CEPT，一個歐洲組織，在1982年6月開始開發(fā)全球移動通信(Global System for Mobile，GSM)TDMA系統(tǒng)。17-21GSM有兩個目標(biāo)：一是泛歐漫游，對整個歐洲大陸提供兼容性；二是采用綜合數(shù)字業(yè)務(wù)網(wǎng)(Integrated Service Digital Network，ISDN)交互，即提供擴(kuò)展單用戶線到有不同服務(wù)的多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的能力，而現(xiàn)在只能通過不同的電話通信網(wǎng)絡(luò)來提供。
系統(tǒng)容量并不是GSM首要考慮的問題，但是由于沒有預(yù)見到的蜂窩業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，因此GSM自從第一個標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來，總共制定了35個版本。第一個商用GSM系統(tǒng)叫作D2，1992年在德國實現(xiàn)。
4.2.1GSM結(jié)構(gòu)19，20GSM由許多子系統(tǒng)組成，比如移動臺(MS)、基站子系統(tǒng)(Base Station Subsystem，BSS)、網(wǎng)絡(luò)和交換子系統(tǒng)(Network and Switching Subsystem，NSS)和操作子系統(tǒng)(Operation Subsystem，OSS)等(參見圖4-20)。

圖4-20BSS的外部環(huán)境
1. 移動臺移動臺可以是提供某項業(yè)務(wù)的獨(dú)立設(shè)備部件，也可以連接到外部終端，比如通過接口連接到個人電腦或傳真機(jī)。移動臺包括移動設(shè)備(Mobile Equipment，ME)和用戶識別模塊(Subscriber Identity Module，SIM)。ME不需要單獨(dú)地分配給某個用戶。SIM卡是一個存儲了所有用戶信息的用戶模塊。將一個用戶的SIM卡插入一個MS的ME之后，MS就屬于用戶了，并且呼叫(如果有)會傳遞到這個MS。ME和被呼號碼之間并沒有關(guān)聯(lián)——被呼號碼是和SIM卡連在一起的。在這種情況下，用戶可以使用任何ME，只要將SIM卡插入這個ME就可以。
2. 基站子系統(tǒng)BSS通過無線接口連接到MS，也和NSS相連。BSS由安置在天線位置的基站收發(fā)信臺(Base Transceiver Station，BTS)和可以控制幾個BTS的基站控制器(Base Station Controller，BSC)組成。BTS又包括無線發(fā)射和接收設(shè)備，這和ME屬于MS類似。碼變換器/速率適配單元(Transcoder/Rate Adaptation Unit，TRAU)實現(xiàn)編碼、語音譯碼以及對發(fā)射數(shù)據(jù)速率進(jìn)行適配。作為BTS的一個子模塊，TRAU可以遠(yuǎn)離BTS放置，通常放在MSC。在這種情況下，語音編碼信道的低傳輸率允許在BTS和放置在MSC的TRAU之間進(jìn)行更多壓縮傳輸。
GSM使用開放系統(tǒng)互連(Open System Interconnection，OSI)。有3個基于OSI(參見圖4-21)的公共接口：一是公共無線接口，也叫空中接口，在MS和BTS之間；二是MSC和BSC之間的A接口；三是BTS和BSC之間的A-bis接口�；�于這些公共接口標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)運(yùn)行商能購買A公司制造的產(chǎn)品去和B公司制造的產(chǎn)品進(jìn)行接口。接口和協(xié)議的區(qū)別是，接口是鄰近實體(設(shè)備或系統(tǒng))之間的接觸點(diǎn)而協(xié)議提供通過接口的信息流。例如，GSM無線接口是和幾個協(xié)議有關(guān)的信息流的經(jīng)過點(diǎn)。

圖4-21功能結(jié)構(gòu)和主要接口
3. 網(wǎng)絡(luò)和交換子系統(tǒng)GSM中的NSS(參見圖4-22)使用一個智能網(wǎng)(Intelligent Network，IN)。IN的特征稍后會描述。NSS信令包括了GSM的主要交換功能。NSS管理GSM用戶與其他通信用戶間的通信。NSS管理的組成包括：
移動業(yè)務(wù)交換中心(Mobile Service Switching Center，MSC)。協(xié)調(diào)GSM用戶的呼入與呼出配置。一個MSC管理數(shù)個BSC。
互通功能(Interworking Function，IWF)。MSC連接外部網(wǎng)絡(luò)(以便和GSM系統(tǒng)外的用戶通信)的網(wǎng)關(guān)，這種外部網(wǎng)絡(luò)包括：分組交換公共數(shù)據(jù)網(wǎng)(Packet-Switched Public Data Network，PSPDN)、電路交換公共數(shù)據(jù)網(wǎng)(Circuit-Switched Public Data Network，CSPDN)。IWF的作用取決于用戶數(shù)據(jù)類型和它要連接的網(wǎng)絡(luò)。
歸屬位置寄存器(Home Location Register，HLR)。它由一個沒有交換能力的獨(dú)立計算機(jī)、包含用戶信息的數(shù)據(jù)庫和用戶當(dāng)前位置相關(guān)的信息(不是指用戶的實際位置信息)等組成。HLR的一部分是鑒權(quán)中心(Authentication Center，AUC)，AUC管理用戶驗證的安全數(shù)據(jù)。HLR的另一部分是存儲了移動設(shè)備(ME)數(shù)據(jù)或ME相關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)備識別寄存器(Equipment Identity Register，EIR)。
訪問者位置寄存器(Visitor Location Register，VLR)。鏈接一個或更多MSC，臨時性存儲關(guān)于由對應(yīng)MSC提供當(dāng)前服務(wù)的簽約數(shù)據(jù)。與HLR相比，能保存更多的數(shù)據(jù)。例如，VLR保存的當(dāng)前用戶位置信息比HLR中的位置信息要多。
MSC網(wǎng)關(guān)(GMSC)。為了建立一個被呼，呼叫首先經(jīng)過一個MSC網(wǎng)關(guān)，在這里，通過了解GSM用戶的地址號碼尋找正確的HLR。GMSC有一個連接外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，并且網(wǎng)絡(luò)在NSS設(shè)備之間也運(yùn)行全7號信令系統(tǒng)(Signaling System 7，SS7)。
信令傳送點(diǎn)(Signaling Transfer Point，STP)。是NSS功能的一個方面，比如一個單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)或者類似MSC一樣的設(shè)備。STP優(yōu)化了MSC/VLR、GMSC和HLR之間的信令傳輸開銷。
如先前提到的，NSS使用智能網(wǎng)。它將中心數(shù)據(jù)庫(HLR)從交換(MSC)中分離，使用STP在MSC和HLR間傳輸信令。

