GSM

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  GSM英文全称:Global System for Mobile Communications,简称“GSM”,中文译名:“全球移动通信系统”,由欧洲电信标准化协会提出,后来成为全球性标准的蜂窝无线电通信系统。主要有GSM、DCS1800、PCS1900三种系统。是当前应用最为广泛的移动电话标准。它的空中接口采用时分多址技术。全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。GSM标准的广泛使用使得在移动电话运营商之间签署“漫游协定”后用户的国际漫游变得很平常。GSM较之它以前的标准最大的不同是他的信令和语音信道都是数字的,因此GSM被看作是第二代(2G)移动电话系统。GSM标准当前由3GPP组织负责制定和维护。

  从用户观点出发, GSM的主要优势在于提供更高的数字语音质量和替代呼叫的低成本的新选择(比如短信)。从网络运营商角度看来,其优势是能够部署来自不同厂商的设备,因为GSM作为开放标准提供了更容易的互操作性。而且,标准就允许网络运营商提供漫游服务,用户就可以在全球使用他们的移动电话了。

  GSM标准在发展的同时(例如包数据能力在Release '97版本的标准中通过GPRS被加入进来),保持与原始的GSM电话向后兼容。更高速度的数据传输是用EDGE在Release '99版标准中引入的。

  目前,中国移动中国联通各拥有一个GSM网,为世界最大的移动通信网络。GSM系统包括GSM900:900MHz、GSM1800:1800MHz及GSM-1900:1900MHz等几个频段。

发展历史

  1980年代初,第一代移动电话技术开始应用,当时存在众多互不兼容的标准,仅在欧洲就有北欧的NMT、英国的TACS、西德等国使用的C-450、法国的Radiocom 2000和意大利RTMI等。用户的手机无法在其他标准的网络上使用,造成很大的不便。由于这个原因,西欧国家开始考虑制定一个统一的下一代移动电话标准,以便能够提供更多样的功能和使用户漫游更加容易。最开始标准起草和制定的准备工作由欧洲邮电行政大会〔CEPT〕负责管理。具体工作由1982年起成立的一系列“移动专家组”负责。GSM的名字即是移动专家组(法语:Groupe Spécial Mobile)的缩写,后来这一缩写的含义被改变为“全球移动通讯系统”,以方便GSM向全世界的推广。

  1987年5月,GSM成员国达成一致,确定了GSM最重要的几项关键技术。1989年, 欧洲电信标准协会〔ETSI〕从CEPT接手标准的制定工作。1990年,第一版GSM标准完成。1992年1月,芬兰的Oy Radiolinja Ab成为第一个商业运营的GSM网络。亚洲最早的GSM运营网络是香港电讯CSL。GSM的推出推动了移动通信的普及,用户持续快速增长。1995年,全球用户达到1千万,1998年,达到一亿,2005年已经超过15亿。

  1998年,目标为制订接替GSM的第三代移动电话(3G)规范的3GPP启动。3GPP也接受了维护和继续开发GSM规范的工作。ETSI是3GPP的成员之一。

  在发展的过程中,GSM系统的功能不断得到丰富,从而能够提供更多样的服务。由GSM系统首先引入的短信息服务(SMS)提供了一种新颖、便捷、廉价的通讯方式。1994年,GSM实现了基于电路交换的数据业务和传真服务。1999年,WAP协议使得用户可以通过手机访问互联网。2000年后开始商用的通用分组无线服务(GPRS)使得GSM系统能够以效率更高的分组方式提供数据通讯。2003年, EDGE技术开始商用,提供了接近3G的数据通讯能力。

  目前,3GPP组织还在发展GSM标准,以便利用已经大量部署的GSM基础设施,平滑地向3G技术演进。

网络结构

GSM网络结构

  GSM系统后面的网络被人们看作是极其庞大和复杂的,这样就可以提供所有的所需的服务。它被分成很多的部分,每一部分负责其中的一个功能。

  • 基站子系统 (基站及其控制器).
  • 网络和交换子系统 (这一部分和固定网络最为相似) 有时也被称为核心网。
  • GPRS核心网(可选部分,用于基于报文的互联网连接)。
  • 所有的系统元素组合出许多的类似语音通话和短信这样的GSM服务。

技术特点

  GSM系统有几项重要特点:防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低、机卡分离。其主要技术特点如下:

  • 频谱效率:由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术,使系统具有高频谱效率。
  • 容量:由于每个信道传输带宽增加,使同频复用栽干比要求降低至9dB,故GSM系统的同频复用模式可以缩小到4/12或3/9甚至更小(模拟系统为7/21);加上半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数,使GSM系统的容量效率(每兆赫每小区的信道数)比TACS系统高3~5倍。
  • 话音质量:鉴于数字传输技术的特点以及GSM规范中有关空中接口和话音编码的定义,在门限值以上时,话音质量总是达到相同的水平而与无线传输质量无关。
  • 开放的接口:GSM标准所提供的开放性接口,不仅限于空中接口,而且报刊网络直接以及网络中各设备实体之间,例如A接口和Abis接口。
  • 安全性:通过鉴权、加密和TMSI号码的使用,达到安全的目的。鉴权用来验证用户的入网权利。加密用于空中接口,由SIM卡和网络AUC的密钥决定。TMSI是一个由业务网络给用户指定的临时识别号,以防止有人跟踪而泄漏其地理位置。
  • 与ISDN、PSTN等的互连:与其他网络的互连通常利用现有的接口,如ISUP或TUP等。
  • 在SIM卡基础上实现漫游:漫游是移动通信的重要特征,它标志着用户可以从一个网络自动进入另一个网络。GSM系统可以提供全球漫游,当然也需要网络运营者之间的某些协议,例如计费。

语音编码

  GSM系统最早的语音编码方案采用规则脉冲激励长时预测编码(REP-LTP)技术。它产生的编码速率为13Kbps,每20ms一个话音帧。话音质量平均意见分值(MOS)可达到3.6。这一方案被称作全速率编码(Full Rate,FR)。在FR的基础上,通过改进算法推出了增强型全速率编码(Enhanced Full Rate,EFR);在不改变编码速率的条件下,实现了更好的话音质量。同时也引入了编码速率为6.5Kbps的半速率编码(Half Rate,HR),这样在牺牲话音质量的前提下,系统的容量可以提高一倍。1998年, 3GPP又采纳了自适应多速率编码(Adaptive Multi-Rate,AMR)作为语音编码的增强。AMR包括14种不同速率的编码算法,其中8种为全速率和6种为半速率,码率介于12.2Kbps至4.75Kbps之间。系统在通话过程中根据信道条件和误码率实时地选择最佳的编码速率。在理想情况下,AMR 12.2Kbps的语音MOS可达4.14。

身份识别模块

  GSM的一个关键特征就是用户身份模块 (SIM), 也叫“SIM卡”。SIM卡是一个保存用户数据和电话本的可拆卸智能卡IC。用户就可以更换手机后还能保存自己的信息。换句话说用户也可以使用现在的手机而使用不同运营商的SIM卡。 有些运营商为了防止用户转换到别的网络在手机上做手脚,使得它只能用一个特定的SIM卡,或者同一个网络的SIM卡,这就是众所周知的“SIM卡加密”,这在某些国家并不合法。

  在美国和欧洲,大部分运营商锁定他们销售的移动电话,这样做是因为移动电话的价格一般因为签订长期合同大幅减少(例如在欧美市场很多手机可以通过签约以原价格几十分之一的价格购买),而运营商试图避免客户的流失。用户一般可以通过与运营商联系付一定费用来解除锁定(俗称“解码”),或者通过一个专门服务或者从互联网上搜索相关软件来解码。 如果用户签署在一段时期有效地合同(合同帐户),某些美国运营商例如T-Mobile和Cingular,就会解除对电话的锁定。第三方的解码方法比起运营商的来一般更快而且也更便宜。在大多数国家解除锁定是合法的。在中国内地,行业主管部门不允许运营商锁定移动电话,这使得运营商的定制机也能轻松使用其他运营商的网络。

无线电接口

  GSM系统在无线接口上采用时分复用技术(TDMA),语音或数据信号采用高斯最小频移键控(GMSK)方式进行调制。信道编码主要采用卷积码。每个GSM载频的带宽为200KHz,在时间上以4.615ms(更准确的说是60/13ms)为一帧,每一帧又顺序划分为8个时隙。时隙是GSM无线接口上资源的最小单位。

  作为GSM系统数据传输性能提升的EDGE系统, 调制方式采用了效率更高的8进制相移键控(8PSK)。开发中的EDGE演进技术则将采用32 或16进制正交幅度调制(32或16QAM),每载频的数据传输能力可接近1Mbps。

  为适应各国无线电频率分配的不同情况,GSM系统可以在多个不同的频段工作。 最初的GSM标准定义了900MHz,1800MHz,和1900MHz频段。此后又补充了850MHz和450MHz,以适合部分地区的需求。世界大部分地区采用900M和1800M频段。美洲的一些运营商使用850M和1900M频段。 400-450M频段则仅局限于北欧国家的运营商。此外,欧盟为铁路调度通信需要以GSM为基础制定的GSM-R系统, 它的工作频率也在900M频段。GSM上下行信号为频分双工,上下行信号采用不同的频率, 但对于不同的频点,上下行频率之间保持固定的间隔。各频段的具体频率范围和信道号如下:

