第二代移动通信系统——GSM

GSM升级版 升级版——2.5G(GPRS) 升级版
GSM系统中提供的业务主要是语音和低速 数据业务，而GPRS还能够提供各种较高速率的 数据业务。GPRS 是在现有900/1800 MHz GSM 数字蜂窝移动通信系统上叠加了一个新的网络 同时在网络上增加一些硬件设备和软件升级形 成了一个新的网络逻辑实体提供端到端的广域 的无线IP 连接GPRS 作为移动数据业务的载体 它能吸引用户的最重要原因是能提供不同需求 的数据服务。
信息编码 在第二代移动通信GSM中的应用 在第二代移动通信GSM中的应用 GSM
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GSM发展背景 GSM发展趋势及现状 GSM网络组成 GSM的信道编码 GSM的语音编码 GSM短消息编码 GSM 国内科研院校对GSM编码技术研究
GSM发展背景
由于模拟系统有四大缺点: 1、各系统间没有公共接口； 2、很难开展数据承载业务； 3、频谱利用率低无法适应大容量的需求； 4、安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。 由于这些缺点的存在促使了第二代移动通信 系统的发展。
GSM发展趋势及现状
我国自1994年底开始，在十多个省市筹建 GSM蜂窝移动通信网，其发展势头世人皆叹， 到现在GSM数字网已覆盖全国30多个省 (区、 市)，300多个地区和2000多个县市，并可与40 多个国家实现漫游。 截止到2010年，世界上拥有30多亿的GSM用 户，而中国达到5.79亿。
GSM发展背景
而2G与1G相比较主要的特点是提高了标准化 程度及频谱利用率、不再是数模结合而是全数 字化、保密性增加、容最增大，干扰减小，能 传输低速的数据业务，全球可以漫游．在增加 了分组网络部分后可以加入窄带分组数据业务， 2G网络就改造升级成为了所谓的2．5G(GPRS)、 2．75G(EGPRS)网络，从而为将来系统演进到 宽带系统打下了良好基础。2G移动网络的突出 弱点就是业务范围有限，无法实现移动的多媒 体业务，各国标准不统一，实现全球漫游困难。
GSM网络组成
GSM系统中的编码 系统中的编码
1.信道编码 在GSM中采用了多种编码方法，不同信道 的信道编码方式也不相同。信道编码用于改善 传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不 良影响；但它是以增加bit降低信息量为代价 的。编码的基本方法是在原始数据上附加一些 冗余信息，增加的bit是通过某种约定从原始 数据经计算产生的。
GSM发展趋势及现状
GSM数字移动通信系统源于欧洲。早在1982年， 欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如 北欧多国的NMT(北欧移动电话)和英国的 TACS(全接入通信系统)，西欧其它各国也提供 移动业务。当时这些系统是国内系统，不可能 在国外使用。为了方便全欧洲统一使用移动电 话，需要一种公共的系统，1982年，北欧国家 向CEPT(欧洲邮电行政大会)提交了一份建议书， 要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。 在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学 会(ETSI)技术委员会下的“移动特别小组 (Group Special Mobile)”，简称“GSM”， 来制定有关的标准和建议书。
短消息的编码方法
短消息(SMS)是由ETSI组织制定的一 个规范(GSM03．40和GSM03．38)，当使 用7 bits编码时，最多可以发送160个字 符，当使用8 bits编码时．最多发送140 个字符；当使用16 bits编码时，最多发 送70个汉字字符。
（1）汉字字符编码方法 中文短消息的编码实现较简单，只需将 GB2312的中文编码转换代码页为CP936的 Unicode编码即可。 （2）英文字符编码方法 每个字符用7 bits表示，若要传送此短 消息，这些7位字节需要换成8位字节，缺省的 GSM字符集为7位编码可以理解为ASCIl码 (ASCIl码值小于80Hex，因此bit8被忽略)，依 次将下一个7位编码的后几位逐步移至前面， 形成新的8位编码。
由此可见,GSM今后的发展趋势是综 合化、小型化和个人化;采用更先进的多 址技术和数据语音处理技术,进一步提高 频率的利用率;提高网络的智能化程度, 提供更多的新业务,即除电话业务外,再 扩展到数据、传真、图像等多种非话业 务,融入到综合业务数字网中,成为将来 个人通信网的一个组成部分。
