【正文】 中文 6335 字 GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)綜述 GSM 的歷史 在十九世紀(jì)八十年代，蜂窩電話(huà)系統(tǒng)在歐洲迅速發(fā)展起來(lái)，特別是在斯堪的納維亞和聯(lián)合國(guó)，還有法國(guó)和德國(guó)。每個(gè)國(guó)家發(fā)展自己的系統(tǒng)，在設(shè)備和運(yùn)營(yíng)方面和別的其他國(guó)家不相同。這是一個(gè)不受歡迎的情況，因?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備不僅受?chē)?guó)界的限制，（這在統(tǒng)一的歐洲變的越來(lái)越不重要），而且還受每種設(shè)備類(lèi)型的市場(chǎng)限制， 以至于如此的經(jīng)濟(jì)規(guī)模和儲(chǔ)蓄不能被實(shí)現(xiàn)。 歐洲首先認(rèn)識(shí)到這種情況，在 1982 年歐洲郵電行政大會(huì)成立了一個(gè)歐洲移動(dòng)特別小組，簡(jiǎn)稱(chēng) GSM，形成這個(gè)小組為了研究和發(fā)展歐洲的移動(dòng)陸地通信 系統(tǒng)，所提出的這個(gè)系統(tǒng)必須遵循以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)； ? 好的話(huà)音質(zhì)量。 ? 低的終端服務(wù)成本。 ? 支持國(guó)際漫游。 ? 支持手持終端。 ? 支持新的服務(wù)和設(shè)備。 ? 高效的光譜。 ? ISDN 兼容性。 在 1989 年， GSM 的責(zé)任是被歐洲電訊學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)所接受。 GSM 規(guī)范的第一階段于 1990 年被公布，商業(yè)服務(wù)在 1991 年被推行，到 1993 年 ，在 22 個(gè)國(guó)家有 36個(gè) GSM 網(wǎng)絡(luò)。雖然標(biāo)準(zhǔn)定型在歐洲，但 GSM 不只是歐洲的標(biāo)準(zhǔn)，超過(guò) 200 個(gè) GSM網(wǎng)絡(luò)（包括 DCS1800 和 PCS1900）在世界上 110 個(gè)國(guó)家運(yùn)營(yíng)。在 1994 年初，世界上有 百萬(wàn)個(gè)用戶(hù) ，到 1997 年 10 月已經(jīng)超過(guò)了 55 百萬(wàn)個(gè)用戶(hù)。 北美洲進(jìn)入 GSM 領(lǐng)域比較晚，而且隨之有一個(gè) GSM 派生物叫 PCS1900， GSM 在每個(gè)大陸存在，而縮寫(xiě)詞 GSM 代表了全球移動(dòng)通信系統(tǒng)。 GSM 的發(fā)展選擇了一個(gè)（在時(shí)間上）被分割的數(shù)字系統(tǒng)，相反的是，像美洲的 AMPS 和聯(lián)合國(guó) TACS 一樣標(biāo)準(zhǔn)的模擬的細(xì)胞系統(tǒng)。他們相信那個(gè)處于壓縮狀態(tài)的算法和數(shù)字信號(hào)處理器的進(jìn)展，允許實(shí)現(xiàn)原來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)和在連續(xù)不斷改進(jìn)的系統(tǒng)方面的質(zhì)量和費(fèi)用。超過(guò)八千頁(yè)的 GSM 系統(tǒng)介紹盡量允許給中間供給者以靈活性和競(jìng)爭(zhēng)性，但是足夠的標(biāo)準(zhǔn)化保證在系統(tǒng)組成 部分之間互相交織。這個(gè)被通過(guò)為每個(gè)在系統(tǒng)中的定義的功能實(shí)體提供功能和交織描述。 