第二代移動通信系統(tǒng)——GSM

1、信息編碼在第二代移動通信GSM中的應(yīng)用1GSM發(fā)展背景GSM發(fā)展趨勢及現(xiàn)狀GSM網(wǎng)絡(luò)組成GSM的信道編碼GSM的語音編碼GSM短消息編碼國內(nèi)科研院校對GSM編碼技術(shù)研究2GSM發(fā)展背景由于模擬系統(tǒng)有四大缺點:1、各系統(tǒng)間沒有公共接口；2、很難開展數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)；3、頻譜利用率低無法適應(yīng)大容量的需求；4、安全保密性差，易被竊聽，易做“假機”。 由于這些缺點的存在促使了第二代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展。3GSM發(fā)展背景 而2G與1G相比較主要的特點是提高了標(biāo)準(zhǔn)化程度及頻譜利用率、不再是數(shù)模結(jié)合而是全數(shù)字化、保密性增加、容最增大，干擾減小，能傳輸?shù)退俚臄?shù)據(jù)業(yè)務(wù)，全球可以漫游在增加了分組網(wǎng)絡(luò)部分后可以加入窄帶分

2、組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，2G網(wǎng)絡(luò)就改造升級成為了所謂的25G(GPRS)、275G(EGPRS)網(wǎng)絡(luò)，從而為將來系統(tǒng)演進到寬帶系統(tǒng)打下了良好基礎(chǔ)。2G移動網(wǎng)絡(luò)的突出弱點就是業(yè)務(wù)范圍有限，無法實現(xiàn)移動的多媒體業(yè)務(wù)，各國標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，實現(xiàn)全球漫游困難。4 20世紀(jì)80年代中期，我國模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)剛投放市場時，世界上的發(fā)達國家就在研制第二代移動通信系統(tǒng)。其中最有代表性和比較成熟的制式有泛歐GSM ，美國的ADC(D-AMPS)和日本的JDC(現(xiàn)在改名為PDC)等數(shù)字移動通信系統(tǒng)。在這些數(shù)字系統(tǒng)中，GSM的發(fā)展最引人注目。1991年GSM系統(tǒng)正式在歐洲問世，網(wǎng)絡(luò)開通運行。GSM系列主要有GSM900、DCS1

3、800和PCS1900三部分，三者之間的主要區(qū)別是工作頻段的差異。 GSM發(fā)展趨勢及現(xiàn)狀5 GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)源于歐洲。早在1982年，歐洲已有幾大模擬蜂窩移動系統(tǒng)在運營，例如北歐多國的NMT(北歐移動電話)和英國的TACS(全接入通信系統(tǒng))，西歐其它各國也提供移動業(yè)務(wù)。當(dāng)時這些系統(tǒng)是國內(nèi)系統(tǒng)，不可能在國外使用。為了方便全歐洲統(tǒng)一使用移動電話，需要一種公共的系統(tǒng)，1982年，北歐國家向CEPT(歐洲郵電行政大會)提交了一份建議書，要求制定900MHz頻段的公共歐洲電信業(yè)務(wù)規(guī)范。在這次大會上就成立了一個在歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(ETSI)技術(shù)委員會下的“移動特別小組(Group Special M

4、obile)”，簡稱“GSM”，來制定有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和建議書。 GSM發(fā)展趨勢及現(xiàn)狀6GSM發(fā)展趨勢及現(xiàn)狀 我國自從1992年在嘉興建立和開通第一個GSM演示系統(tǒng)，并于1993年9月正式開放業(yè)務(wù)以來，全國各地的移動通信系統(tǒng)中大多采用GSM系統(tǒng)，使得GSM系統(tǒng)成為目前我國最成熟和市場占有量最大得一種數(shù)字蜂窩系統(tǒng)。 目前我國主要的兩大GSM系統(tǒng)為GSM 900及GSM1800，由于采用了不同頻率，因此適用的手機也不盡相同。不過目前大多數(shù)手機基本是雙頻手機，可以自由在這兩個頻段間切換。歐洲國家普遍采用的系統(tǒng)除GSM900和GSM1800另外加入了GSM1900，手機為三頻手機。在我國隨著手機市場的進一步

