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全球移動通信GSM(Global System For Mobile Communication)是1992年歐洲標準化委員會統一推出的標準,它採用數字通信技術、統一的網路標準,使通信質量得以保證,並可以開發出更多的新業務供用戶使用。GSM移動通信網的傳輸速度為9.6K/s。目前,全球的GSM移動用戶已經超過5億,覆蓋了1/12的人口,GSM技術在世界數字行動電話領域所佔的比例已經超過70%。由於GSM相對模擬移動通訊技術是第二代移動通信技術,所以簡稱2G。

GSMGSM
中國於20世紀90年代初引進採用GSM技術標準,此前一直是採用蜂窩模擬移動技術。目前,中國移動、中國聯通各擁有一個GSM網。GSM系統包括 GSM 900:900MHz、GSM1800:1800MHz 及 GSM-1900:1900MHz等幾個頻段。

1 GSM -概述

GSMGSM制式手機
全球移動通信GSM(Global System For Mobile Communication)是1992年歐洲標準化委員會統一推出的標準,它採用數字通信技術、統一的網路標準,使通信質量得以保證,並可以開發出更多的新業務供用戶使用。GSM移動通信網的傳輸速度為9.6K/s。目前,全球的GSM移動用戶已經超過5億,覆蓋了1/12的人口,GSM技術在世界數字行動電話領域所佔的比例已經超過70%。由於GSM相對模擬移動通訊技術是第二代移動通信技術,所以簡稱2G。

2 GSM -特點

1.GSM使用上直觀的特點:

GSM系統有幾項重要特點:防盜拷能力佳、網路容量大、手機號碼資源豐富、通話清晰、穩定性強不易受干擾、信息靈敏、通話死角少、手機耗電量低。

2.GSM的技術特點:

1).頻譜效率。由於採用了高效調製器、通道編碼、交織、均衡和語音編碼技術,使系統具有高頻譜效率。
2).容量。由於每個通道傳輸帶寬增加,使同頻復用栽干比要求降低至9dB,故GSM系統的同頻復用模式可以縮小到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(每兆赫每小區的通道數)比TACS系統高3~5倍。
3).話音質量。鑒於數字傳輸技術的特點以及GSM規範中有關空中介面和話音編碼的定義,在門限值以上時,話音質量總是達到相同的水平而與無線傳輸質量無關。
4).開放的介面。GSM標準所提供的開放性介面,不僅限於空中介面,而且報刊網路直接以及網路中個設備實體之間,例如A介面和Abis介面。

GSMGSM MODEM
5). 安全性。通過鑒權、加密和TMSI號碼的使用,達到安全的目的。鑒權用來驗證用戶的入網權利。加密用於空中介面,由SIM卡和網路AUC的密鑰決定。TMSI是一個由業務網路給用戶指定的臨時識別號,以防止有人跟蹤而泄漏其地理位置。
6).與ISDN、PSTN等的互連。與其他網路的互連通常利用現有的介面,如ISUP或TUP等。
7).在SIM卡基礎上實現漫遊。漫遊是移動通信的重要特徵,它標誌著用戶可以從一個網路自動進入另一個網路。GSM系統可以提供全球漫遊,當然也需要網路運營者之間的某些協議,例如計費。

3 GSM -技術

1、2GSM系統的技術規範及其主要性能
GSM標準共有12章規範系列,即:01系列:概述  02系列:業務方面  03系列:網路方面  04系列:MS-BS介面和規約(空中介面第2、3層)  05系列:無線路徑上的物理層(空中介面第1層)  06系列:話音編碼規範  07系列:對移動台的終端適配  08系列:BS到MSC介面(A和Abis介面)  09系列:網路互連  10系列:暫缺  11系列:設備和型號批准規範  12系列:操作和維護

2、3GSM系統關鍵技術
工作頻段的分配

1).工作頻段
中國陸地公用蜂窩數字移動通信網GSM通信系統採用900MHz頻段:
890~915(移動台發、基站收)
935~960(基站發、移動台收)
雙工間隔為45MHz,工作帶寬為25 MHz,載頻間隔為200 kHz。
隨著業務的發展,可視需要向下擴展,或向1.8GHz頻段的GSM1800過渡,即1800MHz頻段:
1710~1785(移動台發、基站收)
1805~1880(基站發、移動台收)
雙工間隔為95MHz,工作帶寬為75 MHz,載頻間隔為200 kHz。

2).頻道間隔
相鄰兩頻道間隔為200kHz。 每個頻道採用時分多址接入(TDMA)方式,分為8個時隙,即8個通道(全速率)。每通道佔用帶寬200 kHz/8=25 kHz。
將來GSM採用半速率話音編碼后,每個頻道可容納16個半速率通道。

