(一)語音訊號的壓/解壓縮
GSM的語音訊號處理也是屬於模型式壓縮方法,也就是說,將人的聲音模型化為一個氣流激發源流過氣管與嘴型變化後的變化,這種方法和CD壓縮音樂方式是不同的。由於這種方法是專門針對語音資訊,所以能夠提供高壓縮比但仍能得到可理解的語音訊號。當然,因為GSM已經算是蠻舊的技術了(雖然國內的市場才剛起飛),所以GSM中的RPE-LTP(Regular Pulse Excitation – Long Term Prediction)其實壓縮率只是還好而已。利用這種技術,語音資料可以壓縮到13Kbps,約有十倍左右。壓縮過程中包含了一些類似濾波的過程,再加上向量量化(Vector Quantization)中的字典搜尋步驟。基本上,所有的編碼方式中,解碼的過程通常都比編碼要簡單地多,但對手機來說,除了要收聽對方說的話之外,也得傳送自己講的話,所以語音的編解碼都得做在手機之中。
(二)錯誤更正碼的編/解碼
為了保證資料的正確性,通常數位化的資料還要再加入錯誤更正碼,也就是說,除了原本的資料以外,再加入一些額外資料提高傳送的正確率。舉例來說,如果我要讓你聽懂我在說什麼,一種最簡單的方法就是說兩次。從通訊的角度來說,就是把資料再複製一次並傳送,代價是浪費了比較多的頻寬。當然,這只是概念而已,真正的錯誤更正碼是一門高深學問,有很多繁複的數學來產生要加入什麼適當的資料以對付各種不同雜訊,這對於壓縮過後的資料更是十分重要,因為如果壓縮後的資料有錯誤的話(也許只是一個0變成1而已),可能會造成整筆資料變成完全不同的東西。舉例來說,一些衛星電視台在天候不佳時,觀眾常會發現電視螢幕上的東西變成一個個方塊,甚至畫面完全亂掉,這是因為衛星電視是利用數位傳送的緣故。當氣候不佳導致資料錯誤率超過可以容忍的範圍時,就可能會發生這種事。因此在隨處可見的CD、VCD甚至DAT(Digital Audio Tape)中,一定都包含有相當成分的錯誤更正碼,才能讓我們享用高品質的影音效果。
何況在無線環境中錯誤率更會大為提高,為了保證大多數的時間對方能夠聽懂我在講什麼,在GSM中錯誤更正碼之比例幾乎跟原本的資料相同(亦即用戶手機真的幾乎是把所說的話說兩次給對方聽)。一般來說,編碼大多只是一些簡單的XOR運算以及加法,但是解碼的過程就要複雜地多了。通常錯誤更正碼大致可以分為兩種:一種叫區塊碼(block code),這種碼是使用一種方式一次編碼許多資料,但是編碼過程不影響以後的資料,也就是不具有時間相關性;另一種叫迴旋碼(convolution code),編碼的過程是具有時間相關性的。這兩種編碼方式各有其長處,在GSM中二者均有使用。區塊碼的解碼也只是簡單的XOR以及加法而已;如果是迴旋碼的話,通常都是使用Viterbi演算法,而這也是GSM的DSP中十分重要的一個部分。有時候這一部份會有額外的ASIC(Application Specific Integrated Circuit)去處理這件事情,以便提高處理的效率。
(三)資料加/解密
資料數位化之後除了能夠對雜訊有更高容忍力之外,另外一個很大的好處就是資料安全性會大為提高,最明顯的例子就是現在第四台中的鎖碼頻道。由於現在的有線電視廣播都是類比系統,所以造成解碼器相當容易仿造,但對數位的訊號來說,除非你完全瞭解加密的方式,否則被竊聽或還原的機率幾乎是零。通常加密的過程就是每一個用戶給他一個獨特的加密碼encryption key),而這個加密碼的產生是由一個獨特的演算法(在GSM中叫A5)不斷地產生一個類似亂數的位元流(bit stream),而加密只是將原本的資料和這個加密碼做二進位的XOR而已。
(四)GMSK解調變
GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying)的調變方式屬非線性,也就是說調變後之訊號相位上變化並不是線性的關係,這主要是為了節省調變之後訊號的頻寬,而且GMSK是屬於一種二元性的調變方式,所以基本上並不算是最先進的調變方式,如QPSK或QAM。當然,在無線傳輸的環境中有其他考慮,通常解調變是比較耗時的部分,也就是將有雜訊之訊號從對應的複數位置中還原成原來的位元資料。在實際執行上,有兩種常見的方式,一種叫做直接解調(hard decision);另一種則是逐漸解調(soft decision),也就是會把解調動作和之後的動作結合在一起做。在目前大多數的手機中,都是使用逐漸解調的方式。
(五)頻道等化
所謂的頻道等化,就是要把傳輸過程中頻道頻率響應之效果給移除的過程,此過程在日常電話中也有使用,不過通常比較簡單。在無線的環境中,由於環境惡劣以及手機可能的高速移動,使得這一點更加重要。為了解決這個問題,在不同的系統中會用不同方式去對抗這個問題,像是CDMA就利用寬頻的方法來對抗,而對於GSM這種屬於比較舊的TDMA系統來說,就非得用頻道等化的方法了。在GSM傳送的資料中,從基地台到手機或是從手機到基地台都會傳送所謂的訓練資料(training sequence),這是雙方都事先知道的資料,所以在收到對方送來的資料後,就可以瞭解資料在傳送過程中被扭曲的狀況,然後再根據這扭曲狀況來還原所送的其他語音資料。事實上,目前幾乎市面上大多數手機都會將GMSK解調變與頻道等化的動作結合在DSP中處理,除了可以使效果提高之外,這樣做還會使硬體的使用效果大為提高,因為這一部份的硬體也可以用Viterbi演算法來做,如此便可與錯誤更正碼的解碼器共用同一個部分,便於硬體的設計。
(六)資料格式封裝
這一部份可能是DSP或是微控制器一起執行。在GSM中,有所謂的邏輯通道(logical channel)以及實體通道(physical channel),分別對應到通訊理論裡MAC以及PHY層次中,而所有實體通道資料最後都必須要包裝成一種叫Burst的格式,也就是各種有固定長度、內容的位元組。這部分演算法對手機之效率也是有影響的,如果設計得當,會覺得手機好像反應比較快;反之,則手機比較遲鈍,這有點類似直接口譯,如果翻譯得當,用很精簡的話就可以達到溝通目的,也可以節省溝通的時間。
未來有線和無線電信業者間策略合作將使台灣電信市場有一番新面貌,而如何才能有效選擇正確網路連接所需之傳輸設備和管理系統,將是業者能否獲取最大市場的重要考驗。隨著全球電信自由化腳步的快速發展,有越來越多的無線頻帶也開放出來供民間電信業者使用,舉例來說,在
800至900MHz間有AMPS、GSM等蜂巢式網路;在1.8GHz有DCS網路;在1.9GHz有PCS網路,甚至還有低功率的無線區域迴路(WLL, Wireless Local-area Loop)網路等。要建設這些無線網路,除了在無線端的考量(如基地台的架設)外,有線的傳輸網路也是相當重要的,因為這些傳輸網路要負責連接基地台間、基地台與行動交換中心(MSC)間的溝通。根據統計,目前電信業者大約花
10%的經費在租用這些傳輸線路,預估這些花費每年將以25%的成長率增加。以AMPS網路為例,部分的傳輸線路要負責語音服務,部分負責控制訊號傳輸,其他部份則要負責網路管理。而隨著用戶和服務項目的增加,網路的負擔將會增重,為了要達到一定的服務品質,勢必還要有一些的備用線路以防止部分線路出差錯。如果再考慮跨網漫遊(roaming)的發展趨勢,傳輸線路的複雜度更是大增,如何挑選足夠的大量頻寬和有效網路管理系統,將是一大挑戰。目前常見的傳輸技術有
