy normalizacyjnej, która opracowała ten standard w latach 80. XX wieku. Przed pojawieniem się GSM sieci komórkowe stanowiły mozaikę niekompatybilnych krajowych i regionalnych standardów analogowych, co oznaczało, że telefon zaprojektowany dla sieci jednego kraju często nie mógł być używany w innym. GSM zmieniło tę sytuację, tworząc jeden, wspólny standard cyfrowy, który pozwolił urządzeniom, a później kartom SIM, działać w różnych sieciach i ponad granicami. Dwie koncepcje zaczerpnięte z GSM nadal określają sposób działania łączności mobilnej i IoT:

• Karta SIM. GSM wprowadził koncepcję oddzielenia tożsamości abonenta od fizycznego urządzenia za pomocą wyjmowanego modułu identyfikacji abonenta (SIM). Ta sama zasada leży u podstaw każdej formy łączności SIM w IoT sprzedawanej obecnie, w tym eSIM i iSIM, które w rzeczywistości są po prostu nowszymi formatami fizycznymi i formatami konfiguracji opartymi na oryginalnym modelu tożsamości GSM.

• Cyfrowa transmisja głosu i sygnalizacja. System GSM przeniósł komunikację mobilną z technologii analogowej do cyfrowej, co poprawiło jakość połączeń, umożliwiło szyfrowanie oraz pozwoliło na znacznie bardziej efektywne wykorzystanie przepustowości sieci w porównaniu z systemami analogowymi, kładąc tym samym techniczne fundamenty, na których opierały się wszystkie późniejsze generacje.

Jak właściwie działa architektura sieci GSM?

Sieć GSM składa się z dwóch połączonych podsystemów: podsystemu stacji bazowej (BSS), który obsługuje połączenie radiowe z urządzeniami, oraz podsystemu przełączania sieciowego (NSS), który zajmuje się uwierzytelnianiem, routingiem i przełączaniem połączeń.

• BTS (stacja bazowa). Jest to fizyczna wieża radiowa lub antena, z którą łączy się urządzenie. BTS bezpośrednio obsługuje interfejs radiowy, w tym kodowanie kanałów i szyfrowanie na tym łączu.
• BSC (kontroler stacji bazowej). Jeden BSC zazwyczaj steruje wieloma jednostkami BTS, zarządzając zasobami radiowymi, przekazywaniem połączeń między wieżami oraz kontrolą mocy w komórkach, które nadzoruje.
• MSC (Mobile Switching Center – centrum przełączania ruchomego). MSC jest głównym węzłem przełączającym, odpowiedzialnym za routing połączeń, rejestrację, uwierzytelnianie oraz przekazywanie połączeń na poziomie sieci, a nie tylko w obrębie pojedynczej komórki.
• HLR (Home Location Register). HLR to główna baza danych abonentów, przechowująca stałe informacje o każdej karcie SIM zarejestrowanej w sieci, w tym jej tożsamość i uprawnienia do korzystania z usług.
• VLR (Visitor Location Register). VLR to tymczasowa baza danych śledząca abonentów aktywnych w danym obszarze, aktualizowana w miarę przemieszczania się urządzeń między lokalizacjami.

Ta warstwowa architektura BSS i NSS, w której dostęp radiowy jest oddzielony od przełączania rdzeniowego, stanowi ten sam podstawowy wzorzec, który został udoskonalony w późniejszych generacjach. eNodeB i EPC w sieci 4G, omówione w przewodniku Com4 po LTE, są bezpośrednimi architektonicznymi następcami BTS, BSC i MSC z sieci GSM, z tym że zostały skonsolidowane i przebudowane w oparciu o dane typu all-IP zamiast głosu w sieci z komutacją obwodów.

Jakiej technologii dostępu używa GSM i czym różni się ona od 4G?