圖4-22NSS和它的環(huán)境。(a)外部環(huán)境；(b)內(nèi)部環(huán)境
4. 操作子系統(tǒng)有3個OSS任務(wù)塊(如圖4-23所示)：(1)網(wǎng)絡(luò)操作和維護(hù)功能，(2)簽約管理，包括收費(fèi)和賬單，(3)移動設(shè)備管理。這些任務(wù)需要在部分或全部底層結(jié)構(gòu)設(shè)備之間交互。OSS已在任何已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)中被實現(xiàn)。

圖4-23OSS結(jié)構(gòu)
4.2.2層次模型(OSI模型)GSM中的開放系統(tǒng)互連(OSI)由5層組成：傳輸(TX)層、無線資源管理(Radio Resource Management，RR)層、移動性管理(Mobility Management，MM)層、通信管理(Communication Management，CM)層和運(yùn)營、管理與維護(hù)層(Operation，Administration，and Maintenance，OAM)(參見圖4-24)。底層對應(yīng)所有短時間范圍內(nèi)的功能，而高層對應(yīng)長時間范圍內(nèi)的功能。

圖4-24GSM功能的平面結(jié)構(gòu)圖
TX層在MS和BTS之間建立連接。RR層引用經(jīng)無線接口傳輸?shù)墓芾韰f(xié)議并在MS和BSC之間提供一個穩(wěn)定的鏈路。BSS完成大部分RR功能。MM層則管理用戶數(shù)據(jù)庫，包括位置數(shù)據(jù)，以及管理鑒權(quán)行為、SIM、HLR和AUC。NSS(主要是MSC)是CM層最重要的部分。下面是CM層的部分功能：
1) 呼叫控制
CM層建立呼叫、維持呼叫并釋放呼叫。CM層在MSC/VLR、GMSC、IWF和HLR之間交互以便管理電路對象業(yè)務(wù)(包括語音和電路數(shù)據(jù))。
2) 輔助業(yè)務(wù)管理
允許用戶對他們在網(wǎng)絡(luò)中的呼叫有一定的控制，并且和基本業(yè)務(wù)相比有些特殊的變化。
3) 短消息業(yè)務(wù)(Short Message Service，SMS)
涉及點(diǎn)對點(diǎn)SMS。一個短消息業(yè)務(wù)服務(wù)中心(SMS Service Center，SMS-SC)可以連接到幾個GSM網(wǎng)絡(luò)。短消息傳輸要求在移動臺和MSC之間建立一個信令連接。SMC的兩種功能是：
(1) 主呼短消息
(2) 被呼短消息
OSS是OAM層的綜合部分。所有子系統(tǒng)，比如BSS和NSS，都要對OAM的運(yùn)營和維護(hù)功能作貢獻(xiàn)。
4.2.3傳輸1. 語音將一個4kHz的模擬信號轉(zhuǎn)換成64kHz的數(shù)字信號，接下來在調(diào)制前向下轉(zhuǎn)換到13kHz。使用13kHz代替64kHz后，允許在窄帶信道中出現(xiàn)13kHz的數(shù)據(jù)速率傳輸。由于無線頻譜是一種寶貴而有限的資源，因此每信道會使用較少的帶寬，這樣對于給定的無線頻譜能提供更多的信道。
數(shù)字語音使用：
1) 規(guī)則脈沖激勵(RPE)：產(chǎn)生脈沖噪聲以模擬語音的自然性。
2) 線性預(yù)測編碼(LPC)：使用含有8傳輸系數(shù)的濾波器產(chǎn)生語音波形，語音幀長20ms，而每個20ms的語音幀含有260比特。GSM的語音傳輸有兩種方式：一種是連續(xù)傳輸(正常方式)，另一種是不連續(xù)傳輸。
從約500bps碼速率的無語音傳輸轉(zhuǎn)到13kbps編碼語音傳輸時，不連續(xù)傳輸(DTX)方式降低了傳輸效率。當(dāng)語音激活時，幀在每20ms內(nèi)是260比特；當(dāng)語音處于非激活期間，幀在480ms內(nèi)(時長是正常方式的24倍)是260比特。
語音激活設(shè)置(Voice Activity Device，VAD)偵測DTX方式。在語音協(xié)議中，一個靜默偵測(Silence Detection，SID)幀放在DTX啟動之前。語音編碼器提供一個附加信息比特指示語音幀是否發(fā)送，這個附加信息比特取決于VAD算法。
SID啟動每個非激活周期并且至少每秒重復(fù)兩遍，這與非激活持續(xù)期一樣長。在VAD確認(rèn)非激活周期期間以及每個非激活周期期間，會在接收機(jī)中產(chǎn)生人工噪聲來取代背景噪聲。
2. 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)最高數(shù)據(jù)速率是9600bps并有兩種不同的模式。在透明模式(T)提供一個前向糾錯機(jī)制。在非透明模式(NT)，當(dāng)沒有被另一端確認(rèn)時就重復(fù)發(fā)送信息，并可以申請反饋重傳(ARQ)。在T連接中使用3種不同的用戶數(shù)據(jù)速率：2400bps、4800bps和9600bps。在插入輔助信息比特后，中介傳碼率就變成了3.6kbps、6kbps和12kbps，分別對應(yīng)于用戶的2.4kbps、4.8kbps和9.6kbps。
在NT連接中，GSM基本數(shù)據(jù)速率也為12kbps(6kbps在半速率信道中應(yīng)用)，但有效吞吐量隨基本傳輸質(zhì)量和傳輸延遲而改變。總的來說，NT模式的傳輸錯誤較少但吞吐量也較少�？梢钥紤]將NT模式應(yīng)用于分組數(shù)據(jù)流。將用戶數(shù)據(jù)流切分成200比特的塊，并隨冗余和輔助信息的增加，用戶數(shù)據(jù)流變成每塊240比特。當(dāng)應(yīng)用ARQ方案時，要用到這些塊。
適配功能在網(wǎng)絡(luò)里叫作互通功能(IWF)，而在終端上叫作終端適配功能(Terminal Adapting Function，TAF)，它用于適應(yīng)變化的傳輸速率(參見圖4-25)。無線鏈路協(xié)議(Radio Link Protocol，RLP)用于在TAF和IWF之間傳輸信令消息。
如圖4-25所示，數(shù)據(jù)能在以下平面通信：
1) 端對端傳輸——通過硬布線直接傳輸。
2) 通過用戶單元在TAF與IWF之間傳輸。
3) 通過用戶單元實現(xiàn)GSM進(jìn)行無線傳輸，就像在空中進(jìn)行語音通話一樣。

