全球移動通信系統

全球移動通信系統(GSM)是迄今為止最為成功的全球性移動通信系統。其開發始於1982年。歐洲電信標準協會(ETSI)的前身歐洲郵政電信管理會議(CEPT)成立了移動特別行動小組(Groupe Speciale Mobile)，該小組得到了對有關泛歐數字移動通信系統的諸多建議進行改進的授權。試圖完成的兩個目標是 ^[3]  ：

第一，用於無線通信的更好、更有效的技術解決方案——在那個時候，數字系統在用户容量、易用性和可能的附加業務數目等方面都要優於當時還十分流行的模擬系統已經是顯而易見的了 ^[3]  。

第二，實現全歐洲統一的標準，以支持跨越國界的漫遊。這在以前是不可能做到的，因為各國使用的是互不兼容的模擬系統 ^[3]  。

之後的若干年裏，幾家公司為這種系統提出了一些建議。這些建議幾乎涵蓋了不同技術領域的所有可能技術措施。提出的多址方式包括時分多址(TDMA)，頻分多址(FDMA)和碼分多址(CDMA）提議採用的調製技術有高斯最小頻移鍵控(GMSK)、四進制頻移鍵控(4FSK)、正交幅度調製(QAM)和自適應差分脈衝調製(ADPM）。所有提出的系統都進行了現場測試和信道模擬器測試。除了技術因素，市場和政治因素也影響了決策的進程。由於FDMA需要在移動台處進行天線分集，因此基於FDMA的方案就不在最終的考慮之列。儘管這種分集的技術可行性已經為日本的數字系統所證明，增大的天線尺寸使之仍然不能成為一個理想的選擇。CDMA最終也被排除在外，因為在那時採用CDMA方式所必需的信號處理看上去造價過高且不夠可靠。因此，只有TDMA系統在這一抉擇過程中得以保留。可是，最終的(TDMA)系統並非來自某個公司的建議，而反過來形成了一個折中的系統。究其原因是政治性的而非技術性的：選擇某一個公司的建議作為標準，將會給這家公司帶來相當大的競爭優勢 ^[3]  。

在20世紀90年代早期，人們意識到GSM應當擁有一些沒有包括在最初標準之中的功能特性。所以，包括這些功能的所謂第二階段規範直至1995年才開發完成。而包括分組無線電和EDGE所採用的更高效調製方案在內的進一步的功能提升是其後才逐漸引入的。基於這些擴充，GSM通常被稱為2.5代系統，這是因為其功能比那些第二代系統強大，而又未能具備第三代系統的所有功能 ^[3]  。

GSM的成功出乎了所有人的意料。雖然最初它是作為歐洲系統來開發的，但在歐洲推廣應用的同時，整個世界範圍內就已經開始了對GSM的廣泛應用。澳大利亞是第一個簽訂基礎協議的非歐洲國家。從那時起，GSM逐漸成為了全球性的移動通信標準，在2004年已擁有了超過十億的眾多用户。當然，也有個別的例外：日本和韓國就從未採用過GSM ^[3]  。

GSM有三種版本，每一種都使用不同的載波頻率。最初的GSM系統使用900MHz附近的載頻。稍後增加了GSM-1800，也就是所謂的DCS-1800，用以支持不斷增加的用户數目。它使用的載波頻率在1800MHz附近，總的可用帶寬大概是900MHz附近可用帶寬的三倍，並且降低了移動台的最大發射功率。除此之外，GSM-1800和最初的GSM完全相同。因此，信號處理、交換技術等方面無須做任何改變就可以同樣加以利用。更高的載波頻率意味着更大的路徑損耗，同時發射功率的降低會造成小區尺寸的明顯縮小。這一實際效果同更寬的可用帶寬一起使網絡容量可以得到相當大的擴充。第三種系統被稱做GSMl900或PCS-1900(個人通信系統)，工作在1900MHz載頻上，並主要用於美國 ^[3]  。

GSM是一個開放性標準。這意味着只就接口做出規定，而不限制具體的實現形式。作為一個例子，我們來考慮GSM採用的調製方式，即GMSK。GSM標準規定了帶外發射的上限、相位抖動、互調產物等內容。如何達到所需的線性度則取決於設備製造商。因此，這一開放的標準確保了來自不同製造商的所有產品可以相互兼容，儘管在質量和價格上它們可能仍然差別不小。對業務提供商而言，兼容性尤為重要。當採用專有的系統時，業務提供商只能在網絡初建階段一次性地選定設備供應商。對於GSM(以及其他開放性標準)，業務提供商可以先從某家制造商那裏購入基站，而之後為實現網絡擴容又可以從另一家價格更合理的製造商那裏購進基站。業務提供商同樣可以從一家公司購買一些部件，而從另一家公司購買其他部件 ^[3]  。

GSM系統主要由移動台（MS）、移動網子系統（NSS）、基站子系統（BSS）和操作維護中心（OMC）四部分組成 ^[4]  。

MS是公用GSM移動通信網中用户使用的設備，也是用户能夠直接接觸的整個GSM系統中的設備。移動台的類型不僅包括手持台，還包括車載台和便攜式台。隨着GSM標準的數字式手持台進一步小型、輕巧和增加功能的發展趨勢，手持台的用户將佔整個用户的極大部分 ^[4]  。

