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GSM

用於描述移動電話使用的第二代數字蜂窩網絡的協議的標準

全球流動通訊系統（Global System for Mobile Communications），即GSM，又稱泛歐數碼式流動電話系統，是當前應用最為廣泛的流動電話標準。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流動電話營辦商之間簽署「漫遊協定」後用戶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碼的，因此GSM被看作是第二代（2G）流動電話系統。GSM標準當前由3GPP組織負責制定和維護。

從用戶觀點出發，GSM的主要優勢在於提供更高的數碼語音質素和替代呼叫的低成本的新選擇（比如短訊）。從網絡營辦商角度看來，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，標準就允許網絡營辦商提供漫遊服務，用戶就可以在全球使用他們的流動電話了。

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電話向下相容。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，第一代流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（英語：Total Access Communication System）、西德等國使用的C-450（英語：C-Netz）、法國的Radiocom 2000（法語：Radiocom 2000）和意大利的RTMI（英語：RTMI）等。用戶的手機無法在其他標準的網絡上使用，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流動電話標準，以便能夠提供更多樣的功能和使用戶漫遊更加容易。最開始標準起草和制定的準備工作由歐洲郵電行政大會（英語：European_Conference_of_Postal_and_Telecommunications_Administrations）〔CEPT〕負責管理。具體工作由1982年起成立的一系列「流動專家組」負責。GSM的名字即是流動專家組（法語：Groupe Spécial Mobile）的縮寫，後來這一縮寫的含義被改變為「全球流動通訊系統」，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，歐洲電訊標準協會〔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（英語：Radiolinja）成為第一個商業運營的GSM網絡。亞洲最早的GSM運營網絡是1993年的香港電訊CSL。而中國內地也在1994年跟進，由當時中國電信流動通訊局（現在的中國移動）以「全球通數碼流動電話網」名稱運營，後演變為全球通品牌。GSM的推出推動了流動通訊的普及，用戶持續快速增長。1995年，全球用戶達到1千萬，1998年，達到一億，2005年已經超過15億[1][2]。

1998年，目標為制訂接替GSM的第三代流動電話（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系統首先引入的短訊服務（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數據業務和傳真服務。1999年，WAP協定使得用戶可以通過手機訪問互聯網。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成為主導的流動電話系統，佔到全球市場份額的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網絡建設已經起步（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用戶增長的主要原因是流動營辦商推出預付費電話服務。它允許那些不能或者不想跟營辦商簽署合同（服務計劃）的人們使用流動電話服務。這種服務在歐洲的流動營辦商之間競爭也比較激烈，即使沒有長期的合同，人們也可以從營辦商那裏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時分多址技術（TDMA），語音或數據訊號採用高斯最小頻移鍵控（GMSK）方式進行調制。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）為一幀，每一幀又順序劃分為8個時槽。時槽是GSM無線介面上資源的最小單位。

作為GSM系統數據傳輸效能提升的EDGE系統，調制方式採用了效率更高的8進制相移鍵控（8PSK）。開發中的EDGE演進技術則將採用32或16進制正交振幅調制（32或16QAM），每載頻的數據傳輸能力可接近1Mbps。

參見：GSM頻段、多頻和個人通訊系統

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。美洲的一些營辦商使用850M和1900M頻段。400－450M頻段則僅局限於北歐國家的營辦商。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上下行訊號為頻分雙工，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：

頻段 名稱 頻道號 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擴充頻段
R-GSM 900 n/a 876,0 - 880,0 921,0 - 925,0 鐵路GSM（GSM-R），為鐵路排程通訊系統開發的特殊版本。
GSM1800 GSM 1800 512 - 885 1710,0 - 1785,0 1805,0 - 1880,0 適用於對頻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系統不相容。

GSM網絡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佈系統上。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質素減少干擾和回聲。

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絡的傳輸單元。

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。話音質素平均意見分值（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素。同時也引入了編碼速率為6.5Kbps的半速率編碼（Half Rate，HR），這樣在犧牲話音質素的前提下，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。

網絡結構

 
GSM網絡結構

GSM系統後面的網絡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。

身份辨識模組

GSM的一個關鍵特徵就是用戶身份模組（SIM），也叫「SIM卡」。SIM卡是一個儲存用戶數據和電話本的可拆卸智能卡IC。用戶就可以更換手機後還能儲存自己的資訊。換句話說用戶也可以使用現在的手機而使用不同營辦商的SIM卡。有些營辦商為了防止用戶轉換到別的網絡在手機上做設置限制，使得它只能用該營運商的SIM卡，或者同一個網絡的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，大部分營辦商鎖定他們銷售的流動電話，這樣做是因為流動電話的價格一般因為簽署長期合同大幅減少（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），而營辦商試圖避免客戶的流失。用戶一般可以通過與營辦商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互聯網上搜尋相關軟件來解碼。如果用戶簽署在一段時期有效地合同（合同帳戶），某些美國營辦商例如T-Mobile和Cingular（英語：Cingular），就會解除對電話的鎖定。第三方的解碼方法比起營辦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營辦商鎖定流動電話，這使得營辦商的客製化機也能輕鬆使用其他營辦商的網絡。

GSM安全

GSM被設計具有中等安全水平。系統設計使用共用金鑰用戶認證。用戶與基站之間的通訊可以被加密。演進的UMTS引入可選的USIM－使用更長鑑別金鑰保證更好的安全以及網絡和用戶的雙向驗證。GSM只有網絡對用戶的驗證（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，這樣營辦商就可以換一個安全等級更強的。

參見

外部連結

註釋

  1. ^ 存档副本. [2010-12-24]. （原始內容存檔於2010-11-21）. 
  2. ^ 存档副本. [2006-10-10]. （原始內容存檔於2006-11-03）. 
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