圖4-25數(shù)據(jù)傳輸平面
如圖4-26所示，雖然GSM和ISDN間互連語音沒有問題，但數(shù)據(jù)傳輸會增加它自身的問題。ISDN使用雙向64kbps信道，但是GSM必須通過雙向13kbps信道高效率使用無線頻譜。如圖4-26所示，若沒有速率匹配盒(Rate-Adapted，RA)，GSM和ISDN之間的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)互連是不可能的。

圖4-26和ISDN互連。(a)PSTN用戶到ISDN用戶；(b)GSM用戶到ISDN用戶
3. 調(diào)制高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK，這里BT=0.3是高斯濾波器的歸一化帶寬)是GSM調(diào)制方案，這里的B是基帶帶寬，1/T是傳輸碼率。B=1/T×0.3=270kbps×0.3=81kbps。最小意味著最小音頻分離。GMSK使用小的頻譜帶寬發(fā)送GSM載頻信道。GSM載頻信道的調(diào)制速率是270kbps。
4.2.4GSM信道和信道模式1. 信道結(jié)構(gòu)服務(wù)給用戶提供了4種無線傳輸模式，其中有3種數(shù)據(jù)模式和1種語音模式。無線傳輸模式采用物理信道。
2. 物理信道有3種物理信道，也叫作業(yè)務(wù)信道(Traffic Channel，TCH)。
1) TCH/F(全速率)。傳輸13kbps的語音編碼速率或3種數(shù)據(jù)模式速率：12kbps、6kbps和3.6kbps。
2) TCH/H(半速率)。傳輸7kbps的語音編碼速率或2種數(shù)據(jù)模式：6kbps和3.6kbps。
3) TCH/8(1/8速率)。用于低速率信令信道、公共信道和數(shù)據(jù)信道。
3. 邏輯信道公共信道。所有的公共信道都被嵌入到不同的業(yè)務(wù)信道中。由相同的循環(huán)(51×8BP)將它們分組，這里的BP代表突發(fā)周期(比如時隙)，是577μs。
下行公共信道。總共有5種單向下行信道，業(yè)務(wù)信道將其共用或分組。
●頻率校正信道(Frequency Correction Channel，F(xiàn)CCH)。每51×8BP重復(fù)一次，用于識別信標(biāo)頻率。
●同步信道(Synchronization Channel，SCH)。不遲于8BP內(nèi)跟隨每個FCCH時隙。
●廣播控制信道(Broadcast Control Channel，BCCH)。在每個小區(qū)定期廣播，所有移動臺在空閑模式時接收它。
●尋呼和準(zhǔn)許接入信道(Paging and Access Grant Channel，PAGCH)。用于移動臺接收被呼。準(zhǔn)許接入信道傳輸來自基站的應(yīng)答，并在建立呼叫的接入過程中分配一個信道。
●呼叫廣播信道(Call Broadcast Channel，CBCH)。每個小區(qū)在空閑模式時廣播一個從網(wǎng)絡(luò)到移動臺的短消息2s時間。使用了一個下行鏈路TCH/8的一半，并且由于需要并行發(fā)送兩個信道(CBCH和BCCH)，因此存在特殊的CBCH設(shè)計約束。
移動臺(MS)找到FCCH突發(fā)后，在同一頻率上尋找一個SCH突發(fā)以取得同步。接下來，移動臺在幾個時隙上接收BCCH并選擇一個合適的小區(qū)，在空閑模式中要保持一個周期。
上行公共信道。隨機(jī)接入信道(Random-Access Channel，RACH)是唯一的上行公共信道。RACH是移動臺選擇接入呼叫的信道。共有兩種速率：RACH/F(全速率，每8BP一個時隙)和RACH/H(半速率，在51×8BP的循環(huán)中使用23個時隙，其中8BP循環(huán)(也就是幀)是4.615ms)。
信令信道。所有的信令信道都已經(jīng)選擇了物理信道中的一個，邏輯信道的命名是根據(jù)它們的邏輯功能來定的。
慢速輔助控制信道(Slow Associated Control Channel，SACCH)。慢速TCH用于信令傳輸，也用于非緊急處理，其中主要是切換決定。信道使用1/8速率�？偸怯肧ACCH配置TCH/F。這個合成的TCH和SACCH表示為TACH/F。SACCH每26幀(4.615ms×26)占用一個時隙(0.577ms)，TACH/F的時間結(jié)構(gòu)如圖4-27所示。

