移动通信网的几个基本概念

此为阅读《大话移动通信》时所作笔记。

如何给所有用户划分资源 -- 几种复用技术

由于频段资源十分宝贵，不可能给每一个用户划分自己的频段。为了满足一个地区内大量用户的使用，提出了空分复用的概念。

空分复用(SDM)：降低基站的覆盖半径，不同的基站使用相同的频段。

这样，一个基站负责的用户数量可以大大减少，即使每个用户分配单独频段，频段资源也够用。
然而，用空分复用需要建大量基站，而基站的建设费用很高。而且基站数量多会带来互相干扰、切换等问题。因此又提出了频分复用的概念。

频分复用(FDM)：把一段频谱切成N块，每块分给一个载波，让载波去承载用户。载波也可理解为载频。一个载频只能与一个用户传递信息(假设没有时分和码分)。

载频可以理解为一个电台，主要工作之一也就是发射信号。
但一个电台能给很多人发信号，一个载频却只能给一个用户服务，成本依然很高。因此又提出了时分复用的概念。

时分复用(TDM)：把载波作为资源，按时间进行切片，分成多个时隙(time slot)。一个人占用一个slot。

这几个复用，再加上码分复用，就是当今主要的几种复用技术。应用这些技术，基本解决了为大量用户分配资源的问题。

其他的一些问题

但是，即使解决了资源分配的问题，基站与手机之间还存在其他问题。

由于基站与手机的距离在不断变化，基站应该用多大的功率与手机通信？这个问题相当于两个人应该以多大音量对话。离得近了嫌声音大，离得远了又嫌声音小。在基站与手机间，用信噪比(SIR)来衡量功率大小。若SIR低于自己的标准，就要求对方提高，高于此值就要求对方降低。 这个问题，需要手机与基站之间通过反馈机制不断地调整。此为功率控制。

要满足手机随时通信的功能，需要手机能够随时准备接受基站的寻呼消息。就像课堂上点名，虽然没点到你，但你得一直听着。 而降低手机功耗最重要的，就是降低待机时的功耗。为了降低功耗，采用了DRX(不连续接收)技术。相当于课堂上点名时按照班级的顺序来，没点到你的班级时，你就不用专心听点名了。无线通信系统里面，按照IMSI号对用户进行分组。每组用户只在轮到自己寻呼时才上去监听消息。

基站与手机通信时，时间的同步非常重要。它们同步时间，采用的是SFN(System Frame Number系统帧号)。如消息1承载在2046号帧上，消息2承载在4096号帧上，那么它们相差的时间就是2050个帧。若你想用人类生活中的时间来度量，只需要知道通信系统中帧的帧长为多少即可。

基站之间的管理

基站数量众多，手机怎么知道它在哪个基站内？如何知道基站的信息？此问题引出了“广播”概念。

手机的位置在不停地变化。有电话打给你的时候，怎么找到你？此问题引出了“寻呼”的概念。

从一个基站的范围走到另一个基站的范围，怎么保持通话？此问题引出了“切换”的概念。

自己的号码会被盗吗？会被窃听吗？此问题引出了“鉴权与加密”的概念。

以上4个概念，是构成移动通信网最基本的元素。

广播：手机要找到基站并与其建立联系，全靠基站主动广播消息给它。
基站广播的内容为：频率校正信号(导频信号)，同步信号(如时间同步)，然后是基站标识、空中接口参数(基站使用哪些频率、属于哪个位置区、手机选择该小区的优先级)。手机觉得合适就接入，觉得不合适就换另外的基站。
相邻基站的广播要想不互相干扰，

• GSM采用的办法是不同基站采用不同频率进行广播。这样手机要想听到广播就得扫描频段来发现它，就想调收音机来发现电台一样。
• CDMA采用的办法是扰码。由于CDMA中基站采用统一频率，手机固定去该频率收听广播。采用扰码，相当于不同人用不同的语言说话，相互不干扰。

寻呼：就像我们出门会给家里报平安一样。我们的手机监听广播信息得知自己所在的位置区，当发现自己的位置区发生变化时，就主动上报自己的位置。无线网络收到手机的位置变更消息后，将其记在位置寄存器中。当无线网络收到对该手机的被叫请求后，就首先查找位置寄存器，再将请求发到对应位置区的所有基站，由这些基站对手机寻呼。
当你的手机无法联网时(如没电、SIM卡拔出、进入无网络区)，继续对你寻呼无疑是浪费网络资源。为避免此情况，我们要求手机每隔一段时间汇报一次自己的位置。逾时未报的，默认其断网，不再对其寻呼。

切换：分为硬切换和软切换。

• 硬切换：先断开与一个基站的连接，再与另一个基站连接。
• 软切换：同时与相邻两个基站连接。当从一个基站彻底进入另一个基站时，再断开之前的连接。

由于GSM中，邻区工作频点不一样。要完成切换，必须更改当前信号滤波器的频段，调谐到新基站的频率，才能与其通信，因此必然有个先断后连的“硬切换”过程。 一定要做软切换也可以，需要在终端上增加一套射频处理单元，这增加了成本。
CDMA中，它的载频都在一个频段，软切换就很简单。但其因为系统扩容上了二载频、三载频后，也面临只能硬切换的问题。

如何判断何时需要切换？主要指标是信号强度。手机信号有几格就代表信号强度好坏。
切换时会涉及多个基站，每个基站不了解其他基站的情况。因此需要将终端以及基站测量的信号强度上报给基站控制器，由它来决定是否进行切换。

鉴权与加密：用户购机入网时，SIM卡对应的IMSI号和用户鉴权键被一起分配给用户，同时在核心网鉴权中心AuC里也存了这两个值。IMSI号对外可见，不可见。
手机入网时，由和随机值(为了防窃听)，通过鉴权算法A3生成一个SRE值，该值以及IMSI，作为鉴权凭证。
随机值是由GSM网络生成，传给手机的。
有了鉴权，就能保证接入的用户不是非法用户。但是，还存在信号被窃听的问题。
同样，也是和随机值这两个参数，通过A8算法，生成了加密密钥，与话音信号进行异或，得到了加密的比特流。