GSM

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全球行动通讯系统Global System for Mobile Communications),即GSM,又称泛欧数位式行动电话系统,是当前应用最为广泛的行动电话标准。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行动电话业者之间签署「漫游协定」后使用者的国际漫游变得很平常。GSM相较它以前的标准最大的不同是他的信令和语音频道都是数位的,因此GSM被看作是第二代2G)行动电话系统。GSM标准当前由3GPP组织负责制定和维护。

从使用者观点出发,GSM的主要优势在于提供更高的数位语音品质和替代呼叫的低成本的新选择(比如简讯)。从网路业者角度看来,其优势是能够部署来自不同厂商的装置,因为GSM作为开放标准提供了更容易的互操作性。而且,标准就允许网路业者提供漫游服务,使用者就可以在全球使用他们的行动电话了。

GSM标准在发展的同时(例如包资料能力在Release '97版本的标准中通过GPRS被加入进来),保持与原始的GSM电话向下相容。更高速度的资料传输是用EDGERelease '99版标准中引入的。

历史

1980年代初,第一代行动电话技术开始应用,当时存在众多互不相容的标准,仅在欧洲就有北欧NMT英国TACS西德等国使用的C-450法国Radiocom 2000义大利RTMI等。使用者的手机无法在其他标准的网路上使用,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行动电话标准,以便能够提供更多样的功能和使使用者漫游更加容易。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「行动专家组」负责。GSM的名字即是行动专家组(法语:Groupe Spécial Mobile)的缩写,后来这一缩写的含义被改变为「全球行动通讯系统」,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Radiolinja成为第一个商业运营的GSM网路。亚洲最早的GSM运营网路是香港电讯CSL。而中国内地也在1994年跟进,由当时中国电信行动通讯局(现在的中国移动)以「全球通数位行动电话网」名称运营,后演变为全球通品牌。GSM的推出推动了行动通讯的普及,使用者持续快速增长。1995年,全球使用者达到1千万,1998年,达到一亿,2005年已经超过15亿[1][2]

1998年,目标为制订接替GSM的第三代行动电话(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系统首先引入的简讯服务(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资料业务和传真服务。1999年,WAP协定使得使用者可以通过手机存取网际网路。2000年后开始商用的通用封包无线服务(GPRS)使得GSM系统能够以效率更高的封包方式提供资料通讯。2003年,EDGE技术开始商用,提供了接近3G的资料通讯能力。

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。

市场状况

到2005年全球有超过10亿人使用GSM电话,使GSM成为主导的行动电话系统,占到全球市场份额的70%。当前W-CDMA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韩国使用)在全球获得作为3G标准过渡的有限的增长。因为W-CDMA网路建设已经起步(至少在高密度的市场),GSM的确正在缓慢消亡,但这将持续相当时间。

在1998到2000年之间导致GSM使用者增长的主要原因是行动业者推出预付费电话服务。它允许那些不能或者不想跟业者签订合约(服务专案)的人们使用行动电话服务。这种服务在欧洲的行动业者之间竞争也比较激烈,即使没有长期的合约,人们也可以从业者那里以很低廉的价格买到一款手机。

无线电介面

GSM系统在无线介面上采用分时多重进接技术(TDMA),语音或资料讯号采用高斯最小频移键控(GMSK)方式进行调变。频道编码主要采用卷积码。每个GSM载频的频宽为200KHz,在时间上以4.615ms(更准确的说是60/13ms)为一影格,每一影格又顺序划分为8个时槽。时槽是GSM无线介面上资源的最小单位。

作为GSM系统资料传输效能提升的EDGE系统,调变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进位正交振幅调变(32或16QAM),每载频的资料传输能力可接近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。美洲的一些业者使用850M和1900M频段。400-450M频段则仅局限于北欧国家的业者。此外,欧盟为铁路排程通讯需要以GSM为基础制定的GSM-R系统,它的工作频率也在900M频段。GSM上下行讯号为分频双工,上下行讯号采用不同的频率,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频道号如下:

频段 名称 频道号 上行(MHz) 下行(MHz) 其他
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扩充频段
R-GSM 900 n/a 876,0 - 880,0 921,0 - 925,0 铁路GSM(GSM-R),为铁路排程通讯系统开发的特殊版本。
GSM1800 GSM 1800 512 - 885 1710,0 - 1785,0 1805,0 - 1880,0 适用于对频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系统不相容。

GSM网路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,填补蜂窝之间的讯号空白区域。

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。如果采用扩充蜂窝的技术,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还支援室内覆盖,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。这是一种典型的组态方案,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讯号穿越建筑物来实现,只是这样可以提高讯号品质减少干扰和回声。

一般在界定无线电介面,会以频道(Channel)来分,分为逻辑频道(Logical Channel)跟物理频道(Physical Channel)。首先在物理频道定义了实体网路的传输单元。

语音编码

GSM系统最早的语音编码方案采用规则脉波激励长时预测编码(REP-LTP)技术。它产生的编码速率为13Kbps,每20ms一个话音影格。话音品质平均意见分值(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,通过改进演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,实现了更好的话音品质。同时也引入了编码速率为6.5Kbps的半速率编码(Half Rate,HR),这样在牺牲话音品质的前提下,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种不同速率的编码演算法,其中8种为全速率和6种为半速率,位元速率介于12.2Kbps至4.75Kbps之间。系统在通话过程中根据频道条件和误码率即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。

网路结构

GSM网路结构

GSM系统后面的网路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。

身分辨识模组

GSM的一个关键特征就是使用者身分模组(SIM),也叫「SIM卡」。SIM卡是一个储存使用者资料和电话本的可拆卸智慧卡IC。使用者就可以更换手机后还能储存自己的资讯。换句话说使用者也可以使用现在的手机而使用不同业者的SIM卡。有些业者为了防止使用者转换到别的网路在手机上做设定限制,使得它只能用该营运商的SIM卡,或者同一个网路的SIM卡,这就是所谓的「SIM卡加密」,这种行为在某些国家并不合法。

在美国和欧洲,大部分业者锁定他们销售的行动电话,这样做是因为行动电话的价格一般因为签订长期合约大幅减少(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),而业者试图避免客户的流失。使用者一般可以通过与业者联络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网际网路上搜寻相关软体来解码。如果使用者签署在一段时期有效地合约(合约帐户),某些美国业者例如T-MobileCingular,就会解除对电话的锁定。第三方的解码方法比起业者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业者锁定行动电话,这使得业者的客制化机也能轻松使用其他业者的网路。

GSM安全

GSM被设计具有中等安全水平。系统设计使用共享金钥使用者认证。使用者与基站之间的通讯可以被加密。演进的UMTS引入可选的USIM-使用更长鉴别金钥保证更好的安全以及网路和使用者的双向验证。GSM只有网路对使用者的验证(而不是双向验证)。虽然安全模组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演算法。A5/1A5/2两种串流加密法用于保证在空中资讯的保密性。A5/1是在欧洲范围使用的强力演算法,而A5/2则是在其他国家使用的弱强度演算法。在两种演算法中严重漏洞都已经被发现,例如一个唯密文攻击可能即时的中断掉A5/2.但是系统支援多个不同演算法,这样业者就可以换一个安全等级更强的。

参见

外部连结

注释

  1. ^ 存档副本. [2010-12-24]. (原始内容存档于2010-11-21). 
  2. ^ 存档副本. [2006-10-10]. (原始内容存档于2006-11-03). 

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