圖4-27一個TACH/F的時間結(jié)構(gòu)
快速輔助控制信道(Fast Associated Control Channel，F(xiàn)ACCH)。指示小區(qū)建立、識別用戶或下達(dá)一次切換。
獨(dú)立專用控制信道(Stand-alone Dedicated Control Channel，SDCCH)。有時候移動臺和網(wǎng)絡(luò)間的連接是單獨(dú)用于傳遞信令信息而不是為了呼叫。這種連接可以用于用戶的查詢或其他管理操作，比如更新移動臺位置信息。它運(yùn)行在非常低的速率上并使用TCH/8信道。
僅僅是需要傳遞呼叫時才把無線時隙分配給用戶。因而有兩種模式：專用和空閑。使用模式取決于上行鏈路和下行鏈路。在GSM技術(shù)中，下行鏈路是將信號從基站傳輸?shù)揭苿优_，而上行鏈路是在相反方向上傳輸信號(注意：不要把陸地通信中的術(shù)語“上行鏈路”和“下行鏈路”與衛(wèi)星通信中用到的同樣的術(shù)語搞混淆了。在很多場合下，因為地形輪廓的因素，移動臺可以比基站天線高。使用這個有關(guān)位置種類的術(shù)語很可能引起混淆，因此，有一點(diǎn)對讀者來說很重要，也就是要記住這些術(shù)語的定義用在陸地通信中。同樣，在討論歐洲蜂窩通信時使用“handover(切換)”代替“handoff(切換)”(這兩個詞的中文含意是一樣的，只是讀者在看外文文獻(xiàn)時要注意其中的差別，譯者注)——只要定義本身清楚，術(shù)語也會被理解)。
話音/數(shù)據(jù)信道。話音信道的每個時隙包含每塊的260比特，整個塊包含316比特。數(shù)據(jù)信道的每個時隙包含每塊的120或240比特。
信道模式。由于無線頻譜的寶貴價值，因此單個用戶不能在全時段內(nèi)擁有自己的TCH。
(1) 專用模式。在專用模式里，在呼叫建立期間使用TCH，用SACCH來完成位置更新。TCH和SACCH是用于上行和下行信道的專用信道。
(2) 空閑模式。在非呼叫狀態(tài)期間，有5種下行信道處于空閑模式：FCCH、SCH、BCCH(定期)、PAGCH和CBCH(每2s發(fā)送一個消息)。在空閑模式下，移動臺收聽公共下行信道，也用SDCCH(上行信道)去登記一個和特定基站相連的移動位置以進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。
4.2.5多址方案1. 基本描述GSM的多址方案是FDMA和TDMA的組合。在FDMA上總的信道數(shù)為124而每個信道帶寬為200kHz。在935～960MHz的下行和890～915MHz的上行各自分配了25MHz，總共是50MHz。上/下行頻率對間隔是45MHz。如果在200kHz信道內(nèi)使用TDMA，則要求8個時隙形成一幀，幀長4.615ms，時隙持續(xù)突發(fā)周期是0.577ms。再看看DCS-1800系統(tǒng)，它和GSM有著相同的結(jié)構(gòu)，只是向上轉(zhuǎn)到了1800MHz。下行鏈路是1805～1880MHz(基站發(fā)射)，上行鏈路是1700～1785MHz(移動臺發(fā)射)。
2. 在上行鏈路和下行鏈路間延遲一個固定時間上行鏈路時隙的編號方式是由下行鏈路時隙延遲3個時隙導(dǎo)出的。這樣就允許一個信道中的時隙在雙向具有相同的時隙號。在這種情況下，由于兩個時隙是物理性地分離的，因此移動臺將不需要同時發(fā)送與接收。當(dāng)移動臺遠(yuǎn)離BTS時，傳播延遲是主要考慮因素。例如，當(dāng)移動臺和基站相距35km時的路徑延遲是233μs。結(jié)果是，上行鏈路和下行鏈路信道的分配時隙號可能并不相同(小于3個時隙間隔)。解決的方法是讓BTS計算一個時間超前值。關(guān)鍵是考慮BCCH僅在偶數(shù)時隙使用以提供有效保護(hù)時間。這避免了編號的不確定性引發(fā)錯誤時隙。一旦建立專用連接，BTS就要在雙向SACCH信道上連續(xù)測量自已的突發(fā)時間表和移動臺突發(fā)的接收時間表間的時間偏移。對傳播延遲(經(jīng)SACCH發(fā)送到移動臺)的時間補(bǔ)償是3個時隙減去超前時間。
3. 跳頻GSM有一個慢跳頻無線接口。慢跳在每跳比特數(shù)里被定義。它規(guī)定的速率是217跳/秒，因此，在傳輸速率為270kbps時，其結(jié)果約為1200比特/跳。
如果PAGCH和RACH是跳頻信道，則跳頻方案能在BCCH上廣播。但禁止公共信道跳頻和采用相同的頻率。
4. 時隙的不同類型每個小區(qū)從定義時隙中提供了一個參考時鐘。每個時隙都給定了一個為基站和移動臺所知的編號(TN)。時隙編號是循環(huán)的。在任何給定呼叫中，TN0是一個單獨(dú)設(shè)置的廣播，并且每8BP重復(fù)一次以得到所有公共信道的確認(rèn)。TN0(8個時隙中的第1個)的序列結(jié)構(gòu)如下：FCCH(1)、SCH(1)、BCCH(4)、PAGCH(4)、FCCH(1)、SCH(1)、PAGCH(8)、FCCH(1)、SCH(1)、PAGCH(8)、FCCH(1)、SCH(1)、PAGCH(8)、FCCH(1)、SCH(1)、PAGCH(8)。

