探索GSM数字通信系统的起源与发展

早期的1G对语音信号采用了FM的调制方式，把语音信号通过频率上相互分隔开的通信信道进行传输。

随着模拟系统在世界各地的逐步普及，有限的频谱资源和容量的限制很快成为一个主要问题。于是，美国在AMPS的基础上发展了窄带AMPS(Narrowband AMPS，NAMPS)；英国的TACS则发展为E-TACS，进一步优化了早期的模拟系统，以提供更多的信道容量，满足人们不断增长的对无线通信的需求。尽管如此，开发一种更可靠的、具有更高频谱效率的无线通信系统仍然很有必要。

北欧的NMT成功地显示了跨国合作的移动通信系统是可能的，欧洲当时的气氛也十分适合欧洲各国之间的通力合作。与此同时，移动通信系统的开发和部署所需要的巨大投资也要求大的经济规模，以降低开发成本。这些因素合在一起的结果，就促使欧洲诸国联合起来，试图开发一个适合整个欧洲的下一代移动通信系统。

在美国，情况则完全不同。和欧洲存在几个不同的互不兼容的制式并且各自为政的状况不同，美国只有一个AMPS，并且很受欢迎。因此，美国对于开发新的无线系统并不迫切。在开发下一代无线通信系统时，美国的思路基本沿用已有的AMPS频段(当然，后来FCC又在800 MHz的基础上增加了1.9 GHz频段，即PCS)，出发点是在现有系统的基础上扩大容量和降低投资。当时出现了IS-54 TDMA和高通公司的IS-95 CDMA两大系统，它们彼此竞争。此外，当时要求运营商部署时采用双模的方式，即新的系统既要支持采用模拟制式的旧标准，也要支持新的TDMA或CDMA系统，这增加了系统的复杂性，也造成了设备产品开发的延迟。

与美国的情况相反，欧洲这边则没有太大的包袱。他们的目标很明确，就是要搞一个全新的可以在整个欧洲大陆使用的功能全面的新系统。以往欧盟各国只能算是松散的联盟，在技术上很难形成气候。这次欧洲各国吸取了教训，加强了内部的合作，在新一代移动通信系统上消除了相互间的隔阂，成功地实现了移动通信标准的统一。GSM系统就是在这种形势下产生的。

1982年，欧洲邮电管理委员会(Confederation of European Posts and Telecommunications，CEPT)提出成立GSM(Groupe Spécial Mobile)工作组，以研究下一代泛欧洲的陆基移动通信系统。后来这个标准流行于世，欧洲又把它改称为Global System for Mobile Communications。

工作组确定了对GSM系统的基本要求和愿景，即良好的通话语音品质、较低的终端和服务成本、支持手持终端、支持国际漫游、支持一系列新的服务类型、较高的频谱效率以及和ISDN兼容等。

1987年是GSM发展最关键的一年，参与各方基本达成一致意见，确定了GSM将是一个数字通信系统。前面介绍了采用数字通信的方式可以带来很多好处，例如，数字调制可以带来更高的频谱效率，采用数字电路可以降低终端成本、减小设备体积、提高通话的保密性等。工作组还确定了路标规划，即从1991年开始在有限范围内推出GSM系统，1993年在欧洲主要城市实现大规模商用，1995年实现欧洲互通。

当时GSM系统在实现上还存在一些技术上的障碍，比如缺乏有效的语音编解码技术，即如何在保障语音质量的前提下，把数字化的语音信号经过数据压缩，通过窄带信道以较小的数据量传输出去。后来，随着语音信号处理Vocoder技术的发展成熟，这一问题得到了解决。

关于多址接入方式，爱立信、诺基亚、阿尔卡特等设备商初期的研究试验都表明时分多址(TDMA)更适合新的系统。

前面介绍过，在早期的模拟通信时代，采用的是频分多址(FDMA)方式，系统的频率带宽被分成多个相互隔离的频率信道，每个用户占用其中一个信道，即采用不同的载波频率，通过滤波器过滤选取信号并抑制其他信道的信号干扰，各信道在时间上可同时使用。为了确保各个隔离的信道间相互不干扰，每组信道间需要预留保护带宽。FDMA是早期使用非常广泛的一种接入方式，实现起来非常简单，被应用于AMPS、TACS等第一代无线通信系统中。但是，在频分多址中，由于每个移动用户进行通信时都占用一个频率、一个信道，所以频带利用率不是很高。随着移动通信的发展，FDMA容量不足、易受干扰等缺点逐渐显现出来。

