GSM (Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统) 是第二代 (2G) 移动通信技术的代表。以下是其工作原理和系统结构的详细说明：

一、 GSM 工作原理的核心要点：

1. 数字技术： 与之前的模拟系统不同，GSM 将声音转换为数字信号传输。这带来了更好的抗干扰能力、加密可能性和更高的频谱效率。
2. FDMA (频分多址)：
   • 分配给系统的无线频谱被划分为多个载波频率。
   • 每个载波频率之间有一定的间隔 (GSM 标准为 200 kHz)，以防止相互干扰。
3. TDMA (时分多址)：
   • 在分配给某一小区 (基站的覆盖区域) 的一个载波频率上，时间被划分为周期性的“帧”。
   • 每帧通常划分为 8 个固定的“时隙”(约 0.577 ms 一个时隙)。
   • 每个通话或数据连接被分配一个特定的时隙用于发送和接收 (通常一个方向一个时隙)。
   • 手机在一个时隙内高速发送或接收一“突发”数据后，等待分配给它的下一个时隙到来。
   • 多个用户通过共享同一个载波频率的不同时隙来实现通信。
4. 全双工通信：
   • 手机同时进行发送和接收。
   • 为了分离收发信号，GSM 使用 FDD (频分双工)：发送和接收使用不同的频率范围。通常两者之间的间隔是固定的 (例如 45 MHz)。
   • 因此，一对频率 (一个发，一个收) 才能支持一个完整的双向通信链路。
5. 信道：
   • 业务信道 (TCH)： 用于承载用户的语音或数据业务。
   • 控制信道 (CCH)： 用于传递系统控制信息，确保网络正常运行和用户通信建立。例如：
     • 广播控制信道 (BCCH)： 基站连续广播小区标识、频率列表、定时等信息。
     • 寻呼信道 (PCH)： 用于通知被叫手机有来话。
     • 随机接入信道 (RACH)： 手机初始接入系统或发起呼叫时使用。
     • 接入准许信道 (AGCH)： 基站通过此信道为手机分配专用控制信道。
     • 专用控制信道 (DCCH)： 用于呼叫建立、位置更新、短信等信令交换。
6. 切换： 当手机从一个基站的覆盖区移动到另一个基站的覆盖区时，网络会将通话无缝地从原小区的信道切换到新小区的信道，保证通话连续。

二、 GSM 系统结构

GSM 系统遵循模块化设计，主要可分为以下四大子系统（有时将 NSS 和 OSS 合并为网络子系统）：

1. 移动台 (MS - Mobile Station):

   • 这是用户使用的设备，通常指手机。
   • 主要组成：
     • 移动设备 (ME - Mobile Equipment): 包含无线收发器、处理显示和键盘的用户界面等硬件。
     • 用户身份模块 (SIM - Subscriber Identity Module): 可插拔的智能卡。存储用户身份信息（IMSI）、网络认证/加密密钥、用户电话号码簿、短信等。核心作用： 使得用户身份与手机本身分离，用户可以在不同手机上使用同一 SIM 卡保留号码和服务。

2. 基站子系统 (BSS - Base Station Subsystem):

   • 负责管理无线接口，处理无线信号的发送和接收，以及蜂窝小区内的资源管理。
   • 主要组成：
     • 基站收发信台 (BTS - Base Transceiver Station): 俗称“基站”，包含射频收发设备（天线、功放等）。部署在小区天线塔或建筑物上，负责特定小区（通常 1-3 个小区）的无线信号的收发、信道编解码、加密解密、TDMA 帧结构处理。
     • 基站控制器 (BSC - Base Station Controller): 管理一组 BTS (可能几十到上百个)。核心功能包括：
       • 无线资源管理： 频率/信道分配（给 MS 和 BTS）。
       • 切换控制： 处理小区内（BTS 内部）和小区间（同一 BSC 下不同 BTS 之间）的切换决策和执行。
       • 功率控制： 指令手机和 BTS 调整发射功率，以保持通信质量和降低干扰。
       • BTS 监控与维护： 汇总 BTS 告警、性能数据。

3. 网络交换子系统 (NSS - Network Switching Subsystem / 核心网 - Core Network):

