【RF 学习小帮手】RF 基础知识 —— GSM

大家还记得上一篇介绍双工技术的博文吗？在结尾处我有透露了下一篇博文的内容，那么这一篇博文就让我们一起来了解一下 GSM。

上图是中国三大运营商 2G 时代到 4G 时代所用移动通信标准一览。第一次接触这类概念的人可能看不太懂这些奇怪的英文缩写，接下来的几篇博文我会挑几个典型的技术进行简单的科普。今天先从最经典的 GSM 开始介绍，感兴趣的话请读完这篇博文吧。

二、GSM 简介

GSM，Global System for Mobile Communications，直译为中文就是全球移动通信系统，是由欧洲电信标准组织 ETSI 制定的一种数字制式的蜂窝移动通信系统。当初开发 GSM 目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球，因此 GSM 还有一个很接地气的俗称——全球通。

GSM 与它以前的标准相比较而言最大的不同是它的信令和语音信道都是数字式的，因此 GSM 被看作是第二代（2G）移动电话系统。相较于使用蜂窝模拟移动技术的第一代移动通信技术，GSM 有着明显的技术优势：

① 采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术，使系统具有高频谱效率

② 由于每个信道传输带宽增加，使同频复用载干比要求降低至 9 dB，故 GSM 系统的同频复用模式可以缩小到 4/12 或 3/9 甚至更小（模拟系统为 7/21）；加上半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数，使 GSM 系统的容量效率（每兆赫每小区的信道数）比 TACS （一种模拟式移动电话系统）系统高 3～5 倍。

③ GSM 标准所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而且报刊网络直接以及网络中个设备实体之间，例如 A 接口和 Abis 接口。

④ 通过鉴权、加密和 TMSI 号码的使用，达到安全的目的。鉴权用来验证用户的入网权利。加密用于空中接口，由 SIM 卡和网络 AUC 的密钥决定。TMSI 是一个由业务网络给用户指定的临时识别号，以防止有人跟踪而泄漏其地理位置。

⑤ GSM 在使用体验上直观的优点：防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低。

1991 年 GSM 系统正式在欧洲问世，网络开通运行。中国于 1992年在嘉兴建立和开通第一个 GSM 演示系统，并于 1993 年 9 月正式开放业务。2001 年 12 月 31 日我国关闭了模拟移动网络，从那时起，以 GSM 为首的数字蜂窝系统正式“统治”市场。

三、GSM 的频段规划

GSM 自上世纪九十年代投入商用以来，被全球超过 100 个国家使用。为适应各国无线电频率分配的不同情况，GSM 系统可以在多个不同的频段工作，常见的典型频段有：GSM 850，GSM 900，DCS 1800及 PCS 1900。

补充：

• GSM 850 主要用美国、南美洲国家以及亚洲部分国家
• P-GSM 900 是 GSM 最先实现的频段，也是使用最广的频段：欧洲、中东、非洲、大洋洲以及亚洲的大部分区域，也包括南美洲和中美洲的部分国家
• E-GSM 900 是增强型的 GSM 900，是扩展频段，减轻频谱资源的压力
• GSM 1800 适用于对信道容量需求大的市场，应用范围仅次于 GSM 900，而在英国又被称为 DCS 1800 (Digital Cellular System at 1800 MHz)
• GSM 1900 主要用于美洲国家，由于与 GSM 1800 频率有重叠，所以二者不能兼容。美国联邦通讯委员会将该频段的GSM 命名为PCS 1900 (Personal Communications Service at 1900 MHz)
• 中国主要使用 GSM-800, GSM-900, GSM-1800 频段

四、GSM 的系统结构

上图为 GSM 的系统框图，可以看出分为三个部分，从左到右依次为移动台（MS）、基站子系统（BSS）和交换网络子系统（NSS）。

移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端（MT）和客户识别卡（SIM）。 移动终端就是“机”，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。

SIM 卡就是“身份卡”，它类似于我们现在所用的 IC 卡，因此也称作智能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网路。SIM 卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入 SIM 后移动终端才能接入进网。

基站子系统（BSS）是在一定的无线覆盖区中由 MSC 控制，与 MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。

交换网路子系统（NSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。

移动台（MS）通过 RF空中接口与基站子系统（BSS）通话。基站子系统由基站收发信机（BTS）和基站控制器（BSC）组成。通常在同一地点放置若干个 BTS，围绕公共天线塔产生 2-4 个扇区。

BSC 至 BTS 的链接称为 Abis 接口。通常一个 BSC 控制 20 到 30个 BTS。移动交换中心（MSC）控制不同小区间的业务流量。每个 MSC都有访问位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）和设备标志寄存器 （EIR），因此系统能够查证用户和设备为合法用户。系统还有用于操作和维护中心（OMC）和网络管理中心（NMC）的设备。

GSM 系统还有个操作维护子系统（OMC），它主要是对整个 GSM 网路进行管理和监控。通过它实现对 GSM 网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。