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由于欧洲各种通信系统的不兼容性，导致穿梭于欧洲国家之间的旅行者难以通过一部模拟手机来获得持续的通信服务，这激发了在整个欧洲区域内制定统一标准和统一频率分配的必要性。早在1982年，欧洲邮电会议（Conference of European Postal and Telecommunications，CEPT）就成立了名为Groupe Special Mobile（GSM的初始含义）的工作组，负责协调通信技术发展工作。在1982年到1985年期间，GSM小组针对模拟系统和数字系统的选择问题进行了讨论。经过多次现场试验，决定开发基于窄带TDMA的数字蜂窝系统，并定义了该系统的要求，例如良好的语音质量、较低的终端和服务成本以及支持国际漫游服务。1988年，CEPT组建了欧洲电信标准协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI），随后由该协会负责通信规范和标准的制定。1990年，全球移动通信系统（Global System for Mobile communications，GSM）第一阶段协议正式发布。紧接着，ETSI于1991年2月推出了1800MHz数字蜂窝系统（Digital Cellular System at 1800 MHz，DCS-1800），被认为是GSM的变体，相比GSM可以在更高频段运行［Mouly and Pautet，1995］。GSM终端除了支持最基本的语音业务，还可以以9.6kbit/s的速率接入综合业务数字网（Integrated Services Digital Network，ISDN）享受各种数据业务。历史上第一个商用GSM网络的国家是芬兰，1991年7月1日，芬兰总理哈里·霍尔克里在诺基亚和西门子构建的Radiolinja移动网络上完成了世界上第一通GSM通话。从那时起，GSM网络迅速获得认可并成为占主导地位的2G数字蜂窝标准［Vriendt et al.，2002］。GSM全球市场份额超过90%，取得了非凡的商业成功。截至2004年初，全球超过200多个国家和地区的10亿多人口享受到了GSM的移动电话服务。
通用GSM系统由四个部分组成：移动终端子系统（Mobile Station Subsystem，MSS）、基站子系统（Base Station Subsystem，BSS）、网络和交换子系统（Network and Switching Subsystem，NSS）以及操作和支持子系统（Operation and Support Subsystem，OSS）。每个子系统包含各种功能实体，这些功能实体通过指定的接口互相连接［Rahnema，1993］。
MSS的硬件是移动终端，支持用户的语音通话、短信和低速数据接入，使用称为国际移动设备识别码（International Mobile Equipment Identity，IMET）的唯一序列码进行标识。此外，使用用户识别模块（Subscriber Identity Module，SIM）智能卡来存储国际移动用户识别码（IMSI）、用于身份验证的密钥和其他用户信息。由于IMEI和IMSI是独立的，因此支持移动用户的移动性。
BSS由BTS和基站控制器（Base Station Controller，BSC）组成，其中BTS包含用于发射和接收电磁波的天线、用于产生和检测无线电信号的收发器，以及用于和BSC之间通信加密和解密的设备。BTS通常部署在小区中心，并根据用户密度配置一个或多个收发器，它是系统中最复杂的部分，配备昂贵且耗电的RF组件，例如：
● 将多个馈源组合成单个天线的合成器。
● 放大发射信号的功率放大器。
● 允许双向（双工）通信的双工器。
BSC负责管理一个或多个BTS的无线资源，并对用户接入、无线信道建立、跳频和BTS间切换进行控制。
NSS的主要作用是执行交换功能，为移动终端和其他移动用户或PTSN固定电话用户提供连接服务。此外，它还为移动用户提供一些其他必要的功能，如身份验证、注册、位置更新、移动交换中心（Mobile Switching Center，MSC）间切换和呼叫路由等。MSC是NSS的核心组件，包括使用一组数据库来存储用户和移动性信息，具体如下：
● 归属位置寄存器（Home Location Register，HLR）是用于存储服务区域内所有用户管理信息的重要数据库。存储的信息包括每个用户的IMSI、电话号码、身份验证密钥、订阅服务列表以及一些临时数据，例如移动终端上次注册时的位置信息。当终端开机时，它向网络发起注册并确定与哪个BTS建立通信连接，以便正确路由传入呼叫。即使终端处于未激活状态（但已开机），它也会周期性向网络报告位置信息以确保网络知晓其最新位置。
● 访客位置寄存器（Visitor Location Register，VLR）是用于存储访问用户信息的数据库。当MSC在其服务区域内检测到新的移动终端时，为确保订阅服务和呼叫路由，与该MSC相关联的VLR需要向HLR或移动终端请求诸如IMSI、身份验证密钥、电话号码及HLR地址等必要的签约信息。
