通信系统概述–模拟信号转数字信号

采样

奈奎斯特采样定理：如果一个信号带限（即它的傅里叶变换在某一有限频带范围以外均 为零），如果采样的样本足够密集（采样频率大于信号带宽的两倍），那么就可以无失真 地还原信号。

量化

均匀量化：输入信号等距离分割的量化称为均匀量化。

非均匀量化：均匀量化的问题在于，对于小信号而言量化误差变大，大信号量化误差 小。非均匀量化算法目标使小信号量化幅度绝对值减小，大信号相对增大，以此减小 整体误差，常采用对数式压缩。常见有A律13折压缩。

经过采样和量化，模拟信号变成了一堆量化的电平值，接下来目标是为了进一步编码得到二进制的比特流编码

量化信源编码

信源编码以提高通信有效性为目的。

PCM编码：16个量化区间，-4V~4V, 0.5V为间隔，4位二进制编码，从0000~1111，首位可以判断极性。

DPCM编码：差分编码调制，若f(t)>f(t-1)发1，若f(t)<f(t-1)发0。

量化信道编码

信道编码以提高信息传输可靠性为目的。线性分组码、卷积码、Turbo码、奇偶校验码 等。

检错重发法：错了就重发，发到正确为止。

前向纠错法：接收端能发现错码并纠正。

反馈校正法：把收到的东西原封不动发回发送端，发送端觉得没问题就没问题。

调制

目的：①将信号迁移到适合传输的频率（与信道匹配）。②电磁波的频率与天线尺寸匹配：一般天线尺寸为电磁信号的1/4，频率小，天线成本低。③在高频段更易于采用频分复用。

幅移键控（ASK，Amplitude Shift Keying）：易收到突发脉冲的影响。

频移键控（FSK，Frequency Shift Keying）

相移键控（PSK，Phase Shift Keying）

 

信道与信道容量

无噪声完美信道—奈奎斯特定律

有噪声真实信道—香农定律（提供信道容量极限的理论支持）

无线信道的衰落

大尺度效应：电磁波的电场随传播距离变大二减弱。

小尺度效应：移动台在极小范围内移动时接受电平平均值的变化起伏趋势。

多径效应：同一传输信号沿多路径传播，然后互相干扰。瑞森衰弱

 

GSM空中接口技术

复用技术

空分复用：按照空间将大区域分为小区域

频分复用：将890~915MHz的频段均匀划分为124块，每块200kHz

时分复用：类似于进程调度

码分多址：CDMA技术。通过扩频和扩频码，让一串信息给多个用户服务。

如何应对多径效应及瑞利衰落

应对瑞利衰落

信道编码：增加信息的冗余度

1. 语音编码：采用了13kbit/s的RPE-LTP（规则脉冲激励–长期预测）混合编码技术。 包含LPC（线性预测编码）、LTP（长期预测）和RPE（规则脉冲激励）。通过语音在 20ms内变化极小的特点的信号预测技术。语音编码本质上属于信源编码，每 20ms的 比特为260bit。
2. 全速率TCH信道编码：将260bit分为三类，50个最重要比特、132个重要比特、 78个不重要比特。先对50bit加上3bit的奇偶校验位，然后连同132个重要比特和 4 个尾比特进行1：2卷积编码（53+132+4）x2=378bit，另外78bit不保护。一共得 378+78=456bit。每20ms发送456bit，即22.8kbit/s。
3. LAPDm帧的编码：一个LAPDm帧有23B，即184bit，为了和突发脉冲相适应，需 要像TCH一样生成456bit。首先给184bit加上40bit的循环纠错码，再加上4bit尾 位， 进行1：2卷积，得到456bit。
4. SCH信道的编码：有效消息字段为25bit，19bit帧号，6bit的BSIC号，然后1：2卷 积，得到78bit。
5. RACH（随机接入信道）信道编码：由8个消息比特组成，3bit建立原因，5bit随机 鉴别符。然后加上6bit色码（将6bit的BSCI和6bit的奇偶校验码取模二获得），加上 4bit尾位。然后1：2卷积，得到36bit的信息位
6. 交织技术：时间分集，用于克服信道编码不能还原长串信息丢失的弱点。将码字的b 个比特分散到n个帧中，以改变比特间的邻近关系，n越大，传输特性越好，但传输时 延越高。
7. 跳频技术：频率分集，降低瑞利衰落发送的可能性，以及将干扰平均化。分为基带 跳频和射频跳频，将信息分散到多个频点中。
8. 训练序列：GSM中确立了8种训练序列，通过BSIC=NCC（3bit）+BCC（3bit），通过 BCC 位来表示小区采用的训练序列。每20ms的TCH突发脉冲需携带26bit的训练序列。