符號PAGCH(4)的意思是PAGCH信道信息在連貫的TN0(每8BP循環(huán)中有1個)中出現(xiàn)4次。將剩余的7個TN(TN1到TN7)中的每一個分配給1個TACH/F信道。
5. 突發(fā)與訓(xùn)練序列在TDMA中，信號在突發(fā)中發(fā)射。突發(fā)的時間間隔會引起發(fā)射信號的幅度從啟動時的零值上升到它的額定值。接著信息包通過調(diào)制信號發(fā)送。然后，幅度又降到零值。如果鄰近突發(fā)沒有發(fā)射，則這些突發(fā)僅僅出現(xiàn)在移動臺傳輸或基站中。
在一個突發(fā)里存在尾比特和訓(xùn)練序列。尾比特是3個“0”比特加到突發(fā)的開始和結(jié)尾，以提供保護(hù)時間。
訓(xùn)練序列是接收機(jī)所知道的序列，并用于訓(xùn)練均衡器(用來減少符號干擾的裝置)。將訓(xùn)練序列插入到時隙的中間，有時把它叫作中間碼，作為報頭也是為同樣的目的，所以均衡器能用任何有用比特最小化它的最大距離�？偣灿�8種不同的訓(xùn)練序列，由于任意兩個序列間基本不相關(guān)，因此能在干擾信號中分辨出接收信號。
下面是幾種類型的突發(fā)：
1) TCH中使用的常規(guī)突發(fā)：

用一位二進(jìn)制信息來指示信息比特是數(shù)據(jù)或信令，這個信息指示叫作“挪用標(biāo)記”。
2) 上行方向中用于RACH的接入突發(fā)：

3) F和S突發(fā)。F突發(fā)用于FCCH并有最簡的格式。所有的148個比特都是“0”，產(chǎn)生純正弦波。在每個51×8BP循環(huán)中的5個S突發(fā)用于SCH。一個S突發(fā)的序列結(jié)構(gòu)如下：

4.2.6信道編碼與交織1. 信道編碼當(dāng)遇到干擾、多徑衰落、多譜勒頻移時，信道編碼能改善傳輸質(zhì)量。結(jié)果是，雖然誤碼率和誤幀率或誤字率降低了，但吞吐量也降低了。GSM中采用4種信道編碼：
1) 卷積碼(L，K)用于糾正隨機(jī)錯誤：K是輸入塊位數(shù)，而L是輸出塊位數(shù)。在GSM中卷積碼有3種不同碼率：1/2碼率(L/K=2)，1/3碼率(L/K=3)，以及1/6碼率(L/K=6)。
2) 將費(fèi)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。
3) 奇偶校驗碼(L，K)用于錯誤檢測。L是塊比特數(shù)，K是信息比特，L－K是奇偶校驗比特。
4) 級聯(lián)碼使用卷積碼作內(nèi)部編碼而用費(fèi)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，使用級聯(lián)碼的優(yōu)勢是實現(xiàn)的復(fù)雜性降低了。
GSM的語音編碼發(fā)送速率是13kbps，這表示在每20ms的語音塊中有260比特。經(jīng)過信道編碼之后，每塊包含456比特并且傳輸速率是22.8kbps，也就是每時隙有114比特。若增加開銷比特，比如：尾比特(6)、訓(xùn)練比特(26)、標(biāo)記比特(2)和保護(hù)時間比特(8)，則1個時隙長0.577ms的業(yè)務(wù)信道的總比特數(shù)是156比特，如圖4-28所示。

