無線通信基礎(chǔ)資料總結(jié)1 之 GSM

最近在關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT的技術(shù),無線通信這部分有一些基礎(chǔ)概念需要了解一下.

這里總結(jié)關(guān)于無線通信(GSM/WCDMA/LTE)方面的一些基本概念和外部特性.

GSM的通信基本原理

1. 頻分多址  

GSM分配的頻段 GSM900 和 GSM1800 .

GSM900   ----  890M - 915M (上行頻段)   935M - 960M (下行頻段)  各25M帶寬

GSM1800 ----  1710M - 1785M (上行頻段) 1805M-1880M (下行頻段) 各75M帶寬

載頻帶寬200KHZ . GSM900 上下頻點(diǎn)各25*5-1=124個.  GSM1800 下下行頻點(diǎn)各 75*5-1374個.

GSM900載頻點(diǎn) f(n)=890+0.2n(MHz)

GSM1800載頻點(diǎn)f(n)=935+0.2n(MHz)

每個載頻點(diǎn)可以通過各自的中心頻率將信號載波傳輸.

對于一個基站(一個有向天線區(qū)域), 同時(shí)連接N個手機(jī)通信時(shí), 不同的手機(jī)在通信時(shí)使用不同的載頻.

2. 時(shí)分復(fù)用 .

一個載頻點(diǎn)(200KHZ帶寬) 構(gòu)成一個實(shí)際的物理信道.

手機(jī)(MS)與基站收發(fā)系統(tǒng)(BTS)通信時(shí), 雖然是約定了物理信道(載頻)來通信, 但是并不是全部獨(dú)占. 物理信道又分成N(8)個時(shí)隙. 這樣每個手機(jī)其實(shí)相當(dāng)于只占用了1/8的傳輸帶寬.

這里為什么是8個時(shí)隙? 應(yīng)該是帶寬分配的原因200KHZ帶寬, 根據(jù)奈奎斯特帶寬最大理論傳輸速率2XB 也就是400Kbps . 實(shí)際270Kbps左右. 而每路語音在TCH(業(yè)務(wù)信道)上的調(diào)制速率為33.8kbps. 33.8 x8 =270.833.剛好夠分8個時(shí)隙.

奈奎斯特帶寬 Cmax=2×B×log2L  L 是攜帶數(shù)據(jù)的碼元取值. 我的理解是 L 取決于碼元通過調(diào)輻調(diào)相調(diào)頻每次最小可以傳輸?shù)腷it數(shù). 一個碼元可以表示0或1, 也可以表示00,01,10,11. 波特率和比特率本身不一樣.

另外有一個香農(nóng)定理 Cmax= B* log2(1+S/N)  . S/N 是信噪比.  , 這個 ... 貌似和奈奎斯特帶寬有沖突, 香農(nóng)定律這個最大容量,目前貌似還不明確應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)它..

經(jīng)過頻分和時(shí)分復(fù)用. 能同時(shí)連接的終端數(shù)量 大致可以看作是 小區(qū)分配的載頻數(shù) X 8 , 當(dāng)然有更細(xì)致的算法. 主要是信道分配問題. 并不是所有的物理信道都是用于實(shí)際語音傳輸?shù)腡CH(業(yè)務(wù)信道). 另外有一些控制信道.

3. 跳頻

基站和終端 以約定的規(guī)律 在下一個時(shí)隙跳轉(zhuǎn)到指定的載頻上傳輸.

4. 交織

把碼字的連續(xù)多個比特分散到多個幀里面去, 減小相關(guān)性. 避免信道傳輸問題引起的大片信號丟失.

5. 降低功耗 技術(shù)

DRX DiscontinuousReception  非連續(xù)接收     手機(jī)被分成尋呼組, 尋呼組的手機(jī)只在約定的時(shí)間周期開啟接收, 檢測廣播信道是否有本機(jī)的消息.

DTX DiscontinuousTransimission 非連續(xù)發(fā)送  在通話時(shí), 只有40%是有話音傳輸?shù)?(統(tǒng)計(jì)) 只在說話的時(shí)候傳輸.

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GSM的信道劃分

這里面是邏輯信道. 與具體的物理信道又不完全相同. 尤其是控制信道.

粗略的可以分為TCH業(yè)務(wù)信道和CCH 控制信道

頻率校正信道（FCCH）： Frequency Correction Channel 初步同步 向移動臺傳遞頻率校正信號，使移動臺能調(diào)到相應(yīng)的頻率上.

同步信道SCH (Synchronization Channel) :給出了MS需要同步的所有消息及該小區(qū)的TDMA幀號（22bit）和基站識別碼BSIC號（6bit）.

廣播控制信道(Broadcast Control Channel) BCCH : 廣播小區(qū)信息如位置區(qū)識別號(LAI) , 小區(qū)識別號(CGI) 小區(qū)頻率列表 鄰近小區(qū)描述 等等.