5、發(fā)展，現(xiàn)也已出現(xiàn)了三頻手機，即可在GSM900GSM1800GSM1900三種頻段內(nèi)自由切換的手機，真正做到了一部手機可以暢游全世界。 7GSM發(fā)展趨勢及現(xiàn)狀 我國自1994年底開始，在十多個省市籌建GSM蜂窩移動通信網(wǎng)，其發(fā)展勢頭世人皆嘆，到現(xiàn)在GSM數(shù)字網(wǎng)已覆蓋全國30多個省 (區(qū)、市)，300多個地區(qū)和2000多個縣市，并可與40多個國家實現(xiàn)漫游。 截止到2010年，世界上擁有30多億的GSM用戶，而中國達到5.79億。8 最初的GSM是專為歐洲設(shè)計的,但今天它已經(jīng)成為可在全球范圍內(nèi)聯(lián)網(wǎng)漫游的“全球通”系統(tǒng)。其發(fā)展目前分為兩個階段。 第一階段主要定義了GSM應(yīng)具備的基本功能。它不僅為今后

6、GSM的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),同時也定義了許多新的業(yè)務(wù)功能,包括一些在模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)中使用的功能和一些GSM特有的功能。比如: 國際漫游功能;客戶識別卡(SIM卡);鑒權(quán)功能; 短消息服務(wù)功能(SMS);速率高達9.6kbit/s的數(shù)據(jù)通信功能;與ISDN兼容的功能。9 在第一階段和第二階段之間有一個中間階段,主要考慮了空間接口上的加密功能。第二階段是在第一階段的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展起來的。比如頻率擴展的定義、更先進的多路鑒權(quán)算法的采用以及更多服務(wù)功能的定義。在第二階段,大多數(shù)新的服務(wù)功能被歸納在補充服務(wù)目錄中,如呼叫轉(zhuǎn)移、呼叫限制等等。較有特色的有以下4種: 主、被叫識別功能,顯示主叫或被叫號碼

7、;限制顯示主、被號碼功能;呼叫等待和呼叫保持功能:使通話中的用戶能覺察到有新的呼叫進入,并能保持住原通話用戶,轉(zhuǎn)與新的用戶通話;多達6方的會議電話。 10 系統(tǒng)采用了向后兼容和模塊化結(jié)構(gòu),系統(tǒng)可以從第一階段平滑地過渡到第二階段、第二階段加(Phase2+)以及更高的階段?！癙hase2+”的標(biāo)準(zhǔn)也已制定,它主要包括:適應(yīng)于商務(wù)方面的特性;對公眾網(wǎng)絡(luò)總體上的改進;對GSM的專門改進;虛擬網(wǎng)功能;數(shù)字無繩電話至GSM系統(tǒng)的接口;多用戶號碼功能。11 由此可見,GSM今后的發(fā)展趨勢是綜合化、小型化和個人化;采用更先進的多址技術(shù)和數(shù)據(jù)語音處理技術(shù),進一步提高頻率的利用率;提高網(wǎng)絡(luò)的智能化程度,提供更多

8、的新業(yè)務(wù),即除電話業(yè)務(wù)外,再擴展到數(shù)據(jù)、傳真、圖像等多種非話業(yè)務(wù),融入到綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)中,成為將來個人通信網(wǎng)的一個組成部分。12 以上討論了GSM系統(tǒng)發(fā)展趨勢,這種系統(tǒng)采用的是時分多址技術(shù)。其頻率的利用率只比模擬頻分系統(tǒng)高出23倍,但若采用CDMA,則系統(tǒng)容量可有更大提高。目前,CDMA技術(shù)已走向成熟,商用的CDMA數(shù)字蜂窩系統(tǒng)也已開通運轉(zhuǎn)。由于移動用戶快速增長,頻率資源日趨緊張,因此采用碼分多址數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)將是今后的發(fā)展方向。 此外，世界上不同的第二代移動通信系統(tǒng)彼此間不能兼容，使用的頻率也不一樣，因此，全球漫游比較困難。因此，人們希望有功能更強大的第三代移動通信系統(tǒng) (3G) 來解

