GSM

全球移動通訊系統（Global System for Mobile Communications），即GSM，又稱泛歐數位式行動電話系統，是當前應用最為廣泛的行動電話標準。全球超過200個國家和地區超過10億人正在使用GSM電話。GSM標準的廣泛使用使得在行動電話運營商之間簽署「漫遊協定」後使用者的國際漫遊變得很平常。GSM相較它以前的標準最大的不同是他的信令和語音信道都是數位的，因此GSM被看作是第二代（2G）行動電話系統。GSM標準當前由3GPP組織負責制定和維護。

從使用者觀點出發，GSM的主要優勢在於提供更高的數位語音質量和替代呼叫的低成本的新選擇（比如簡訊）。從網路運營商角度看來，其優勢是能夠部署來自不同廠商的設備，因為GSM作為開放標準提供了更容易的互操作性。而且，標準就允許網路運營商提供漫遊服務，使用者就可以在全球使用他們的行動電話了。

GSM標準在發展的同時（例如包數據能力在Release '97版本的標準中通過GPRS被加入進來），保持與原始的GSM電話向後兼容。更高速度的數據傳輸是用EDGE在Release '99版標準中引入的。

## 歷史

1980年代初，第一代行動電話技術開始應用，當時存在眾多互不兼容的標準，僅在歐洲就有北歐的NMT、英國的TACS、西德等國使用的C-450、法國的Radiocom 2000和義大利的RTMI等。使用者的手機無法在其他標準的網路上使用，造成很大的不便。由於這個原因，西歐國家開始考慮制定一個統一的下一代行動電話標準，以便能夠提供更多樣的功能和使使用者漫遊更加容易。最開始標準起草和制定的準備工作由歐洲郵電行政大會〔CEPT〕負責管理。具體工作由1982年起成立的一系列「移動專家組」負責。GSM的名字即是移動專家組（Groupe Spécial Mobile）的縮寫，後來這一縮寫的含義被改變為「全球移動通訊系統」，以方便GSM向全世界的推廣。

1987年5月，GSM成員國達成一致，確定了GSM最重要的幾項關鍵技術。1989年，歐洲電信標準協會〔ETSI〕從CEPT接手標準的制定工作。1990年，第一版GSM標準完成。1992年1月，芬蘭的Radiolinja成為第一個商業運營的GSM網路。亞洲最早的GSM運營網路是1993年的香港電訊CSL。而中國內地也在1994年跟進，由當時中國電信移動通信局（現在的中國移動）以「全球通數字行動電話網」名稱運營，後演變為全球通品牌。GSM的推出推動了移動通信的普及，使用者持續快速增長。1995年，全球使用者達到1千萬，1998年，達到一億，2005年已經超過15億。

1998年，目標為制訂接替GSM的第三代行動電話（3G）規範的3GPP啟動。3GPP也接受了維護和繼續開發GSM規範的工作。ETSI是3GPP的成員之一。

在發展的過程中，GSM系統的功能不斷得到豐富，從而能夠提供更多樣的服務。由GSM系統首先引入的簡訊息服務（SMS）提供了一種新穎、便捷、廉價的通訊方式。1994年，GSM實現了基於電路交換的數據業務和傳真服務。1999年，WAP協議使得使用者可以通過手機訪問網際網路。2000年後開始商用的通用分組無線服務（GPRS）使得GSM系統能夠以效率更高的分組方式提供數據通訊。2003年，EDGE技術開始商用，提供了接近3G的數據通訊能力。

目前，3GPP組織還在發展GSM標準，以便利用已經大量部署的GSM基礎設施，平滑地向3G技術演進。

## 市場狀況

到2005年全球有超過10億人使用GSM電話，使GSM成為主導的行動電話系統，占到全球市場份額的70%。當前W-CDMA並沒有展現出全部的功能，而GSM的主要競爭CDMA2000（主要在北美、日本、中國和韓國使用）在全球獲得作為3G標準過渡的有限的增長。因為W-CDMA網路建設已經起步（至少在高密度的市場），GSM的確正在緩慢消亡，但這將持續相當時間。

在1998到2000年之間導致GSM使用者增長的主要原因是移動運營商推出預付費電話服務。它允許那些不能或者不想跟運營商簽署合同（服務計劃）的人們使用行動電話服務。這種服務在歐洲的移動運營商之間競爭也比較激烈，即使沒有長期的合同，人們也可以從運營商那裡以很低廉的價格買到一款手機。