GSM 所提供的服務(wù) 從開(kāi)始， GSM 的計(jì)劃者想在提供的服務(wù)和信號(hào)使用的控制方面考慮 ISDN 的兼容性。然而，無(wú)線(xiàn)傳輸限制，帶寬方面和費(fèi)用，不允許 ISDNB 標(biāo)準(zhǔn)的通道點(diǎn)率64KPS 被實(shí)際達(dá)到。 使用 ITUT 定義，電訊服務(wù)被劃分為送信人服務(wù)， 電話(huà) 服務(wù)和其它補(bǔ)充服務(wù)。最基本的電話(huà)是被 GSM 支持的電話(huà)。比如其它通信，語(yǔ)音被進(jìn)行數(shù)字化編碼，作為數(shù)字流通過(guò) GSM 網(wǎng)絡(luò)被傳輸。有一種緊急服務(wù)，在最近的緊急事件發(fā)生處，服務(wù)提供者被通知撥打三位電 話(huà)號(hào)碼（比如 911）。 各種各樣的數(shù)據(jù)服務(wù)被提供。 GSM 使用者可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)給使用者通過(guò)POPTS（普通的老的電話(huà)服務(wù)）、 ISDN、轉(zhuǎn)換公共數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)包和轉(zhuǎn)換公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的電路，使用多樣化的接口方法和協(xié)議，比如 或 。速率可以達(dá)到9600bps，由于 GSM 是一個(gè)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，在用戶(hù)和 GSM 網(wǎng)之間是不需要調(diào)制解調(diào)器的，但是調(diào)制解調(diào)器要求在 GSM 網(wǎng)和 POTS 里交織工作。 其他數(shù)據(jù)服務(wù)包括組 3 傳真，作為在 ITUT 協(xié)議 中被描述，這個(gè)被傳真編劇的使用者所支持， GSM 的唯一特 性就是在較老的類(lèi)似系統(tǒng)中找不到，是短信息系統(tǒng)（ SMS）， SMS 是一種字母數(shù)字的雙向的信息服務(wù)。消息被傳輸采用一種存儲(chǔ)轉(zhuǎn)交的形式。對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的 SMS，一條信息被發(fā)送到另一個(gè)用戶(hù)，收到的謝意被提供給發(fā)送人。 SMS 能被用于細(xì)胞 — 播送模式，用來(lái)發(fā)送諸如交通更新資料或消息更新資料。消息能被存儲(chǔ)在 SIM 卡里。 補(bǔ)充的服務(wù)被提供在電話(huà)服務(wù)或送信人服務(wù)之上。在第一階段的說(shuō)明中，他們包括若干形式的呼叫轉(zhuǎn)接如呼叫轉(zhuǎn)接當(dāng)移動(dòng)用戶(hù)不能到達(dá)網(wǎng)絡(luò)時(shí)），外出呼叫，或入局呼叫，比如在其它國(guó)家漫游時(shí)。在第二階段的規(guī)范中許多補(bǔ)充服務(wù)將被提供， 比如呼叫者識(shí)別，呼叫等待，多政黨談話(huà)。 信道控制 普通的信道模式能被分為兩類(lèi)：專(zhuān)用呼叫信道模式和標(biāo)明空閑信道模式。普通的信道被空閑模式使用，從而改變要求變成專(zhuān)用信道的信號(hào)信息。專(zhuān)用信道方式監(jiān)控周?chē)幕竞推渌畔?，普通信道被定義在 51 幀，以及專(zhuān)用信道使用 26幀， TCH 結(jié)構(gòu)仍然能監(jiān)控信道，普通信道包括： ? 廣播控制信道（ BCCH） 連續(xù)不斷的發(fā)送，在下行鏈路上，消息包括基站識(shí)別，頻率分配和 跳頻序列 ? 