TDMA作为一种多址接入方式，和FDMA有相似之处，不同的是TDMA把频率换成了时间。在TDMA中，时间资源被划分成以帧为单位。每一帧又被划分为若干时隙。每一个用户都占用其中某个特定的时隙来传送信息。目前，TDMA已成为通信中最基本的多址接入技术之一，在2G(如GSM和D-AMPS)、卫星通信和光纤通信中都被广泛应用。TDMA较之FDMA具有通信信号质量高、保密性较好、系统容量较大等优点，但它必须有精确定时和同步，以保证移动终端和基站间的正常通信，技术上相对复杂一些。此外，TDMA用户在某一时刻占用了整个频段进行数据传输，因此受无线信道的频率选择性衰落(frequency selective fading)的影响较大，接收端需要通过信道均衡技术来恢复原有信号。TDMA和FDMA有时候会组合使用(如在GSM系统中)，以便消除外部干扰和无线信道深度衰落的影响。TDMA示意如图3-7所示。

图3-7 TDMA示意图(www.xing528.com)

GSM采用了时分多址技术，即将每个无线频率以时间分配的方式均匀地分给8个(或者16个)手机用户，每个用户交互地占用1/8的信道时间，并结合了慢跳频(slow frequency hopping)、GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying)调制等新的通信技术来传送语音信号，系统容量达到了第一代模拟系统的3～5倍。

到了1989年，组织协调GSM项目的任务落到了新成立的ETSI(European Telecommunications Standards Institute)的肩上。ETSI开始落实并制定详细的GSM国际标准。GSM产业经过最初的协议制定，1989年完成了第一个版本的标准GSM900。标准的制定大大地增强了不同设备商的设备之间的互操作性。

图3-8所示为一个典型的GSM网络的架构，它包含如下基本单元。

图3-8 GSM网络架构

·移动终端(Mobile Station，MS)。通常指我们所使用的手机，它包含收发信单元、显示器、处理单元等，受SIM卡控制。

·基站子系统(base station subsystem)。它是移动终端和网络子系统之间的界面。它包括基站收发系统(Base Transceiver Station，BTS)和基站控制器(Base Station Controller，BSC)。其中，BTS是无线通信的收发信机，它通过空中接口和移动设备连接并传输数据，处理和移动终端通信的协议。BSC用于控制BTS，它是移动终端和移动交换中心之间的连接界面。通常，一台BSC可对应控制上百台BTS。

·网络子系统(network subsystem)。它为终端提供网络连接。网络子系统包括MSC(Mobile Switching Center)、HLR(Home Location Register)、VLR(Visitor Location Register)、EIR(Equipment Identity Register)等设备。其中，MSC提供交换功能，用于把手机的呼叫连接到PSTN(公用电话交换网)、ISDN(综合业务数字网)、CSPDN(电路交换公用数据网)、PSPDN(分组交换公用数据网)等基础网络。HLR和VLR则提供呼叫的路由和漫游的能力支持。EIR则用于维护所有的移动设备账户，每个移动用户都有各自唯一的国际移动设备号(International Mobile Equipment Identity，IMEI)。AuC(鉴权中心)存储用户的鉴权信息和加密参数。

·操作支持系统(Operation Support System，OSS)。操作支持系统用于整个系统的操作和维护。系统工程师可以通过OSS监控并调整系统的参数，以及诊断系统中的问题。

GSM最先于1991年在芬兰由运营商Radionlinja首次商用。但是由于缺少终端的支持，到1992年GSM才真正开始大量商业应用。

GSM的初始设计目标是一个泛欧洲的移动通信系统，但是后来不仅在欧洲，也在世界各地获得了巨大的成功和广泛部署。由于该系统性能优异，价格又合理，所以它很受运营商和手机用户的欢迎。到2004年，GSM用户数突破了10亿人。最多时，GSM手机占世界手机的80%。直至今日，GSM仍然在世界各地许多运营商的网络中作为基础覆盖层提供话音和低速数据服务。

GSM于20世纪90年代初期诞生，伴随着移动通信产业的快速发展，现已成为通信史上堪称最成功的技术标准，也造就了今天爱立信和诺基亚等欧洲公司在通信设备和手机领域的强势地位。