Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (ITU - International Telecommunication Union), который кроме всего прочего занимается выделением частот радиоспектра для различных коммуникационных целей, выделил полосу 890-915 MHz для исходящих сигналов (от мобильной станции к базовой), и полосу 935-960 MHz для входящих сигналов (от базовой станции к мобильной) для мобильных сетей в Европе.
Множественный доступ и структура канала
По причине ограниченности ресурсов радио соединения, предоставляемых в совместное использование большому количеству пользователей, метод управления радиоресурсами должен позволять разделять радиоресурсы на максимально возможное количество частей. Метод, избранный GSM, представляет из себя комбинацию методов разделения времени и частоты (Time-Division Multiple Access и Frequency-Division Multiple Access - TDMA/FDMA). Часть FDMA включает в себя разделение по частоте полосы, шириной до 25 Mhz, на 124 несущих полосы, разделенных между собой полосами по 200 kHz. Одна или несколько несущих частот приписываются к каждой базовой станции. К каждой из этих несущих частот применяется механизм разделения времени, используя схему TDMA. Основной единицей времени в схеме TDMA является период пакета (burst period) - промежуток времени равный 15/26 ms (что составляет приблизительно 0.577 ms). Восемь таких промежутков времени группируются в TDMA фрейм (frame - 120/26 ms или 4.615 ms), который является основной единицей для определения логических каналов. Физическим каналом является собственно пакет (burst period) в TDMA фрейме. Каналы определяются по номеру и расположению соответствующего пакета. Все эти определения цикличны, с циклом, примерно составляющим 3 часа. Каналы могут быть подразделены на две основные группы: выделенные (dedicated channels) - динамически выделяемые для каждой мобильной станции, и общего назначения (common channels) - используемые мобильной станцией в пассивном состоянии.
Трафик каналы или каналы пользовательских данных
Трафик канал (traffic channel - TCH) - используется для передачи речи и данных. Трафик канал представляет из себя состоящий из 26 TDMA фреймов мультифрейм. Длина этого мультифрейма - 120 ms. Двадцать четыре фрейма - используются для собственно трафика, один - для Медленного Ассоциированного Управляющего Канала (SACCH - Slow Associated Control Channel) и один - пока не задействован (2nd). Трафик каналы для исходящих и входящих данных разделяются по времени периодом времени в три пакета (burst period), таким образом, каждая сторона не должна осуществлять прием и передачу одновременно, что, в свою очередь, упрощает электронику. В дополнение к этим полно скоростным (full-rate) каналам также существуют полу скоростные (half-rate) TCH. Полу скоростные каналы призваны повысить возможности системы по передаче данных примерно в два раза (т.е. кодирование речи в 7kbps, вместо 13kbps). Также специфицированы и восьмискоростные TCH, но они служат для обмена сигналами. В рекомендациях они называются Отдельно стоящими Выделенными Управляющими Каналами (SDCCH - Stand-alone Dedicated Control Channels).
Управляющие каналы
Каналы общего назначения используются мобильной станцией как в пассивном (idle mode), так и в выделенном (dedicated mode) состояниях. Управляющие каналы используются мобильной станцией в пассивном состоянии для обмена сигнальной информацией, необходимой для перехода в выделенное состояние. В выделенном состоянии мобильные станции занимаются мониторингом "видимых" базовых станций с целью получения разного рода информации, в том числе и информации, необходимой для осуществления перемещения между сотами и смены каналов (handover). Для каналов общего назначения длина мультифрейма составляет 51 фрейм.
Основные типы каналов общего назначения:
Широковещательный Управляющий Канал (BBCH - Broadcast Control Channel). Существует постоянно. В случае входящих сообщений информация включает в себя идентификатор базовой станции (Base Station Identity), выделение частот (frequency allocation) и наборы переходов по частотам (frequency-hopping sequences).
Канал Коррекции Частоты (FCCH - Frequency Correction Channel) и Канал Синхронизации (SCH - Synchronisation Channel). Используются для синхронизации мобильной станции со структурой тайм слотов ячейки (time slot structure), посредством определения границ пакетов (burst periods) и нумерации тайм слотов. Каждая ячейка в сети GSM передает только один FCCH и один SCH, которым по определению приписывается тайм-слот номер 0 (в TDMA фрейме).
Канал Случайного Доступа (RACH - Random Access Channel). Слоттированный канал Алоха, используемый мобильной станцией для запросов доступа к сети.
