GSM固定無線接入(GFRA，GSM Fixcd Radio Access)技術又稱GSM無線用戶環(huán)路(WLL)，是采用GSM數字蜂窩技術替代傳統用戶線來為用戶提供電信業(yè)務的技術。GFRA覆蓋范圍的直徑以幾十米、幾百米、幾千米、幾十千米不等，因而應用范圍較廣，即可為人口密集的城區(qū)服務，也可為農村和邊遠山區(qū)服務。
與傳統PSTN接入網相比，GFRA具有以下優(yōu)點。
◇經濟。運營維護費大大低于有線系統，且成本與距離無關，這在農村及邊遠地區(qū)尤顯其優(yōu)勢。
◇能迅速提供業(yè)務。據統計，GFRA在一個月即可投入使用，而有線接入網則需要6~18個月的時間，除此之外，有線接入網還存在占地、城區(qū)人口稠密地區(qū)接線困難和易受到自然災害破壞等缺陷。
◇容量大。采用小區(qū)覆蓋，頻率再用等技術，可擴大用戶容量。
◇靈活可變。無需預測話務量，可隨時按需進行變更，擴容方便。
◇安全可靠。防盜線，保密性好。
1 GFRA設備的組成和工作原理
1.1GFRA設備的組成
GFRA設備由天線、無線收發(fā)模塊、主控電路、電話控制模塊和充電電池電路組成，如圖1所示。其中，無線收發(fā)模塊完成接入GSM網絡的工作，相當于一部手機；電話控制模塊主要包括了用戶線接口電路(SLIC)、DTMF檢測和信號音產生電路，完成電話機的接入工作；而主控電路實現了有線電話信號和GSM電話信號相互轉換的接續(xù)、控制；充電電池電路為選配部件，是常停電地區(qū)采用的配件，市電不易到達的地方可配太陽能充電電池。
GFRA設備一端通過天線接入GSM網絡，另一端通過電話線連接普通的電話終端，如普通電話機、IC卡電話機、投幣電話機等。GFRA設備相當于在普通電話機和GSM網絡之間搭起了一座橋梁。
1.2 GFRA設備的工作過程
(1)經GFRA設備的去話過程
①主叫用戶摘機后，主控電路通過SuC電路檢測到電話機摘機。
②主控電路控制信號音電路送出撥號音，同時開始檢測主叫用戶的DTMF撥號。
③收到主叫用戶的DTMF后，主控電路停送撥號音。
④收完號碼后，主控電路控制無線收發(fā)模塊以的號碼向外呼叫，如果被叫空閑，主叫用戶將聽到回鈴音。
⑤被叫摘機，雙方開始通話。主控電路同時SLIC電路向電話線送出反極信號，該信號可啟動IC卡電話機、投幣電話機等的計費工作。
⑥如果主控電路檢測到主叫用戶先掛機，則向無線收發(fā)模塊發(fā)出掛機命令，通話結束。
⑦如果主控電路檢測到被叫用戶先掛機，則向主叫用戶發(fā)送忙音，并通過SLIC監(jiān)測主叫掛機，通話結束。
(2)經GFRA設備的來話過程
①主控電路收到來自無線收發(fā)模塊的振鈴信號RING后，通過信號音產生電路和SuC向本端電話機振鈴。
②主控電路在產生第一聲振鈴音和第二聲振鈴音之間，送出來電顯示信號。
③本端電話機用戶摘機，雙方開始通話。
④雙方通話結束的處理同上面的去話過程。
2 硬件設計
GFRA設備的硬件結構框圖如圖2所示，包括電話機用戶線接口電路(SLIC)、DTMF檢測和信號音產生電路、MCU和外圍功能電路、GSM模塊電路四大部分。
GFRA設備硬件電路以P89C5lRD+為MCU，通過SPI接口連接外圍功能電路(串行存儲器X5045、DTMF接收和信號音發(fā)生電路CMX605)，通過CMX605連接SLIC電路STLC3055，MCU通過UART訪問GSM模塊。
2．1 SLIC電路STLC3055
用戶線接口電路SuC是電話通信中的關鍵器件。本設計采用意法半導體公司(ST)近年來推出的全新SLIC芯片STLC3055。這種SLIC不僅能支持多種振鈴信號，而且電路中省去了諸如振鈴繼電器、鈴流發(fā)生器等許多傳統器件，從而可大大節(jié)省PCB布線空間，降低設計成本，并且控制使用也更加方便．STLC3055可以使用單獨的+12V供電，設計和使用都比較方便，其應用電路如圖3所示。
2．2 MCU和外圍功能電路
MCU及其外圍功能電路如圖4所示。
(1)MCU P89051RD+
MCU采用Philips的P89C5lRD+，它兼容80C51單片機，內含有64KBFlashROM，1KBRAM，32個I／O。對于本設計，這些資源就足夠，不用擴展外部RAM和I／0。
(2)串行存儲器X5045
X5045用于存放GFRA設備的非易失工作參數。同時，該芯片將看門狗定器、上電復位控制、壓降管理以及具有塊保護功能的串行EEPROM這四種功能集成到一體，有助于簡化應用系統的設計，減少PCB的占用面積，提高系統可靠性。
(3)實時時鐘DSl302
DSl302是一個可編程3線SPI串行接口的時鐘芯片，用來備份系統時間和數據。
2.3 DTMF檢測和信號音發(fā)生電路CMX605