9、決這些問題。13GSM網(wǎng)絡(luò)組成14GSM系統(tǒng)中的編碼 1.信道編碼 在GSM中采用了多種編碼方法，不同信道的信道編碼方式也不相同。信道編碼用于改善傳輸質(zhì)量，克服各種干擾因素對信號產(chǎn)生的不良影響；但它是以增加bit降低信息量為代價的。編碼的基本方法是在原始數(shù)據(jù)上附加一些冗余信息，增加的bit是通過某種約定從原始數(shù)據(jù)經(jīng)計算產(chǎn)生的。15（1）塊卷積碼 塊卷積碼主要用于糾錯，當(dāng)解調(diào)器采用最大似然估計方法時，可產(chǎn)生十分有效的糾錯結(jié)果。（2）奇偶校驗碼 這是一種普遍使用的最簡單的檢測誤碼方法。它也是一種線性塊碼，GSM規(guī)定了它的三種使用情況。在話音情況下，它在最重要的50bit信息位后加了16 3bit冗

10、余，用于評估那些最敏感的錯誤，但它只能檢測1bit錯碼情況。在隨機信道RACH和慢速隨路控制信道SACCH中分別采用了6bit和10bit冗余，只能檢測3bit誤碼情況，并能糾錯1bit誤碼。 上述三種情況是采用奇偶校驗編碼，對已編碼的信息再進行1/2的卷積編碼，所以是使用混合編碼方式。17（3）循環(huán)糾錯碼 這是一種線性塊碼，主要用于檢測和糾正成組出現(xiàn)的誤碼，通常與塊卷積碼混合使用。傳輸碼是由原碼序列（信息碼元）加上通過異或公式對信息位處理后的冗余比特組成，是一種短循環(huán)碼。用原碼序列建立一個二進制多項式，冗余比特表示為另一個多項式的系數(shù)，此多項式就是生成多項式。它要能在誤碼發(fā)生時有效地將其檢測

11、出來，并盡可能地糾正它。18（4）前向糾錯FEC 編碼 前向糾錯就是自動糾錯,該方法在發(fā)送端發(fā)送能夠糾錯的碼,接收端在收到的信碼中不僅能發(fā)現(xiàn)錯碼,而且還能夠根據(jù)編碼規(guī)則自動糾正傳輸中的錯誤. 對于二進制系統(tǒng),如果能夠確定錯碼的位置,就能夠糾正它. 其優(yōu)點是不需要反饋信道,譯碼實時性較好,能進行一個用戶對多個用戶的同時通信,特別適合于移動通信. 19(5)費爾碼 將費爾碼(L，K)作為塊碼去檢測并糾正錯誤里的單個突發(fā)，這里K是信息比特，L是編碼比特。 (6)級聯(lián)碼 級聯(lián)碼使用卷積碼作內(nèi)部編碼而用費爾碼作外部編碼。外部編碼和內(nèi)部編碼都降低了錯誤概率并糾正信道碼中的大多數(shù)錯誤。和單個編碼操作相比，使

12、用級聯(lián)碼的優(yōu)勢是實現(xiàn)的復(fù)雜性降低了。20（7）交織技術(shù) 具體地說,就是將原來的碼元打亂,參入新碼元,這叫交織重組,然后傳送出去. 接收到這些碼元后,就用相反的過程,去交織,恢復(fù)原來的碼元排序,并剔除糾錯碼元,從而實現(xiàn)信道編碼. 21語音編碼 （1）多脈沖激勵LPC 為了有效利用信道帶寬，數(shù)字無線通信系統(tǒng)都依賴于語音編碼技術(shù)來去除語音中幾乎所有的冗余，來提供速率遠(yuǎn)小于PCM的高質(zhì)量數(shù)字化語音通信。通常解決的方法是采用信源編碼技術(shù)，如多脈沖激勵LPC或其規(guī)則脈沖激勵方式，以及CELP，它們以低于16kbps的比特率維持了高質(zhì)量的合成語音。22（2）規(guī)則脈沖激勵長期預(yù)測 GSM采用的編碼方案是13k