Fractional T1/E1、 T1/E1、 Fractional T3/E3、T3/E3、SONET、ISDN、ATM和xDSL等;可傳輸的頻寬從64Kbps到622.5Mbps不等。在這些傳輸線路上的通訊協定有TCP/IP、訊框傳送(frame relay)、SS7等,以上的各種傳輸架構並沒有一定優缺點,電信業者應依各自網路特性來選擇合適的架構。以GSM網路為例,選擇SS7應是較為恰當,因為GSM網路的通訊協定是參考ISDN網路,如此可以減少通訊協定轉換的複雜度。如果是電信公司同時擁有兩張不同執照時,例如個人通訊服務網路和蜂巢式網路,基地台就有可能共同使用,網路互聯的問題也必須考量。這種情況通常有公眾網路及私有網路兩種基礎連接傳輸架構。透過公眾網路的方式是直接將所有的基地台和行動交換中心用公眾網路連接在一起,而透過私有網路的方式則是先透過私有網路將基地台間之訊號連接,經過基地台控制器
(BaseStationController)連上行動交換中心,最後再透過公眾網路往外連。以美國為例,公眾網路較常被使用,因為通常有線網路和無線網路業者間都有著策略合作的關係。不過SprintPCS卻是一個使用私有網路的特殊例子,該公司在基地台間係採用微波通訊或用光纖網路連接。此外,環境的問題也應納入考慮,因為在市區和郊區就有明顯不同的話務量;在郊區或山區,微波網路的架設成本就比一般有線網路符合成本效益。越來越多的無線網路業者在採購傳輸設備時,所考慮的是產品擴充性和使用彈性,由於迅速膨脹的用戶數和寬頻服務出現,設備容量要能夠快速地從
T1/E1升級到T3/E3,以免因頻寬不足而導致服務品質的下降。因為各基地台間的連線方式不同,一個整合性的網路管理平台是必須的。如果各種傳輸線路都採用各自獨立而不相容的管理系統,那麼整個網管系統將會十分複雜而不穩定。因此,整合性之網管平台需要的是一個核心管理系統,以及能提供一共通介面讓各自獨立的模組可以任意添加。對於挑選這些設備模組而言,易於安裝以及有「隨插隨用」功能的需求將越來越殷切。而這核心系統希望能夠提供
SNMP的資訊傳遞介面,TCP/IP搭配在遠端終端模擬器的功能,如此管理者就可在管理中心充分監控全部網路。最近ITU-T在發展推廣的電信管理網路(TMN ; Telecommunication Management Network)平台是最新發展趨勢。TMN平台將整個網路分為作業系統(OS)、網路模組(NE)、資訊傳輸網路(DCN)、轉接模組(MD)以及工作站(WS)五個部分;作業系統是整個網管的核心,網路模組是網路中各個通訊設備,資訊傳輸網路提供TMN中模組間之訊號傳遞,轉接模組提供作業系統和網路模組間的介面;工作站則是給遠端管理使用。如果遵循這個標準來建構網路管理系統的話,業者的投資就可以獲得保障,因為轉換模組可以將一些舊的非標準訊號轉成標準介面;除此之外,當新的科技或服務出現時,業者只需採購依標準介面設計的設備就可符合網管需求,不必將整過網路管理系統從新架構一次。採用這些標準介面還有一個好處,就是在採購時不一定要找朗訊科科、Qualcomm之類的大廠,可以找一些協力廠商提供特殊應用的相容性產品,增加採購上的彈性。在此之外,還有一個考量點就是設備體積的大小,在寸土寸金的都市中,想要架設符合需求的基地台數和擺設連接傳輸設備之機房,所需耗費的經費十分龐大,因此選購體積較小的設備也是一個重點。
根據美國市場調查的預估顯示,基地台的數目預估將從一九九七年的五萬一千六百座,成長到西元二千年的十萬座,再加上未來第三代行動通訊系統對無線多媒體服務的支援,在可見的未來,架構一個能處理眾多基地台間的訊息傳遞和對寬頻網路做有效管理之傳輸網路將是必須的。目前國內在無線網路方面,已經開放了GSM、DCS和呼叫器、行動數據及特哥大等業務的頻帶供業者經營,在不久後,無線區域迴路(WLL)、固網(Fixed Network)等方面,也計畫要開放供民間業者經營。也就是說,無線網路業者未來將可透過不同的固定網路傳輸,而毋需經過中華電信的固定網路,就可以連接散佈在全島各地的基地台來提供服務。因此,有線和無線電信業者間策略合作將使台灣電信市場有一番新面貌,而如何才能夠有效選擇正確的網路連接所需之傳輸設備和管理系統,將是業者能獲取最大市場的重要考驗。