Канал Пейджинга (PCH - Paging Channel). Используется для предупреждения мобильной станции о вызове.Канал Дозволения Доступа (AGCH - Access Grant Channel). Используется для того, чтобы получить выделенный канал -SDCCH и продолжить запрос RACH.
Структура пакета
Существуют четыре различных типа пакетов, используемых при передаче в GSM. Нормальные пакеты используются для передачи данных и, в большинстве случаев, обмена сигналами. Общая длина нормального пакета составляет 156.25 bits: два информационных блока по 57 битов (data bits), 27-битовая (training sequence) подготовительная последовательность (используется для выравнивания), один "ворованный" (stealing bit) бит (используется для FACCH), по три хвостовых бита (tail bits) с каждого конца и 8.25 битов (guard bits) сохранности. 156.25 битов передаются за 0.577 ms, определяя скорость передачи в 270.833 kbps. F-пакет (F burst), используемый в FCCH и S-пакет (S burst), используемый в SCH, имеют такую же длину, что и нормальный пакет, но другую внутреннюю структуру. Пакет доступа (access burst) - короче, чем нормальный пакет и используется только в RACH.
Кодирование речи
GSM является цифровой системой, и следовательно, аналоговая речь, поступающая в систему, должна быть оцифрована. В ISDN, в современных телефонных системах для мультиплексирования голосовых линий при передаче по высокоскоростным магистралям и оптоволоконным линиям используется метод Импульсно-Кодовой Модуляции - ИКМ (PCM - Pulse Coded Modulation). Скорость выходного потока PCM - 64 kbps слишком велика, чтобы быть реализованной через радио соединение. 64 kbps сигнал, хотя достаточно прост для реализации, достаточно избыточен. Группа GSM изучила несколько алгоритмов кодирования с точки зрения относительного качества речи и сложности алгоритма (относительной стоимости, задержек в обработке, потребляемого напряжения в случае реализации) перед тем, как выбрать Regular Pulse Excited-Linear Predictive Coder (RPE-LPC) с Long Term Predictor циклом. В нескольких словах, алгоритм заключается в следующем: несколько фрагментов речи, которые изменяются не очень быстро, используются чтобы определить актуальный фрагмент; коэффициенты линейной комбинации предыдущих фрагментов вместе с кодированной разницей (отличиями между определенным и актуальным фрагментами) представляют собой сигнал. Речь разделяется на 20 миллисекундные фрагменты, каждый из которых кодируется в 260 битов, давая суммарную скорость передачи 13 kbps.
Кодирование канала и модуляция
По причине естественной и искусственной электромагнитной интерференции шифрованная речь или данные, передаваемые через радио интерфейс, должны быть защищены от ошибок. GSM использует для этих целей спиральное шифрование (convolutional encoding) и чередование блоков (block interleaving). Детальные алгоритмы кодирования речи и разных типов передачи данных (по скорости) - различаются. Метод, использованный для блоков речи, будет описан далее.Напомним, что кодировщик речи выдает 260 битные блоки каждые 20 ms образца речи. В результате относительного тестирования было обнаружено, что несколько битов этого блока были более важны для восприятия качества речи, чем другие. Таким образом биты подразделяются на три класса:
Класс 1а - 50 бит - более чувствительные к ошибкам биты.
Класс 1б - 132 бита - умеренно чувствительные к ошибкам биты.
Класс 2 - 78 бит - наименее чувствительные к ошибкам биты.
Биты класса 1а имеют 3-х битовый Цикличный Избыточный Код (Cyclic Redundancy Code), добавляемый для обнаружения ошибок. В случае обнаружения ошибки фрейм рассматривается как слишком поврежденный, чтобы быть понятым, и сбрасывается. Он заменяется слегка ослабленной версией предыдущего корректно полученного фрейма. Эти 53 бита, вместе с 132 битами класса 1б и четырьмя хвостовыми битами (tail sequence) - всего 189 бит - составляют вход в S скоростной спиральный шифровщик. Каждый входной бит шифруется как два выходных бита, основываясь на комбинации предыдущих четырех входных битов. Спиральный шифровальщик, таким образом, выдает 378 бит, к которым добавляются 78 незащищенных бита класса 2. Таким образом, каждые 20 ms образец речи шифруется в 456 бит, т.е. обеспечивается скорость передачи 22.8 kbps.