以上讨论了GSM系统发展趋势,这种系统采 用的是时分多址技术。其频率的利用率只比模 拟频分系统高出2～3倍,但若采用CDMA,则系统 容量可有更大提高。目前,CDMA技术已走向成 熟,商用的CDMA数字蜂窝系统也已开通运转。 由于移动用户快速增长,频率资源日趋紧张,因 此采用码分多址数字蜂窝移动通信系统将是今 后的发展方向。 此外，世界上不同的第二代移动通信系统 彼此间不能兼容，使用的频率也不一样，因此， 全球漫游比较困难。因此，人们希望有功能更 强大的第三代移动通信系统 (3G) 来解决这些 问题。
在GPRS 系统中分组数据业务信道定义了4 种编码方案，即CS1至CS4，其中CS1编码的纠 错能力很强，能够忍受一定的误码率，因此它 对无线环境的要求较低，但它的缺陷是吞吐量 是最小的；CS4的吞吐量是最高，但纠错能力 最低，需要的C/I最高；高的编码速率通过减 少纠错和检错比特来获取。 CS1编码为184个信息比特+40个用于纠错 和检错的分组校验比特+4个尾比特得到228个 比特，将这228个比特采用1/2速率的卷积编码， 最终就得到了456个比特（4个BURST）；
（7）交织技术 具体地说,就是将原来的码元打乱,参 入新码元,这叫交织重组,然后传送出去. 接收到这些码元后,就用相反的过程,去交 织,恢复原来的码元排序,并剔除纠错码元, 从而实现信道编码.
语音编码
（1）多脉冲激励LPC 为了有效利用信道带宽，数字无线通信系 统都依赖于语音编码技术来去除语音中几乎所 有的冗余，来提供速率远小于PCM的高质量数 字化语音通信。通常解决的方法是采用信源编 码技术，如多脉冲激励LPC或其规则脉冲激励 方式，以及CELP，它们以低于16kbps的比特率 维持了高质量的合成语音。
(5)费尔码 将费尔码(L，K)作为块码去检测并纠正错误 里的单个突发，这里K是信息比特，L是编码比 特。 (6)级联码 级联码使用卷积码作内部编码而用费尔码作 外部编码。外部编码和内部编码都降低了错误 概率并纠正信道码中的大多数错误。和单个编 码操作相比，使用级联码的优势是实现的复杂 性降低了。
GSM发展趋势及现状
20世纪80年代中期，我国模拟蜂窝移动通信系 统刚投放市场时，世界上的发达国家就在研制 第二代移动通信系统。其中最有代表性和比较 成熟的制式有泛欧GSM ，美国的ADC(D-AMPS) 和日本的JDC(现在改名为PDC)等数字移动通信 系统。在这些数字系统中，GSM的发展最引人 注目。1991年GSM系统正式在欧洲问世，网络 开通运行。GSM系列主要有GSM900、DCS1800和 PCS1900三部分，三者之间的主要区别是工作 频段的差异。
CS2编码为3比特的USF预编码为6比特+268 个信息比特+16个用于纠错和检错的分组校验 比特+4个尾比特得到294个比特，采用采用ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ/2 速率的卷积编码，得到588个比特，采用截短 技术截短132个比特，最终得到456个比特（4 个BURST）。 CS3编码为3比特的USF预编码为6比特+312 个信息比特+16个用于纠错和检错的分组校验 比特+4个尾比特得到338个比特，采用采用1/2 速率的卷积编码，得到676个比特，采用截短 技术截短220个比特，最终得到456个比特（4 个BURST）。
（1）块卷积码 块卷积码主要用于纠错，当解调器 采用最大似然估计方法时，可产生十分 有效的纠错结果。 （2）奇偶校验码 2 这是一种普遍使用的最简单的检测 误码方法。它也是一种线性块码，GSM规 定了它的三种使用情况。在话音情况下， 它在最重要的50bit信息位后加了
3bit冗余，用于评估那些最敏感的错误， 但它只能检测1bit错码情况。在随机信 道RACH和慢速随路控制信道SACCH中分别 采用了6bit和10bit冗余，只能检测3bit 误码情况，并能纠错1bit误码。 上述三种情况是采用奇偶校验编码， 对已编码的信息再进行1/2的卷积编码， 所以是使用混合编码方式。
（4）前向纠错FEC 编码 前向纠错就是自动纠错,该方法在发 送端发送能够纠错的码,接收端在收到的 信码中不仅能发现错码,而且还能够根据 编码规则自动纠正传输中的错误. 对于二 进制系统,如果能够确定错码的位置,就能 够纠正它. 其优点是不需要反馈信道,译 码实时性较好,能进行一个用户对多个用 户的同时通信,特别适合于移动通信.
