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GSM發(fā)展史
全球移動(dòng)通信系統Global System for Mobile Communications),即GSM,是當前應用最為廣泛的移動(dòng)電話(huà)標準。全球超過(guò)200個(gè)國家和地區超過(guò)10億人正在使用GSM電話(huà)。GSM標準的廣泛使用使得在移動(dòng)電話(huà)運營(yíng)商之間簽署“漫游協(xié)定”后用戶(hù)的國際漫游變得很平常。GSM 較之它以前的標準最大的不同是他的信令和語(yǔ)音信道都是數位的,因此GSM被看作是第二代2G)移動(dòng)電話(huà)系統。GSM標準當前由3GPP組織負責制定和維護。
從用戶(hù)觀(guān)點(diǎn)出發(fā), GSM的主要優(yōu)勢在于提供更高的數位語(yǔ)音質(zhì)量和替代呼叫的低成本的新選擇(比如短信)。從網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商角度看來(lái),其優(yōu)勢是能夠部署來(lái)自不同廠(chǎng)商的設備,因為GSM作為開(kāi)放標準提供了更容易的互操作性。而且,標準就允許網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商提供漫游服務(wù),用戶(hù)就可以在全球使用他們的移動(dòng)電話(huà)了。
GSM標準在發(fā)展的同時(shí)(例如包數據能力在Release '97版本的標準中通過(guò)GPRS被加入進(jìn)來(lái)),保持與原始的GSM電話(huà)向后兼容。更高速度的數據傳輸是用EDGERelease '99版標準中引入的。
歷史
1980年代初,第一代移動(dòng)電話(huà)技術(shù)開(kāi)始應用,當時(shí)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和意大利RTMI等。用戶(hù)的手機無(wú)法在其他標準的網(wǎng)絡(luò )上使用,造成很大的不便。由于這個(gè)原因,西歐國家開(kāi)始考慮制定一個(gè)統一的下一代移動(dòng)電話(huà)標準,以便能夠提供更多樣的功能和使用戶(hù)漫游更加容易。最開(kāi)始標準起草和制定的準備工作由歐洲郵電行政大會(huì )〔CEPT〕負責管理。具體工作由1982年起成立的一系列“移動(dòng)專(zhuān)家組”負責。GSM的名字即是移動(dòng)專(zhuān)家組(法語(yǔ):Groupe Spécial Mobile)的縮寫(xiě)。后來(lái)這一縮寫(xiě)的含義被改變?yōu)?#8220;全球移動(dòng)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(guān)鍵技術(shù)。1989年, 歐洲電信標準協(xié)會(huì )〔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Oy Radiolinja Ab成為第一個(gè)商業(yè)運營(yíng)的GSM網(wǎng)絡(luò )。亞洲最早的GSM運營(yíng)網(wǎng)絡(luò )是香港電訊CSL,。GSM的推出推動(dòng)了移動(dòng)通信的普及,用戶(hù)持續快速增長(cháng)。1995年,全球用戶(hù)達到1千萬(wàn),1998年,達到一億,2005年已經(jīng)超過(guò)15億。[1][2]
1998年,目標為制訂接替GSM的第三代移動(dòng)電話(huà)(3G)規范的3GPP啟動(dòng)。3GPP也接受了維護和繼續開(kāi)發(fā)GSM規范的工作。ETSI是3GPP的成員之一。
在發(fā)展的過(guò)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(wù)。由GSM系統首先引入的短信息服務(wù)(SMS)提供了一種新穎、便捷、廉價(jià)的通訊方式。1994年,GSM實(shí)現了基于電路交換的數據業(yè)務(wù)和傳真服務(wù)。1999年,WAP協(xié)議使得用戶(hù)可以通過(guò)手機訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。2000年后開(kāi)始商用的通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)(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(shù)開(kāi)始商用,提供了接近3G的數據通訊能力。
目前,3GPP組織還在發(fā)展GSM標準,以便利用已經(jīng)大量部署的GSM基礎設施,平滑地向3G技術(shù)演進(jìn)。
市場(chǎng)狀況
2005年全球有超過(guò)10億人使用GSM電話(huà),使GSM成為主導的移動(dòng)電話(huà)系統,占到全球市場(chǎng)份額的70%。當前WCDMA并沒(méi)有展現出全部的功能,而GSM的主要競爭CDMA2000(主要在北美、日本、中國韓國使用)在全球獲得作為3G標準過(guò)渡的有限的增長(cháng)。因為WCDMA網(wǎng)絡(luò )建設已經(jīng)起步(至少在高密度的市場(chǎng)),GSM的正在緩慢消亡,但這將持續相當時(shí)間。
在1998到2000年之間導致GSM用戶(hù)增長(cháng)的主要原因是移動(dòng)運營(yíng)商推出預付費電話(huà)服務(wù)。它允許那些不能或者不想跟運營(yíng)商簽署合同的的人們使用移動(dòng)電話(huà)服務(wù)。這種服務(wù)在歐洲的移動(dòng)運營(yíng)商之間競爭也比較激烈,即使沒(méi)有長(cháng)期的合同,人們也可以從運營(yíng)商那里以很低廉的價(jià)格買(mǎi)到一款手機。
無(wú)線(xiàn)電接口GSM系統在無(wú)線(xiàn)接口上采用時(shí)分復用技術(shù)(TDMA),語(yǔ)音或數據信號采用高斯最小頻移鍵控(GMSK)方式進(jìn)行調制。信道編碼主要采用卷積碼。每個(gè)GSM載頻的帶寬為200KHz,在時(shí)間上以4.615ms(更準確的說(shuō)是60/13ms)為一幀,每一幀又順序劃分為8個(gè)時(shí)隙。時(shí)隙是GSM無(wú)線(xiàn)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, 調制方式采用了效率更高的8進(jìn)制相移鍵控(8PSK)。開(kāi)發(fā)中的EDGE演進(jìn)技術(shù)則將采用32 或16進(jìn)制正交幅度調制(32或16QAM),每載頻的數據傳輸能力可接近1Mbps。
為適應各國無(wú)線(xiàn)電頻率分配的不同情況,GSM系統可以在多個(gè)不同的頻段工作。 最初的GSM標準定義了900MHz,1800MHz,和1900MHz頻段。此后又補充了850MHz和450MHz,以適合部分地區的需求。世界大部分地區采用900M和1800M頻段。美洲的一些運營(yíng)商使用850M和1900M頻段。 400-450M頻段則僅局限于北歐國家的運營(yíng)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,上下行信號采用不同的頻率, 但對于不同的頻點(diǎn),上下行頻率之間保持固定的間隔。各頻段的具體頻率范圍和信道號如下:
頻段 名稱(chēng) 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(shí)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(kāi)發(fā)的特殊版本。
GSM1800 GSM 1800 512 - 885 1710,0 - 1785,0 1805,0 - 1880,0 適用于對信道容量需求大的市場(chǎng),應用范圍僅次于900M。
GSM1900 GSM 1900 512 - 810 1850,0 - 1910,0 1930,0 - 1990,0 主要用于美洲國家,由于有頻率重疊,與1800M系統不兼容。