Дополнительная защита против ошибок пакетов - общая для радио интерфейса - чередование фрагментов. 456 битовый выход спирального шифровальщика разделяется на восемь блоков по 57 бит, которые передаются в восемь последовательных тайм-слот пакетов. Так как каждый пакет является носителем двух блоков по 57 бит, каждый пакет содержит данные из двух различных фрагментов речи.
Напомним, что каждый тайм-слот пакеты передаются со скоростью 270.833 kbps. Этот цифровой сигнал модулируется на аналоговую несущую частоту с использованием Фильтруемой по Гауссу Минимальной Манипуляции (GMSK - Gaussian-filtered Minimum Shift Keying). Этот метод был выбран из соображений компромисса между спектральной эффективностью, сложностью передачи и ограничениями ложной эмиссии. Сложность передатчика определяет потребление энергии, которое должно быть минимизировано для мобильной станции. Ложная радио эмиссия, вне назначенной полосы, должна быть строго контролируема, так же как и интерференция с соседними каналами, и должна позволять сосуществовать GSM с более старыми аналоговыми системами.
Переходы по частотам (Frequency hopping)
Мобильная станция всегда должна быть "частотноподвижна", т.е. вcегда должна быть в состоянии свободно двигаться между передающим, принимающим и контролирующим тайм слотами внутри одного TDMA фрейма, который обычно "размазывается" по разным несущим частотам. Алгоритм переходов по частотам обычно передается по Широковещательному управляющему каналу. Поскольку эффекты усиления/ослабления сигнала зависят от несущей частоты, медленные переходы по частотам позволяют помочь в разрешении проблемы. В дополнение к вышесказанному заметим, что межканальная интерференция начинает, в сущности, носить более случайный характер.
Прерываемая передача (Discontinuous transmission)
Минимизация межканальной интерференции является целью любой сотовой системы, поскольку в зависимости от степени решения проблемы можно улучшить качество услуг для ячейки данного размера, использовать более мелкие ячейки, таким образом повысив возможности системы в целом. Прерываемая передача (DTX) представляет из себя метод, который основывается на том факте, что за все время разговора человек говорит менее 40% времени. Соответственно, существует возможность выключения передатчика на время пауз в разговоре. Дополнительным преимуществом DTX является экономия электроэнергии.
Таким образом, наиболее важной компонентой DTX является Детектор Активности Голоса (Voice Activity Detector). Он должен отличать собственно голос от фонового шума (весьма нетривиальная задача). Если голосовой сигнал будет интерпретирован как шум, то принимающая сторона будет вынуждена выслушивать очень надоедливые "вырезки" (chipping) из разговора. С другой стороны, фоновый шум очень часто интерпретируется как голос. Это приводит к снижению эффективности DTX. Другой фактор, о котором не следует забывать, это необходимость генерации комфортного шума для принимающей стороны во время отключения передатчика передающей. Комфортный шум создается на основе некоторого набора характеристик фонового шума передающей стороны.
Прерываемый радиоприем (Discontinuous reception)
Для экономии расходуемой мобильной станцией энергии также используется метод прерываемого радиоприема. Пейджинговый канал, используемый базовой станцией для оповещения о входящем вызове, структурируется в подканалы. Каждой мобильной станции нужно слушать только свой собственный подканал - т.е. определяется период времени общения с базовой станцией. В оставшиеся периоды времени мобильная станция входит в режим "спячки", когда энергия не расходуется вообще.
Управление напряжением
В соответствии с максимальной мощностью передатчика, существуют пять классов мобильных станций: на 20, 8, 5, и 0.8 ватт. Для минимизации межканальной интерференции и экономии электроэнергии, мобильная и базовая станции работают в наиболее низком (по мощности) из возможных (приемлемом в смысле качества сигналов) уровне напряжения. Уровни напряжения могут повышаться/понижаться отрезками по 2 dB от максимального для данного класса напряжения до не менее чем 13 dBm (20 милливатт).
Мобильная станция измеряет силу сигналов или их качество (основываясь на пропорциях ошибок - Bit Error Ratio) и передает информацию Контроллеру Базовой Станции, который решает должен ли быть изменен уровень напряжения, и если должен, то когда. Управление напряжением должно осуществляться очень осторожно, поскольку существует большая вероятность достижения нестабильности в работе. Большие проблемы возникают, например, при попытке мобильной станции повысить свой уровень напряжения в ответ на повышенную межканальную интерференцию, вызванную повышением напряжения другими мобильными станциями.