● 鉴权中心（Authentication Center，AuC）以及存储每个用户的密钥副本，以及无线信道的认证和加密。当移动终端尝试接入网络时，AuC需要验证其SIM卡的有效性。此外，在通信过程中，AuC还提供一个加密密钥来加密手机和核心网络（Core Network，CN）之间的数据。
● 设备标识寄存器（Equipment Identity Register，EIR）是用于安全验证的数据库。它维护着一个由其IMEI标识的网络上所有有效终端的目录，可以禁止注册为被盗或未经授权的无效终端呼叫。
OSS是帮助网络运营商监控和管理整个无线通信系统的功能实体。运维中心（Operation and Maintenance Center，OMC）是连接交换系统和BSC中不同组件的关键设备，主要负责操作管理（订阅、终止、计费、统计）、安全管理、网络配置、性能监控和维护等功能。
在Release 97版本的GSM标准［3GPP TS23.060，1999］中指定了对通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）的支持。如图2.3所示，GPRS通过在传统电路交换网络上叠加一个分组交换子网络来实现。GSM网络可以通过增加新的节点和升级软件平台来支持互联网浏览、无线应用协议接入（Wireless Application Protocol，WAP）和多媒体消息服务（Multimedia Messaging Service，MMS）等数据服务。为支持路由和对数据包处理进行适当的增强，GSM网络引入了服务GPRS支持节点（Serving GPRS Support Node，SGSN）和网关GPRS支持节点（Gateway GPRS Support Node，GGSN），其中SGSN在分组交换子网中的作用与电路交换网络中的MSC相同。SGSN通过基站为移动终端提供服务，并与GGSN相连，可以接入外部网络，它包含的功能如下：
移动性管理：当移动终端附着到分组交换网络时，SGSN根据移动台的当前位置生成移动性管理信息，跟踪已注册移动终端的移动情况并将用户数据包转发到相应地址。
会话管理：SGSN负责管理实时或非实时数据会话的发起、维护和终止，并使用恰当的机制保证各种数据服务所需的服务质量（Quality of Services，QoS）。
交换：SGSN负责转发来自BSC和GGSN的输入和输出数据包。此外，它还与网络中的电路交换节点（诸如MSC）进行通信，从而获得必要的管理信息。
计费：SGSN还负责对GPRS网络上的用户数据流量进行计费和统计收集，为计费实体提供呼叫详情记录。
图2.3 与GPRS网络重叠的GSM系统结构
GGSN负责处理与外部分组数据网络（例如Internet或X.25网络）的互通，并通过GRPS骨干网与SGSN相连。从外部网络角度看，GGSN是一个路由器，支持网关功能，例如发布用户地址、映射地址、路由和转发数据包、筛选信息和数据包计数。来自SGSN的GPRS数据包在GGSN转换成适当的数据格式（例如IP或X.25）后被转发到外部数据网络。同样，来自外部数据网络的传入数据包在GGSN上进行格式转换，之后被转发到与目标移动终端关联的SGSN上［Lin et al.，2001］。
与1G模拟系统相比，2G系统提供了更大的系统容量、更高的QoS、更安全的配置和更高效的频谱使用效率。蜂窝系统的数字化促进了众多先进技术的应用，2G主要技术简述如下。
时分多址接入（Time Division Multiple Access，TDMA）技术将传输信道沿时间维度划分为多个正交信道，每个用户通过循环使用分配的时隙在整个系统带宽上传输数据。这意味着使用TDMA传输数据的用户需要非连续传输，但其可以在其他用户占用时隙期间执行一些如信道估计的处理工作，通过这种方式，简化了系统设计。TDMA的另一个优点是可以为单个用户分配多个时隙，来实现高数据传输速率。TDMA系统中的一个主要挑战是上行信道的同步，空间分离的用户发送的上行信号具有不同的传播延迟，此外，由于用户的移动性，其多径传播环境也会发生变化，使得上行信道的同步难以实现。在之前的模拟系统中，TDMA信道的带宽一般大于FDMA信道的带宽，如果传输信道的带宽超过无线信道的相干带宽，那么符号间干扰（Inter-Symbol Interference，ISI）就会增加，因此接收机需要一个均衡器来补偿ISI。
GSM系统采用TDMA技术结合FDMA技术作为多址接入方案。最初的GSM系统使用成对的频带，每个频带的带宽为25MHz：其中890～915MHz用于上行链路传输，935～960MHz用于下行链路传输。在GSM和在相邻频段运行的其他系统之间设置保护频段，使用FDMA方案将剩余带宽划分为共124个带宽为200kHz的信道，使用TDMA方案将一个TDMA信道分为8个时隙，每个时隙的持续时间约为0.577ms，一个时隙中承载的内容称为一个突发脉冲序列。为了弥补同步误差和多径时延扩展，在每个突发脉冲序列的尾部插入一个保护周期。此外，GSM系统根据突发脉冲序列的不同功能定义了几种类型，包括正常突发脉冲序列、频率校正突发脉冲序列、同步突发脉冲序列、接入突发脉冲序列和虚拟突发脉冲序列，8个总长度为4.615ms的突发脉冲序列组成一个循环的TDMA帧。
