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1、信息编码在第二代移动通信GSM中的应用,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
2、组数据业务，2G网络就改造升级成为了所谓的25G(GPRS)、275G(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。,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、DCS180
3、0和PCS1900三部分，三者之间的主要区别是工作频段的差异。,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 Mobi
4、le)”，简称“GSM”，来制定有关的标准和建议书。,GSM发展趋势及现状,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
5、也已出现了三频手机，即可在GSM900GSM1800GSM1900三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。,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。,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
6、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。,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;
7、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。,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。,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
8、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23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。,GSM网络组成,GSM系统中的编
9、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。,（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 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
10、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。,（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。,（4）前向纠错FEC 编码 前向纠
11、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.,(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。,（7）交织技术 具体地说,就是将原
12、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。,（2）规则脉冲激励长期预测 GSM采用的编码方案是13kbit/s RPELTP码（规则脉冲激励长期预测）。首先把语音分成20ms为单位的
13、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。,短消息的编码方法,短消息(SMS)是由ETSI组织制定的一个规范(GSM0340和GSM0338)，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
14、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。,GSM升级版2.5G(GPRS),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
15、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。,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
16、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）；,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1/2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BUR
17、ST）。,CS4编码为3比特的USF预编码为12比特+428个信息比特+16个用于纠错和检错的分组校验比特，不再进行卷积编码，最终得到456个比特（4个BURST）。,GPRS升级版2.75G(EGPRS)网络,EGPRS网络，是指EDGE(Enhanced Data rates for Global Evolution)技术和现有GPRS网络相结合，形成的增强型GPRS网络。由于使用了许多3GPP规范中的定义，如调制解调技术，编码技术，链路适配技术等，因此也把EGPRS称为275G的技术。EDGE技术由ETSISMG组织的R99标准中提出，能够提供比GPRS更快的数据传输速率，更高的频率使用
18、效率。,EGPRS规范定义了九种编码方案，从MCSl到MCS9，其中MCSl到MCS4采用了GMSK的调制方式，MCS5到MCS9采用了8-PSK的编码方式。,EGPRS使用MCS(Modulation and Coding Schemes)调制编码方案，既包括GMSK调制，又包括8-PSK调制。而且MCS调制编码方法将容错保护机制融入了编码方案中，这样混合编码方案提高了数据吞吐能力。冗余递增是EDGE(GSM增强数据速率演进)用来从可用带宽中实现最大性能的系统。通过使用卷积编码，系统可以在数据中增加保护，但这也在原始数据中增加了不承载任何实际信息的校正数据(冗余)。,综上，第二代移动通信系统
19、中的G网经过不断发展，有了很大提高，目前基本可以满足人们对语音和数据服务的水平，但是从长远来看，随着社会发展，人们对信息的需求越来越大，那么第三代移动通信的发展就会成为必然。3G绝对不是2G、2.5G在速度上的简单升级，而是换代，是通信功能和通信手段的本质上的改变，并且随着3G的开通，其功能以及对于人类社会与经济生活的影响，将是惊人的。,1、移动通信系统中的检测技术研究 韩芸芸，2009-东南大学：通信与信息系统 增强型数据速率GSM演进(EDGE)技术有效地提高了通用分组无线服务(GPRS)的移动数据速率，在EDGEPlus系统中，移动数据速率进一步提高，从而使码间干扰的问题越发显得突出，高
20、性能的均衡技术对提高系统性能至关重要。进一步，为了适应未来高速分组数据传输的要求，必须提高新一代无线通信系统的数据速率，在频谱资源受限的情况下要求新一代系统具有更高的频谱利用率，支持高速率、高频谱利用率和可提供分集增益的多天线发送多天线接收(MIMO)技术，受到越来越多的关注。本论文研究EDGE Plus系统中的均衡检测算法和MIMO系统中的信号检测算法。对于EDGE Plus系统，首先研究了相关系统模型、最大后验概率(MAP)算法、最大对数MAP(Max-Log-MAP)算法、以及全状态Max-Log-MAP算法；然后，着重研究了减状态Max-Log-MAP算法，为了适应不同的应用。,2、E
21、DGE+系统下编译码器设计及迭代检测技术研究 周明月，2009-东南大学：通信与信息系统 EDGE+系统，又称GERAN7系统，是2007年8月由3GPP颁布的最新的EDGE(Enhanced Data rate for GSM Evolution)系统的增强版。它通过引入了16QAM、32QAM等高阶调制技术和Turbo码编码，使EDGE+系统的符号传输速率最高达到传统符号传输速率的1.2倍，下行链路的数据传输速率可以达到1Mbps以上。本文首先根据EDGE+系统的协议，设计了系统的编译码器，满足了系统不同业务的要求。随后，在建立的系统的数学模型基础上，深入分析了线性均衡、干扰抵消技术在系统
22、中的应用的可能性。,1、GSM/EDGE信道编解码的设计优化技术研究汪洋，2008-国防科学技术大学 本文在深刻理解GSM/EDGE移动通信系统工作原理的基础上，分析了EDGE技术的优势，结合某公司研制的一款GSM/EDGE手机芯片的设计需求，在下述内容进行了深入研究：基于GSM/EDGE基带通信系统协议，着重对信道编解码部分进行了深入研究，全面总结了信道编码类型以及复帧组合结构，为正确而全面的设计信道编解码模块做基础。归纳总结了基带信道编码的过程和其中用到的奇偶校验编码类型、卷积编码类型、删余类型以及交织类型，以利于复用同类型的结构，实现模块的设计优化。,1、基于SDR的GSM物理层若干算法的研究与实现杜立可，2007-信息产业部电信科学技术研究院：通信与信息系统 2、MAP的ASN.1编解码实现通信技术 PKU-2007年12期-黄艳军，汤红波，朱可云,GSM短信传送文件的方法的研究与实现计算机工程与应用 ISTIC PKU-2006年32期-万求，李淼，张建，罗毅,1、基于FPGA的GSM系统信道编码技术研究 刘妍妍，2005-长春理工大学：物理 电子学(工)2、EDGE网络关键技术研究姚勇，2005-复旦大学：电子与通信工程,