## 無線電接口

GSM系統在無線接口上採用時分多址技術（TDMA），語音或數據信號採用高斯最小頻移鍵控（GMSK）方式進行調製。信道編碼主要採用卷積碼。每個GSM載頻的帶寬為200KHz，在時間上以4.615ms（更準確的說是60/13ms）為一幀，每一幀又順序劃分為8個時隙。時隙是GSM無線接口上資源的最小單位。

作為GSM系統數據傳輸性能提升的EDGE系統，調製方式採用了效率更高的8進位相移鍵控（8PSK）。開發中的EDGE演進技術則將採用32或16進位正交幅度調製（32或16QAM），每載頻的數據傳輸能力可接近1Mbps。

為適應各國無線電頻率分配的不同情況，GSM系統可以在多個不同的頻段工作。最初的GSM標準定義了900MHz，1800MHz，和1900MHz頻段。此後又補充了850MHz和450MHz，以適合部分地區的需求。世界大部分地區採用900M和1800M頻段。美洲的一些運營商使用850M和1900M頻段。400－450M頻段則僅局限於北歐國家的運營商。此外，歐盟為鐵路調度通信需要以GSM為基礎制定的GSM-R系統，它的工作頻率也在900M頻段。GSM上下行信號為頻分雙工，上下行信號採用不同的頻率，但對於不同的頻點，上下行頻率之間保持固定的間隔。各頻段的具體頻率範圍和信道號如下：

頻段｜名稱｜信道號｜上行（MHz）｜下行（MHz）｜其他

GSM 850｜GSM 850｜128 - 251｜824,0 - 849,0｜869,0 - 894,0｜美國、南美洲國家和亞洲部分國家。

GSM 900｜P-GSM 900｜1-124｜890,0 - 915,0｜935,0 - 960,0｜GSM最先實現的頻段，也是使用最廣的頻段。

E-GSM 900｜975 - 1023｜880,0 - 890,0｜925,0 - 935,0｜900M擴展頻段

R-GSM 900｜n/a｜876,0 - 880,0｜921,0 - 925,0｜鐵路GSM（GSM-R），為鐵路調度通信系統開發的特殊版本。

GSM1800｜GSM 1800｜512 - 885｜1710,0 - 1785,0｜1805,0 - 1880,0｜適用於對信道容量需求大的市場，應用範圍僅次於900M。

GSM1900｜GSM 1900｜512 - 810｜1850,0 - 1910,0｜1930,0 - 1990,0｜主要用於美洲國家，由於有頻率重疊，與1800M系統不兼容。

GSM網路一共有四種不同的蜂窩單元尺寸：宏蜂窩，微蜂窩，微微蜂窩和傘蜂窩。覆蓋面積因不同的環境而不同。宏蜂窩可以被看作那種基站天線安裝在天線杆或者建築物頂上那種。微蜂窩則是那些天線高度低於平均建築高度的那些，一般用於市區內。微微蜂窩則是那種很小的蜂窩只覆蓋幾十米的範圍，主要用於室內。傘蜂窩則是用於覆蓋更小的蜂窩網的盲區，填補蜂窩之間的信號空白區域。

蜂窩半徑範圍根據天線高度、增益和傳播條件可以從百米以下到數十公里。GSM規範設計的最大小區半徑，一般情況下為35公里。如果採用擴展蜂窩的技術，則可以達到120公里以上，適用於一些傳播條件極好的情況。

GSM還支持室內覆蓋，通過功率分配器可以把室外天線的功率分配到室內天線分布系統上。這是一種典型的配置方案，用於滿足室內高密度通話要求，在購物中心和機場十分常見。然而這並不是必須的，因為室內覆蓋也可以通過無線信號穿越建築物來實現，只是這樣可以提高信號質量減少干擾和回聲。

一般在界定無線電介面，會以信道（Channel）來分，分為邏輯信道（Logical Channel）跟物理信道（Physical Channel）。首先在物理信道定義了實體網路的傳輸單元。