3)多址方案
GSM通信系統採用的多址技術:頻分多址(FDMA)和時分多址(TDMA)結合,還加上跳頻技術。
GSM在無線路徑上傳輸的一個基本概念是:傳輸的單位是約一百個調製比特的序列,它稱為一個「突發脈衝」。脈衝持續時間優先,在無線頻譜中也佔一有限部分。它們在時間窗和頻率窗內發送,我們稱之為間隙。精確地講,間隙的中心頻率在系統頻帶內間隔200 kHz安排(FDMA情況),它們每隔0.577ms(更精確地是15/26ms)出現一次(TDMA情況)。對應於相同間隙的時間間隔稱為一個時隙,它的持續時間將作為一種時間單位,稱為BP(突發脈衝周期)。

這樣一個間隙可以在時間/頻率圖中用一個長15/26ms,寬200KHz的小矩形表示(見圖)。統一地,我們將GSM中規定的200KHz帶寬稱為一個頻隙。

4)在時域和頻域中的間隙
在GSM系統中,每個載頻被定義為一個TDMA幀,相當於FDMA系統的一個頻道。每幀包括8個時隙(TS0-7)。每個TDMA幀有一個TDMA幀號。

TDMA幀號是以3小時28分53秒760毫秒(2048*51*26*8BP或者說2048*51*26個TDMA幀)為周期循環編號的。每2048*51*26個TDMA幀為一個超高幀,每一個超高幀又可分為2048個超幀,一個超幀是51*26個TDMA幀的序列(6.12秒),每個超幀又是由復幀組成。復幀分為兩種類型。

26幀的復幀:它包括26個TDMA幀(26*8BP),持續時長120ms。51個這樣的復幀組成一個超幀。這種復幀用於攜帶TCH(和SACCH加FACCH)。

51幀的復幀:它包括51個TDMA幀(51*8BP),持續時長3060/13ms。26個這樣的復幀組成一個超幀。這種復幀用於攜帶BCH和CCCH。

5)無線介面管理
在GSM通信系統中,可用無線通道數遠小於潛在用戶數,雙向通信的通道只能在需要時才分配。這與標準電話網有很大的區別,在電話網中無論有無呼叫,每個終端都與一個交換機相連。

在移動網中,需要根據用戶的呼叫動態地分配和釋放無線通道。不論是移動台發出的呼叫,還是發往移動台的呼叫,其建立過程都要求用專門方法使移動台接入系統,從而獲得一條通道。在GSM中,這個接入過程是在一條專用的移動台--基站通道上實現的。這個通道與用於傳送尋呼信息的基站――移動台通道一起稱為GSM的公用通道,因為它同時攜帶發自/發往許多移動台的信息。相反地,在一定時間內分配給一單獨移動台的通道稱作專用通道。由於這種區別,可以定義移動台的兩種宏狀態:

空閑模式:移動台在偵聽廣播通道,此時它不佔用任一通道。
專用模式:一條雙向通道分配給需要通信的移動台,使它可以利用基礎設施進行雙向點對點通信。
接入過程使移動台從空閑模式轉到專用模式。

3、4GSM通道
GSM中的通道分為物理通道和邏輯通道,一個物理通道就為一個時隙(TS),而邏輯通道是根據BTS與MS之間傳遞的信息種類的不同而定義的不同邏輯通道,這些邏輯通道映射到物理通道上傳送。從BTS到MS的方向稱為下行鏈路,相反的方向稱為上行鏈路。

邏輯通道又分為兩大類,業務通道和控制通道。

1). 業務通道(TCH):
用於傳送編碼后的話音或客戶數據,在上行和下行通道上,點對點(BTS對一個MS,或反之)方式傳播。

2). 控制通道:
用於傳送信令或同步數據。根據所需完成的功能又把控制通道定義成廣播、公共及專用三種控制通道,它們又可細分為:

a.保密措施
GSM系統在安全性方面有了顯著的改進,GSM與保密相關的功能有兩個目標:第一,包含網路以防止未授權的接入,(同時保護用戶不受欺騙性的假冒);第二,保護用戶的隱私權。

防止未授權的接入是通過鑒權(即插入的SIM卡與移動台提供的用戶標識碼是否一致的安全性檢查)實現的。從運營者方面看,該功能是頭等重要的,尤其在國際漫遊情況下,被訪問網路並不能控制用戶的記錄,也不能控制它的付費能力。