手機(jī)開機(jī)時(shí)依次同步上的信道是：FCCH、SCH、BCCH。

CCCH 通用控制信道 , 包括 PCH (尋呼信道下行) AGCH (允許接入信道 下行) RACH (隨機(jī)接入信道上行)

DCCH 專用控制信道 , 又分為

獨(dú)立專用控制信道（SDCCH）：傳輸移動臺和基站連接和信道分配的信令；還攜帶呼叫轉(zhuǎn)移和短消息信息。

伴隨信道（ACCH） 提供周期性信息傳輸 (不細(xì)究)

粗略理解的情景:

1. 手機(jī)開機(jī) 后, 先得同步FCCH、SCH、BCCH , 才能知道自己身處的小區(qū)環(huán)境, 如何與基站通信.

2. 通過RACH 信道向小區(qū)基站報(bào)道. 通過DCCH和廣播信道, 周期性的溝通信息.

3. 有電話通知的時(shí)候 , 基站通過PCH/AGCH 尋呼.

4. 通過TCH信道傳輸語音.

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關(guān)于SIM卡

SIM卡內(nèi)部 是由MCU +RAM+ROM組成的.

SIM卡有PIN碼和PUK碼. Pin可以用來鎖定SIM卡, PUK碼是解鎖.

SIM卡內(nèi)部 ROM存儲的內(nèi)容:

其中比較關(guān)鍵的是IMSI和Ki , IMSI (International Mobile Subscriber Identity) 國際移動用戶識別碼. Ki 是鑒權(quán) 加密相關(guān)的數(shù)據(jù).

中國目前主要還是單獨(dú)的SIM卡, 卡機(jī)分離. 方便用戶換機(jī)方便..

如果物聯(lián)網(wǎng)nb-iot的話, 估計(jì)會大量推廣eSIM. 也就是直接一個芯片, 焊接在PCB上即可.

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GSM 無線接收 信號路徑 從射頻到基帶信號的典型過程.

混頻器 是將射頻信號從高頻轉(zhuǎn)換到中頻, 以方便放大處理. 不會影響其攜帶的信號解調(diào).

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GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

WCDMA 網(wǎng)絡(luò)與接口示意圖

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GSM編號計(jì)劃

• MSISDN (Mobile Station International ISDN Number)  移動臺國際ISDN號碼.

簡單點(diǎn)就是平時(shí)用的手機(jī)號,前面加上國家碼(86)

比如手機(jī)號 86 13578720572

CC = 86 (國家碼)

NDC = 135 (移動接入碼)

SN =78720572  用戶碼.

• IMSI, International Mobile Subscriber Identity  國際移動用戶標(biāo)識碼

• IMEI, International Mobile Equipment Identity)  國際移動設(shè)備標(biāo)識碼

與SIM卡無關(guān), 移動設(shè)備的串號. 唯一的標(biāo)識一臺移動設(shè)備如手機(jī)平板之類.

上圖中所謂的bit是不是二進(jìn)制的位. 是十進(jìn)制的位. 在手機(jī)中可以查看IMEI號. 設(shè)置--> 關(guān)于手機(jī)中. 或者拔號"*#06#"

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基站信息(GSM)

CGI 全球小區(qū)識別碼

小區(qū)信息在手機(jī)定位中會用到.

手機(jī)app通過獲取小區(qū)基站信息(MCC MNC LAC CI ) + BSSS (基站信號強(qiáng)度) , 通過地圖服務(wù)器來查詢當(dāng)前位置.

另外,

CDMA基站和4G基站, 也有相關(guān)的編碼參數(shù):

CDMA基站: 

SID (system) , NID (network) , BID (base station)

SID 是系統(tǒng)識別碼，每個地級市只有一個sid，是唯一的。

NID是網(wǎng)絡(luò)識別碼，由各本地網(wǎng)管理，也就是由地級分公司分配。每個地級市可能有1到3個nid。

BID 基站ID

LTE的小區(qū)全球標(biāo)識 ECGI

ECGI =(PLMN ID) + (Cell Identity)

PLMN(Public Land Mobile Network，公共陸地移動網(wǎng)絡(luò))，由MCC(Mobile Country Code，移動用戶所屬國家代碼)+MNC(MobileNetworkCode，移動網(wǎng)絡(luò)代碼)組成。

Cell Identity（小區(qū)標(biāo)識）由EnodeB ID+Cell ID組成。其中包含28bit信息，前20bit表示EnodeB ID，后8bit表示Cell ID。

MCC：Mobile Country Code，移動國家碼，MCC的資源由國際電聯(lián)（ITU）統(tǒng)一分配和管理，唯一識別移動用戶所屬的國家，共3位，中國為460;　　

MNC:  Mobile Network Code，移動網(wǎng)絡(luò)碼，共2位，中國移動TD系統(tǒng)使用00，中國聯(lián)通GSM系統(tǒng)使用01，中國移動GSM系統(tǒng)使用02，中國電信CDMA系統(tǒng)使用03

通過MNC EnodeID 還有Cell ID , 可以進(jìn)行LTE基站定位.

文章為個人(非通信專業(yè)人士)了解無線通信相關(guān)基礎(chǔ)用.

vivekchen@qq.com