原标题：GSM原理

一、GSM概述

GSM（Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统）是一种第二代（2G）数字蜂窝移动通信标准，最早由欧洲电信标准协会（ETSI）制定。GSM系统采用时分多址（TDMA）和频分多址（FDMA）技术，实现了语音通话、短信、数据传输等功能，在全球范围内得到广泛应用。

二、GSM系统架构

GSM系统主要由以下部分组成：

1. 移动台（MS，Mobile Station）

• 移动终端（如手机）：用户使用的设备，负责语音、数据通信。

• 用户识别模块（SIM卡）：存储用户身份信息、密钥等，实现用户身份认证。

2. 基站子系统（BSS，Base Station Subsystem）

• 基站收发信台（BTS，Base Transceiver Station）：负责无线信号的收发，与移动台进行通信。

• 基站控制器（BSC，Base Station Controller）：管理多个BTS，控制无线资源分配、切换等。

3. 网络交换子系统（NSS，Network and Switching Subsystem）

• 移动交换中心（MSC，Mobile Switching Center）：负责呼叫控制、切换、与公共交换电话网（PSTN）的连接。

• 归属位置寄存器（HLR，Home Location Register）：存储用户信息、位置信息等。

• 拜访位置寄存器（VLR，Visitor Location Register）：临时存储进入其覆盖区域的用户信息。

• 鉴权中心（AuC，Authentication Center）：提供鉴权和加密参数，保障通信安全。

• 设备识别寄存器（EIR，Equipment Identity Register）：存储移动设备标识信息，防止非法设备接入。

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

• 负责网络管理、维护、计费等功能。

三、GSM通信原理

1. 频段分配

• 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系统工作在多个频段，常见的有：

2. 多址技术

• GSM中，每个载频被划分为8个时隙，每个时隙为一个物理信道。

• 频分多址（FDMA）：将频段划分为多个信道，每个信道占用一定的频率带宽。

• 时分多址（TDMA）：在每个频段上，将时间划分为多个时隙，每个用户占用一个时隙进行通信。

3. 信道类型

• 广播信道（BCH，Broadcast Channel）：基站向移动台广播系统信息。

• 公共控制信道（CCCH，Common Control Channel）：用于移动台接入网络，如随机接入信道（RACH）、寻呼信道（PCH）等。

• 专用控制信道（DCCH，Dedicated Control Channel）：在通话过程中，用于传输控制信息。

• 全速率TCH：传输速率为13 kbit/s（语音编码后）。

• 半速率TCH：传输速率为6.5 kbit/s（提高系统容量）。

• 业务信道（TCH，Traffic Channel）：用于传输语音或数据。

• 控制信道（CCH，Control Channel）：用于传输控制信息。

4. 语音编码

• GSM采用规则脉冲激励长期预测编码（RPE-LTP），将语音信号压缩为13 kbit/s的数字信号。

• 编码过程包括预处理、线性预测分析、长时预测、短时预测等步骤。

5. 调制与解调

• GSM采用高斯最小频移键控（GMSK）调制方式，具有恒包络、频谱效率高等优点。

• 调制过程：将数字信号转换为模拟信号，通过GMSK调制到载波上。

• 解调过程：在接收端，通过GMSK解调恢复数字信号。

6. 信道编码与交织

• 信道编码：增加冗余信息，提高抗干扰能力。GSM采用卷积编码和分组编码。

• 交织：将数据打乱顺序传输，降低突发错误的影响。

7. 鉴权与加密

• 鉴权：移动台和网络之间进行身份验证，防止非法接入。

• 加密：对通信内容进行加密，保障通信安全。GSM采用A5加密算法。

四、GSM呼叫流程

1. 移动台开机

• 移动台搜索网络，选择合适的小区进行驻留。

• 向网络发送位置更新请求，更新VLR中的用户信息。

2. 主叫流程

• 拨号：用户输入被叫号码，移动台发起呼叫请求。

• 随机接入：移动台通过RACH信道向基站发送接入请求。

• 信道分配：基站分配专用信道（SDCCH或TCH），通知移动台。

• 鉴权与加密：网络对移动台进行鉴权，建立加密通信。

• 呼叫建立：通过信令交互，建立主叫和被叫之间的连接。

• 通话：语音数据通过TCH信道传输。

• 呼叫释放：通话结束后，释放信道，更新网络状态。

3. 被叫流程

• 寻呼：网络通过PCH信道向移动台发送寻呼消息。

• 随机接入：移动台响应寻呼，发起接入请求。

• 后续流程与主叫类似，建立通话连接。

五、GSM技术特点

1. 数字化：采用数字信号处理技术，提高了语音质量和系统容量。

2. 标准化：全球统一的标准，促进了设备的兼容性和互操作性。

3. 安全性：支持鉴权和加密，保障通信安全。

4. 漫游功能：支持全球范围内的漫游，方便用户使用。

5. 业务丰富：除了语音通话，还支持短信、数据业务等。

六、GSM的发展与演进

1. GPRS（General Packet Radio Service）

• 在GSM基础上增加分组交换功能，提供更高的数据传输速率（最高可达115 kbit/s）。

• 支持移动互联网应用，如网页浏览、即时通信等。

2. EDGE（Enhanced Data rates for GSM Evolution）

• 采用更高效的调制技术（8-PSK），将数据传输速率提高到384 kbit/s。

• 被称为2.75G技术，进一步提升了数据业务能力。

3. 向3G/4G/5G演进

• 随着技术的发展，GSM逐渐向3G（如WCDMA）、4G（如LTE）、5G演进，提供更高的数据速率和更丰富的业务。

七、GSM的应用与影响

1. 全球普及：GSM成为全球最广泛使用的移动通信标准，覆盖了200多个国家和地区。

2. 推动移动通信发展：GSM的成功为后续移动通信技术的发展奠定了基础。

3. 促进社会信息化：GSM的普及使得移动通信成为人们生活中不可或缺的一部分，推动了社会信息化进程。