GSM łączy dwie techniki dostępu radiowego w celu współdzielenia widma między wieloma użytkownikami jednocześnie:

• FDMA (Frequency Division Multiple Access) dzieli dostępne pasmo radiowe na oddzielne kanały częstotliwościowe, z których każdy ma w przypadku GSM szerokość około 200 kHz.
• TDMA (Time Division Multiple Access) dzieli następnie każdy z tych kanałów częstotliwości na osiem przedziałów czasowych, umożliwiając nawet ośmiu oddzielnym połączeniom współdzielenie tego samego kanału częstotliwości poprzez szybką zmianę kolejności.

To podejście łączące FDMA i TDMA dobrze odpowiadało pierwotnemu przeznaczeniu GSM, jakim były cyfrowe połączenia głosowe, ale jest znacznie mniej wydajne pod względem wykorzystania widma niż metody dostępu oparte na OFDMA stosowane w sieciach 4G i 5G, co stanowi główny powód, dla którego nowsze generacje zapewniają znacznie wyższą przepustowość danych przy wykorzystaniu tej samej ilości widma. W większości krajów Europy, w tym w Norwegii, sieć GSM działała głównie w pasmach 900 MHz i 1800 MHz – pasmach, które operatorzy stopniowo przeznaczają obecnie na potrzeby sieci 4G i 5G w miarę wyłączania sieci 2G.

Rola GSM w kolejnych generacjach sieci

Termin „GSM” jest czasem używany w szerokim znaczeniu na określenie sieci 2G ogólnie, a czasem do opisania szerszej rodziny standardów, w tym UMTS z generacji 3G, których podstawowa architektura i model identyfikacji abonenta wywodzą się z GSM. Tak czy inaczej, GSM jest wspólnym przodkiem modelu łączności opartego na kartach SIM, z którego korzystały wszystkie kolejne generacje – i właśnie dlatego zrozumienie tego standardu nadal ma znaczenie, nawet gdy sama sieć została wycofana z eksploatacji.

Dlaczego GSM wciąż pojawia się w rozmowach dotyczących Internetu rzeczy (IoT)?

Istnieją dwa powody, dla których GSM pozostaje aktualnym tematem, nawet gdy operatorzy aktywnie wyłączają sieci 2G w Norwegii i całym regionie skandynawskim:

1. Starsze urządzenia. Znaczna część starszego sprzętu IoT, zwłaszcza w zakresie urządzeń przemysłowych, liczników mediów i systemów alarmowych, została wdrożona w sieciach GSM/2G wiele lat temu i wymaga migracji do LTE-M, NB-IoT lub standardowej sieci 4G przed wyłączeniem lokalnej sieci 2G.
2. Model SIM. Każde dzisiejsze połączenie IoT oparte na karcie SIM, niezależnie od tego, czy działa w sieciach 4G, LTE-M, NB-IoT czy 5G, nadal opiera się na modelu identyfikacji abonenta wprowadzonym przez GSM, obecnie realizowanym za pomocą fizycznych kart SIM, eSIM lub iSIM. Przewodnik firmy Com4 po kartach SIM, eSIM i iSIM dla IoT opisuje, w jaki sposób ten model identyfikacji ewoluował do dzisiejszych formatów.

Kiedy nastąpi wyłączenie sieci 2G w Norwegii?

Wyłączanie sieci 2G w Norwegii jużtrwa – niejest to przyszłe wydarzenie, które można planować w teorii. Firma Telia rozpoczęła wyłączanie swojej sieci GSM w Norwegii w sierpniu 2025 r. i zakończyła ten proces w grudniu 2025 r., co oznacza, że sieć 2G firmy Telia już nie działa. Telenor obrał wolniejsze tempo i obecnie planuje utrzymać swoją sieć 2G do końca 2027 r., a całkowite wyłączenie przewiduje się na początek 2028 r. Norweskie organy regulacyjne aktywnie zachęcają przedsiębiorstwa i konsumentów do odejścia od sieci 2G przed upływem tych terminów, a podobne harmonogramy wyłączania sieci obowiązują w Szwecji i w większości pozostałych krajów regionu skandynawskiego. W praktyce oznacza to, że każde urządzenie nadal łączące się z siecią Telia musi już przejść na nową technologię, a każde urządzenie korzystające z sieci 2G firmy Telenor ma określony, niepodlegający negocjacjom termin na dokonanie tej samej zmiany.

