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GSM

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全球行動通訊系統Global System for Mobile Communications),即GSM,又稱泛歐數位式行動電話系統,是目前應用最為廣泛的行動電話標準。全球超過200個國家和地區超過10億人正在使用GSM電話。GSM標準的廣泛使用使得在行動電話業者之間簽署「漫遊協定」後用戶的國際漫遊變得很平常。GSM較之它以前的標準最大的不同是他的信令和語音通道都是數位的,因此GSM被看作是第二代2G)行動電話系統。GSM標準目前由3GPP組織負責制定和維護。

從用戶觀點出發,GSM的主要優勢在於提供更高的數位語音品質和替代呼叫的低成本的新選擇(比如簡訊)。從網路業者角度看來,其優勢是能夠部署來自不同廠商的裝置,因為GSM作為開放標準提供了更容易的互操作性。而且,標準就允許網路業者提供漫遊服務,用戶就可以在全球使用他們的行動電話了。

GSM標準在發展的同時(例如包資料能力在Release '97版本的標準中通過GPRS被加入進來),保持與原始的GSM電話向下相容。更高速度的資料傳輸是用EDGERelease '99版標準中引入的。

歷史[編輯]

1980年代初,第一代行動電話技術開始應用,當時存在眾多互不相容的標準,僅在歐洲就有北歐NMT英語Nordic_Mobile_Telephone英國TACS英語Total Access Communication System西德等國使用的C-450英語C-Netz法國Radiocom 2000法語Radiocom 2000義大利RTMI英語RTMI等。用戶的手機無法在其他標準的網路上使用,造成很大的不便。由於這個原因,西歐國家開始考慮制定一個統一的下一代行動電話標準,以便能夠提供更多樣的功能和使用戶漫遊更加容易。最開始標準起草和制定的準備工作由歐洲郵電行政大會英語European_Conference_of_Postal_and_Telecommunications_Administrations〔CEPT〕負責管理。具體工作由1982年起成立的一系列「行動專家組」負責。GSM的名字即是行動專家組(法語:Groupe Spécial Mobile)的縮寫,後來這一縮寫的含義被改變為「全球行動通訊系統」,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最重要的幾項關鍵技術。1989年,歐洲電信標準協會英語ETSI〔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Radiolinja英語Radiolinja成為第一個商業運營的GSM網路。亞洲最早的GSM運營網路是香港電訊CSL。GSM的推出推動了行動通訊的普及,用戶持續快速增長。1995年,全球用戶達到1千萬,1998年,達到一億,2005年已經超過15億[1][2]

1998年,目標為制訂接替GSM的第三代行動電話(3G)規範的3GPP啟動。3GPP也接受了維護和繼續開發GSM規範的工作。ETSI是3GPP的成員之一。

在發展的過程中,GSM系統的功能不斷得到豐富,從而能夠提供更多樣的服務。由GSM系統首先引入的簡訊服務(SMS)提供了一種新穎、便捷、廉價的通訊方式。1994年,GSM實現了基於電路交換的資料業務和傳真服務。1999年,WAP協定使得用戶可以通過手機存取網際網路。2000年後開始商用的通用封包無線服務(GPRS)使得GSM系統能夠以效率更高的封包方式提供資料通訊。2003年,EDGE技術開始商用,提供了接近3G的資料通訊能力。

目前,3GPP組織還在發展GSM標準,以便利用已經大量部署的GSM基礎設施,平滑地向3G技術演進。

市場狀況[編輯]

到2005年全球有超過10億人使用GSM電話,使GSM成為主導的行動電話系統,占到全球市場份額的70%。目前W-CDMA並沒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標準過渡的有限的增長。因為W-CDMA網路建設已經起步(至少在高密度的市場),GSM的確正在緩慢消亡,但這將持續相當時間。

在1998到2000年之間導致GSM用戶增長的主要原因是行動業者推出預付費電話服務。它允許那些不能或者不想跟業者簽署合約的人們使用行動電話服務。這種服務在歐洲的行動業者之間競爭也比較激烈,即使沒有長期的合約,人們也可以從業者那裡以很低廉的價格買到一款手機。

無線電介面[編輯]

GSM系統在無線介面上採用分時多工技術(TDMA),語音或資料訊號採用高斯最小頻移鍵控(GMSK)方式進行調變。通道編碼主要採用卷積碼。每個GSM載頻的頻寬為200KHz,在時間上以4.615ms(更準確的說是60/13ms)為一影格,每一影格又順序劃分為8個時槽。時槽是GSM無線介面上資源的最小單位。

作為GSM系統資料傳輸效能提升的EDGE系統,調變方式採用了效率更高的8進位相移鍵控(8PSK)。開發中的EDGE演進技術則將採用32或16進位正交振幅調變(32或16QAM),每載頻的資料傳輸能力可接近1Mbps。

為適應各國無線電頻率分配的不同情況,GSM系統可以在多個不同的頻段工作。最初的GSM標準定義了900MHz,1800MHz,和1900MHz頻段。此後又補充了850MHz和450MHz,以適合部分地區的需求。世界大部分地區採用900M和1800M頻段。美洲的一些業者使用850M和1900M頻段。400-450M頻段則僅局限於北歐國家的業者。此外,歐盟為鐵路排程通訊需要以GSM為基礎制定的GSM-R系統,它的工作頻率也在900M頻段。GSM上下行訊號為分頻雙工,上下行訊號採用不同的頻率,但對於不同的頻點,上下行頻率之間保持固定的間隔。各頻段的具體頻率範圍和通道號如下:

頻段 名稱 通道號 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擴充頻段
R-GSM 900 n/a 876,0 - 880,0 921,0 - 925,0 鐵路GSM(GSM-R),為鐵路排程通訊系統開發的特殊版本。
GSM1800 GSM 1800 512 - 885 1710,0 - 1785,0 1805,0 - 1880,0 適用於對通道容量需求大的市場,應用範圍僅次於900M。
GSM1900 GSM 1900 512 - 810 1850,0 - 1910,0 1930,0 - 1990,0 主要用於美洲國家,由於有頻率重疊,與1800M系統不相容。

GSM網路一共有四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境而不同。宏蜂窩可以被看作那種基站天線安裝在天線杆或者建築物頂上那種。微蜂窩則是那些天線高度低於平均建築高度的那些,一般用於市區內。微微蜂窩則是那種很小的蜂窩只覆蓋幾十米的範圍,主要用於室內。傘蜂窩則是用於覆蓋更小的蜂窩網的盲區,填補蜂窩之間的訊號空白區域。

蜂窩半徑範圍根據天線高度、增益和傳播條件可以從百米以下到數十公里。GSM規範設計的最大小區半徑,一般情況下為35公里。如果採用擴充蜂窩的技術,則可以達到120公里以上,適用於一些傳播條件極好的情況。

GSM還支援室內覆蓋,通過功率分配器可以把室外天線的功率分配到室內天線分布系統上。這是一種典型的組態方案,用於滿足室內高密度通話要求,在購物中心和機場十分常見。然而這並不是必須的,因為室內覆蓋也可以通過無線訊號穿越建築物來實現,只是這樣可以提高訊號品質減少干擾和回聲。

一般在界定無線電介面,會以通道(Channel)來分,分為邏輯通道(Logical Channel)跟物理通道(Physical Channel)。首先在物理通道定義了實體網路的傳輸單元。

語音編碼[編輯]

GSM系統最早的語音編碼方案採用規則脈波激勵長時預測編碼REP-LTP)技術。它產生的編碼速率為13Kbps,每20ms一個話音影格。話音品質平均意見分值(MOS)可達到3.6。這一方案被稱作全速率編碼(Full Rate,FR)。在FR的基礎上,通過改進演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,實現了更好的話音品質。同時也引入了編碼速率為6.5Kbps的半速率編碼(Half Rate,HR),這樣在犧牲話音品質的前提下,系統的容量可以提高一倍。1998年,3GPP又採納了自適應多速率編碼(Adaptive Multi-Rate,AMR)作為語音編碼的增強。AMR包括14種不同速率的編碼演算法,其中8種為全速率和6種為半速率,位元速率介於12.2Kbps至4.75Kbps之間。系統在通話過程中根據通道條件和誤碼率即時地選擇最佳的編碼速率。在理想情況下,AMR 12.2Kbps的語音MOS可達4.14。

網路結構[編輯]

GSM網路結構

GSM系統後面的網路被人們看作是極其龐大和複雜的,這樣就可以提供所有的所需的服務。它被分成很多的部分,每一部分負責其中的一個功能。

身分辨識模組[編輯]

GSM的一個關鍵特徵就是用戶身分模組(SIM),也叫「SIM卡」。SIM卡是一個儲存用戶資料和電話本的可拆卸智慧卡IC。用戶就可以更換手機後還能儲存自己的資訊。換句話說用戶也可以使用現在的手機而使用不同業者的SIM卡。有些業者為了防止用戶轉換到別的網路在手機上做設定限制,使得它只能用該營運商的SIM卡,或者同一個網路的SIM卡,這就是所謂的「SIM卡加密」,這種行為在某些國家並不合法。

在美國和歐洲,大部分業者鎖定他們銷售的行動電話,這樣做是因為行動電話的價格一般因為簽訂長期合約大幅減少(例如在歐美市場很多手機可以通過簽約以原價格幾十分之一的價格購買),而業者試圖避免客戶的流失。用戶一般可以通過與業者聯絡付一定費用來解除鎖定(俗稱「解碼」),或者通過一個專門服務或者從網際網路上搜尋相關軟體來解碼。如果用戶簽署在一段時期有效地合約(合約帳戶),某些美國業者例如T-MobileCingular英語Cingular,就會解除對電話的鎖定。第三方的解碼方法比起業者的來一般更快而且也更便宜。在大多數國家解除鎖定是合法的。在中國內地,行業主管部門不允許業者鎖定行動電話,這使得業者的客製化機也能輕鬆使用其他業者的網路。

GSM安全[編輯]

GSM被設計具有中等安全水平。系統設計使用共用金鑰用戶認證。用戶與基站之間的通訊可以被加密。演進的UMTS引入可選的USIM-使用更長鑑別金鑰保證更好的安全以及網路和用戶的雙向驗證。GSM只有網路對用戶的驗證(而不是雙向驗證)。雖然安全模組提供了保密和鑑別功能,但是鑑別能力有限而且可以偽造。

GSM為了安全使用多種加密演算法。A5/1英語A5/1A5/2英語A5-2兩種串串流加密法用於保證在空中資訊的保密性。A5/1是在歐洲範圍使用的強力演算法,而A5/2則是在其他國家使用的弱強度演算法。在兩種演算法中嚴重漏洞都已經被發現,例如一個單一密文攻擊可能即時的中斷掉A5/2.但是系統支援多個不同演算法,這樣業者就可以換一個安全等級更強的。

參見[編輯]

外部連結[編輯]

注釋[編輯]

  1. ^ 存檔副本. [2010-12-24]. (原始內容存檔於2010-11-21). 
  2. ^ 存檔副本. [2006-10-10]. (原始內容存檔於2006-11-03).