   • 是 GSM 的核心“大脑”，提供呼叫控制、交换、路由、用户管理和移动性管理功能。
   • 主要组成：
     • 移动交换中心 (MSC - Mobile Switching Center): 核心部件。
       • 提供电路交换功能，处理呼叫建立、释放和路由（连接 PSTN、其他 MSC 等）。
       • 协调切换（尤其是跨 BSC 或 MSC 的切换）。
       • 计费信息的收集（用户通话时长、目标号码等）。
       • 处理补充业务（如呼叫转移、来电显示）。
     • 归属位置寄存器 (HLR - Home Location Register): 核心数据库。
       • 存储该运营商所有签约用户的永久性数据，包括用户号码 (MSISDN)、IMSI (唯一识别 SIM 卡的号码)、签约业务信息（如是否开通国际漫游、呼叫转移设定）、当前访问位置（VLR 地址）、认证参数（密钥等）、基本计费信息。
       • 每个用户对应唯一的 HLR。
     • 访问位置寄存器 (VLR - Visitor Location Register):
       • 功能上通常与 MSC 集成在一起。
       • 存储当前物理位置处于该 MSC/VLR 服务区域内的所有拜访用户的临时数据拷贝（从 HLR 获取）。
       • 数据包括：IMSI, MSISDN, 用户当前位置（更精确的小区位置）、当前状态（忙/闲）等。
       • 目的： 当用户漫游进入该区域时，避免每次呼叫建立都需要查询远处的 HLR，大大加快呼叫处理和移动性管理速度。
     • 鉴权中心 (AuC - Authentication Center):
       • 通常与 HLR 物理集成。
       • 存储用户 SIM 卡的认证密钥 (Ki)。
       • 生成用户鉴权和数据加密所需的鉴权三元组（随机数 RAND，预期响应 SRES，会话密钥 Kc） 并发送给 HLR，再由 HLR 提供给 VLR。
       • 目的： 确保用户身份真实合法，防止非法接入，并为空中接口加密提供密钥。
     • 设备识别寄存器 (EIR - Equipment Identity Register):
       • 包含三个列表（白名单、灰名单、黑名单），记录移动设备 IMEI 的状态（合法、观察、失窃/禁止）。
       • 用于检查设备的合法性，防止失窃手机接入网络。注意： EIR 在许多网络中并未部署或使用。
     • (可选) 关口移动交换中心 (GMSC - Gateway MSC): 专门处理入呼的 MSC。主叫拨打的被叫号码需要先通过一个 GMSC 来查询被叫当前所属的 HLR，获得其当前位置（所在 MSC 编号），再将呼叫路由到该目标 MSC。

4. 操作与支持子系统 (OSS - Operation and Support Subsystem):

   • 负责对整个网络的运行监控、维护、配置管理和性能优化。通常由运营商运营中心使用。
   • 主要功能：
     • 网络监控（故障、告警）。
     • 话务和性能数据采集与分析。
     • BSS 和 NSS 设备的配置管理。
     • SIM 卡管理、用户计费信息接口（连接到计费系统）。
     • 网络安全管理。

总结流程示意：

1. 开机/待机： 手机扫描可用频率，锁定到最强信号的 BCCH，获得系统信息，向网络注册，在 VLR 登记位置（如有变化），周期性地接收寻呼。
2. 发起呼叫：
   • 手机通过 RACH 向 BTS 发送接入请求。
   • BSC 通过 AGCH 分配一个专用信道 (DCCH)。
   • NSS (VLR, AuC) 对用户进行鉴权。
   • MSC 分配业务信道 TCH，建立连接并处理路由。
3. 接收呼叫：
   • 主叫拨打 MSISDN，呼叫首先到达 GMSC。
   • GMSC 查询被叫的 HLR 获得其当前 VLR 地址。
   • HLR 通知当前 VLR 需要寻呼该用户。
   • VLR 指示 MSC 通过 BSS 在相关位置区发起寻呼 (PCH)。
   • 被叫手机响应，后续流程类似主叫（接入、鉴权、信道分配、振铃、应答）。
4. 切换： BSC/MSC 根据测量报告决定是否切换，协调释放旧信道，建立新信道。
5. 位置更新： 手机移动到新的位置区时，主动向新 VLR 注册，新 VLR 通知 HLR 更新位置，HLR 指示旧 VLR 删除该用户记录。

GSM 的现代意义： 虽然 GSM 已不再是最高速的技术（被 3G, 4G LTE, 5G NR 超越），但它奠定的大部分核心原理（SIM 卡、蜂窝小区结构、数字化、移动性管理、核心网基本实体和流程）仍在后续系统中得到继承和发展。其基础语音通话和短信功能在覆盖广泛性和设备兼容性上仍有重要价值。GSM 作为一项开创性的全球标准，极大地推动了移动通信的普及和发展。