原標(biāo)題：GSM原理

一、GSM概述

GSM（Global System for Mobile Communications，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）是一種第二代（2G）數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，最早由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）制定。GSM系統(tǒng)采用時(shí)分多址（TDMA）和頻分多址（FDMA）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音通話、短信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽谌蚍秶鷥?nèi)得到廣泛應(yīng)用。

二、GSM系統(tǒng)架構(gòu)

GSM系統(tǒng)主要由以下部分組成：

1. 移動(dòng)臺(tái)（MS，Mobile Station）

• 移動(dòng)終端（如手機(jī)）：用戶使用的設(shè)備，負(fù)責(zé)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)通信。

• 用戶識(shí)別模塊（SIM卡）：存儲(chǔ)用戶身份信息、密鑰等，實(shí)現(xiàn)用戶身份認(rèn)證。

2. 基站子系統(tǒng)（BSS，Base Station Subsystem）

• 基站收發(fā)信臺(tái)（BTS，Base Transceiver Station）：負(fù)責(zé)無(wú)線信號(hào)的收發(fā)，與移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行通信。

• 基站控制器（BSC，Base Station Controller）：管理多個(gè)BTS，控制無(wú)線資源分配、切換等。

3. 網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)（NSS，Network and Switching Subsystem）

• 移動(dòng)交換中心（MSC，Mobile Switching Center）：負(fù)責(zé)呼叫控制、切換、與公共交換電話網(wǎng)（PSTN）的連接。

• 歸屬位置寄存器（HLR，Home Location Register）：存儲(chǔ)用戶信息、位置信息等。

• 拜訪位置寄存器（VLR，Visitor Location Register）：臨時(shí)存儲(chǔ)進(jìn)入其覆蓋區(qū)域的用戶信息。

• 鑒權(quán)中心（AuC，Authentication Center）：提供鑒權(quán)和加密參數(shù)，保障通信安全。

• 設(shè)備識(shí)別寄存器（EIR，Equipment Identity Register）：存儲(chǔ)移動(dòng)設(shè)備標(biāo)識(shí)信息，防止非法設(shè)備接入。

4. 操作支持子系統(tǒng)（OSS，Operations Support Subsystem）

• 負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理、維護(hù)、計(jì)費(fèi)等功能。

三、GSM通信原理

1. 頻段分配

• GSM 900：上行890-915 MHz，下行935-960 MHz。

• DCS 1800：上行1710-1785 MHz，下行1805-1880 MHz。

• PCS 1900：上行1850-1910 MHz，下行1930-1990 MHz。

• GSM系統(tǒng)工作在多個(gè)頻段，常見(jiàn)的有：

2. 多址技術(shù)

• GSM中，每個(gè)載頻被劃分為8個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙為一個(gè)物理信道。

• 頻分多址（FDMA）：將頻段劃分為多個(gè)信道，每個(gè)信道占用一定的頻率帶寬。

• 時(shí)分多址（TDMA）：在每個(gè)頻段上，將時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)用戶占用一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行通信。

3. 信道類型

• 廣播信道（BCH，Broadcast Channel）：基站向移動(dòng)臺(tái)廣播系統(tǒng)信息。

• 公共控制信道（CCCH，Common Control Channel）：用于移動(dòng)臺(tái)接入網(wǎng)絡(luò)，如隨機(jī)接入信道（RACH）、尋呼信道（PCH）等。

• 專用控制信道（DCCH，Dedicated Control Channel）：在通話過(guò)程中，用于傳輸控制信息。

• 全速率TCH：傳輸速率為13 kbit/s（語(yǔ)音編碼后）。

• 半速率TCH：傳輸速率為6.5 kbit/s（提高系統(tǒng)容量）。

• 業(yè)務(wù)信道（TCH，Traffic Channel）：用于傳輸語(yǔ)音或數(shù)據(jù)。

• 控制信道（CCH，Control Channel）：用于傳輸控制信息。

4. 語(yǔ)音編碼

• GSM采用規(guī)則脈沖激勵(lì)長(zhǎng)期預(yù)測(cè)編碼（RPE-LTP），將語(yǔ)音信號(hào)壓縮為13 kbit/s的數(shù)字信號(hào)。

• 編碼過(guò)程包括預(yù)處理、線性預(yù)測(cè)分析、長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)、短時(shí)預(yù)測(cè)等步驟。