基站子系統（BSS）是GSM系統中與無線蜂窩方面關係最直接的基本組成部分。它通過無線接口直接與移動台相接，負責無線發送接收和無線資源管理。另一方面，基站子系統與網絡子系統（NSS）中的移動業務交換中心（MSC）相連，實現移動用户之間或移動用户與固定網路用户之間的通信連接，傳送系統信號和用户信息等。當然，要對BSS部分進行操作維護管理，還要建立BSS與操作支持子系統（OSS）之間的通信連接 ^[4]  。

NSS由移動業務交換中心(MSC) 、歸屬位置寄存器( HLR) 、拜訪位置寄存器(VLR) 、鑑權中心(AUC) 、設備識別寄存器(EIR) 、操作維護中心(OMC-S) 和短消息業務中心 (SC)構成。MSC是對位於它覆蓋區域中的MS進行控制和交換話務的功能實體, 也是移動通信網與其它通信網之間的接口實體。它負責整個MSC區內的呼叫控制、移動性管理和無線資源的管理。VLR 是存儲進人其覆蓋區用户與呼叫處理有關信息的動態數據庫。MSC為處理位於本覆蓋區中MS的來話和去話呼叫需到 VLR 檢索信息，通常VLR與MSC合設於同一物理實體中。HLR是用於移動用户管理的數據庫 , 每個移動用户都應在其歸屬的位置寄存器註冊登記。HLR主要存兩類信息，一類是有關用户的業務信息，另一類是用户的位置信息 ^[5]  。

操作維護中心（OMC）又稱OSS或M2000，需完成許多任務，包括移動用户管理、移動設備管理以及網路操作和維護。 ^[4]  移動用户管理包括用户數據管理和呼叫計費，移動設備管理要求部分或全部基礎設備之間能相互作用，網絡操作和維護是通過在操作人員和所有設備間進行調停來推進呼叫。 ^[10] 

GSM系統安全的目標是使系統如公共交換電話網絡(PSTN)一樣安全。系統中的無線路徑系統是最脆弱的部分，因為無線信號能被輕易地截獲。移動站有一鮮為人知的安全問題：使用MS進行竊聽在技術上是可能的(如作為“竊聽器”)。就算已經關機，還是可以通過空中接口將它打開，所以最好的保護方法是將電池取出。GSM MoU組(Memorandum ofUnderstanding Group)認為，安全的技術特性只是安全要求的一小部分，最大的威脅來自較簡單的攻擊如加密密鑰的泄漏、不安全的計費系統或貪污腐敗。因此，要採取有各方面綜合措施以確保這些安全過程滿足安全要求，此外，也必須考慮安全措施的費效比 ^[6]  。

GSM系統的安全要求考慮了蜂窩網絡的一些潛在弱點。系統的安全應當對系統運營商和用户都是適當的。系統運營商希望能確保向正確的人收費，並且服務不受影響；顧客要求隱私得到保護。總結出如下需求：

(1)使無線網絡同固定網一樣安全，這意味着匿名和加密以防止傾聽。

(2)採取強認證，防止運營商的計費被欺騙。

(3)防止運營商危及他人安全，無論是無意或迫於競爭壓力。

(4)不能導致初始呼叫建立延遲或隨後通信延遲的顯著增加。

(5)不能佔用更多的信道帶寬 。

(6)導致錯誤率增加或錯誤傳播。

為此運營商GSM系統的設計必須考慮環境和安全過程，如密鑰的產生和分發，運營商之間的信息交換以及算法的保密性 ^[6]  。

由於採用了高效調製器、信道編碼、交織、均衡和語音編碼技術，使系統具有高頻譜效率 ^[7]  。

由於每個信道傳輸帶寬增加，使同頻複用栽幹比要求降低至9dB，故GSM系統的同頻複用模式可以縮小到4/12或3/9甚至更小（模擬系統為7/21）；加上半速率話音編碼的引入和自動話務分配以減少越區切換的次數，使GSM系統的容量效率（每兆赫每小區的信道數）比TACS系統高3～5倍 ^[7]  。

GSM標準所提供的開放性接口，不僅限於空中接口，而且包括網絡之間以及網絡中各設備實體之間，例如Abis接口 ^[7]  。

通過鑑權、加密和TMSI號碼的使用，達到安全的目的。鑑權用來驗證用户的入網權利。加密用於空中接口，由SIM卡和網絡AUC的密鑰決定。TMSI是一個由業務網絡給用户指定的臨時識別號，以防止有人跟蹤而泄漏其地理位置 ^[7]  。

GSM頻段（頻率範圍）是國際電信聯盟為GSM移動電話工作而指定的蜂窩式無線通訊系統的頻率 ^[8]  。

P-GSM，基準GSM-900頻帶

E-GSM，擴展GSM-900頻帶（包括基準GSM-900頻帶）

R-GSM，鐵路GSM-900頻帶（包括基準和擴展GSM-900頻帶）

T-GSM，集羣無線系統-GSM

中國主要使用GSM-850, GSM-900, GSM-1800頻段 ^[9]  。

GSM-900和GSM-1800被用於世界上大部分區域：歐洲、中東、非洲、大洋洲以及亞洲的大部分區域。南美洲和中美洲的以下國家使用 ^[8]  ：

GSM-850和GSM-1900用於阿根廷、巴西、加拿大、美國以及美洲的許多其他國家 ^[8]  。