GSM移动通信系统综述

GSM的历史

在十九世纪八十年代，蜂窝电话系统在欧洲迅速发展起来，特别是在斯堪的纳维亚和联合国，还有法国和德国。每个国家发展自己的系统，在设备和运营方面和别的其他国家不相同。这是一个不受欢迎的情况，因为移动设备不仅受国界的限制，（这在统一的欧洲变的越来越不重要），而且还受每种设备类型的市场限制，以至于如此的经济规模和储蓄不能被实现。

欧洲首先认识到这种情况，在1982年欧洲邮电行政大会成立了一个欧洲移动特别小组，简称GSM，形成这个小组为了研究和发展欧洲的移动陆地通信系统，所提出的这个系统必须遵循以下几个标准； ? 好的话音质量。 ? 低的终端服务成本。 ? 支持国际漫游。 ? 支持手持终端。 ? 支持新的服务和设备。 ? 高效的光谱。 ? ISDN兼容性。

在1989年，GSM的责任是被欧洲电讯学会标准所接受。GSM规范的第一阶段于1990年被公布，商业服务在1991年被推行，到1993年 ，在22个国家有36个GSM网络。虽然标准定型在欧洲，但GSM不只是欧洲的标准，超过200个GSM网络（包括DCS1800和PCS1900）在世界上110个国家运营。。在1994年初，世界上有1.3百万个用户，到1997年10月已经超过了55百万个用户。 北美洲进入GSM领域比较晚，而且随之有一个GSM派生物叫PCS1900，GSM在每个大陆存在，而缩写词GSM代表了全球移动通信系统。

GSM 的发展选择了一个（在时间上）被分割的数字系统，相反的是，像美洲的AMPS和联合国TACS 一样标准的模拟的细胞系统。他们相信那个处于压缩状态的算法和数字信号处理器的进展，允许实现原来的标准和在连续不断改进的系统方面的质量和费用。超过八千页的GSM系统介绍尽量允许给中间供给者以灵活

性和竞争性，但是足够的标准化保证在系统组成部分之间互相交织。这个被通过为每个在系统中的定义的功能实体提供功能和交织描述。 GSM所提供的服务

从开始，GSM的计划者想在提供的服务和信号使用的控制方面考虑ISDN 的兼容性。然而，无线传输限制，带宽方面和费用，不允许ISDNB标准的通道点率64KPS被实际达到。

使用ITU-T定义，电讯服务被划分为送信人服务，电话服务和其它补充服务。最基本的电话是被GSM支持的电话。比如其它通信，语音被进行数字化编码，作为数字流通过GSM网络被传输。有一种紧急服务，在最近的紧急事件发生处，服务提供者被通知拨打三位电话号码（比如911）。

各种各样的数据服务被提供。GSM使用者可以发送和接收数据给使用者通过POPTS（普通的老的电话服务）、ISDN、转换公共数据的网络包和转换公共数据网络的电路，使用多样化的接口方法和协议，比如X.25或X.32。速率可以达到9600bps，由于GSM是一个数字网络，在用户和GSM网之间是不需要调制解调器的，但是调制解调器要求在GSM网和POTS里交织工作。

其他数据服务包括组3传真，作为在ITU-T协议T.30中被描述，这个被传真编剧的使用者所支持，GSM的唯一特性就是在较老的类似系统中找不到，是短信息系统（SMS），SMS是一种字母数字的双向的信息服务。消息被传输采用一种存储转交的形式。对于点对点的SMS，一条信息被发送到另一个用户，收到的谢意被提供给发送人。SMS能被用于细胞—播送模式，用来发送诸如交通更新资料或消息更新资料。消息能被存储在SIM卡里。

补充的服务被提供在电话服务或送信人服务之上。在第一阶段的说明中，他们包括若干形式的呼叫转接如呼叫转接当移动用户不能到达网络时），外出呼叫，或入局呼叫，比如在其它国家漫游时。在第二阶段的规范中许多补充服务将被提供，比如呼叫者识别，呼叫等待，多政党谈话。 信道控制

普通的信道模式能被分为两类：专用呼叫信道模式和标明空闲信道模式。普通的信道被空闲模式使用，从而改变要求变成专用信道的信号信息。专用信道方

式监控周围的基站和其它信息，普通信道被定义在51帧，以及专用信道使用26帧，TCH结构仍然能监控信道，普通信道包括：

? 广播控制信道（BCCH） 连续不断的发送，在下行链路上，消息包括基站识

别，频率分配和跳频序列

? 频率校正信道（FCCH）和同步信道（SCH） 同步突发脉冲序列用于移动台

的时间同步。在GSM蜂窝网络中，广播确切的指一个频率校正信道和一个同步信道。

? 随机接入信道（RACH） 被移动台使用的时隙提出入网。 ? 寻呼信道(PCH) 对下一个呼叫向移动台发出报警。

? 传输基站准许接入信道（AGCH） 寻呼移动台的信息。分配独立专用信道（为

了获得一个独立专用信道），对RACH作出应答。 信道编码和调制

由于自然的和人为的电磁干扰，语音编码或数据信号通过无线电接口传输必是从差错保护的。GSM使用编码，并阻塞交错达到这个保护，这个算法使用由于语音和不同的数据率而不同，用于语音的方法块将被描述如下：