分集技术

应对多径效应带来的时间色散

目的：测算无线信道特点，进行参数校正。

避免时隙干扰：

1. 增加时间提前量TA（Time Advance）：手机不停测量时延值，然后通过SACCH信道 发送给基站，每0.5s发送一次，GSM中的TA是以比特来计算的。
2. 功率控制：由BSC控制。没接入前，BCCH广播提示了最大的信道发射功率。建立 连接后，通过SACCH提交及接收发射功率。
3. 不连续发射（DTX）：40%关键信息全速率传输，60%无关信息低速率传输。
4. 不连续接收：每个手机根据分组接收“寻人启事”，根据IMSI号分组。

降低手机功耗及对系统的干扰

 

第四章 商业蜂窝通信系统的典范—GSM

GSM网络组成及接口

NSS：Network Switched Subsystem，交换子系统。主要完成交换功能和用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。

1. MSC：业务交换中心。GSM的核心，是对于它所覆盖区域种的移动台进行完全控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其他公用通信网之间的接口。它可完成网络接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可以完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个MS还应 能完成网关MSC（GMSC）的功能，即查询位置信息的功能。
2. VLR：访问位置寄存器，是一个数据库，存储MSC为了处理所管辖区域中MS的来话、去话呼叫所需检索的信息，例如用户的号码、所处位置区域的识别、向用户提供的服务 等参数。
3. HLR：归属位置寄存器，也是一个数据库，存储管理部门用于移动用户管理的数据。每个移动用户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记，主要存储两类信息：一是有关 用户的参数；二是有关用户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，例如MSC、VLR地址等。
4. AuC：鉴权中心。用于产生为确定移动用户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随即号码RAND、符号响应SRES、密钥Kc）的功能实体。
5. EIR：移动设备识别寄存器。也是一个数据库，存储有关移动台设备参数，主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防非法移动台的使用。
6. BSC：基站控制器，主要负责无线网络资源管理、小区配置数据管理、功率控制、 定位和切换等。
7. BTS：基站收发信机。无线接口设备，完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无限与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等。
8. SIM卡：包含IMSI号和Ki号。Ki号伴随IMSI号产生，通过A3算法得到一个数值用于鉴权，然后通过A5和A8算法加密。SIM卡包含IMSI号、Ki号、A3、A5、A8、位置区域号（LAI）、TMSI号、位置状态更新、BCCH等信息

BSS：Base Station Subsystem，基站子系统。

MS：Mobile Station，移动台，即用户手机。包含SIM卡。

 

其他：

OMC：Operations&Maintenance Center，操作维护中心。主要对整个GSM网络进行管理和监控。通过它实现对GSM网内各种功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。

其他网络：

PSTN：Public Switched Telephone Network，公用电话交换网。

PLMN：Public Lands Mobile-communication Network，公用陆地移动通信网。

 

 

 

GSM中的接口图（重点为三大接口）

 

A接口：MSC-BSC

Abis接口：BSC-BTS

Um接口：BTS-MS

手机和BTS

手机与点对点通信

1. 天线：收发电磁波。
2. 低噪声放大电路：信号放大。
3. 射频滤波器：过滤掉没用频率，只保留GSM900所在频段信号。
4. 超外差电路：把高频信号降下来变成中频信号，然后进行放大和选频的电路。

劳模CTU和它的团队—BTS

CTU：Compact Transceiver Unit，紧凑型收发单元。完成电台需要的“语音编码、语音解码、信道编码、信道解码、交织、去交织、调制、解调、加密、解密、功率放大、生成频率、跳频、监视信号强度”等功能。

天线：收发信号。

双工器：低噪声放大和RF滤波，测量电压驻波。

合路器：把来自载频的信收到一起，发送给天线；把天线发来的信号，拆开分发给载频。

BTS体系架构

1. 通过Abis接口和上级BSC通信。
2. CM数据库（Configuration Management Database），目的：①岗位说明书：一个分公司分配几个主控板，几块载频，载频该分配哪些频点。②企划书：分公司办公楼的规格（机柜类型）、分公司全球识别号（CGI）、位置区表示（LAI）等。
3. TEI标签（Terminal Endpoint Identifier），方便BSC越过BTS主控板直接和载频通信。
4. 时钟
5. 本地总线