圖4-28TDMA幀和常規(guī)突發(fā)
2. 交織在直接傳輸比特序列之前要對其進(jìn)行交織擾亂和/或擴(kuò)展，并在接收端恢復(fù)其序列次序。由于信號衰落的原因，會在傳輸期間出現(xiàn)錯誤突發(fā)。在被接收后，將這些錯誤突發(fā)轉(zhuǎn)換成隨機(jī)錯誤并在譯碼后恢復(fù)成正確的序列。交織的主要缺點(diǎn)是在接收端存在相應(yīng)的延遲。
在GSM中，交織方案相對簡單�？蓪�1個456比特的碼字排列成以下格式：
1) 4個全突發(fā)——將456比特分成4份，每份填入整個突發(fā)，這種交織格式采用4.615ms×4=18.46ms。
2) 8個半突發(fā)——將456比特分成8份，每份填入半個突發(fā)，這種交織格式采用4.615ms×8=39.92ms。4份分給先前的碼字，而另4份分給新的部分碼字。
對不同傳輸方式的交織與編碼如表4-5所示。交織是能將突發(fā)錯誤轉(zhuǎn)換成隨機(jī)錯誤的有效方案，盡管它對數(shù)據(jù)傳輸非常有效，而對話音傳輸不是太有效。本書將對后面這一點(diǎn)稍作解釋，原因是對于話音傳輸要求實時完成，故不能接受響應(yīng)中有長時間的延遲。
表4-5對不同傳輸方式的交織與編碼

信道和傳輸 方式		輸入 速率 Kb/s	輸入塊 比特	編 碼	輸出塊 比特	交 織
TCH/FS	la	13	50	奇偶校驗碼(3比特)，卷積碼1/2	456	8個半突發(fā)
	lb		132	卷積碼1/2
	ll		78	無
TCH/F9.6		12	240	卷積碼1/2，每輸出15比特打一個孔	456	復(fù)雜，22個不相等突發(fā)部分
TCH/H4.8		6	240	卷積碼1/2，每輸出15比特打一個孔	456	復(fù)雜，22個不相等突發(fā)部分
TCH/F4.8		6	120	附加32個空比特，卷積碼1/3	456	復(fù)雜，22個不相等突發(fā)部分
TCH/F2.4		3.6	72	卷積碼1/6	456	8個半突發(fā)
TCH/H2.4		3.6	144	卷積碼1/3	456	復(fù)雜，22個不相等突發(fā)部分
SCH			25	奇偶校驗碼(10比特)，卷積碼1/2	78	1個S突發(fā)
RACH(+切換接入)			8	奇偶校驗碼(6比特)，卷積碼1/2	36	1個接入突發(fā)
在TCH/F和/H上的快速輔助信令			184	費(fèi)爾碼224/184，卷積碼1/2	456	8個半突發(fā)
TCH/8、SACCH；BCCH、PAGCH			184	費(fèi)爾碼224/184，卷積碼1/2	456	4個全突發(fā)

來源：參考文獻(xiàn)19的第246頁
沒有交織和開銷比特時，語音信道的傳輸速率是22.8kbps，每時隙114比特，每4個時隙456比特。
4.2.7無線資源(RR)管理在移動通信網(wǎng)絡(luò)里，對呼叫建立、切換、釋放和在呼叫偏離上必須進(jìn)行無線信道分配。這種管理是在常規(guī)固定網(wǎng)絡(luò)呼叫處理程序的基礎(chǔ)上增加的。共有3種管理功能：位置更新、切換和漫游。RR功能的實現(xiàn)需要在移動臺和網(wǎng)絡(luò)之間有一些協(xié)議。
1. 鏈路協(xié)議在前幾節(jié)里，研究了傳輸用戶信息的方法。但是除了用戶信息以外，必須發(fā)送信令傳遞消息交換，并且每臺信令傳輸設(shè)備都要理解它。大多數(shù)的信息交換功能是散布在不同種類的設(shè)備上。下面是為提供信息交換服務(wù)的3類鏈路協(xié)議。
無線鏈路協(xié)議(RLP)。通過一個叫作LAPDm的無線鏈路在GSM鏈路接入?yún)f(xié)議中詳細(xì)說明它。
LAPD。從ISDN D信道變形的鏈路接入?yún)f(xié)議(Link Access Protocol，LAP)。
消息傳輸部分(Message Transfer Part，MTP)。用于SS7網(wǎng)絡(luò)中傳輸信令的協(xié)議。
無線鏈路協(xié)議的信令消息速率是22.8kbps，而信令消息速率在其他鏈路協(xié)議中是64kbps。
2. 與鏈路協(xié)議相關(guān)的接口下面列表給出了與鏈路協(xié)議相關(guān)的接口：