5. 調(diào)制與解調(diào)

• GSM采用高斯最小頻移鍵控（GMSK）調(diào)制方式，具有恒包絡(luò)、頻譜效率高等優(yōu)點(diǎn)。

• 調(diào)制過(guò)程：將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，通過(guò)GMSK調(diào)制到載波上。

• 解調(diào)過(guò)程：在接收端，通過(guò)GMSK解調(diào)恢復(fù)數(shù)字信號(hào)。

6. 信道編碼與交織

• 信道編碼：增加冗余信息，提高抗干擾能力。GSM采用卷積編碼和分組編碼。

• 交織：將數(shù)據(jù)打亂順序傳輸，降低突發(fā)錯(cuò)誤的影響。

7. 鑒權(quán)與加密

• 鑒權(quán)：移動(dòng)臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行身份驗(yàn)證，防止非法接入。

• 加密：對(duì)通信內(nèi)容進(jìn)行加密，保障通信安全。GSM采用A5加密算法。

四、GSM呼叫流程

1. 移動(dòng)臺(tái)開(kāi)機(jī)

• 移動(dòng)臺(tái)搜索網(wǎng)絡(luò)，選擇合適的小區(qū)進(jìn)行駐留。

• 向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送位置更新請(qǐng)求，更新VLR中的用戶信息。

2. 主叫流程

• 撥號(hào)：用戶輸入被叫號(hào)碼，移動(dòng)臺(tái)發(fā)起呼叫請(qǐng)求。

• 隨機(jī)接入：移動(dòng)臺(tái)通過(guò)RACH信道向基站發(fā)送接入請(qǐng)求。

• 信道分配：基站分配專用信道（SDCCH或TCH），通知移動(dòng)臺(tái)。

• 鑒權(quán)與加密：網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行鑒權(quán)，建立加密通信。

• 呼叫建立：通過(guò)信令交互，建立主叫和被叫之間的連接。

• 通話：語(yǔ)音數(shù)據(jù)通過(guò)TCH信道傳輸。

• 呼叫釋放：通話結(jié)束后，釋放信道，更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

3. 被叫流程

• 尋呼：網(wǎng)絡(luò)通過(guò)PCH信道向移動(dòng)臺(tái)發(fā)送尋呼消息。

• 隨機(jī)接入：移動(dòng)臺(tái)響應(yīng)尋呼，發(fā)起接入請(qǐng)求。

• 后續(xù)流程與主叫類似，建立通話連接。

五、GSM技術(shù)特點(diǎn)

1. 數(shù)字化：采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，提高了語(yǔ)音質(zhì)量和系統(tǒng)容量。

2. 標(biāo)準(zhǔn)化：全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了設(shè)備的兼容性和互操作性。

3. 安全性：支持鑒權(quán)和加密，保障通信安全。

4. 漫游功能：支持全球范圍內(nèi)的漫游，方便用戶使用。

5. 業(yè)務(wù)豐富：除了語(yǔ)音通話，還支持短信、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。

六、GSM的發(fā)展與演進(jìn)

1. GPRS（General Packet Radio Service）

• 在GSM基礎(chǔ)上增加分組交換功能，提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率（最高可達(dá)115 kbit/s）。

• 支持移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如網(wǎng)頁(yè)瀏覽、即時(shí)通信等。

2. EDGE（Enhanced Data rates for GSM Evolution）

• 采用更高效的調(diào)制技術(shù)（8-PSK），將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到384 kbit/s。

• 被稱為2.75G技術(shù)，進(jìn)一步提升了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力。

3. 向3G/4G/5G演進(jìn)

• 隨著技術(shù)的發(fā)展，GSM逐漸向3G（如WCDMA）、4G（如LTE）、5G演進(jìn)，提供更高的數(shù)據(jù)速率和更豐富的業(yè)務(wù)。

七、GSM的應(yīng)用與影響

1. 全球普及：GSM成為全球最廣泛使用的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋了200多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。

2. 推動(dòng)移動(dòng)通信發(fā)展：GSM的成功為后續(xù)移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

3. 促進(jìn)社會(huì)信息化：GSM的普及使得移動(dòng)通信成為人們生活中不可或缺的一部分，推動(dòng)了社會(huì)信息化進(jìn)程。