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.
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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