接 口	鏈 路 協(xié) 議
MS-BTS	LAPDm(GSM特有)
BTS-BSC	LAPD(從ISDN變形得來)
BSC-MSC	MTP(SS7協(xié)議)
MSC/VLR/HLR-SS7網(wǎng)絡(luò)	MTP(SS7協(xié)議)
MSC-MSC(呼叫關(guān)系信令)	TUP(電話用戶部分)
BSC-中繼MSC(非呼叫關(guān)系信令)	ISUP(ISDN用戶部分) BSS MAP(MAP/B)
MSC-MSC(非呼叫關(guān)系信令)	MAP(移動性應(yīng)用部分)

非呼叫關(guān)系信號對應(yīng)于MSC中的協(xié)議，這些協(xié)議不同于在其他MSC或HLR中的協(xié)議，并在MAP中將這些協(xié)議一起分組。也能通過MAP/X區(qū)分這些協(xié)議，這里的X可以是B、C、D等。
MAP/B在BSC和中繼MSC之間的協(xié)議
MAP/C在GMSC和HLR之間的協(xié)議
MAP/D在另一個MSC/VLR和HLR之間的協(xié)議
MAP/E在兩個MSC之間的協(xié)議
圖4-29顯示了MAP/X協(xié)議的關(guān)系。

圖4-29MAP/C到MAP/I協(xié)議
4.2.8移動性管理(MM)對于位置更新、切換和漫游服務(wù)，蜂窩系統(tǒng)用戶的移動性需要移動性管理。在一個通話期間，當(dāng)移動臺進(jìn)入了另一個小區(qū)并更換話音信道時，就發(fā)生了切換；漫游是這樣一種能力——在一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中主呼并通過使用MM和位置更新管理將這個呼叫傳遞到另一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
1. 位置更新管理這個簽約總是和它的歸屬公眾陸地移動網(wǎng)(Public Land Mobile Network，PLMN)聯(lián)系在一起。漫游用戶和被訪問的PLMN聯(lián)系在一起。因此，能識別呼叫是發(fā)自歸屬PLMN還是發(fā)自MS位置所在的被訪問的PLMN。
在PLMN選擇過程中，MM通常只在歸屬(服務(wù))PLMN中尋找小區(qū)。如果沒有服務(wù)的可能，則用戶要么選擇自動模式(網(wǎng)絡(luò)搜索)要么選擇人工模式(用戶搜索)去搜索希望的PLMN。在有限服務(wù)情況下，MM僅在30個最強(qiáng)載頻上連續(xù)監(jiān)視。有限服務(wù)通常關(guān)心在外國邊境地區(qū)的覆蓋。
2. 小區(qū)選擇MS選擇最好的小區(qū)取決于3個因素：移動臺接收的信號水平，移動臺的最大發(fā)射功率，以及由小區(qū)指定的兩個參數(shù)p1和p2。這叫作C1準(zhǔn)則。
C1=A－max(B,O)
A=接收信號水平均值－p1
B= p2－MS的最大RF功率
p1=－110~－48dBm范圍內(nèi)的一個值
p2=13~43dBm范圍內(nèi)的一個值
p1和p2的值都來自于小區(qū)廣播。

MS最大功率=29~43dBm

小區(qū)選擇算法如下：
●必須插入一個SIM卡。
●從候選小區(qū)中獲得C1從而選擇最強(qiáng)C1，C1必須高于0。
●在服務(wù)中所有小區(qū)都不能被禁止。
3. 鑒權(quán)鑒權(quán)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)以防止非法接入。
初始階段。一個PIN(個人識別號)碼保護(hù)SIM。本地SIM檢查PIN，所以SIM不會通過無線鏈路發(fā)送出去。
第二階段。GSM網(wǎng)絡(luò)通過發(fā)送一個隨機(jī)數(shù)(RAND)來進(jìn)行一次詢問。將128位的隨機(jī)數(shù)從網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到MS，然后和MS的安全參數(shù)Ki混合在一起，再經(jīng)過一個A3處理算法后產(chǎn)生一個32位長的SRES(符號響應(yīng))數(shù)。最后將SRES從MS發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)以便驗證(參見圖4-30)。

圖4-30鑒權(quán)計算
4. 加密加密保護(hù)能防止被非法竊聽。MS使用從網(wǎng)絡(luò)接收到的RAND與Ki混合，然后經(jīng)過A8算法，并產(chǎn)生Kc(64位)。加密序列是從Kc產(chǎn)生的(參見圖4-31)。用幀號和Kc通過加密算法A5后產(chǎn)生S2(114位)，最后在114位明文和加密序列S2之間進(jìn)行一次專門的異或操作。詳細(xì)過程請參閱圖4-31。

圖4-31加密和解密
5. 用戶識別保護(hù)——安全管理SIM卡(移動臺這一方)和AUC(網(wǎng)絡(luò)這一方)是用戶簽權(quán)鍵Ki的存儲地。Ki永遠(yuǎn)不會通過空中發(fā)射出去。移動臺/網(wǎng)絡(luò)雙方都進(jìn)行A3和A5算法運(yùn)算。
4.2.9通信管理如圖4-32所示，CM層經(jīng)RR和MM層給用戶提供通信業(yè)務(wù)，比如語音、傳真、數(shù)據(jù)。這里所指的用戶包括GSM呼叫組、GSM被呼組以及GSM呼叫組和被呼組中的用戶。CM中的管理功能有：呼叫控制、服務(wù)管理和短消息業(yè)務(wù)。