GSM網(wǎng)絡(luò )一共有4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(huán)境而不同。宏蜂窩可以被看作那種基站天線(xiàn)安裝在天線(xiàn)桿或者建筑物頂上那種。微蜂窩則是那些天線(xiàn)高度低于平均建筑高度的那些,一般用于市區內。微微蜂窩則是那種很小的蜂窩只覆蓋幾十米的范圍,主要用于室內。傘蜂窩則是用于覆蓋更小的蜂窩網(wǎng)的盲區,填補蜂窩之間的信號空白區域。
蜂窩半徑范圍根據天線(xiàn)高度、增益和傳播條件可以從百米以下到數十公里。GSM規范設計的最大小區半徑,一般情況下為35公里。如果采用擴展蜂窩的技術(shù),則可以達到120公里以上,適用于一些傳播條件極好的情況。
GSM還支持室內覆蓋,通過(guò)功率分配器可以把室外天線(xiàn)的功率分配到室內天線(xiàn)分布系統上。這是一種典型的配置方案,用于滿(mǎn)足室內高密度通話(huà)要求,在購物中心和機場(chǎng)十分常見(jiàn)。然而這并不是必須的,因為室內覆蓋也可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號穿越建筑物來(lái)實(shí)現,只是這樣可以提高信號質(zhì)量減少干擾和回聲。
一般在界定無(wú)線(xiàn)電接口,會(huì )以信道(Channel)來(lái)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(shí)體網(wǎng)絡(luò )的傳輸單元。