扩频技术通过将信号扩展到比原始信号宽度大得多的带宽上，这可以有效减轻多径信道引起的窄带干扰和ISI影响，具体包含直接序列和跳频两种应用方案。跳频技术由电影明星Hedy Lamarr和作曲家George Antheil在二战期间发明，并在他们的专利Secret通信系统中发布（Markey and Antheil，n.d.）。发射机的频率合成器根据扩展码的伪随机序列生成跳频载波，传输信号在信道带宽上根据发射机生成的跳频载波不断改变其载波频率。在接收机处，频率合成器使用相同的扩频码生成载波频率以对接收的信号进行变频。如果跳频时间超过一个符号周期，称为慢速跳频，反之，跳频时间小于一个符号周期时，称为快速跳频。GSM系统采用慢速跳频，利用收发器固有的频率捷变特性，在不同信道上实现发送和接收功能。其中，每个TDMA帧的载波频率以217次/秒的恒定速率改变。
早期移动系统提供的最基本服务是语音传输。在1G系统中，语音信号是以模拟方式进行调制的。2G系统需要在传输前将模拟语音信号数字化。在有线电话系统中，为了使语音信号在高速骨干网或光纤线路上进行多路复用，采用脉冲编码调制（Pulse Coded Modulation，PCM）对语音信号进行编码。PCM的编码速率为64kbit/s，由于无线资源的限制，这对于空口传输速率来说过高。因此，GSM工作组研究了多种语音编码和合成算法，用于减少语音信号中的冗余信息。最终，基于语音质量、处理延迟、功耗和复杂性等原因，选择规则脉冲激励长期预测（Regular Pulse Excitation Long-Term Prediction，RPE-LTP）作为GSM语音编解码方案。RPE-LTP通过使用过去的语音信号样本来预测当前样本。每20ms对语音信号采样一次，获得260bit的数据块，相当于13kbit/s的编码速率。
1G模拟系统由于无法滤除模拟发射信号上的噪声和干扰，导致语音质量较差。2G数字系统可以采用信道编码来提高语音质量（AMPS系统只对控制信道进行信道编码）。与语音编码试图尽可能地压缩数据量相反，信道编码有意地在原始信息中添加冗余比特，以检测或纠正传输过程中发生的错误。例如，在GSM系统中，根据语音信号的重要性来提供不同级别的保护。GSM终端的语音编解码器每20ms生成一个260bit的数据块。从用户的角度来看，感知到的语音质量更多地取决于该数据块的某个部分，而不是平均的每个比特。因此，数据块被划分为3部分：Ia类，50bit——最重要；Ib类，132bit——中等重要；II类，78bit——最不重要。首先，类别Ia的尾部添加循环冗余码（Cyclic Redundancy Code，CRC）用于错误检测，共53bit，加上类别Ib的132bit和4bit的尾部序列，共189bit，将这189bit数据块输入一个速率为1/2、约束长度为4的卷积编码器中。第II类中的78bit数据被添加到没有任何保护的编码序列中。最终，每20ms的语音信号转换为一个长度为456bit的传输块，编码速率为22.8kbit/s。此外，使用交错的传输块来预防无线接口常见的突发错误。
数字调制相比模拟调制具有更多优势，例如高频谱效率、高功率效率、鲁棒性、安全性和隐私性，以及更经济的硬件实现［Goldsmith，2005］等。具体来说，高阶数字调制如M进制正交幅度调制（M-ary Quadrature Amplitude Modulation，MQAM）可以在相同的信号带宽情况下提供比模拟调制高得多的传输速率。数字收发器可以使用信道编码、信道均衡和扩频等先进技术来抵抗硬件损坏、信道衰落、噪声和干扰。应用数字调制的调制星座的信息比特相比模拟信号更容易加密，因此具有较高的安全性和隐私性。在众多调制方案中，GSM系统通过对频谱效率、发射机复杂度和有限杂散发射综合考虑，选取了高斯调制移位键控（Gaussian Modulation Shift Keying，GMSK）作为折中方案对信息比特进行调制。GMSK是一种恒包络信号，可以减少功率放大器非线性失真带来的问题。GSM演进增强数据速率（Enhanced Data Rates for GSM Evolution，EDGE）是GSM系统增强方案，采用高阶相移键控（8PSK）技术来提高数据传输速率。
考虑到一个人在交谈中讲话时间通常低于50%，因此在传输语音信号时可以在静默期内暂停信号传输，这就是非连续传输（Discontinuous Transmission，DXT）的基本原理。DTX的显著优势包括减少重复使用同一信道小区之间的同信道干扰、低功耗、增加系统容量和延长电池寿命。实现DTX功能需要语音活动检测（Voice Activity Detection，VAD）和舒适噪声发生器两个重要组件，其中，VAD用于区分噪声和语音。如果语音信号被识别为噪声，发射机就会关闭，产生一种令人不愉快的“夹音”效果。在发射机关闭期间，数字信号存在绝对静音，导致用户在接收端可能会感觉连接已经断开。为了克服这一问题，接收机需要产生一段舒适信号来模拟背景噪声。