13、bit/s RPELTP碼（規(guī)則脈沖激勵長期預(yù)測）。首先把語音分成20ms為單位的段，每個段編成260bit的數(shù)據(jù)塊；塊之間依靠外同步，塊內(nèi)部不含同步信息。這樣無線接口上20ms一幀的數(shù)據(jù)流，也就是13kbit/s流中不包括任何幫助收端定位幀標(biāo)志的信息。收端把收到的信號塊（激勵信號）經(jīng)過LTP（長期預(yù)測）和LPC（線性預(yù)測編碼）濾波重組，最后經(jīng)過一個預(yù)先設(shè)計好的去加重網(wǎng)絡(luò)加以復(fù)原，恢復(fù)語音信號。RPE - LTP 編碼器是將波形編碼和聲碼器兩種技術(shù)綜合運用的編碼器,從而以低速率獲得較高的話音質(zhì)量。23短消息的編碼方法 短消息(SMS)是由ETSI組織制定的一個規(guī)范(GSM0340和GSM033

14、8)，當(dāng)使用7 bits編碼時，最多可以發(fā)送160個字符，當(dāng)使用8 bits編碼時最多發(fā)送140個字符；當(dāng)使用16 bits編碼時，最多發(fā)送70個漢字字符。24（1）漢字字符編碼方法 中文短消息的編碼實現(xiàn)較簡單，只需將GB2312的中文編碼轉(zhuǎn)換代碼頁為CP936的Unicode編碼即可。（2）英文字符編碼方法 每個字符用7 bits表示，若要傳送此短消息，這些7位字節(jié)需要換成8位字節(jié)，缺省的GSM字符集為7位編碼可以理解為ASCIl碼(ASCIl碼值小于80Hex，因此bit8被忽略)，依次將下一個7位編碼的后幾位逐步移至前面，形成新的8位編碼。25GSM升級版2.5G(GPRS) GSM系統(tǒng)

15、中提供的業(yè)務(wù)主要是語音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而GPRS還能夠提供各種較高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS 是在現(xiàn)有900/1800 MHz GSM 數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)上疊加了一個新的網(wǎng)絡(luò)同時在網(wǎng)絡(luò)上增加一些硬件設(shè)備和軟件升級形成了一個新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實體提供端到端的廣域的無線IP 連接GPRS 作為移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的載體它能吸引用戶的最重要原因是能提供不同需求的數(shù)據(jù)服務(wù)。 26 在GPRS 系統(tǒng)中分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道定義了4種編碼方案，即CS1至CS4，其中CS1編碼的糾錯能力很強，能夠忍受一定的誤碼率，因此它對無線環(huán)境的要求較低，但它的缺陷是吞吐量是最小的；CS4的吞吐量是最高，但糾錯能力最低，需要的C/I最高；高

16、的編碼速率通過減少糾錯和檢錯比特來獲取。 CS1編碼為184個信息比特+40個用于糾錯和檢錯的分組校驗比特+4個尾比特得到228個比特，將這228個比特采用1/2速率的卷積編碼，最終就得到了456個比特（4個BURST）； 27 CS2編碼為3比特的USF預(yù)編碼為6比特+268個信息比特+16個用于糾錯和檢錯的分組校驗比特+4個尾比特得到294個比特，采用采用1/2速率的卷積編碼，得到588個比特，采用截短技術(shù)截短132個比特，最終得到456個比特（4個BURST）。 CS3編碼為3比特的USF預(yù)編碼為6比特+312個信息比特+16個用于糾錯和檢錯的分組校驗比特+4個尾比特得到338個比特，采

17、用采用1/2速率的卷積編碼，得到676個比特，采用截短技術(shù)截短220個比特，最終得到456個比特（4個BURST）。28 CS4編碼為3比特的USF預(yù)編碼為12比特+428個信息比特+16個用于糾錯和檢錯的分組校驗比特，不再進行卷積編碼，最終得到456個比特（4個BURST）。 29GPRS升級版2.75G(EGPRS)網(wǎng)絡(luò) EGPRS網(wǎng)絡(luò)，是指EDGE(Enhanced Data rates for Global Evolution)技術(shù)和現(xiàn)有GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，形成的增強型GPRS網(wǎng)絡(luò)。由于使用了許多3GPP規(guī)范中的定義，如調(diào)制解調(diào)技術(shù)，編碼技術(shù)，鏈路適配技術(shù)等，因此也把EGPRS稱為27