Jakie ryzyko wiąże się z zbyt długim pozostawaniem w sieci GSM?

Opóźnienie migracji z sieci 2G wiąże się z konkretnym, dobrze znanym profilem ryzyka dla operatorów IoT:

• Nagła utrata łączności. Gdy operator wyłączysieć 2G, urządzenia nadal korzystające z tej sieci natychmiast przestaną działać, bez stopniowego pogorszenia jakości sygnału, które zasygnalizowałoby nadchodzącą zmianę.
• Niezgodność sprzętowa. Wiele modemów obsługujących wyłącznie GSM nie może zostać przekonfigurowanych bezprzewodowo do korzystania z sieci innej generacji, co oznacza, że migracja często wymaga fizycznej wymiany sprzętu lub karty SIM, a nie tylko aktualizacji oprogramowania.
• Koszty serwisu terenowego na dużą skalę. W przypadku wdrożeń obejmujących setki lub tysiące urządzeń w trudno dostępnych lokalizacjach – od liczników mediów po zdalne czujniki – migracja reaktywna, przeprowadzana po wyłączeniu sieci, jest znacznie droższa niż migracja zaplanowana z wyprzedzeniem przed upływem terminu.
• Skrócone terminy migracji. Firmy, które czekają do momentu zbliżania się potwierdzonej daty wyłączenia sieci, konkurują o tych samych instalatorów i zasoby sprzętowe, co wszyscy inni znajdujący się w podobnej sytuacji, co zazwyczaj wydłuża czas realizacji właśnie wtedy, gdy ma to największe znaczenie.

GSM vs LTE-M vs NB-IoT: wybór kierunku migracji

W przypadku większości urządzeń IoT opartych na standardzie GSM, które są obecnie poddawane migracji, wybór sprowadza się do tego, czy urządzenie jest mobilne i ile danych przesyła. Urządzenia mobilne lub przenośne zazwyczaj odpowiadają standardowi LTE-M, podczas gdy proste, stacjonarne czujniki przesyłające niewielkie ilości danych zazwyczaj lepiej pasują do standardu NB-IoT. Przewodnik Com4 po standardzie LTE oraz przewodnik dotyczący migracji w związku z wyłączeniem sieci 2G zawierają bardziej szczegółowe informacje na temat podejmowania tej konkretnej decyzji.

W jaki sposób firma Com4 pomaga w migracji z sieci GSM i 2G?

Com4 zapewnia łączność SIM w sieciach LTE-M i NB-IoT – dwóch generacjach sieci zaprojektowanych specjalnie z myślą o przyjmowaniu migrujących urządzeń GSM – a także w standardowych sieciach 4G i 5G. W przypadku firm nadal korzystających z sieci 2G firma Com4 zajmuje się praktyczną stroną migracji: ustala, które urządzenia i elementy sprzętowe wymagają wymiany, a które – ponownej konfiguracji; planuje kolejność wdrażania przed potwierdzoną datą wyłączenia sieci przez poszczególnych operatorów oraz zapewnia zastępczą łączność, dzięki czemu migracja urządzeń odbywa się przy minimalnych przestojach. Ponieważ karty SIM firmy Com4 już teraz automatycznie przełączają się między ponad 750 sieciami w ponad 190 krajach, urządzenie, które dziś przechodzi migrację z sieci GSM, będzie mogło w przyszłości przełączać się na dowolną generację sieci, która okaże się najkorzystniejsza, zamiast ponownie stawać w obliczu przymusowej migracji podczas kolejnej zmiany generacji.