GSM 终极指南：你需要知道的一切

你是否曾好奇你的手机是如何神奇地将你连接到远在千里之外的人？早在我们今天使用的超高速互联网出现之前，就已经有一项开创性的技术启动了这一切。这项技术帮助数十亿人在全球范围内通话和发送短信。我们说的就是 GSM。但 GSM 到底是什么？为什么它如此重要？

准备好了解这项为我们今天所知的移动世界奠定基础的技术背后简单的故事吧！本指南将用易于理解的语言带你全面了解 GSM。

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什么是 GSM？

GSM 是 Global System for Mobile Communications（全球移动通信系统）的缩写。它基本上是一个数字标准，一套供手机和网络相互通信的规则和技术。其主要特点包括：

• 数字信号： 与较旧的模拟系统（例如模糊的无线电）不同，GSM 使用数字信号。这意味着通话更清晰，静电更少。

• 通话和短信： GSM 主要设计用于语音通话和简单的短信（SMS - Short Message Service）。

• SIM 卡： GSM 最具辨识度的特征之一是 SIM（Subscriber Identity Module，用户身份模块）卡。这个微小的芯片存储了你的账户信息。你可以将 SIM 卡插入不同的 GSM 手机，你的号码和服务计划随之转移。

• 全球标准： 它成为世界上应用最广泛的移动标准，遍布欧洲、亚洲、非洲和许多其他地区。

想象一条繁忙的高速公路。如何在不发生碰撞的情况下容纳大量汽车？GSM 使用一种称为 TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）的系统。想象一下网络可用的无线电频率（高速公路）。TDMA 将这个频率分成小的时隙。每个通话在那个频率上都拥有自己的微小时段来“讲话”。它发生得如此之快，以至于你听起来就像连续的对话。这就像许多人快速轮流在同一个无线电频道上讲话。

GSM 还在特定的频率频段上运行，这些频段就像政府为移动使用分配的专用无线电频道。世界上许多地区的常用 GSM 频段包括 900 MHz 和 1800 MHz，以及主要在美洲使用的 850 MHz 和 1900 MHz。你的手机需要支持你所在区域或旅行地使用的频段。

 

GSM 的演变

手机并非总是像今天这样智能或互联。GSM 在实现这一目标方面发挥了巨大作用。让我们看看它的发展历程。

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早期的移动网络

在 GSM 之前，在 20 世纪 80 年代，欧洲拥有许多不同的模拟移动电话系统（通常称为 1G，或第一代）。一个国家的手机在另一个国家无法使用。通话不太清晰，安全性很弱。一切都混乱且受限。

欧洲各国意识到他们需要一个统一的标准，以改善移动通信并允许人们跨国界使用手机。这就是 GSM 诞生的原因——创建一个所有人都能使用的全球系统。它从一开始就被设计为数字系统，提供更好的质量和安全性。

重要里程碑 (2G, GPRS, EDGE 和 UMTS)

• GSM (2G - 第二代)： 这是我们一直在讨论的原始标准。它于 20 世纪 90 年代初推出，专注于数字语音通话和短信。这是对 1G 的巨大改进。

• GPRS (General Packet Radio Service)： 通常称为“2.5G”，GPRS 是对 GSM 网络的升级。它允许“永远在线”的数据连接，尽管速度相当慢（想象一下非常基本的移动网页浏览或电子邮件）。

• EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution)： 另一次升级，有时称为“2.75G”。EDGE 提供了比 GPRS 更快的数据速度，使移动互联网更易用一些，但仍然比我们现在拥有的慢得多。

• UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)： 这标志着 3G（第三代）的开始。虽然技术上是不同的技术系统，但 UMTS 被设计为 GSM 的演进路径。它提供了更快的数据速度，支持视频通话和更好的移动互联网。许多 3G 网络建立在 GSM 建立的核心基础设施之上。

了解什么是 GSM 有助于我们理解这些后续技术是如何在其成功基础上构建的。

 

从 GSM 到现代网络 (4G LTE & 5G) 的过渡

随着我们对数据需求增长——用于流媒体、应用、社交媒体等等——即使 3G 也不够快。这导致了 4G LTE（Long-Term Evolution，长期演进）以及现在的 5G（Fifth Generation，第五代）网络的发展。这些技术与 GSM 大不相同，使用更先进的技术（例如后面讨论的 OFDMA）来提供超快的速度并同时支持更多连接的设备。

随着移动网络从 GSM 演进到强大的 4G LTE 和 5G 技术，我们的连接方式也发生了变化。eSIM（embedded SIM，嵌入式 SIM 卡）代表了这一演进中的下一个里程碑，它消除了对物理 SIM 卡的需求，并提供了一种更流畅、更快、更灵活的连接方式。就像 GSM 为移动通信奠定了基础一样，eSIM 正在塑造未来。