 频段  名称  信道号  上行(MHz)  下行(MHz)  其它
GSM 850 GSM 850 128 - 251 824,0 - 849,0 869,0 - 894,0 美国,南美洲国家和亚洲部分国家
GSM 900 P-GSM 900 1-124 890,0 - 915,0 935,0 - 960,0 GSM最先实现的频段,也是使用最广的频段
E-GSM 900 975 - 1023 880,0 - 890,0 925,0 - 935,0 900M扩展频段
R-GSM 900 n/a 876,0 - 880,0 921,0 - 925,0 铁路GSM(GSM-R),为铁路调度通信系统开发的特殊版本
GSM1800 GSM 1800 512 - 885 1710,0 - 1785,0 1805,0 - 1880,0 适用于对信道容量需求大的市场,应用范围仅次于900M
GSM1900 GSM 1900 512 - 810 1850,0 - 1910,0 1930,0 - 1990,0 主要用于美洲国家,由于有频率重叠,与1800M系统不兼容

  GSM网络一共有四种不同的蜂窝单元尺寸:宏蜂窝,微蜂窝,微微蜂窝和伞蜂窝。覆盖面积因不同的环境而不同。宏蜂窝可以被看作那种基站天线安装在天线杆或者建筑物顶上那种。微蜂窝则是那些天线高度低于平均建筑高度的那些,一般用于市区内。微微蜂窝则是那种很小的蜂窝只覆盖几十米的范围,主要用于室内。伞蜂窝则是用于覆盖更小的蜂窝网的盲区,填补蜂窝之间的信号空白区域。

  蜂窝半径范围根据天线高度、增益和传播条件可以从百米以下到数十公里。GSM规范设计的最大小区半径,一般情况下为35公里。如果采用扩展蜂窝的技术,则可以达到120公里以上,适用于一些传播条件极好的情况。

  GSM还支持室内覆盖,通过功率分配器可以把室外天线的功率分配到室内天线分布系统上。这是一种典型的配置方案,用于满足室内高密度通话要求,在购物中心和机场十分常见。然而这并不是必须的,因为室内覆盖也可以通过无线信号穿越建筑物来实现,只是这样可以提高信号质量减少干扰和回声。

  一般在界定无线电接口,会以信道(Channel)来分,分为逻辑信道(Logical Channel)跟物理信道(Physical Channel)。首先在物理信道定义了实体网络的传输单元。

GSM安全

  GSM 被设计具有中等安全水平。系统设计使用共享密钥用户认证。用户与基站之间的通讯可以被加密。演进的 UMTS引入可选的USIM-使用更长鉴别密钥保证更好的安全以及网络和用户的双向验证。GSM只有网络对用户的验证 (而不是双向验证)。虽然安全模块提供了保密和鉴别功能,但是鉴别能力有限而且可以伪造。

  GSM为了安全使用多种加密算法。A5/1和A5/2两种串流密码用于保证在空中信息的保密性。 A5/1是在欧洲范围使用的强力算法,而A5/2则是在其他国家使用的弱强度算法。在两种算法中严重漏洞都已经被发现, 例如一个单一密文攻击可能实时的中断掉A5/2. 但是系统支持多个不同算法,这样运营商就可以换一个安全等级更强的。

市场状况

  到2005年全球有超过10亿人使用GSM电话,使GSM成为主导的移动电话系统,占到全球市场份额的70%。当前WCDMA并没有展现出全部的功能,而GSM的主要竞争CDMA2000(主要在北美、日本、中国和韩国使用)在全球获得作为3G标准过渡的有限的增长。因为WCDMA网络建设已经起步(至少在高密度的市场),GSM的正在缓慢消亡,但这将持续相当时间。

  在1998到2000年之间导致GSM用户增长的主要原因是移动运营商推出预付费电话服务。它允许那些不能或者不想跟运营商签署合同的的人们使用移动电话服务。这种服务在欧洲的移动运营商之间竞争也比较激烈,即使没有长期的合同,人们也可以从运营商那里以很低廉的价格买到一款手机。

  GSM 协会 (GSMA) 发布了一份名为《The Mobile Economy 2013》(2013年移动经济)的新报告,对当今的移动行业做出了全面概述,并揭示了未来五年移动行业的重大机遇和挑战。这份覆盖广泛的研究报告由 GSM 协会和科尔尼公司 (A.T. Kearney) 共同制作,提供了有关移动通信行业健康发展的重要见解并具体指出了进一步刺激该领域的投资和增长的全球推动因素。目前全世界移动用户人数已经达到32亿,意味着全球近一半的人都在使用移动通信。据预计,2017年之前移动用户将再增加7亿,2018年实现40亿用户的里程碑。