18、5G的技術(shù)。EDGE技術(shù)由ETSISMG組織的R99標(biāo)準(zhǔn)中提出，能夠提供比GPRS更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，更高的頻率使用效率。30 EGPRS規(guī)范定義了九種編碼方案，從MCSl到MCS9，其中MCSl到MCS4采用了GMSK的調(diào)制方式，MCS5到MCS9采用了8-PSK的編碼方式。31 EGPRS使用MCS(Modulation and Coding Schemes)調(diào)制編碼方案，既包括GMSK調(diào)制，又包括8-PSK調(diào)制。而且MCS調(diào)制編碼方法將容錯保護機制融入了編碼方案中，這樣混合編碼方案提高了數(shù)據(jù)吞吐能力。 冗余遞增是EDGE(GSM增強數(shù)據(jù)速率演進)用來從可用帶寬中實現(xiàn)最大性能的系統(tǒng)。通過使

19、用卷積編碼，系統(tǒng)可以在數(shù)據(jù)中增加保護，但這也在原始數(shù)據(jù)中增加了不承載任何實際信息的校正數(shù)據(jù)(冗余)。32 綜上，第二代移動通信系統(tǒng)中的G網(wǎng)經(jīng)過不斷發(fā)展，有了很大提高，目前基本可以滿足人們對語音和數(shù)據(jù)服務(wù)的水平，但是從長遠(yuǎn)來看，隨著社會發(fā)展，人們對信息的需求越來越大，那么第三代移動通信的發(fā)展就會成為必然。3G絕對不是2G、2.5G在速度上的簡單升級，而是換代，是通信功能和通信手段的本質(zhì)上的改變，并且隨著3G的開通，其功能以及對于人類社會與經(jīng)濟生活的影響，將是驚人的。331、移動通信系統(tǒng)中的檢測技術(shù)研究 韓蕓蕓， 2009 - 東南大學(xué)：通信與信息系統(tǒng) 增強型數(shù)據(jù)速率GSM演進(EDGE)技術(shù)有效

20、地提高了通用分組無線服務(wù)(GPRS)的移動數(shù)據(jù)速率，在EDGEPlus系統(tǒng)中，移動數(shù)據(jù)速率進一步提高，從而使碼間干擾的問題越發(fā)顯得突出，高性能的均衡技術(shù)對提高系統(tǒng)性能至關(guān)重要。進一步，為了適應(yīng)未來高速分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，必須提高新一代無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率，在頻譜資源受限的情況下要求新一代系統(tǒng)具有更高的頻譜利用率，支持高速率、高頻譜利用率和可提供分集增益的多天線發(fā)送多天線接收(MIMO)技術(shù)，受到越來越多的關(guān)注。本論文研究EDGE Plus系統(tǒng)中的均衡檢測算法和MIMO系統(tǒng)中的信號檢測算法。 對于EDGE Plus系統(tǒng)，首先研究了相關(guān)系統(tǒng)模型、最大后驗概率(MAP)算法、最大對數(shù)MAP(Max-Log-MAP)算法、以及全狀態(tài)Max-Log-MAP算法；然后，著重研究了減狀態(tài)Max-Log-MAP算法，為了適應(yīng)不同的應(yīng)用。 342、EDGE+系統(tǒng)下編譯碼器設(shè)計及迭代檢測技術(shù)研究 周明月， 2009 - 東南大學(xué)：通信與信息系統(tǒng) EDGE+系統(tǒng)，又稱GERAN7系統(tǒng)，是2007年8月由3GPP頒布的最新的EDGE(Enhanced Data rate for GSM Evolution)系統(tǒng)的增強版。它通過引入了16QAM、32QAM等高階調(diào)制技術(shù)和Turb