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GSM 网络结构

GSM 网络不仅仅是你的手机和一个信号塔。它是一个复杂的系统，由几个协同工作的关键部分组成。让我们简单分解一下：

• 移动设备 (Mobile Station - MS)： 这是你的手机、平板电脑或任何连接到网络的设备。这里的关键部分是 SIM 卡，它将你（用户）标识给网络。没有有效的 SIM 卡，你的手机通常只能拨打紧急电话。

• 基站子系统 (Base Station Subsystem - BSS)： 这部分将你的手机无线连接到主网络。它有两个主要组件：

  • 基站收发信台 (Base Transceiver Station - BTS)： 这些就是你随处可见的信号塔。它们包含直接与你的手机进行信号传输和接收的无线电和天线。每个信号塔覆盖一个称为“小区”的特定区域。
  • 基站控制器 (Base Station Controller - BSC)： 将其视为几个信号塔 (BTS) 的管理器。它控制信道分配（分配频率和时隙）和“切换”（当你在移动时手机无缝地从一个信号塔切换到另一个信号塔而不断开通话）。

• 网络交换子系统 (Network Switching Subsystem - NSS)： 这是 GSM 网络的“大脑”或核心。它管理通话、消息并跟踪用户。关键部分包括：

  • 移动交换中心 (Mobile Switching Center - MSC)： 中央协调单元。它将呼叫路由到正确的位置（无论路由到另一部手机还是常规固定电话网络），处理消息服务 (SMS)，并与数据库通信以检查用户信息。
  • 归属位置寄存器 (Home Location Register - HLR)： 一个大型数据库，永久存储该网络运营商的每个用户的信息，包括他们的服务、权限和大致位置。
  • 拜访位置寄存器 (Visitor Location Register - VLR)： 与 MSC 相关联的临时数据库。当你旅行进入由特定 MSC 服务的区域时，VLR 会存储你从 HLR 获取的临时信息副本。这有助于 MSC 在本地处理你的呼叫，而无需不断检查主 HLR。

• 操作支持子系统 (Operation and Support Subsystem - OSS)： 这是管理整个网络的幕后部分。它处理网络监控（确保一切正常运行）、维护、软件更新、网络配置、故障检测和安全管理。它确保网络平稳可靠地运行。

因此，当你拨打电话时，你的手机 (MS) 会与最近的信号塔 (BTS) 通信，该信号塔由 BSC 管理。BSC 连接到 NSS 中的 MSC。MSC 检查 VLR/HLR 以验证你的订阅，然后将你的呼叫路由到目的地，无论目的地是另一个移动用户（通过他们的网络部分）还是固定电话用户。

 

GSM 的特性和优势

GSM 之所以如此受欢迎，有几个充分的理由。以下是它的一些主要优势：

• 国际漫游： 这可能是 GSM 最大的卖点。由于许多国家采用了 GSM 标准，网络运营商可以签订协议，允许其客户在国外旅行时在其手机上使用其他 GSM 网络。这极大地便利了移动用户的国际旅行。

• SIM 卡灵活性： 小巧可移除的 SIM 卡是一个绝妙的主意。它存储了你独有的用户信息。这意味着只需转移 SIM 卡，你就可以轻松地将你的手机号码和服务计划转移到新的 GSM 手机上。你不会像在其他一些系统中那样被绑定到特定的设备。

• 安全通信（相对于当时）： 与较旧的模拟系统相比，GSM 提供了更高的安全性。它使用数字加密来混淆通话，使得普通的无线电扫描仪难以窃听。虽然按照今天的标准来看并不完美，但这已经是迈出的一大步。

• 广泛应用： GSM 实现了巨大的全球规模。它成为欧洲、亚洲、非洲和大洋洲的主导标准，并在美洲也得到了广泛使用。庞大的用户群体创造了规模经济，使得手机和网络设备更便宜、更易获得。

• 与早期物联网设备的兼容性： GSM 的简单性和广泛覆盖（特别是使用 GPRS 进行基本数据传输）使其适用于早期的 M2M（Machine-to-Machine，机器到机器）通信和物联网 (IoT) 设备。想想智能电表发送读数、自动售货机报告库存或基本的车辆跟踪系统等。

图片来自 Andrey Metelev，发布于 Unsplash

 

GSM vs. CDMA vs. LTE：主要区别

GSM 并非当时唯一的移动技术。在世界某些地区，特别是北美和部分亚洲地区，另一种 2G/3G 技术 CDMA 也曾很受欢迎。而今天，LTE (4G) 和 5G 是主导标准。以下是一个简单的比较：

 

GSM 的安全性

GSM 在 20 世纪 80 年代末设计时考虑了安全性，特别是与易于扫描的模拟网络相比。

GSM 引入了加密来保护语音通话。主要使用的算法是 A5/1，后来是 A5/2。这些算法对手机和信号塔之间的通话进行了混淆，使得使用简单无线电扫描仪的人难以窃听。认证过程也用于验证 SIM 卡与网络，有助于防止克隆（尽管并非完美）。