保護用戶的隱私是通過不同手段實現時,對傳輸加密可以防止在無線通道上竊聽通信。大多數的信令也可以用同樣方法保護,以防止第三方了解被叫方是誰。另外,以一個臨時代號替代用戶標識是使第三方無法在無線通道上跟蹤GSM用戶的又一機制。

GSMGSM
b.PIN碼
這是一種簡單的鑒權方法。
在GSM系統中,客戶簽約等信息均被記錄在SIM卡中。SIM卡插到某個GSM終端設備中,便視作自己的電話機,通話的計費帳單便記錄在此SIM卡名下。為防止盜打,帳單上產生訛誤計費,在SIM卡上設置了PIN碼操作(類似計算機上的Password功能)。PIN碼是由4~8位數字組成,其位數由客戶自己決定。如客戶輸入了一個錯誤的PIN碼,它會給客戶一個提示,重新輸入,若連續3次輸入錯誤,SIM卡就被閉鎖,即使將SIM卡拔出或關掉手機電源也無濟於事,必須向運營商申請,由運營商為用戶解鎖。

c.鑒權
鑒權的計算如下圖所示。其中RAND是網路側對用戶的提問,只有合法的用戶才能夠給出正確的回答SRES。
RAND是由網路側AUC的隨機數發生器產生的,長度為128比特,它的值隨機地在0~2128-1(成千上萬億)範圍內抽取。

SRES稱為符號響應,通過用戶唯一的密碼參數(Ki)的計算獲取,長度為32比特。
Ki以相當保密的方式存儲於SIM卡和AUC中,用戶也不了解自己的Ki,Ki可以是任意格式和長度的。
A3演算法為鑒權演算法,由運營者決定,該演算法是保密的。A3演算法的唯一限制是輸入參數的長度(RAND是128比特)和輸出參數尺寸(SRES必須是32比特)。

d.加密
在GSM中,傳輸鏈路中加密和解密處理的位置允許所有專用模式下的發送數據都用一種方法保護。發送數據可以是用戶信息(語音、數據……),與用戶相關的信令(例如攜帶被呼號碼的消息),甚至是與系統相關信令(例如攜帶著準備切換的無線測量結果的消息)。

加密和解密是對114個無線突發脈衝編碼比特與一個由特殊演算法產生的114比特加密序列進行異或運算(A5演算法)完成的。為獲得每個突發加密序列,A5對兩個輸入進行計算:一個是幀號碼,另一個是移動台與網路之間同意的密鑰(稱為Kc),見圖。上行鏈路和下行鏈路上使用兩個不同的序列:對每一個突發,一個序列用於移動台內的加密,並作為BTS中的解密序列;而另一個序列用於BTS的加密,並作為移動台的解密序列。

d-1.幀號:
幀號編碼成一連串的三個值,總共加起來22比特。
對於各種無線通道,每個突發的幀號都不同,所有同一方向上給定通信的每個突發使用不同的加密序列。

d-2.A5演算法
A5演算法必須在國際範圍內規定,該演算法可以描述成由22比特長的參數(幀號碼)和64比特長參數(Kc)生成兩個114比特長的序列的黑盒子。

d-3.密鑰Kc
開始加密之前,密鑰Kc必須是移動台和網路同意的。GSM中選擇在鑒權期間計算密鑰Kc;然後把密鑰存貯於SIM卡的永久內存中。在網路一側,這個「潛在」的密鑰也存貯於拜訪MSC/VLR中,以備加密開始時使用。

由RAND(與用於鑒權的相同)和Ki計算Kc的演算法為A8演算法。與A3演算法(由RAND和Ki計算SRES的鑒權演算法)類似,可由運營者選擇決定。

d-4.用戶身份保護
加密對於機密信息十分有效,但不能用來在無線路徑上保護每一次信息交換。首先,加密不能應用於公共通道;其次,當移動台轉到專用通道,網路還不知道用戶身份時,也不能加密。第三方就有可能在這兩種情況下幀聽到用戶身份,從而得知該用戶此時漫遊到的地點。這對於用戶的隱私性來說是有害的,GSM中為確保這種機密性引入了一個特殊的功能。

在可能的情況下通過使用臨時移動用戶身份號TMSI替代用戶身份IMSI,可以得到保護。TMSI由MSC/VLR分配,並不斷地進行更換,更換周期由網路運營者設置。

4 GSM -系統的組成

1.移動交換子系統MSS

完成信息交換、用戶信息管理、呼叫接續、號碼管理等功能。

2.基站子系統BSS
BSS系統是在一定的無線覆蓋區中由MSC控制,與MS進行通信的系統設備,完成通道的分配、用戶的接入和尋呼、信息的傳送等功能。

3.移動台MS
MS是GSM系統的移動用戶設備,它由兩部分組成,移動終端和客戶識別卡(SIM卡)。移動終端就是「機」,它可完成話音編碼、通道編碼、信息加密、信息的調製和解調、信息發射和接收。SIM卡就是「人」,它類似於我們現在所用的IC卡,因此也稱作智能卡,存有認證客戶身份所需的所有信息,並能執行一些與安全保密有關的重要信息,以防止非法客戶進入網路。SIM卡還存儲與網路和客戶有關的管理數據,只有插入SIM卡后移動終端才能接入進網。

