1、大话移动通信,1,电台的梦想点对点的无线通信,2.1,基站的困惑点对多点的无线通信,2.2,2.3,大哥大多点对多点的无线通信,第二章 从电台到大哥大,大话移动通信,2,2.1 点到点的无线通信,1 无线通信组网构想一：无线电台,4.无线通信组网构想二：广电网络,2.有限的无线频段,3.无价的无线频谱资源,大话移动通信,3,（1）任何人：国家有钱，一人发一个电台,穿越到1940年，第二次世界大战开始了，此时，电台已经使用广泛。于是有人构想：能否每人一个电台，实现远距离无线通信呢？此时电台对比以下功能：,（2）任何时间：电台品质有保障，24小时不歇菜,（3）任何地点：地球上绝大多数地方收发电报没
2、问题,（4）任何信息：仅限语音通话，短信可用莫尔斯电码代替，发彩信，视频就先免谈了。,以上说法看似有理，事实是,构想一：用无线电台构成一张无线通信网,大话移动通信,4,构想一：用无线电台构成一张无线通信网,问题一要满足“任何地点”：发射电报要在任何地点都能收到，发射功率就得很大，此时要求电台体积大。,大话移动通信,5,构想一：用无线电台构成一张无线通信网,问题二：电磁波存在干扰：人说话的频段一般在20-3400Hz，如果几人同时跟你说话，那么要分辨起来就有点困难，因为他们的声音都在同一个频段，会相互干扰。,不同的电台不能使用相同的频段。既然如此，我们给全球所有的电台都分配给不同的频段不就行了？
3、,大话移动通信,6,6,构想一：用无线电台构成一张无线通信网,假设一个电台需要25KHz的频段，全球有20亿人需要用电台打电话，那么需要25KHz21010 =5105GHz.,电磁波在同一频段的干扰造成了无线频段资源的有限性，而无线通信频段资源的有限性则构成了无线通信各种解决方案的约束。,所以，无线资源是稀缺的，有限的。那么，频谱资源到底有多有限呢？,问题三：电磁波的频谱资源有限。,大话移动通信,7,2.1 点到点的无线通信,1 无线通信组网构想一：无线电台,4.无线通信组网构想二：广电网络,2.有限的无线频段,3.无价的无线频谱资源,大话移动通信,8,资源是有限的适于组网的无线频段,电磁频
4、谱系列,大话移动通信,9,资源是有限的适于组网的无线频段,长波，中波，短波的用途,长波：沿地表进行传播，又称地波。传播距离达几千至上万千米，穿透能力强，多用于海上，水下，地下的通信与导航。,中波：主要依靠地面（白天）和电离层反射（晚上）传播，主要用于广播和导航。,短波：主要依靠电离层反射传播，常用于应急，抗灾通信和远距离越洋通信。,微波,微波主要以直线视距传输，受地形，环境影响大，主要用于无线通信，卫星通信。本书关注微波频段为300MHz3GHz。,大话移动通信,10,资源是有限的适于组网的无线频段,频段使用情况,GSM系统包括 GSM 900、GSM1800等几个频段 。,CDMA:上行82
5、5MHz-835MHz；下行870-880MHz 上下间隔45MHz。,大话移动通信,11,资源是有限的适于组网的无线频段,频段使用情况,大话移动通信,12,2.1 点到点的无线通信,1 无线通信组网构想一：无线电台,4.无线通信组网构想二：广电网络,2.有限的无线频段,3.无价的无线频谱资源,大话移动通信,13,无价的战略资源无线频谱资源的价值,频谱资源是运营商最重要的战略价值资源，它决定了网络能够承载多少用户数。在我国，它是通过行政命令分配的，在国外，是可以拍卖的，例如在德国：1MHz=7.7亿美元=16吨黄金。,频谱资源的价值,简而言之，是因为电磁波的同频干扰使得无线频谱资源非常有限，而
6、它又是生活必需的。,那么，频率资源为什么这么值钱呢？,电磁波在空间传播是发散的，遵循自由空间传播模型，当两个信号频率相同，距离相近时，必定在空间相遇，就会造成干扰。,大话移动通信,14,2.1 点到点的无线通信,1 无线通信组网构想一：无线电台,4.无线通信组网构想二：广电网络,2.有限的无线频段,3.无价的无线频谱资源,大话移动通信,15,构想二：参照广电网络的架构,由于频谱资源的有限，造成了用电台搭建无线通信网的想法无法实现，但是在1940年那个年代，除了电台，跟通信沾边的事情也想不到别的。 于是，让我们把时间拨到1985年，这个时候有什么新思路呢？,黑白电视,大话移动通信,16,构想二：
7、参照广电网络的架构,广电网络的架构：每个城市几乎最高的地方建一个发射塔，向四面八方发射信号。电视机作为接收终端，接收广电的信号，并解调出来，就出现了电视画面。 广播电台也采取这种模式。 构想：参照广电网络，。 贝尔移动系统：系统建在高塔上，用大功率的发射机来获得一个广覆盖，一个发射机覆盖2800Km2。 看起来好好的，但贝尔移动系统由一个致命的缺陷，它只有12个频道。 广电模式在电信运营商里怎么就走不通呢？问题出在哪？,大话移动通信,17,17,构想二：参照广电网络的架构,广电模式跟电信模式的区别一：交互（communication） 广播(Broadcast)：只需要发射塔向电视机发射信号，
8、不需要电视机向发射塔反馈信息。 假设现在在100MHz的频段上给某个电视台分25KHz的带宽（从100.000MHz-100.025MHz），那么只需要发射塔来占用这25KHz带宽发射就好了，一就是说一个城市只需要一个发射源，不会产生干扰。,大话移动通信,18,构想二：参照广电网络的架构,广电模式跟电信模式的区别一：交互（communication）通信（Communication)：不仅发射塔要向用户终端发送信息，用户终端也要给发射塔发送信号。 假设现在只有一个用户终端要与发射塔交互信息，发射塔占用100.000MHz-100.025Mhz的带宽，用户终端需对应地找另外一个频段，比如说从50
9、.000MHz到50.025MHz的 25KHz带宽来发射信号(称上行信号），如果第二个用户，第三个用户。,大话移动通信,19,广电模式跟电信模式的区别二：交互用户信息各不相同： 广电：如果只有一个电视台，每个用户看到的台是一样的。当用户想看第二个电视台的时候，广电就增加一个“频道”，也就是说增加“100.025MHz到100.050MHz”的带宽，用于承载第二个电视台的信息CCTV1-CCTV13。,电信：当出现第二个电信用户终端的时候，电信的发射塔也需要增加“100.025MHz到100.050MHz”的带宽，不同的是这个终端中户上行也需要分配相同多的带宽，如“从50.025MHz到50.