计算机与通信的交融—BSC

BSC中的总线

主要为BSS（BSC System，个人猜测）提供全面控制，控制并管理者相关BTS，并与OMC以及MSC存在接口以便完成之间的通信。

1. 动态交换

通信交换过程包含两块配置

①信道配置：BSC自己解决，为移动站分配信道。通过交换矩阵来完成。手机在BSC所属小区内进行切换无需惊动MSC，BSC可通过内部交换时隙和端口完成。

②陆地电路配置：搭建陆地电路连接到MSC，这个电路分配由MSC来做。

交换功能就是把每个BSC配置的信道与正确的MSC配置的电路连接起来。

2. 陆地接口：作用是往前串联BTS，往后串联MSC。

3. 链路控制：链路控制处理器的主要工作是维护对每个BTS的通信及对MSC的通信。 此外，它还在BSS中进行全面的话务管理，以确保通话传输正确，并可提供给MS最佳的小区以实现通信。它包含两个部分：

(1) 和BTS的通信—GSM话务处理

BSC的GSM话务处理对第三层话务管理操作负责，包括连接信令（到特定的MS称为连接信令）和无连接信令（如复位、负载限制、阻塞相关的信息）。这些消息是通过无线信令链路（RSL）把BSC通话处理连接到BSS内BTS相关的GSM通话过程。连接信令和无连接信令这两个GSM话务处理部分共同维护话务的连续。

(2) MSC链路处理

MSC链路处理就是要完成MSC和BSC之间的通信，所采用的是消息传递链路（MTL）。这个处理过程MSC接口所要求的第二层和第三层消息协议。MTL携带与话务处理和操作状态相关的信息。

1. 同步时钟
2. 消息传递链路（MTL）：存在于MSC与BSC之间，提供所有的控制信息。
3. 无线信令链路（RSL）：存在于BSC和BTS之间。主要为BTS上的话务处理软件进行支持，允许BSC向BTS发送和接收控制信息。也支持统计信息的收集和故障报告工作。

BSC中的链路

(1) RSL的主要作用有以下两点：

① 实现MS与BSC的业务管理消息互通。

② 在BSC的控制下完成一部分无线资源管理功能。

(2) 对于MS与BSC之间的业务管理消息，从处理角度又分为两种：

① 透明消息，即不需要BTS解释或处理而直接转发的消息。

② 非透明消息，包括只在BSC和BTS之间传递的消息和BTS必须处理或是由BTS构造的消息。

(3) 业务管理消息从功能的角度来划分又可以分为以下四组：

① 无线链路管理消息。用于管理无线路径上的数据链路层，包含链路请求、建立、释放；确认认证方式和非确认证实方式下透明Um接口第三层消息的转发。

② 专用信道管理。用于专用信道（SDCCH和TCH）的管理，包含专用信道的激活、信道模式的改变、加密和功率控制等。

③ 公共信道管理。用的公共控制信道（CCCH）的管理，包含激活、信道模式改变、加密和功率控制等。

④ 载频的管理消息。用于载频信息的管理，包含SACCH的系统消息管理、流量控制、错误报告、无线资源指示。

1. 操作与维护链路（OML）

用于BSS和OMC之间的控制和通信。OMC用OML完成以下工作：

(1) 加载软件

(2) 加载配置参数

(3) 发送消息到BSS，并从那接收消息

(4) 从BSS收集统计消息

(5) 故障/事件管理

1. 小区广播链路（CBL）

存在于BSC和小区广播中心（CBC）之间。把来自外部GSM网络的短消息服务（SMS）小区广播消息传递到BSC。

2. 变码器基站链路（XBL）

将Abis接口的16kbit/s的信道进行复用，组合成适合在A接口传输的64kbit/s的PCM链路。

 

 

以上链路由GPROC进行处理，类似电脑的CPU。

3. BSC结构解释

 

 

 

 