頻率校正信道（ FCCH）和同步信道（ SCH） 同步突發(fā)脈沖序列用于移動(dòng)臺(tái)的時(shí)間同步。在 GSM 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，廣 播確切的指一個(gè)頻率校正信道和一個(gè)同步信道。 ? 隨機(jī)接入信道（ RACH） 被 移動(dòng)臺(tái) 使用的時(shí)隙提出入網(wǎng)。 ? 尋呼信道 (PCH) 對(duì)下一個(gè)呼叫向移動(dòng)臺(tái)發(fā)出報(bào)警。 ? 傳輸基站準(zhǔn)許接入信道（ AGCH） 尋呼 移動(dòng)臺(tái) 的信息。分配獨(dú)立專(zhuān)用信道（為了獲得一個(gè)獨(dú)立專(zhuān)用信道），對(duì) RACH 作出應(yīng)答。 信道編碼和調(diào)制 由于自然的和人為的電磁干擾，語(yǔ)音編碼或數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)電接口傳輸必是從差錯(cuò)保護(hù)的。 GSM 使用編碼，并阻塞交錯(cuò)達(dá)到這個(gè)保護(hù)，這個(gè)算法使用由于語(yǔ)音和不同的數(shù)據(jù)率而不同，用于語(yǔ)音的方法塊將被描述如下： 取消語(yǔ)音編碼每 20ms 產(chǎn)生一個(gè) 260 點(diǎn)塊的抽樣，從主觀測(cè)試來(lái)看，一些點(diǎn)塊感知的語(yǔ)音量比其他人感知的更重要。這些點(diǎn)被分為 3 類(lèi)： ? Ia 類(lèi) 50 比特 對(duì)點(diǎn)差錯(cuò)最敏感 ? Ib 類(lèi) 132 比特 對(duì)點(diǎn)差錯(cuò)適中敏感 ? II 類(lèi) 78 比特 對(duì)點(diǎn)差錯(cuò)最不敏感 Ia 類(lèi)為錯(cuò)誤檢測(cè)出有 3 比特的循環(huán)冗余碼，如果一個(gè)錯(cuò)誤被檢測(cè)出，偵被判定被損壞，而需要被丟棄。如果它稍微被削弱而被換以前正確接收到的偵。這53 個(gè)比特，和 Ib 類(lèi) 132 比特以及 4 比特尾巴序列一起（總數(shù) 189 比特）被輸入1/2 長(zhǎng)度為 4 的譯碼。每個(gè)輸入比特被兩個(gè)輸出比特譯碼，是基于以前 4 輸入比特的譯碼。 譯碼器輸出 378 比特，在保持 II 類(lèi)位的基礎(chǔ)上增加了 78 個(gè)比特這是不被保護(hù)的。每 20ms 語(yǔ)音采樣被作為 456 比特譯碼。 進(jìn)一步為了避免無(wú)線(xiàn)電接口帶來(lái)的突發(fā)誤差，每一個(gè)采樣被隔行掃描， 456比特輸出被譯碼劃分為 8 個(gè)點(diǎn)塊的，這些點(diǎn)塊被 8 個(gè)連續(xù)的時(shí)間傳輸，時(shí)隙脈沖。每一個(gè)時(shí)隙攜帶兩個(gè) 57 點(diǎn)塊，每個(gè)脈沖從兩個(gè)不同的語(yǔ)音采樣中開(kāi)始。 話(huà)音編碼 GSM 是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，所以語(yǔ)音被固定的模擬而且被數(shù)字化。這種方法被ISDN 和采用在高速中繼線(xiàn)和光纖上的多路復(fù)用技術(shù)的當(dāng)前的電話(huà)系統(tǒng)所使用，被稱(chēng)作脈幅調(diào)制。從 PCM 流出的信息流是 64KBPS，太高的速率通過(guò)無(wú)線(xiàn)電線(xiàn)路不是切實(shí)可行的。 GSM 小組在主觀語(yǔ)音質(zhì)量和復(fù)雜性上研究若干語(yǔ)音編碼。