无线通信基础资料总结1 之 GSM

最近在关注物联网NB-IOT的技术,无线通信这部分有一些基础概念需要了解一下.

这里总结关于无线通信(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. 频分多址  

GSM分配的频段 GSM900 和 GSM1800 .

GSM900   ----  890M - 915M (上行频段)   935M - 960M (下行频段)  各25M带宽

GSM1800 ----  1710M - 1785M (上行频段) 1805M-1880M (下行频段) 各75M带宽

载频带宽200KHZ . GSM900 上下频点各25*5-1=124个.  GSM1800 下下行频点各 75*5-1374个.

GSM900载频点 f(n)=890+0.2n(MHz)

GSM1800载频点f(n)=935+0.2n(MHz)

每个载频点可以通过各自的中心频率将信号载波传输.

对于一个基站(一个有向天线区域), 同时连接N个手机通信时, 不同的手机在通信时使用不同的载频.

2. 时分复用 .

一个载频点(200KHZ带宽) 构成一个实际的物理信道.

手机(MS)与基站收发系统(BTS)通信时, 虽然是约定了物理信道(载频)来通信, 但是并不是全部独占. 物理信道又分成N(8)个时隙. 这样每个手机其实相当于只占用了1/8的传输带宽.

这里为什么是8个时隙? 应该是带宽分配的原因200KHZ带宽, 根据奈奎斯特带宽最大理论传输速率2XB 也就是400Kbps . 实际270Kbps左右. 而每路语音在TCH(业务信道)上的调制速率为33.8kbps. 33.8 x8 =270.833.刚好够分8个时隙.

奈奎斯特带宽 Cmax=2×B×log2L  L 是携带数据的码元取值. 我的理解是 L 取决于码元通过调辐调相调频每次最小可以传输的bit数. 一个码元可以表示0或1, 也可以表示00,01,10,11. 波特率和比特率本身不一样.

另外有一个香农定理 Cmax= B* log2(1+S/N)  . S/N 是信噪比.  , 这个 ... 貌似和奈奎斯特带宽有冲突, 香农定律这个最大容量,目前貌似还不明确应该如何实现它..

经过频分和时分复用. 能同时连接的终端数量 大致可以看作是 小区分配的载频数 X 8 , 当然有更细致的算法. 主要是信道分配问题. 并不是所有的物理信道都是用于实际语音传输的TCH(业务信道). 另外有一些控制信道.

3. 跳频

基站和终端 以约定的规律 在下一个时隙跳转到指定的载频上传输.

4. 交织

把码字的连续多个比特分散到多个帧里面去, 减小相关性. 避免信道传输问题引起的大片信号丢失.

5. 降低功耗 技术

DRX DiscontinuousReception  非连续接收     手机被分成寻呼组, 寻呼组的手机只在约定的时间周期开启接收, 检测广播信道是否有本机的消息.

DTX DiscontinuousTransimission 非连续发送  在通话时, 只有40%是有话音传输的.(统计) 只在说话的时候传输.

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GSM的信道划分

这里面是逻辑信道. 与具体的物理信道又不完全相同. 尤其是控制信道.

粗略的可以分为TCH业务信道和CCH 控制信道

频率校正信道（FCCH）： Frequency Correction Channel 初步同步 向移动台传递频率校正信号，使移动台能调到相应的频率上.

同步信道SCH (Synchronization Channel) :给出了MS需要同步的所有消息及该小区的TDMA帧号（22bit）和基站识别码BSIC号（6bit）.

广播控制信道(Broadcast Control Channel) BCCH : 广播小区信息如位置区识别号(LAI) , 小区识别号(CGI) 小区频率列表 邻近小区描述 等等.

手机开机时依次同步上的信道是：FCCH、SCH、BCCH。

CCCH 通用控制信道 , 包括 PCH (寻呼信道下行) AGCH (允许接入信道 下行) RACH (随机接入信道上行)

DCCH 专用控制信道 , 又分为

独立专用控制信道（SDCCH）：传输移动台和基站连接和信道分配的信令；还携带呼叫转移和短消息信息。

伴随信道（ACCH） 提供周期性信息传输 (不细究)

粗略理解的情景:

1. 手机开机 后, 先得同步FCCH、SCH、BCCH , 才能知道自己身处的小区环境, 如何与基站通信.

2. 通过RACH 信道向小区基站报道. 通过DCCH和广播信道, 周期性的沟通信息.

3. 有电话通知的时候 , 基站通过PCH/AGCH 寻呼.

4. 通过TCH信道传输语音.

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关于SIM卡

SIM卡内部 是由MCU +RAM+ROM组成的.

SIM卡有PIN码和PUK码. Pin可以用来锁定SIM卡, PUK码是解锁.

SIM卡内部 ROM存储的内容:

其中比较关键的是IMSI和Ki , IMSI (International Mobile Subscriber Identity) 国际移动用户识别码. Ki 是鉴权 加密相关的数据.

中国目前主要还是单独的SIM卡, 卡机分离. 方便用户换机方便..

如果物联网nb-iot的话, 估计会大量推广eSIM. 也就是直接一个芯片, 焊接在PCB上即可.

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GSM 无线接收 信号路径 从射频到基带信号的典型过程.

混频器 是将射频信号从高频转换到中频, 以方便放大处理. 不会影响其携带的信号解调.

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GSM网络结构

WCDMA 网络与接口示意图

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GSM编号计划

• MSISDN (Mobile Station International ISDN Number)  移动台国际ISDN号码.

简单点就是平时用的手机号,前面加上国家码(86)

比如手机号 86 13578720572

CC = 86 (国家码)

NDC = 135 (移动接入码)

SN =78720572  用户码.

• IMSI, International Mobile Subscriber Identity  国际移动用户标识码

• IMEI, International Mobile Equipment Identity)  国际移动设备标识码

与SIM卡无关, 移动设备的串号. 唯一的标识一台移动设备如手机平板之类.

上图中所谓的bit是不是二进制的位. 是十进制的位. 在手机中可以查看IMEI号. 设置--> 关于手机中. 或者拔号"*#06#"

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基站信息(GSM)

CGI 全球小区识别码

小区信息在手机定位中会用到.

手机app通过获取小区基站信息(MCC MNC LAC CI ) + BSSS (基站信号强度) , 通过地图服务器来查询当前位置.

另外,

CDMA基站和4G基站, 也有相关的编码参数:

CDMA基站: 

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

SID 是系统识别码，每个地级市只有一个sid，是唯一的。

NID是网络识别码，由各本地网管理，也就是由地级分公司分配。每个地级市可能有1到3个nid。

BID 基站ID

LTE的小区全球标识 ECGI

ECGI =(PLMN ID) + (Cell Identity)

PLMN(Public Land Mobile Network，公共陆地移动网络)，由MCC(Mobile Country Code，移动用户所属国家代码)+MNC(MobileNetworkCode，移动网络代码)组成。

Cell Identity（小区标识）由EnodeB ID+Cell ID组成。其中包含28bit信息，前20bit表示EnodeB ID，后8bit表示Cell ID。

MCC：Mobile Country Code，移动国家码，MCC的资源由国际电联（ITU）统一分配和管理，唯一识别移动用户所属的国家，共3位，中国为460;　　

MNC:  Mobile Network Code，移动网络码，共2位，中国移动TD系统使用00，中国联通GSM系统使用01，中国移动GSM系统使用02，中国电信CDMA系统使用03

通过MNC EnodeID 还有Cell ID , 可以进行LTE基站定位.

文章为个人(非通信专业人士)了解无线通信相关基础用.

vivekchen@qq.com