取消语音编码每20ms产生一个260点块的抽样，从主观测试来看，一些点块感知的语音量比其他人感知的更重要。这些点被分为3类：

? Ia类 50比特 对点差错最敏感 ? Ib类 132比特 对点差错适中敏感 ? II类 78比特 对点差错最不敏感

Ia类为错误检测出有3比特的循环冗余码，如果一个错误被检测出，侦被判定被损坏，而需要被丢弃。如果它稍微被削弱而被换以前正确接收到的侦。这53个比特，和Ib类132比特以及4比特尾巴序列一起（总数189比特）被输入1/2长度为4的译码。每个输入比特被两个输出比特译码，是基于以前4输入比特的译码。译码器输出378 比特，在保持II类位的基础上增加了78个比特这是不被保护的。每20ms语音采样被作为456比特译码。

进一步为了避免无线电接口带来的突发误差，每一个采样被隔行扫描，456比特输出被译码划分为8个点块的，这些点块被8个连续的时间传输，时隙脉冲。每一个时隙携带两个57点块，每个脉冲从两个不同的语音采样中开始。

话音编码

GSM是一个数字系统，所以语音被固定的模拟而且被数字化。这种方法被ISDN和采用在高速中继线和光纤上的多路复用技术的当前的电话系统所使用，被称作脉幅调制。从PCM流出的信息流是64KBPS，太高的速率通过无线电线路不是切实可行的。GSM小组在主观语音质量和复杂性上研究若干语音编码。（这关系到费用，延迟处理和消费力量的执行）基本上，来自以前的采样信息不会迅速的改变，而是被用来预测当前采样信息。以前的采样信息的线性结合的系数，再加上剩余的编码形式，以及预测和实际的采样中的不同，来代表信号。语音被分为50HZ的采样频率间隔，每个间隔被分为260个比特，这就是所谓的呼叫充足率语音编码，近来提高充足率语音编码算法被一些美国GSM1900运营商所执行。这就是说通过使用现有的13bps的点率改进语音质量。 功率控制

有五个不同的移动台被定义，根据它们的高峰传输功率，额定功率分别为20，8，5，2瓦特。为了最小化次通道干扰和保持功率，移动台和基站收发信台以最小功率运行，这将会保持一个可以接受的信号质量，功率水平能被加强或减弱2dB从最高功率下降到最小功率为13dBm.

移动台测量信号强弱和信号质量（主要通过比特差错率），通过发送信息到基站台控制器，这将最终决定功率水平是否被改变。功率控制应该被细心处理，因为那有可能的不稳定性，这是因为移动台在次通道细胞中不断增加它们的功率来回应由其它移动台在增加功率时造成的次通道干扰。这在实际中不可能发生但它可以用于理论研究。 跳频

移动台已经不得不采用跳频，意味着GSM 可以在一个TDMA帧内接收，传输，监控时隙，这样在不同的频率间改变从而使用频率灵活性来执行慢频率跳变。这里移动台和收发信台在不同的载波频率上传输TDMA帧。跳频算法在广播控制通道上进行。由于多径衰落是依靠载频，缓慢的频率跳跃来提高抗干扰性能的，此外，次通道实际上是干扰随机化。 多路均衡

在900MHZ频段，无线电波受建筑物，汽车，飞机等等的影响。许多反射信号，都有不同的频段，可以到达一个天线。平等被用来从不需要反映的信号中提取想要得到的信号。它通过查明一个已知发射的信号怎样通过多径衰落被改进，建造一个反转的滤波器去提取想要得到的信号。这个已知的信号是26比特点序列在中间所有的时间突发。这个均衡器的实际执行不是被指定在GSM中。 间断传输

最大限度的减少通道干扰是蜂窝系统的目标，由于它允许给一个特定的小区提供更好的服务，或者为更小的小区使用，从而增加系统的容量。不连续的传输（DTX）是一种方法，利用一个人在正常交谈中讲话不少于40%的时间，通过在无语音信号时关闭发射器。DTX的另一个增加的好处是功率在移动单元中被保存。DTX最重要的组成部分是语音激活检测。它必须在声音和噪音输入时区分开，一个任务就是不和它出现时一样考虑到背景噪音。如果一个声音信号被作为噪音信号曲解，立即关闭发射机。一个非常讨厌的称作剪辑的东西被在接收端听到。如果，另一方面，噪音也会被做为一种声音信号曲解，间断传输的功效就会被减小。要考虑的另一个因素是当发射机关闭时，在接收端就完全无话音，这是由于数字GSM的性质。为了保证接收者检测出的是无话音，通过尽力与发射端背景噪声相匹配在接受端建立舒适噪声。 间断接收

另一种在移动台上保存功率的办法是间断接收。寻呼信道通过一个入局的呼叫给基站一个信号，被构造成次通道。每一个移动台仅仅需要听到自己的次信道。这时在连续的寻呼次信道中，当没有被使用的功率时，移动台可以进入休眠模式。 在GSM中的信号协议结构

在GSM中，信号协议被分为三层，依赖于接口，当时引入了数字3，第一层是物理层，它为物理层提供无线信道，第二层是数据链路层，通过Um接口，数据链路层使用在ISDN中被LAPD协议，叫做LAPDm，通过A接口，7号信令的信息传输层被使用，GSM的第3层，被分为3个子层。

? 无线资源管理 控制建立，维持，终止无线电装置和固定信道，包括转发