（這關(guān)系到費(fèi)用，延遲處理和消費(fèi)力量的執(zhí)行）基本上，來(lái)自以前的采樣信息不 會(huì)迅速的改變，而是被用來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前采樣信息。以前的采樣信息的線(xiàn)性結(jié)合的系數(shù)，再加上剩余的編碼形式，以及預(yù)測(cè)和實(shí)際的采樣中的不同，來(lái)代表信號(hào)。語(yǔ)音被分為 50HZ 的采樣頻率間隔，每個(gè)間隔被分為 260 個(gè)比特，這就是所謂的呼叫充足率語(yǔ)音編碼，近來(lái)提高充足率語(yǔ)音編碼算法被一些美國(guó) GSM1900 運(yùn)營(yíng)商所執(zhí)行。這就是說(shuō)通過(guò)使用現(xiàn)有的 13bps 的點(diǎn)率改 進(jìn)語(yǔ)音質(zhì)量。 功率控制 有五個(gè)不同的移動(dòng)臺(tái)被定義，根據(jù)它們的高峰傳輸功率，額定功率分別為20， 8， 5， 2 瓦特。為了最小化次通道干擾和保持功率，移動(dòng)臺(tái)和基站收發(fā)信臺(tái)以最小功率運(yùn)行，這將會(huì)保持一個(gè)可以接受的信號(hào)質(zhì)量，功率水平能被加強(qiáng)或減弱 2dB 從最高功率下降到最小功率為 13dBm. 移動(dòng)臺(tái)測(cè)量信號(hào)強(qiáng)弱和信號(hào)質(zhì)量（主要通過(guò)比特差錯(cuò)率），通過(guò)發(fā)送信息到基站臺(tái)控制器，這將最終決定功率水平是否被改變。功率控制應(yīng)該被細(xì)心處理，因?yàn)槟怯锌赡艿牟环€(wěn)定性，這是因?yàn)橐苿?dòng)臺(tái)在次通道細(xì)胞中不斷增加它們的功率來(lái)回應(yīng)由其它移動(dòng)臺(tái)在增加功 率時(shí)造成的次通道干擾。這在實(shí)際中不可能發(fā)生但它可以用于理論研究。 跳頻 移動(dòng)臺(tái)已經(jīng)不得不采用跳頻，意味著 GSM 可以在一個(gè) TDMA 幀內(nèi)接收，傳輸，監(jiān)控時(shí)隙，這樣在不同的頻率間改變從而使用頻率靈活性來(lái)執(zhí)行慢頻率跳變。這里移動(dòng)臺(tái)和收發(fā)信臺(tái)在不同的載波頻率上傳輸 TDMA 幀。跳頻算法在廣播控制通道上進(jìn)行。 由于多徑衰落是依靠載頻，緩慢的頻率跳躍來(lái)提高抗干擾性能的，此外，次通道實(shí)際上是干擾隨機(jī)化。 多路均衡 在 900MHZ 頻段，無(wú)線(xiàn)電波受建筑物，汽車(chē)，飛機(jī)等等的影響。許多反射信號(hào)，都有不同的頻段，可以到達(dá)一個(gè)天線(xiàn)。平等 被用來(lái)從不需要反映的信號(hào)中提取想要得到的信號(hào)。它通過(guò)查明一個(gè)已知發(fā)射的信號(hào)怎樣通過(guò)多徑衰落被改進(jìn)，建造一個(gè)反轉(zhuǎn)的濾波器去提取想要得到的信號(hào)。這個(gè)已知的信號(hào)是 26 比特點(diǎn)序列在中間所有的時(shí)間突發(fā)。這個(gè)均衡器的實(shí)際執(zhí)行不是被指定在 GSM 中。 間斷傳輸 最大限度的減少通道干擾是蜂窩系統(tǒng)的目標(biāo)，由于它允許給一個(gè)特定的小區(qū)提供更好的服務(wù)，或者為更小的小區(qū)使用，從而增加系統(tǒng)的容量。不連續(xù)的傳輸（ DTX）是一種方法，利用一個(gè)人在正常交談中講話(huà)不少于 40%的時(shí)間，通過(guò)在無(wú)語(yǔ)音信號(hào)時(shí)關(guān)閉發(fā)射器。 DTX 的另一個(gè)增加的好處是功率在 移動(dòng)單元中被保存。 