4.操作維護子系統
GSM子系統還包括操作維護子系統(OMC),對整個GSM網路進行管理和監控。通過它實現對GSM網內各種部件功能的監視、狀態報告、故障診斷等功能。

GSMGSM

5 GSM -發展現狀

 20世紀80年代中期,當模擬蜂窩移動通信系統剛投放市場時,世界上的發達國家就在研製第二代移動通信系統。其中最有代表性和比較成熟的制式有泛歐GSM ,美國的ADC(D-AMPS)和日本的JDC(現在改名為PDC)等數字移動通信系統。在這些數字系統中,GSM的發展最引人注目。1991年GSM系統正式在歐洲問世,網路開通運行。

GSM系列主要有GSM900、DCS1800和PCS1900三部分,三者之間的主要區別是工作頻段的差異。

蜂窩移動通信的出現可以說是移動通信的一次革命。其頻率復用大大提高了頻率利用率並增大系統容量,網路的智能化實現了越區轉接和漫遊功能,擴大了客戶的服務範圍,但上述模擬系統有四大缺點:各系統間沒有公共介面;很難開展數據承載業務;頻譜利用率低無法適應大容量的需求;安全保密性差,易被竊聽,易做「假機」。尤其是在歐洲系統間沒有公共介面,相互之間不能漫遊,對客戶造成很大的不便。

GSM數字移動通信系統源於歐洲。早在1982年,歐洲已有幾大模擬蜂窩移動系統在運營,例如北歐多國的NMT(北歐行動電話)和英國的TACS(全接入通信系統),西歐其它各國也提供移動業務。當時這些系統是國內系統,不可能在國外使用。為了方便全歐洲統一使用行動電話,需要一種公共的系統,1982年,北歐國家向CEPT(歐洲郵電行政大會)提交了一份建議書,要求制定900MHz頻段的公共歐洲電信業務規範。在這次大會上就成立了一個在歐洲電信標準學會(ETSI)技術委員會下的「移動特別小組(Group Special Mobile)」,簡稱「GSM」,來制定有關的標準和建議書。

中國自從1992年在嘉興建立和開通第一個GSM演示系統,並於1993年9月正式開放業務以來,全國各地的移動通信系統中大多採用GSM系統,使得GSM系統成為目前中國最成熟和市場佔有量最大得一種數字蜂窩系統。截至2002年11月,中國手機用戶2億,比2001年年底新增5509.2萬。

GSM系統有幾項重要特點:防盜拷能力佳、網路容量大、手機號碼資源豐富、通話清晰、穩定性強不易受干擾、信息靈敏、通話死角少、手機耗電量低。

目前中國主要的兩大GSM系統為GSM 900及GSM1800,由於採用了不同頻率,因此適用的手機也不盡相同。不過目前大多數手機基本是雙頻手機,可以自由在這兩個頻段間切換。歐洲國家普遍採用的系統除GSM900和GSM1800另外加入了GSM1900,手機為三頻手機。中國隨著手機市場的進一步發展,現也已出現了三頻手機,即可在GSM900\GSM1800\GSM1900三種頻段內自由切換的手機,真正做到了一部手機可以暢遊全世界。

GSMGSM
早期來看,GSM900發展的時間較早,使用的較多,反之GSM1800發展的時間較晚。物理特性方面,前者頻譜較低,波長較長,穿透力較差,但傳送的距離較遠,而手機發射功率較強,耗電量較大,因此待機時間較短;而後者的頻譜較高,波長較短,穿透力佳。但傳送的距離短,其手機的發射功率較小,待機時間則相應地較長。

緊急呼叫是GSM系統特有的一種話音業務功能。即使在GSM手機設置了限制呼出和沒有插入用戶識別卡(SIM)的情況下,只要在GSM網覆蓋的區域內,用戶僅需按一個鍵,便可將預先設定的特殊號碼(如110、119、120等)發至相應的單位(警察局、消防隊、急救中心等)。這一簡化的撥號方式是為在緊急時刻來不及進行複雜操作而專門設計的。

6 GSM -參考資料

http://www.c114.net/keyword/GSM
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