漏洞和安全隐患

虽然有所改进，但 GSM 的安全性并非万无一失，特别是按照现代标准来看。

• 弱加密： A5/1 算法后来被发现存在弱点，通过足够的计算能力可能被破解。A5/2 甚至更弱，并且被有意设计成容易被政府破解。

• 信号塔到网络的链路： 通常，加密只应用于手机和信号塔 (BTS) 之间。从信号塔到核心网络的链路并非总是加密的，这造成了潜在的弱点。

• IMSI 捕捉器： 称为“IMSI 捕捉器”或“Stingray”的设备可以伪装成合法的信号塔，诱骗手机连接到它们。这使得攻击者能够拦截通话/短信或跟踪用户位置。

• 缺乏相互认证（在原始规范中）： 最初，只有网络认证手机/SIM 卡。手机并不总是认证网络，这使得它容易受到伪造信号塔攻击。

现代 GSM 网络是否受到保护？

重要的是要记住，GSM 本身是旧技术。虽然一些基本的 GSM 服务可能仍在运行，但今天的绝大多数语音和数据流量运行在 3G、4G (LTE) 和 5G 网络上。这些更新的标准具有更强的安全特性：

• 更强的加密： 4G/5G 中使用 AES 等算法，这些算法更强大。

• 相互认证： 设备和网络都相互认证，使得伪造信号塔攻击更难。

• 端到端安全： 努力进一步保护网络核心中的通信。

• 定期更新： 安全协议不断审查和更新。

因此，虽然 GSM 已知存在安全漏洞，但大多数人日常使用的网络 (4G/5G) 提供更好的保护。

 

GSM 的局限性

尽管取得了成功，GSM 也存在其缺点，特别是随着技术的发展：

• 干扰问题： 由于基于无线电波，GSM 信号可能受到建筑物、山丘甚至恶劣天气等物理障碍物的影响。这可能导致在某些区域通话中断或信号质量差。其他设备的电干扰有时也可能导致问题。

• 有限的数据速度： 这是 GSM 按今天标准衡量最大的局限性。虽然 GPRS 和 EDGE 升级增加了数据能力，但速度与 3G 相比非常慢，更不用说 4G 或 5G 了。在纯 2G GSM 连接上进行视频流或使用复杂应用根本不可行。理解 GSM 的本质意义，认识到它是首先为语音设计的，数据放在次要位置。

• 弱信号区域需要中继器： 在自然覆盖较差的区域（例如大型建筑物内部深处或偏远农村地区），通常需要信号增强器或中继器来放大 GSM 信号并使服务可用。这增加了在所有地方确保覆盖的复杂性和成本。

• 容量限制： TDMA 结构虽然巧妙，但在给定区域内有多少用户可以共享频率存在限制。在人口非常稠密的地区，网络有时可能在高峰时段拥塞。

这些局限性推动了向 3G、4G 和 5G 演进的需求，这些技术旨在克服这些问题，特别是在数据速度和容量方面。

 

GSM 在美国和全球的使用情况

历史上在美国，AT&T 和 T-Mobile 是主要的 GSM 运营商。然而，这种情况正在迅速变化。两家运营商，像全球其他运营商一样，正在关闭他们较旧的 2G (GSM) 和 3G 网络。他们需要这些旧技术使用的无线电频率空间（频谱）来建设他们更快、更高效的 4G LTE 和 5G 网络。虽然一些基本的 GSM 功能可能会暂时保留用于特定的 M2M/IoT 用途或漫游协议，但消费者活动使用正在消失。最好假设在美国，以消费者为重点的 GSM 网络实际上已经消失或即将消失。

美国的情况反映了全球趋势。欧洲、亚洲和澳大利亚各国也在积极关闭其 2G 和 3G 网络。时间表因国家和运营商而异，有些已经完成关闭，有些则计划在未来几年内完成。

原因是一致的：回收宝贵的频谱用于 4G/5G，降低维护旧网络的成本，并鼓励用户使用更现代、更高效的技术。

对于过去 5-7 年生产的大多数智能手机用户来说，这种关闭可能不会直接影响他们。现代手机主要使用 4G LTE 和 5G。但是，如果 GSM 网络关闭，你需要注意以下几点：
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• 检查你的手机： 如果你使用的是非常旧的手机（可能是 10 多年前的基础功能手机），它可能只支持 2G/3G。一旦你所在区域的这些网络关闭，该手机将失去服务（紧急呼叫可能除外）。你需要升级到支持 4G LTE（最好是 VoLTE - Voice over LTE）或 5G 的手机。

• 检查物联网设备： 一些旧的智能家居设备、警报系统或车辆跟踪器可能依赖于 2G/3G 网络。这些设备的用户可能需要联系服务提供商或制造商，了解升级选项或潜在的服务丢失。

• 旅行者： 虽然国际漫游曾是 GSM 的优势，但随着全球网络关闭，仅依靠 2G/3G 进行漫游变得不可行。支持多种 4G/5G 频段的现代手机对于可靠的国际连接至关重要。

图片来自 Christopher，发布于 Unsplash

 

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