原標題：GSM原理

一、GSM概述

GSM（Global System for Mobile Communications，全球移動通信系統）是一種第二代（2G）數字蜂窩移動通信標準，最早由歐洲電信標準協會（ETSI）制定。GSM系統采用時分多址（TDMA）和頻分多址（FDMA）技術，實現了語音通話、短信、數據傳輸等功能，在全球范圍內得到廣泛應用。

二、GSM系統架構

GSM系統主要由以下部分組成：

1. 移動臺（MS，Mobile Station）

• 移動終端（如手機）：用戶使用的設備，負責語音、數據通信。

• 用戶識別模塊（SIM卡）：存儲用戶身份信息、密鑰等，實現用戶身份認證。

2. 基站子系統（BSS，Base Station Subsystem）

• 基站收發信臺（BTS，Base Transceiver Station）：負責無線信號的收發，與移動臺進行通信。

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

3. 網絡交換子系統（NSS，Network and Switching Subsystem）

• 移動交換中心（MSC，Mobile Switching Center）：負責呼叫控制、切換、與公共交換電話網（PSTN）的連接。

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

• 拜訪位置寄存器（VLR，Visitor Location Register）：臨時存儲進入其覆蓋區域的用戶信息。

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

• 設備識別寄存器（EIR，Equipment Identity Register）：存儲移動設備標識信息，防止非法設備接入。

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

• 負責網絡管理、維護、計費等功能。

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系統工作在多個頻段，常見的有：

2. 多址技術

• GSM中，每個載頻被劃分為8個時隙，每個時隙為一個物理信道。

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

• 時分多址（TDMA）：在每個頻段上，將時間劃分為多個時隙，每個用戶占用一個時隙進行通信。

3. 信道類型

• 廣播信道（BCH，Broadcast Channel）：基站向移動臺廣播系統信息。

• 公共控制信道（CCCH，Common Control Channel）：用于移動臺接入網絡，如隨機接入信道（RACH）、尋呼信道（PCH）等。

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

• 全速率TCH：傳輸速率為13 kbit/s（語音編碼后）。

• 半速率TCH：傳輸速率為6.5 kbit/s（提高系統容量）。

• 業務信道（TCH，Traffic Channel）：用于傳輸語音或數據。

• 控制信道（CCH，Control Channel）：用于傳輸控制信息。

4. 語音編碼

• GSM采用規則脈沖激勵長期預測編碼（RPE-LTP），將語音信號壓縮為13 kbit/s的數字信號。

• 編碼過程包括預處理、線性預測分析、長時預測、短時預測等步驟。

5. 調制與解調

• GSM采用高斯最小頻移鍵控（GMSK）調制方式，具有恒包絡、頻譜效率高等優點。

• 調制過程：將數字信號轉換為模擬信號，通過GMSK調制到載波上。

• 解調過程：在接收端，通過GMSK解調恢復數字信號。

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：將數據打亂順序傳輸，降低突發錯誤的影響。

7. 鑒權與加密

• 鑒權：移動臺和網絡之間進行身份驗證，防止非法接入。

• 加密：對通信內容進行加密，保障通信安全。GSM采用A5加密算法。

四、GSM呼叫流程

1. 移動臺開機

• 移動臺搜索網絡，選擇合適的小區進行駐留。

• 向網絡發送位置更新請求，更新VLR中的用戶信息。

2. 主叫流程

• 撥號：用戶輸入被叫號碼，移動臺發起呼叫請求。

• 隨機接入：移動臺通過RACH信道向基站發送接入請求。

• 信道分配：基站分配專用信道（SDCCH或TCH），通知移動臺。

• 鑒權與加密：網絡對移動臺進行鑒權，建立加密通信。

• 呼叫建立：通過信令交互，建立主叫和被叫之間的連接。

• 通話：語音數據通過TCH信道傳輸。

• 呼叫釋放：通話結束后，釋放信道，更新網絡狀態。

3. 被叫流程

• 尋呼：網絡通過PCH信道向移動臺發送尋呼消息。

• 隨機接入：移動臺響應尋呼，發起接入請求。

• 后續流程與主叫類似，建立通話連接。

五、GSM技術特點

1. 數字化：采用數字信號處理技術，提高了語音質量和系統容量。

2. 標準化：全球統一的標準，促進了設備的兼容性和互操作性。

3. 安全性：支持鑒權和加密，保障通信安全。

4. 漫游功能：支持全球范圍內的漫游，方便用戶使用。

5. 業務豐富：除了語音通話，還支持短信、數據業務等。

六、GSM的發展與演進

1. GPRS（General Packet Radio Service）

• 在GSM基礎上增加分組交換功能，提供更高的數據傳輸速率（最高可達115 kbit/s）。

• 支持移動互聯網應用，如網頁瀏覽、即時通信等。

2. EDGE（Enhanced Data rates for GSM Evolution）

• 采用更高效的調制技術（8-PSK），將數據傳輸速率提高到384 kbit/s。

• 被稱為2.75G技術，進一步提升了數據業務能力。

3. 向3G/4G/5G演進

• 隨著技術的發展，GSM逐漸向3G（如WCDMA）、4G（如LTE）、5G演進，提供更高的數據速率和更豐富的業務。

七、GSM的應用與影響

1. 全球普及：GSM成為全球最廣泛使用的移動通信標準，覆蓋了200多個國家和地區。

2. 推動移動通信發展：GSM的成功為后續移動通信技術的發展奠定了基礎。

3. 促進社會信息化：GSM的普及使得移動通信成為人們生活中不可或缺的一部分，推動了社會信息化進程。