全球移动通信系统

**全球行動通訊系統**（**G**lobal **S**ystem for **M**obile 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業者之間簽署「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頻道都是數位的，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品質和替代呼叫的低成本的新選擇（比如簡訊）。從網路業者角度看來，其優勢是能夠部署來自不同廠商的裝置，因為 GSM 作為開放標準提供了更容易的互操作性。而且，標準就允許網路業者提供漫遊服務，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（例如包資料能力在 Release '97 版本的標準中通過 GPRS 被加入進來），保持與原始的 GSM 電話向下相容。更高速度的資料傳輸是用 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，當時存在眾多互不相容的標準，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「行動專家組」負責。GSM 的名字即是行動專家組（法語：Groupe Spécial Mobile）的縮寫，後來這一縮寫的含義被改變為「全球行動通訊系統」，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，由當時中國電信行動通訊局（現在的中國移動）以「**全球通數位行動電話網**」名稱運營，後演變為全球通品牌。GSM 的推出推動了行動通訊的普及，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資料業務和傳真服務。1999 年，WAP 協定使得使用者可以通過手機存取網際網路。2000 年後開始商用的通用封包無線服務（GPRS）使得 GSM 系統能夠以效率更高的封包方式提供資料通訊。2003 年，EDGE 技術開始商用，提供了接近 3G 的資料通訊能力。

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行動業者推出預付費電話服務。它允許那些不能或者不想跟業者簽訂合約（服務專案）的人們使用行動電話服務。這種服務在歐洲的行動業者之間競爭也比較激烈，即使沒有長期的合約，人們也可以從業者那裡以很低廉的價格買到一款手機。

## 無線電介面

GSM 系統在無線介面上採用分時多重進接技術（TDMA），語音或資料訊號採用高斯最小頻移鍵控（GMSK）方式進行調變。頻道編碼主要採用卷積碼。每個 GSM 載頻的頻寬為 200KHz，在時間上以 4.615ms（更準確的說是 60/13ms）為一影格，每一影格又順序劃分為 8 個時槽。時槽是 GSM 無線介面上資源的最小單位。

作為 GSM 系統資料傳輸效能提升的 EDGE 系統，調變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 進位正交振幅調變（32 或 16QAM），每載頻的資料傳輸能力可接近 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。美洲的一些業者使用 850M 和 1900M 頻段。400－450M 頻段則僅局限於北歐國家的業者。此外，歐盟為鐵路排程通訊需要以 GSM 為基礎制定的 GSM-R 系統，它的工作頻率也在 900M 頻段。GSM 上下行訊號為分頻雙工，上下行訊號採用不同的頻率，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頻道號如下：

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地台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，填補蜂窩之間的訊號空白區域。

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。如果採用擴充蜂窩的技術，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 還支援室內覆蓋，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。這是一種典型的組態方案，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訊號穿越建築物來實現，只是這樣可以提高訊號品質減少干擾和回聲。

一般在界定無線電介面，會以頻道（Channel）來分，分為邏輯頻道（Logical Channel）跟物理頻道（Physical Channel）。首先在物理頻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波激勵長時預測編碼（**REP-LTP**）技術。它產生的編碼速率為 13Kbps，每 20ms 一個話音影格。話音品質平均意見分值（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，實現了更好的話音品質。同時也引入了編碼速率為 6.5Kbps 的半速率編碼（Half Rate，**HR**），這樣在犧牲話音品質的前提下，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，位元速率介於 12.2Kbps 至 4.75Kbps 之間。系統在通話過程中根據頻道條件和誤碼率即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** 系統後面的網路被人們看作是極其龐大和複雜的，這樣就可以提供所有的所需的服務。它被分成很多的部分，每一部分負責其中的一個功能。

* 基地台子系統（基地台及其控制器）。
* 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。

## 身分辨識模組

GSM 的一個關鍵特徵就是使用者身分模組（SIM），也叫「SIM 卡」。SIM 卡是一個儲存使用者資料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儲存自己的資訊。換句話說使用者也可以使用現在的手機而使用不同業者的 SIM 卡。有些業者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，大部分業者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約大幅減少（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），而業者試圖避免客戶的流失。使用者一般可以通過與業者聯絡付一定費用來解除鎖定（俗稱「解碼」），或者通過一個專門服務或者從網際網路上搜尋相關軟體來解碼。如果使用者簽署在一段時期有效地合約（合約帳戶），某些美國業者例如 T-Mobile 和 Cingular，就會解除對電話的鎖定。第三方的解碼方法比起業者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業者鎖定行動電話，這使得業者的客製化機也能輕鬆使用其他業者的網路。

## GSM 安全

GSM 被設計具有中等安全水平。系統設計使用共享金鑰使用者認證。使用者與基地台之間的通訊可以被加密。演進的 UMTS 引入可選的 USIM－使用更長鑑別金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）。雖然安全模組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即時的中斷掉 A5/2. 但是系統支援多個不同演算法，這樣業者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：基地台控制器－基地收發機站－歸屬位置暫存器－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－智慧型網－增值 - GEO - 行動無線電介面
* 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（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* OMA The current standardisation body for services aspects of mobile networks - 部分開放標準可用（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）。
* ETSI 原始 GSM 標準實現美國國會圖書館的存檔，存檔日期 2011-06-08
* GSM 協會－GSM 業者概覽 (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 視覺化指南
* 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

## 注釋