語(yǔ)音編碼GSM系統最早的語(yǔ)音編碼方案采用規則脈沖激勵長(cháng)時(shí)預測編碼(REP-LTP)技術(shù)。它產(chǎn)生的編碼速率為13Kbps,每20ms一個(gè)話(huà)音幀。話(huà)音質(zhì)量平均意見(jiàn)分值(MOS)可達到3.6。這一方案被稱(chēng)作全速率編碼(Full Rate,FR)。在FR的基礎上,通過(guò)改進(jìn)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(shí)現了更好的話(huà)音質(zhì)量。同時(shí)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(huà)音質(zhì)量的前提下,系統的容量可以提高一倍。1998年, 3GPP又采納了自適應多速率編碼(Adaptive Multi-Rate,AMR)作為語(yǔ)音編碼的增強。AMR包括14種不同速率的編碼算法,其中8種為全速率和6種為半速率,碼率介于12.2Kbps至4.75Kbps之間。系統在通話(huà)過(guò)程中根據信道條件和誤碼率實(shí)時(shí)地選擇最佳的編碼速率。在理想情況下,AMR 12.2Kbps的語(yǔ)音MOS可達4.14。

網(wǎng)絡(luò )結構

GSM網(wǎng)絡(luò )結構


GSM系統后面的網(wǎng)絡(luò )被人們看作是極其龐大和復雜的,這樣就可以提供所有的所需的服務(wù)。它被分成很多的部分,每一部分負責其中的一個(gè)功能。

身份識別模塊GSM的一個(gè)關(guān)鍵特征就是用戶(hù)身份模塊 (SIM), 也叫 SIM卡。SIM卡是一個(gè)保存用戶(hù)數據和電話(huà)本的可拆卸智能卡IC。用戶(hù)就可以更換手機后還能保存自己的信息。換句話(huà)說(shuō)用戶(hù)也可以使用現在的手機而使用不同運營(yíng)商的SIM卡。 有些運營(yíng)商為了防止用戶(hù)轉換到別的網(wǎng)絡(luò )在手機上做手腳,使得它只能用一個(gè)特定的SIM卡,或者同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的SIM卡,這就是眾所周知的 SIM卡加密, 這在某些國家并不合法。
在美國和歐洲,大部分運營(yíng)商鎖定他們銷(xiāo)售的移動(dòng)電話(huà),這樣做是因為移動(dòng)電話(huà)的價(jià)格一般因為簽訂長(cháng)期合同大幅減少(例如在歐美市場(chǎng)很多手機可以通過(guò)簽約以原價(jià)格幾十分之一的價(jià)格購買(mǎi)),而運營(yíng)商試圖避免客戶(hù)的流失。用戶(hù)一般可以通過(guò)與運營(yíng)商聯(lián)系付一定費用來(lái)解除鎖定(俗稱(chēng)解碼),或者通過(guò)一個(gè)專(zhuān)門(mén)服務(wù)或者從互聯(lián)網(wǎng)上搜索相關(guān)軟件來(lái)解碼。 如果用戶(hù)簽署在一段時(shí)期有效地合同(合同帳戶(hù)),某些美國運營(yíng)商例如T-MobileCingular,就會(huì )解除對電話(huà)的鎖定。第三方的解碼方法比起運營(yíng)商的來(lái)一般更快而且也更便宜。在大多數國家解除鎖定是合法的。

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用戶(hù)認證。用戶(hù)與基站之間的通訊可以被加密。演進(jìn)的 UMTS引入可選的USIM-使用更長(cháng)鑒別密鑰保證更好的安全以及網(wǎng)絡(luò )和用戶(hù)的雙向驗證。GSM只有網(wǎng)絡(luò )對用戶(hù)的驗證 (而不是雙向驗證)。雖然安全模塊提供了保密和鑒別功能,但是鑒別能力有限而且可以偽造。
GSM為了安全使用多種加密算法。A5/1A5/2兩種串流密碼用于保證在空中信息的保密性。 A5/1是在歐洲范圍使用的強力算法,而A5/2則是在其他國家使用的弱強度算法。在兩種算法中嚴重漏洞都已經(jīng)被發(fā)現, 例如一個(gè)單一密文攻擊可能實(shí)時(shí)的中斷掉A5/2. 但是系統支持多個(gè)不同算法,這樣運營(yíng)商就可以換一個(gè)安全等級更強的。
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