無線通信基礎資料總結1 之 GSM

最近在關注物聯網NB-IOT的技術,無線通信這部分有一些基礎概念需要了解一下.

這里總結關于無線通信(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 上下頻點各25*5-1=124個.  GSM1800 下下行頻點各 75*5-1374個.

GSM900載頻點 f(n)=890+0.2n(MHz)

GSM1800載頻點f(n)=935+0.2n(MHz)

每個載頻點可以通過各自的中心頻率將信號載波傳輸.

對于一個基站(一個有向天線區域), 同時連接N個手機通信時, 不同的手機在通信時使用不同的載頻.

2. 時分復用 .

一個載頻點(200KHZ帶寬) 構成一個實際的物理信道.

手機(MS)與基站收發系統(BTS)通信時, 雖然是約定了物理信道(載頻)來通信, 但是并不是全部獨占. 物理信道又分成N(8)個時隙. 這樣每個手機其實相當于只占用了1/8的傳輸帶寬.

這里為什么是8個時隙? 應該是帶寬分配的原因200KHZ帶寬, 根據奈奎斯特帶寬最大理論傳輸速率2XB 也就是400Kbps . 實際270Kbps左右. 而每路語音在TCH(業務信道)上的調制速率為33.8kbps. 33.8 x8 =270.833.剛好夠分8個時隙.

奈奎斯特帶寬 Cmax=2×B×log2L  L 是攜帶數據的碼元取值. 我的理解是 L 取決于碼元通過調輻調相調頻每次最小可以傳輸的bit數. 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, 香農定律這個最大容量,目前貌似還不明確應該如何實現它..

經過頻分和時分復用. 能同時連接的終端數量 大致可以看作是 小區分配的載頻數 X 8 , 當然有更細致的算法. 主要是信道分配問題. 并不是所有的物理信道都是用于實際語音傳輸的TCH(業務信道). 另外有一些控制信道.

3. 跳頻

基站和終端 以約定的規律 在下一個時隙跳轉到指定的載頻上傳輸.

4. 交織

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

5. 降低功耗 技術

DRX DiscontinuousReception  非連續接收     手機被分成尋呼組, 尋呼組的手機只在約定的時間周期開啟接收, 檢測廣播信道是否有本機的消息.

DTX DiscontinuousTransimission 非連續發送  在通話時, 只有40%是有話音傳輸的.(統計) 只在說話的時候傳輸.

-------------------------------------------------------------------------------------------

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業務信道和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，使移動臺能調到相應的頻率上.

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 : 廣播小區信息如位置區識別號(LAI) , 小區識別號(CGI) 小區頻率列表 鄰近小區描述 等等.

手機開機時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 (隨機接入信道上行)

DCCH 專用控制信道 , 又分為

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

伴隨信道（ACCH） 提供周期性信息傳輸 (不細究)

粗略理解的情景:

1. 手機開機 后, 先得同步FCCH、SCH、BCCH , 才能知道自己身處的小區環境, 如何與基站通信.

2. 通過RACH 信道向小區基站報道. 通過DCCH和廣播信道, 周期性的溝通信息.

3. 有電話通知的時候 , 基站通過PCH/AGCH 尋呼.

4. 通過TCH信道傳輸語音.

-------------------------------------------------------------------------------------------

關于SIM卡

SIM卡內部 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卡內部 ROM存儲的內容:

其中比較關鍵的是IMSI和Ki , IMSI (International Mobile Subscriber Identity) 國際移動用戶識別碼. Ki 是鑒權 加密相關的數據.

中國目前主要還是單獨的SIM卡, 卡機分離. 方便用戶換機方便..

如果物聯網nb-iot的話, 估計會大量推廣eSIM. 也就是直接一個芯片, 焊接在PCB上即可.

-------------------------------------------------------------------------------------------

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換到中頻, 以方便放大處理. 不會影響其攜帶的信號解調.

-------------------------------------------------------------------------------------------

GSM網絡結構

WCDMA 網絡與接口示意圖

-------------------------------------------------------------------------------------------

GSM編號計劃

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

簡單點就是平時用的手機號,前面加上國家碼(86)

比如手機號 86 13578720572

CC = 86 (國家碼)

NDC = 135 (移動接入碼)

SN =78720572  用戶碼.

• IMSI, International Mobile Subscriber Identity  國際移動用戶標識碼

• IMEI, International Mobile Equipment Identity)  國際移動設備標識碼

與SIM卡無關, 移動設備的串號. 唯一的標識一臺移動設備如手機平板之類.

上圖中所謂的bit是不是二進制的位. 是十進制的位. 在手機中可以查看IMEI號. 設置--> 關于手機中. 或者拔號"*#06#"

-------------------------------------------------------------------------------------------

基站信息(GSM)

CGI 全球小區識別碼

小區信息在手機定位中會用到.

手機app通過獲取小區基站信息(MCC MNC LAC CI ) + BSSS (基站信號強度) , 通過地圖服務器來查詢當前位置.

另外,

CDMA基站和4G基站, 也有相關的編碼參數:

CDMA基站: 

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

SID 是系統識別碼，每個地級市只有一個sid，是唯一的。

NID是網絡識別碼，由各本地網管理，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的小區全球標識 ECGI

ECGI =(PLMN ID) + (Cell Identity)

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

Cell Identity（小區標識）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（ITU）統一分配和管理，唯一識別移動用戶所屬的國家，共3位，中國為460;　　

MNC:  Mobile Network Code，移動網絡碼，共2位，中國移動TD系統使用00，中國聯通GSM系統使用01，中國移動GSM系統使用02，中國電信CDMA系統使用03

通過MNC EnodeID 還有Cell ID , 可以進行LTE基站定位.

文章為個人(非通信專業人士)了解無線通信相關基礎用.

vivekchen@qq.com