DTX 最重要的組成部分是語(yǔ)音激活檢測(cè)。 它必須在聲音和噪音輸入時(shí)區(qū)分開(kāi)，一個(gè)任務(wù)就是不和它出現(xiàn)時(shí)一樣考慮到背景噪音。 如果一個(gè)聲音信號(hào)被作為噪音信號(hào)曲解，立即關(guān)閉發(fā)射機(jī)。一個(gè)非常討厭的稱(chēng)作剪輯的東西被在接收端聽(tīng)到。如果，另一方面，噪音也會(huì)被做為一種聲音信號(hào)曲解，間斷傳輸?shù)墓πЬ蜁?huì)被減小。要考慮的另一個(gè)因素是當(dāng)發(fā)射機(jī)關(guān)閉時(shí)，在接收端就完全無(wú)話(huà)音，這是由于數(shù)字 GSM 的性質(zhì)。為了保證接收者檢測(cè)出的是無(wú)話(huà)音，通過(guò)盡力與發(fā)射端背景噪聲相匹配在接受端建立舒適噪聲。 間斷接收 另一種在移動(dòng)臺(tái)上保存功率的辦法 是間斷接收。尋呼信道通過(guò)一個(gè)入局的呼叫給基站一個(gè)信號(hào)，被構(gòu)造成次通道。每一個(gè)移動(dòng)臺(tái)僅僅需要聽(tīng)到自己的次信道。這時(shí)在連續(xù)的尋呼次信道中，當(dāng)沒(méi)有被使用的功率時(shí)，移動(dòng)臺(tái)可以進(jìn)入休眠模式。 在 GSM中的信號(hào)協(xié)議結(jié)構(gòu) 在 GSM 中，信號(hào)協(xié)議被分為三層，依賴(lài)于接口，當(dāng)時(shí)引入了數(shù)字 3，第一層是物理層，它為物理層提供無(wú)線(xiàn)信道，第二層是數(shù)據(jù)鏈路層，通過(guò) Um 接口，數(shù)據(jù)鏈路層使用在 ISDN 中被 LAPD 協(xié)議，叫做 LAPDm，通過(guò) A 接口， 7 號(hào)信令的信息傳輸層被使用， GSM 的第 3 層，被分為 3 個(gè)子層。 ? 無(wú)線(xiàn)資源管理 控制建立，維持， 終止無(wú)線(xiàn)電裝置和固定信道，包括轉(zhuǎn)發(fā)器。 ? 連接控制功能 ? 處理呼叫控制 與 CCITT 協(xié)議的 相似，管理補(bǔ)充服務(wù)和短信息服務(wù)。 信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)的固定部分的不同實(shí)體之間，比如歸屬位置寄存器和訪(fǎng)問(wèn)位置寄存器，它們通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用部分協(xié)議完成。移動(dòng)應(yīng)用協(xié)議是被建立在 7 號(hào)信令部分的最高層。 MAP 的說(shuō)明非常復(fù)雜，超過(guò)了 500 頁(yè)，是 GSM 協(xié)議中最長(zhǎng)的文件。 無(wú)線(xiàn)資源管理 無(wú)線(xiàn)資源管理層在移動(dòng)臺(tái)和移動(dòng)交換中心之間的一層接口協(xié)議。主要的功能組成部分是移動(dòng)臺(tái)，和基站控制器，還有移動(dòng)交換中心。無(wú)線(xiàn)資源管理層與無(wú)線(xiàn)資源管理 會(huì)議 的管理有關(guān)，這里移動(dòng)臺(tái)有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的功能，無(wú)線(xiàn)通信信道的結(jié)構(gòu)包括無(wú)線(xiàn)信道的分配。一個(gè)無(wú)線(xiàn)管理層協(xié)議總是移動(dòng)臺(tái)通過(guò)接口協(xié)議開(kāi)始，或者是一次向外的呼叫，或者是調(diào)度信息的接口，這個(gè)接口和調(diào)度程序的細(xì)節(jié)，如同當(dāng)一個(gè)專(zhuān)用信道被分配在移動(dòng)臺(tái)上和調(diào)度次信道結(jié)構(gòu)被在無(wú)線(xiàn)資源管理層被處理。