全球移动通信系统

数字移动通信标准

全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications，GSM)是由欧洲电信标准组织 ETSI（ European Telecommunications Standards Institute）制订的一个数字移动通信标准。它的空中接口采用时分多址技术。自90年代中期投入商用以来，被全球超过100个国家采用。GSM标准的无处不在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它的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代 (2G)移动电话系统。

历史

全球移动通信系统(GSM)是迄今为止最为成功的全球性移动通信系统。其开发始于1982年。欧洲电信标准协会(ETSI)的前身欧洲邮政电信管理会议(CEPT)成立了移动特别行动小组(Groupe Speciale Mobile)，该小组得到了对有关泛欧数字移动通信系统的诸多建议进行改进的授权。试图完成的两个目标是：

第一，用于无线通信的更好、更有效的技术解决方案——在那个时候，数字系统在用户容量、易用性和可能的附加业务数目等方面都要优于当时还十分流行的模拟系统已经是显而易见的了。

第二，实现全欧洲统一的标准，以支持跨越国界的漫游。这在以前是不可能做到的，因为各国使用的是互不兼容的模拟系统。

之后的若干年里，几家公司为这种系统提出了一些建议。这些建议几乎涵盖了不同技术领域的所有可能技术措施。提出的多址方式包括时分多址(TDMA)，频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA）提议采用的调制技术有高斯最小频移键控(GMSK)、四进制频移键控(4FSK)、正交幅度调制(QAM)和自适应差分脉冲调制(ADPM）。所有提出的系统都进行了现场测试和信道模拟器测试。除了技术因素，市场和政治因素也影响了决策的进程。由于FDMA需要在移动台处进行天线分集，因此基于FDMA的方案就不在最终的考虑之列。尽管这种分集的技术可行性已经为日本的数字系统所证明，增大的天线尺寸使之仍然不能成为一个理想的选择。CDMA最终也被排除在外，因为在那时采用CDMA方式所必需的信号处理看上去造价过高且不够可靠。因此，只有TDMA系统在这一抉择过程中得以保留。可是，最终的(TDMA)系统并非来自某个公司的建议，而反过来形成了一个折中的系统。究其原因是政治性的而非技术性的：选择某一个公司的建议作为标准，将会给这家公司带来相当大的竞争优势。

在20世纪90年代早期，人们意识到GSM应当拥有一些没有包括在最初标准之中的功能特性。所以，包括这些功能的所谓第二阶段规范直至1995年才开发完成。而包括分组无线电和EDGE所采用的更高效调制方案在内的进一步的功能提升是其后才逐渐引入的。基于这些扩充，GSM通常被称为2.5代系统，这是因为其功能比那些第二代系统强大，而又未能具备第三代系统的所有功能。

GSM的成功出乎了所有人的意料。虽然最初它是作为欧洲系统来开发的，但在欧洲推广应用的同时，整个世界范围内就已经开始了对GSM的广泛应用。澳大利亚是第一个签订基础协议的非欧洲国家。从那时起，GSM逐渐成为了全球性的移动通信标准，在2004年已拥有了超过十亿的众多用户。当然，也有个别的例外：日本和韩国就从未采用过GSM。

GSM有三种版本，每一种都使用不同的载波频率。最初的GSM系统使用900MHz附近的载频。稍后增加了GSM-1800，也就是所谓的DCS-1800，用以支持不断增加的用户数目。它使用的载波频率在1800MHz附近，总的可用带宽大概是900MHz附近可用带宽的三倍，并且降低了移动台的最大发射功率。除此之外，GSM-1800和最初的GSM完全相同。因此，信号处理、交换技术等方面无须做任何改变就可以同样加以利用。更高的载波频率意味着更大的路径损耗，同时发射功率的降低会造成小区尺寸的明显缩小。这一实际效果同更宽的可用带宽一起使网络容量可以得到相当大的扩充。第三种系统被称做GSMl900或PCS-1900(个人通信系统)，工作在1900MHz载频上，并主要用于美国。