(1) KSW：Kiloport Switch Board，千端口交换板。进行时隙交换。

(2) GPROC：处理链路信息。

(3) LAN总线/LANX：令牌环网，CPU之间总线控制权的分配。

(4) GCLK：时刻表，Generic Clock Board，通用时钟板。

(5) XCDR：变码器，将不同速率传输的码进行调制。

(6) MSI：Mutiple Serial Interface，用于控制接口的串/并联转换。

(7) MCAP：Motorola Cell Advance Processor，摩托罗拉单元高级处理器。用于对部件工作状态进行监控和管理。

 

交换子系统（NSS）

1. 移动交换中心—MSC

MSC的主要工作有：

(1) 完成话音的接续功能，包括被叫用户所在地查询与寻呼、信道的分配、话务量控制以及计费等功能。

(2) 作为网络的核心，配合HLR/AUC和VLR完成移动用户位置登记、自动漫游、合法性检验等

(3) 配合BSC完成跨BSC的切换，通过信令指示无线信道的建立和释放。

(4) 提供面向系统其他功能实体和面向固定网（PSTN、ISDN等）的接口功能。

2. 三个重要数据库

(1) GSM中的根DNS—归属位置寄存器（HLR），包含用户号码、IMSI、Ki、优先级等。移动动态信息包括用户的位置信息。

(2) 访问位置寄存器（VLR）

(3) 鉴权中心（AuC）

 

GSM编号

1. 移动台的国际ISDN号码（MSISDN）
2. 国际移动用户识别码（IMSI，International Mobile Subscriber Identity）
3. 移动台漫游号码（MSRN， Mobile Station Roaming Number）
4. 切换号码（HONR）组成和MSRN相同
5. 临时移动用户识别码（TMSI，Temporary Mobile Subscriber Identity）
6. 国际移动台设备识别码（IMEI，International Mobile Equipment Identity）
7. 位置区识别码（LAI）
8. 全球小区识别码（CGI）
9. 基站识别码（BSIC）

 

空中接口物理层设计

TDMA空中接口技术

1. 突发脉冲与时隙：突发脉冲长度为156.25bit，频谱占据200kHz。时隙间隔0.577ms，即15/26ms。

(1) 普通突发脉冲序列：用于携带业务信道（TCH）及除RACH、SCH、FCCH控制信道上的信息。

(2) 频率校正突发脉冲序列：用于FCCG，使MS校正自己振荡器的频率并锁定到BTS的频率。

(3) 同步突发脉冲序列：用于MS和BTS之间时间同步。在SCH上发送。

(4) 接入突发脉冲序列。用于MS的随机接入，

(5) 空闲突发脉冲序列：BCCH空闲的时候发的脉冲。

2. TDMA帧：一个帧包含8个时隙。

(1) 26帧的复帧：包含26个TDMA帧，120ms。用于TCH（包括跟随TCH的SACCH和FACCH）。

(2) 51帧的复帧：持续235.385ms。用于携带BCH和CCCH，专用于控制信道。

(3) 超帧（Superframe）：容纳26和51复帧，达到26×51=1326帧，6.12s。

(4) 巨帧（Hyperframe）：包含2048个超帧，持续3h28min63s760ms

 

突发脉冲的应用

 

控制信道列表

1. 客运火车—业务信道（TCH）：承载语音信息。

2. 候车厅的大喇叭—FCCH：下发142位全0比特用于MS校正频率。

3. 现在是北京时间八点整—SCH：携带MS帧同步信息（TDMA帧号）和BTS识别码（BSIC），用于MS和BTS之间同步。

4. “我的地盘，我做主”—BCCH：广播各种信息，包含位置识别号（LAI）、小区识别号（CGI）、本小区使用频率、邻近小区描述、随机接入控制信息、小区选择参数、控制信道描述、小区选项。

5. 想上车，先买票—RACH/AGCH：通用控制信道，还未建立起连接称为通用。

(1) 随机接入信道（RACH，Random Access Channel）

MS通过此信道申请分配一个独立专用控制信道（SDCCH）

(2) 允许接入信道（AGCH，Access Grant Channel）

AGCH用于为MS分配一个独立专用控制信道（SDCCH）

6. “xxx，你的家属在广播室找你”—PCH：寻人启事

(1) 寻呼信道（PCH，Paging CHannel）：用于寻呼MS

(2) 小区广播信道（CBCH，Cell Broadcast CHannel）：PCH以位置寻呼（IMSI），CBCH以小区广播。

7.列车导乘员—SDCCH：手机建立连接后先占用SDCCH和网络交换信息，等到网络分配TCH，在呼叫建立过程中传送系统信令，在此期间进行登记和鉴权。

(1) 位置更新

(2) 周期性位置更新

(3) IMSI分离和附着

(4) 呼叫建立

(5) 点对点短信息

8. 列车服务员—FACCH/SACCH：连上TCH以后的控制信道，传输控制信令

(1) SACCH：慢速信道，传递MS接受的服务小区及隔壁小区信号强度测试报告，链路质量报告，对于MS的切换很重要。

(2) FACCH：快速随路控制信道，通过偷TCH的帧完成，因为慢速信道太慢。

 