另外，它處理無(wú)線(xiàn)電特性包括功率控制，間斷傳輸和接收。 轉(zhuǎn)發(fā)器 在一個(gè)蜂窩網(wǎng)中，無(wú)線(xiàn)電和固定聯(lián)系不是永久的被分配在依次呼叫間。轉(zhuǎn)發(fā)器是一個(gè)對(duì)向外呼叫給不同的信道和蜂窩的開(kāi)關(guān)，轉(zhuǎn)發(fā)器所需要的執(zhí)行器和測(cè)量方法是無(wú)線(xiàn)資源管理層最基本的功能之一。 在 GSM 系統(tǒng)中有四個(gè)不同類(lèi)型的轉(zhuǎn)發(fā)器，包括轉(zhuǎn)移呼叫： ? 在一個(gè)蜂窩網(wǎng)中的信道（時(shí)隙）。 ? 在同一基站控制器下的基站移動(dòng)臺(tái)。 ? 在不同基站控制器控制下的細(xì)胞，但是屬于在相同的移動(dòng)交換中心 ? 在不同的移動(dòng)交換中心。 前兩種類(lèi)型的轉(zhuǎn)發(fā)器，叫內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)器，只包括基站控制器，為了節(jié)省信號(hào)帶寬，它們利用基站控制器不包括移動(dòng)交換中心，除此之外在完成轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)通知它。最后兩種轉(zhuǎn)發(fā)器稱(chēng)做外部轉(zhuǎn)發(fā)器，被移動(dòng)交換中心所處理。 GSM 一個(gè)重要的方面是原始移動(dòng)交換中心，仍然對(duì)其余的呼叫相關(guān)功能起作用。除了后來(lái)的內(nèi)部基站控制器外，轉(zhuǎn)發(fā)器在新的移動(dòng)交換中心 控制下，被稱(chēng)作中繼器。 轉(zhuǎn)發(fā)器能被其它移動(dòng)臺(tái)或移動(dòng)交換中心所啟動(dòng)。在一個(gè)空閑時(shí)隙里，移動(dòng)臺(tái)掃描相鄰的 16 個(gè)蜂窩中的廣播控制信道，對(duì)于可能的轉(zhuǎn)發(fā)器形成一張六個(gè)最好的侯選列表，基于收到的信號(hào)的強(qiáng)度。這個(gè)信息通過(guò)基站控制器和移動(dòng)交換中心運(yùn)用轉(zhuǎn)發(fā)算法被使用，至少每秒一次， 算法適用在當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器決定應(yīng)該被用在 GSM 協(xié)議中時(shí)。有兩個(gè)基本的運(yùn)算法則被使用，都密切被束縛在功率控制中，這是因?yàn)榛究刂破魍ǔ２恢廊跣盘?hào)是否因?yàn)槎鄰剿ヂ浠蛞苿?dòng)臺(tái)移動(dòng)到另一個(gè)蜂窩網(wǎng)中了。這種情況在郊區(qū)蜂窩網(wǎng)中確實(shí)是存在。 最小的可以接受的性能算法為 轉(zhuǎn)發(fā)器優(yōu)先，以致于在一定的點(diǎn)上，當(dāng)信號(hào)減弱時(shí)移動(dòng)臺(tái)的功率在增強(qiáng)。如果功率一直增加而不改變信號(hào)的話(huà)，這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器是可以考慮使用的。這是一個(gè)既簡(jiǎn)單又普通的方法，但是當(dāng)一個(gè)移動(dòng)臺(tái)以很高的功率從一段距離的原始的蜂窩邊界進(jìn)入另一個(gè)蜂窩時(shí)，它‘抹去’了一些蜂窩邊界。功率預(yù)算法使用轉(zhuǎn)發(fā)器在相同或更小