## 語音編碼

GSM系統最早的語音編碼方案採用規則脈衝激勵長時預測編碼（REP-LTP）技術。它產生的編碼速率為13Kbps，每20ms一個話音幀。話音質量平均意見分值（MOS）可達到3.6。這一方案被稱作全速率編碼（Full Rate，FR）。在FR的基礎上，通過改進演算法推出了增強型全速率編碼（Enhanced Full Rate，EFR）；在不改變編碼速率的條件下，實現了更好的話音質量。同時也引入了編碼速率為6.5Kbps的半速率編碼（Half Rate，HR），這樣在犧牲話音質量的前提下，系統的容量可以提高一倍。1998年，3GPP又採納了自適應多速率編碼（Adaptive Multi-Rate，AMR）作為語音編碼的增強。AMR包括14種不同速率的編碼演算法，其中8種為全速率和6種為半速率，碼率介於12.2Kbps至4.75Kbps之間。系統在通話過程中根據信道條件和誤碼率實時地選擇最佳的編碼速率。在理想情況下，AMR 12.2Kbps的語音MOS可達4.14。

## 網路結構

GSM系統後面的網路龐大且複雜。它被分成很多的部分，每一部分負責其中的一個功能。

- 基站子系統（基站及其控制器）。
- 網路交換子系統（這一部分和固定網路最為相似）有時也被稱為核心網。
- GPRS核心網（可選部分，用於基於報文的網際網路連接）。
- 運營支撐系統。

## 身份識別模塊

GSM的一個關鍵特徵就是使用者身份模塊（SIM），也叫「SIM卡」。SIM卡是一個保存使用者數據和電話本的可拆卸智慧卡IC。使用者就可以更換手機後還能保存自己的資訊。換句話說使用者也可以使用現在的手機而使用不同運營商的SIM卡。有些運營商為了防止使用者轉換到別的網路在手機上做設定限制，使得它只能用該營運商的SIM卡，或者同一個網路的SIM卡，這就是所謂的「SIM卡加密」，這種行為在某些國家並不合法。

在美國和歐洲，大部分運營商鎖定他們銷售的行動電話，這樣做是因為行動電話的價格一般因為簽訂長期合同大幅減少（例如在歐美市場很多手機可以通過簽約以原價格幾十分之一的價格購買），而運營商試圖避免客戶的流失。使用者一般可以通過與運營商聯繫付一定費用來解除鎖定，或者通過一個專門服務或者從網際網路上搜索相關軟體來解鎖。如果使用者簽署在一段時期有效地合同（合同帳戶），某些美國運營商例如T-Mobile和Cingular，就會解除對電話的鎖定。第三方的解碼方法比起運營商的來一般更快而且也更便宜。在大多數國家解除鎖定是合法的。在中國內地，行業主管部門不允許運營商鎖定行動電話，這使得運營商的定製機也能輕鬆使用其他運營商的網路。

## GSM安全

GSM被設計具有中等安全水平。系統設計使用共享密鑰使用者認證。使用者與基站之間的通訊可以被加密。演進的UMTS引入可選的USIM－使用更長鑑別密鑰保證更好的安全以及網路和使用者的雙向驗證。GSM只有網路對使用者的驗證（而不是雙向驗證）。雖然安全模塊提供了保密和鑑別功能，但是鑑別能力有限而且可以偽造。

GSM為了安全使用多種加密演算法。A5/1和A5/2兩種串流加密法用於保證在空中資訊的保密性。A5/1是在歐洲範圍使用的強力演算法，而A5/2則是在其他國家使用的弱強度演算法。在兩種演算法中嚴重漏洞都已經被發現，例如一個唯密文攻擊可能實時的中斷掉A5/2.但是系統支持多個不同演算法，這樣運營商就可以換一個安全等級更強的。

## 參見

- 核心技術：2G－2.5G－3G－3.5G－LTE－4G－5G
- 結構元素：基站控制器－基地收發機站－歸屬位置寄存器－行動電話交換中心－SIM－VLR
- 無線電：GSM頻段
- 服務：蜂窩電話業務－GSM定位－GSM服務－MMS－SMS－WAP
- 標準：ETSI－智能網－增值-GEO-移動無線電接口
- 公用術語：IMEI－IMSI－MSISDN－MSRN－切換
- 相關技術：GSM-R（GSM-Railroads）

## 外部連結

- 3GPP：當前可用自由GSM標準實現
- OMA The current standardisation body for services aspects of mobile networks - 部分開放標準可用。
- ETSI原始GSM標準實現
- GSM協會－GSM運營商概覽 (官方站點) - 包括全體成員的網路覆蓋情況
- GSM網路參數縮寫列表按照首字母順序
- GSM概述作者John Scourias
- GSM可視化指南
- GSM概念、起源和里程碑－一個挪威人的觀點 Telenor的技術雜誌
- Telektronikk.Com
- GSM呼叫流程圖