圖4-32GSM的基本協(xié)議結(jié)構(gòu)
1. 呼叫控制CC通過MSC/VLR、GMSC、IWF和HLR管理大多數(shù)的電路對象業(yè)務(wù)。CC的功能有：建立呼叫(移動臺主呼或基站主呼)、維護(hù)呼叫和釋放呼叫。為建立呼叫，需要給MS分配號碼。MS/ISDN是一個移動臺ISDN號碼，即和設(shè)置成ISDN號碼相同的那部分號碼。移動臺漫游號碼(Mobile Station Roaming Number，MSRN)是一個路由選擇號碼，也就是GSM用戶或第三方會話組的另一個國際移動用戶識別碼(International Mobile Subscriber Identity，IMSI)，并通過MS提供到外地網(wǎng)絡(luò)的接入。圖4-33是一個使用了GMSC的國內(nèi)呼叫圖解。圖4-34是一個國際呼叫圖解。

圖4-33GMSC對國內(nèi)呼叫的關(guān)鍵作用

圖4-34國際呼叫中MSRN的提供過程圖解
2. 切換雖然GSM切換算法并沒有指定一個具體標(biāo)準(zhǔn)，但它具有移動臺輔助切換(Mobile Assistance Handover，MAHO)的特點(diǎn)，并在移動臺設(shè)備中完成。MS在基站的指導(dǎo)下掃描另一個無線載波。它監(jiān)視除為接收信號而分配給它自己的時隙之外的那些時隙。在這種情況下，通過基站的請求，移動臺在一個時間幀里測量指定無線載波的強(qiáng)度，并且在請求下將這些測量值轉(zhuǎn)發(fā)給基站以便在切換處理中起輔助作用。這就叫作MAHO。MSC使用兩路信息來決定是否要啟動切換以及為切換選用哪個BTS作為候選BTS。而這兩路信息是在相鄰BTS上接收到的MS信號強(qiáng)度和在MS上接收到的相鄰BTS信號強(qiáng)度。后一個信息來自于MAHO。
3. 輔助業(yè)務(wù)管理(SSM)CC提供如呼叫等待、呼叫轉(zhuǎn)移和自動應(yīng)答之類的輔助業(yè)務(wù)。SSM(Supplementary Service Management)是一個點(diǎn)對點(diǎn)管理業(yè)務(wù)。SSM業(yè)務(wù)中心(SSM Service Center，SSM-SC)可以連接幾個GSM網(wǎng)絡(luò)。
4. 短消息業(yè)務(wù)CC提供點(diǎn)對點(diǎn)短消息業(yè)務(wù)(Point-to-Point Short Message Service，SMS-PP)。將GSM連接到短消息業(yè)務(wù)中心。信令傳輸采用數(shù)字音頻音(數(shù)字多頻音，DTMF)去控制話音郵箱、應(yīng)答設(shè)備、召開會議等。
4.2.10網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)管理(Network Management，NM)中心監(jiān)視下面的管理任務(wù)：
1) 用戶管理——簽約管理
2) 賬單與結(jié)算
3) 維護(hù)
(1) 最小化失敗
(2) 監(jiān)視運(yùn)營及非正常運(yùn)營狀態(tài)告警指示
4) 用戶管理任務(wù)在國際移動設(shè)備識別(International Mobile Equipment Identity，IMEI)碼中給ME(移動設(shè)備)提供已選擇的批準(zhǔn)碼。這個號碼總長15位數(shù)字，包括類型批準(zhǔn)碼(TAC)、最后裝配廠家號碼(FAC)和存儲在EIR中的序列號。
5) 在GSM通信管理網(wǎng)絡(luò)(Telecommunication Management Network，TMN)中，所有的操作和維護(hù)設(shè)備組成一個鏈接到所有業(yè)務(wù)處理設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。GSM Q3是一個有關(guān)操作系統(tǒng)功能和業(yè)務(wù)處理設(shè)備的管理協(xié)議。使用GSM Q3協(xié)議有兩方面的重要意義：
① 在應(yīng)用級上的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)通信協(xié)議，例如文件傳輸。
② 在GSM Q3協(xié)議中具體化網(wǎng)絡(luò)模型。
4.2.11GSM總結(jié)1. 物理層性能參數(shù)小結(jié)傳輸速率260kbps(200kHz以上的載波)
TDMA結(jié)構(gòu) 每個無線載波8個時隙
時隙 0.577ms
每時隙比特數(shù)156
幀間隔8個時隙=4.615ms
無線載波數(shù) 124對載波(935～960MHz下行鏈路，890～915MHz上行鏈路)
調(diào)制方案BT=0.3的高斯濾波最小頻移鍵控
跳頻 慢速跳頻(217跳/秒)
均衡 均衡16μs以內(nèi)的色散
2. GSM的技術(shù)特征GSM最先應(yīng)用TDMA方案來發(fā)展移動無線系統(tǒng)。它具有以下幾個顯著特征：
1) 在歐洲國家范圍內(nèi)漫游
2) 通過RA盒連接ISDN
3) 使用SIM卡
4) 控制發(fā)射功率
5) 跳頻
6) 不連續(xù)傳輸
7) 移動臺輔助切換