GSM第三层协议

GSM第三层协议包含无线资源管理（RRM，Radio Resource Management）、移动性管理（MM，Mobility Management）和接续管理（CM Connection Management）

无线资源管理（RRM）

RRM得主要功能是协调MS与MSC之间得传输，对每个申请通信得MS，建立起一条自MS至MSC得传输路径和信令路径。

RRM得初始化阶段

1. MS有两种工作模式：空闲模式和专用模式。

(1) 空闲模式：网络选择、小区选择、小区重选、位置更新。

(2) 专用模式：寻呼、立即指配、鉴权加密、主叫、被叫、短消息、切换、信道模式改变、链路释放、呼叫重建、功率控制等事件。

从空闲模式向专用模式转换得过程就进入了RRM初始化阶段。接入过程包含两种方式：

(1) 由MS发起（MS主叫或位置更新）

(2) 由网络侧发起（MS被叫）

2. MS的接入方式

要和被叫进行通信必须先让被叫接入网络，MS在空闲模式一直监听寻呼信道（PCH信道）的寻呼信息。当它听到寻呼自己的时候，发起连接，接入网络。

MS的接入方式如下：MS通过在随机接入信道(RACH)上发送一个消息要求接入网络，网络通过接入许可信道（AGCH）发送立即指配（Immediate Assignment）作为响应，为该MS指定一条专用信道。RACH信道工作在0号时隙通用控制信道的上行方向，属于众多MS共享的资源。RACH借鉴了局域网的ALOHA协议避免信号碰撞现象。

寻呼过程（Paging）是网络侧用来出发MS进行RR连接的方式，需要先确定MS的位置。方法：MSC负责向BSC提供被叫用户的IMSI号，BSC会组织寻呼要覆盖的小区表；其次，BSC要编组和安排寻呼信息的发送和重复次数，确定被叫IMSI号与寻呼子信道之间的关系，然后选择合适的寻呼信道发送信息。

注意：寻呼信道是下行公共信道控制的一部分，属于某个用户的寻呼信息总是同一寻呼子信道上发送。这样可以降低手机空闲状态的接受信息量，减少功耗。

多宽的车走多宽的路—RR的传输管理

专业词汇缩写：

GSM：

IMSI：International Mobile Subscriber Identity，用户标识，相当于sim卡的身份证号。

SIM卡：

CDMA:

SDM：空分复用

LAPDm：空中接口的数据链路层协议。被应用在BCCH、PCH、AGCH、SDCCH、FACCH、SACCH上。

MSC：Mobile Switching Center，移动交换中心。

GSM网络构成组件

NSS：Network Switched Subsystem，交换子系统。

MSC：业务交换中心

VLR：访问位置寄存器

HLR：归属位置寄存器

AuC：鉴权中心

EIR：移动设备识别寄存器

BSS：Base Station Subsystem，基站子系统。

BSC：基站控制器

BTS：基站收发信机

MS：Mobile Station，移动台。

OMC：Operations&Maintenance Center，操作维护中心。

其他网络：

PSTN：Public Switched Telephone Network，公用电话交换网。

PLMN：Public Lands Mobile-communication Network，公用陆地移动通信网。

 

信道，主要是指具体的物理方面的东东，具有特有的电器特性的能传输信号的物质，当这个物质用来传输信号的时候，它就叫信道。比如同轴电缆、双绞线、光纤、微波等，在它上面跑的东东，我们叫它信号。在这个层面，研究的是电压的高低、光波的长短、频率的高低等等。

链路，是指两节点之间建成的为了传输数据的通路，这条通路中间很可能经过不同的N个信道，比如几条电缆、又几条光纤，两点之间一但连通，就成了一条链路，在它上面跑的东西，我们叫它数据。