GSM是一个开放性标准。这意味着只就接口做出规定，而不限制具体的实现形式。作为一个例子，考虑到GSM采用的调制方式，即GMSK。GSM标准规定了带外发射的上限、相位抖动、互调产物等内容。如何达到所需的线性度则取决于设备制造商。因此，这一开放的标准确保了来自不同制造商的所有产品可以相互兼容，尽管在质量和价格上它们可能仍然差别不小。对业务提供商而言，兼容性尤为重要。当采用专有的系统时，业务提供商只能在网络初建阶段一次性地选定设备供应商。对于GSM(以及其他开放性标准)，业务提供商可以先从某家制造商那里购入基站，而之后为实现网络扩容又可以从另一家价格更合理的制造商那里购进基站。业务提供商同样可以从一家公司购买一些部件，而从另一家公司购买其他部件。

系统组成

GSM系统主要由移动台（MS）、移动网子系统（NSS）、基站子系统（BSS）和操作维护中心（OMC）四部分组成。

移动台（MS）

MS是公用GSM移动通信网中用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的设备。移动台的类型不仅包括手持台，还包括车载台和便携式台。随着GSM标准的数字式手持台进一步小型、轻巧和增加功能的发展趋势，手持台的用户将占整个用户的极大部分。

基站子系统（BSS）

基站子系统（BSS）是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送接收和无线资源管理。另一方面，基站子系统与网络子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。当然，要对BSS部分进行操作维护管理，还要建立BSS与操作支持子系统（OSS）之间的通信连接。

移动网子系统（NSS）

NSS由移动业务交换中心(MSC) 、归属位置寄存器( HLR) 、拜访位置寄存器(VLR) 、鉴权中心(AUC) 、设备识别寄存器(EIR) 、操作维护中心(OMC-S) 和短消息业务中心 (SC)构成。MSC是对位于它覆盖区域中的MS进行控制和交换话务的功能实体, 也是移动通信网与其它通信网之间的接口实体。它负责整个MSC区内的呼叫控制、移动性管理和无线资源的管理。VLR 是存储进人其覆盖区用户与呼叫处理有关信息的动态数据库。MSC为处理位于本覆盖区中MS的来话和去话呼叫需到 VLR 检索信息，通常VLR与MSC合设于同一物理实体中。HLR是用于移动用户管理的数据库 , 每个移动用户都应在其归属的位置寄存器注册登记。HLR主要存两类信息，一类是有关用户的业务信息，另一类是用户的位置信息。

操作维护中心（OMC）

操作维护中心（OMC）又称OSS或M2000，需完成许多任务，包括移动用户管理、移动设备管理以及网路操作和维护。移动用户管理包括用户数据管理和呼叫计费，移动设备管理要求部分或全部基础设备之间能相互作用，网络操作和维护是通过在操作人员和所有设备间进行调停来推进呼叫。

安全需求

GSM系统安全的目标是使系统如公共交换电话网络(PSTN)一样安全。系统中的无线路径系统是最脆弱的部分，因为无线信号能被轻易地截获。移动站有一鲜为人知的安全问题：使用MS进行窃听在技术上是可能的(如作为“窃听器”)。就算已经关机，还是可以通过空中接口将它打开，所以最好的保护方法是将电池取出。GSM MoU组(Memorandum ofUnderstanding Group)认为，安全的技术特性只是安全要求的一小部分，最大的威胁来自较简单的攻击如加密密钥的泄漏、不安全的计费系统或贪污腐败。因此，要采取有各方面综合措施以确保这些安全过程满足安全要求，此外，也必须考虑安全措施的费效比。

GSM系统的安全要求考虑了蜂窝网络的一些潜在弱点。系统的安全应当对系统运营商和用户都是适当的。系统运营商希望能确保向正确的人收费，并且服务不受影响；顾客要求隐私得到保护。总结出如下需求：

(1)使无线网络同固定网一样安全，这意味着匿名和加密以防止倾听。

(2)采取强认证，防止运营商的计费被欺骗。

(3)防止运营商危及他人安全，无论是无意或迫于竞争压力。

(4)不能导致初始呼叫建立延迟或随后通信延迟的显著增加。

(5)不能占用更多的信道带宽。

(6)导致错误率增加或错误传播。

为此运营商GSM系统的设计必须考虑环境和安全过程，如密钥的产生和分发，运营商之间的信息交换以及算法的保密性。

技术特点

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