本設計主要使用CMX605的呼叫進程音(450 Hz信號音和CID FSK)編碼和發(fā)送。以及DTMF的檢測功能。在MCU的控制下，經過CMX605的第9腳，450 Hz呼叫進程音被送到STLC3055的第14腳，最后送到AB線上。另外，AB線上DTMF經過STLC3055的第20腳，在CMX605的第12腳被接收、檢測。最后將檢測到的DTMF編碼通過SPI總線發(fā)送給MCU。
2.4 GSM模塊
GSM模塊采用法國Wavecom公司的產品，其型號為WISMO Q2403A。它是一個功能完整的手機模塊，MCU通過UART對它進行控制和數據傳輸，數據傳輸包括短信、CSD、GPRS、GROUP3 CLASS 1和CLASS 2語音等。它的特點是：電路交換數據(CSD)、支持語音和GPRS。MCU對模塊的控制采用的是AT指令，符合ETSI標準GSM07.07和GSM07.05。
3 軟件設計
本設計程序采用C51語言編寫而成。GFRA設備的程序分為三部分：初始化及自檢模塊、參數設置模塊、去話和來話模塊。
3.1 初始化及自檢模塊
上電后，程序完成對MCU寄存器和變量的初始化，以及對外圍功能芯片DSl302、X5045、CMX605的初始化。自檢的內容包括：讀取DSl302時間值，進行合法性檢查和時鐘正常運行檢查；對X5045指定單元寫入數值，再讀出比較，檢查該芯片的好壞；對CMX605寄存器進行初始化。如果自檢不通過，則點亮LED閃爍告警。
MCU通過輸入AT指令對Q2403A模塊進行初始化，以便進行語音通話。主要的指令有：
◆設置語音參數。
AT+SPEAKER=1；+VGT=64；+VCR=196〈CR〉
◆設置來電號碼廣東省自動顯示。
AT+CLIP=l
3.3 軟件主流程
(2)來話模塊
4 GFRA設備提供的功能
結 語
GSM固定無線接人設備還可在高速公路、防汛指揮、山區(qū)防火等場合作為應急通信手段。在偏遠地區(qū)，海島等架設通信線路困難或不經濟的地方，使用GSM固定電話與外界聯系是一種迅速、廉價的解決方法。
GFRA設備可以通過外接的電話機設置工作參數。MCU通過CMX605指令讀取DTMF，特殊的D了MF序列用于設置參數，并把其中的工作參數保存到X5045。工作參數有：音量等級、音量增減、撥號前綴、呼叫轉移的輔助業(yè)務設置等。
主流程如圖5所示。MCU把外圍功能芯片與GSM收發(fā)信機初始化后，處于空閑狀態(tài)，循環(huán)檢測SLIC和GSM收發(fā)信機，有電話機摘機或GSM來電時便進入語音服務流程。
MCU通過SLIC檢測到電話機的摘機信號，收到電話機撥號(如1860)后，MCU通過UART令GSM收發(fā)信機在語音模式下撥同樣的號碼1860，撥號的AT命令是ATDT1860；對方摘機后，MCU將收到OK，然后立即通過SLIC向電話線送反極信號，提供計費啟動信號，雙方開始通話。
如果檢測到主叫用戶先掛機，MCU則向無線收發(fā)模塊發(fā)出掛機命令ATH，通話結束。如果主控電路檢測到被叫用戶先掛機，則向主叫用戶發(fā)送450Hz忙音，并通過SLIC監(jiān)測主叫掛機后，通話結束。
在空閑狀態(tài)下，MCU收到GSM來電(RING)后，通過SLIC向外接電話機振鈴．同時提取主叫來電顯示號碼，并且在第一次和第二次振鈴之間送出滿足電話主叫識別信息傳送及顯示功能技術要求的來電顯示信號，具有來電號碼顯示的電話機將在LCD顯示主叫號碼．本端被叫用戶化摘機應答后，MCU若檢測到電話摘機，則向GSM發(fā)應答AT命令ATA，通過SLIC監(jiān)測通話進程至掛機。
本設計中的GFRA設備提供以下功能：
◆提供一個RJll接口，通過該有線接口連接所有符合電話線標準的電話終端產品；
◆去話、來電語音呼叫接入；
◆標準電話振鈴信號輸出，FSK制式來電顯示信號輸出；
◆提供反極信號，可以串接計費器；
◆E-GSM900／DCSl800自動切換；
◆具有無線網絡信號強弱顯示；
◆GFRA可以匹配全向吸盤天線和定向天線，提高信號增益，而且體積小、重量輕安裝靈活方便；
◆提供交、直流兩用電源，可裝在移動載體上；
◆停電通話功能，可使用后備充電電池供電，市電斷電后仍可通話。
數字蜂窩無線電話網GSM是目前世界上覆蓋最廣、使用最多的一種移動通信網。數字終端設備具備了功能多樣化、保密性好、漫游方便、音質清晰、使用方便等諸多優(yōu)點，其技術先進性、網絡覆蓋范圍等方面已經得到用戶的普遍認可。
GSM運營商可以利用已有的GSM網，無需增設基站等設備，只需增加固定終端，便可完成固定電話無線接入。GFRA設備能在GSM蜂窩網覆蓋的范圍內，快速經濟地提供固定無線電話通信業(yè)務。例如，在市內構建無線公用電話系統，設立固定電話亭，開展有人值守公用電話業(yè)務、在公共交通工具上開設移動公話業(yè)務，可為移動運營商發(fā)掘新的業(yè)務增長點，提高網絡利用率，增加效益。