在第一阶段和第二阶段之间有一个中间阶 段,主要考虑了空间接口上的加密功能。第二 阶段是在第一阶段的基础上进一步发展起来的。 比如频率扩展的定义、更先进的多路鉴权算法 的采用以及更多服务功能的定义。在第二阶段, 大多数新的服务功能被归纳在补充服务目录中, 如呼叫转移、呼叫限制等等。较有特色的有以 下4种: 主、被叫识别功能,显示主叫或被叫号 码;限制显示主、被号码功能;呼叫等待和呼叫 保持功能:使通话中的用户能觉察到有新的呼 叫进入,并能保持住原通话用户,转与新的用户 通话;多达6方的会议电话。
（2）规则脉冲激励长期预测 GSM采用的编码方案是13kbit/s RPE—LTP 码（规则脉冲激励长期预测）。首先把语音分 成20ms为单位的段，每个段编成260bit的数据 块；块之间依靠外同步，块内部不含同步信息。 这样无线接口上20ms一帧的数据流，也就是 13kbit/s流中不包括任何帮助收端定位帧标志 的信息。收端把收到的信号块（激励信号）经 过LTP（长期预测）和LPC（线性预测编码）滤 波重组，最后经过一个预先设计好的去加重网 络加以复原，恢复语音信号。RPE - LTP 编码 器是将波形编码和声码器两种技术综合运用的 编码器,从而以低速率获得较高的话音质量。
（3）循环纠错码 这是一种线性块码，主要用于检测 和纠正成组出现的误码，通常与块卷积 码混合使用。传输码是由原码序列（信 息码元）加上通过异或公式对信息位处 理后的冗余比特组成，是一种短循环码。 用原码序列建立一个二进制多项式，冗 余比特表示为另一个多项式的系数，此 多项式就是生成多项式。它要能在误码 发生时有效地将其检测出来，并尽可能 地纠正它。
最初的GSM是专为欧洲设计的,但今天它已 经成为可在全球范围内联网漫游的“全球通” 系统。其发展目前分为两个阶段。 第一阶段主要定义了GSM应具备的基本功 能。它不仅为今后GSM的发展奠定了基础,同时 也定义了许多新的业务功能,包括一些在模拟 蜂窝移动通信系统中使用的功能和一些GSM特 有的功能。比如: 国际漫游功能;客户识别卡 (SIM卡);鉴权功能; 短消息服务功能(SMS);速 率高达9.6kbit/s的数据通信功能;与ISDN兼容 的功能。
GSM发展趋势及现状
我国自从1992年在嘉兴建立和开通第一个 GSM演示系统，并于1993年9月正式开放业务以 来，全国各地的移动通信系统中大多采用GSM 系统，使得GSM系统成为目前我国最成熟和市 场占有量最大得一种数字蜂窝系统。 目前我国主要的两大GSM系统为GSM 900及 GSM1800，由于采用了不同频率，因此适用的 手机也不尽相同。不过目前大多数手机基本是 双频手机，可以自由在这两个频段间切换。欧 洲国家普遍采用的系统除GSM900和GSM1800另 外加入了GSM1900，手机为三频手机。在我国 随着手机市场的进一步发展，现也已出现了三 频手机，即可在GSM900\GSM1800\GSM1900三种 频段内自由切换的手机，真正做到了一部手机 可以畅游全世界。
系统采用了向后兼容和模块化结构,系统 可以从第一阶段平滑地过渡到第二阶段、第二 阶段加(Phase2+)以及更高的阶段。“Phase2+” 的标准也已制定,它主要包括:适应于商务方面 的特性;对公众网络总体上的改进;对GSM的专 门改进;虚拟网功能;数字无绳电话至GSM系统 的接口;多用户号码功能。