10、050MHz”,构想二：参照广电网络的架构,大话移动通信,20,广电模式跟电信模式的区别二：交互用户信息各不相同： 当一个区域内的用户多增多时，3000个，30000个。显然，这个模式是不足以满足现代无线通信的需求的。 设计者们想出了一个办法：降低发射塔的功率，缩小覆盖半径，这样可以让同一个频段在不同的空间内得到重复利用，称之为空分复用。,构想二：参照广电网络的架构,大话移动通信,21,电台的梦想点对点的无线通信,2.1,基站的困惑点对多点的无线通信,2.2,2.3,大哥大多点对多点的无线通信,第二章 从电台到大哥大,大话移动通信,22,2.2 基站的困惑点对多点的无线通信,1 困惑之一：基站
11、下不止一个手机,5 困惑之四：北京时间的价值,3 困惑之二：无线环境和手机远近在不断变化,4 困惑之三：减少噪声，降低能耗,2 困惑之一（续）：海蒂拉玛的魅力与高通的魅力,大话移动通信,23,2.2 基站的困惑-点到多点的无线通信,前面，我们已经获得了现在移动通信系统的雏形,在这一节里，我们主要讨论一个基站下手机的活动情况。,大话移动通信,24,对于现代移动通信系统的一大要求是“任何人”在“任何时间”都可以接入系统，这两个“任何”就意味着通信系统的容量必须要足够大。提高系统容量的一个措施是“空分复用”，但仅仅依靠空分复用还是不够的。 基站建设成本高昂， 基站覆盖范围小，电磁传播的路径就要控制地
12、越精确，从而避免基站直接的干扰，这在实际操作中实现非常难。 基站范围过小，基站数量太多，会造成太多的切换。,困惑之一：基站下不止一个手机,大话移动通信,25,如何提高系统容量，使更多的用户接入到系统，并且区分不同的用户，研究人员想了很多种方法。多址或者复用技术：让手机工作在不同频率或者不同时间上，加以区分。,困惑之一：基站下不止一个手机,大话移动通信,26,将通信系统的总带宽划分为若干等间隔的信道，分配给不同的用户。,多址技术FDMA,比如说在GSM系统，每新增一个用户，就给这个用户分配200KHz的带宽。,困惑之一：基站下不止一个手机,大话移动通信,27,进行频分后的一个问题是频谱资源严重不
13、够。假设一个运行商有15MHz的频带，在不考虑其他基站对本基站干扰的极端理想情况下，一个基站的最大容量也只75个。于是，设计人员联想到晚会中的一个场景：有8个歌手同唱一首歌。而且是一人一句地来。把它应用到通信中：舞台上的一首歌是资源，GSM的一个载波也是资源；把一首歌按时间进行切片，分成8分。一人一句来，就可以让8个人都有歌唱，同样的，把GSM的一个载波按时间进行切片，分成8个时隙，一人占用一个时隙，就让8个人都有电话打。,困惑之一：基站下不止一个手机,大话移动通信,28,在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙，每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。,多址技术
14、TDMA,困惑之一：基站下不止一个手机,大话移动通信,29,困惑之一：基站下不止一个手机,大话移动通信,30,码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。,多址技术CDMA,困惑之一：基站下不止一个手机,大话移动通信,31,2.2 基站的困惑点对多点的无线通信,1 困惑之一：基站下不止一个手机,5 困惑之四：北京时间的价值,3 困惑之二：无线环境和手机远近在不断变化,4 困惑之三：减少噪声，降低能耗,2 困惑之一（续）：海蒂拉玛的美丽与高通的魅力,大话移动通信,32,困惑之一（续）：海蒂拉玛的美丽与高通的魅力,CDMA的概念源于一个你想不到的人，美丽的电影演员海蒂拉玛
15、。她首先提出了“调频”的概念，后演化为扩频，并成为高通CDMA技术的基础。,大话移动通信,33,困惑之一（续）：海蒂拉玛的美丽与高通的魅力,跳频与扩频,调频通常是一种序列方式，信息在一段时间内在一个频率上传输，然后又跳到另一个频率。,大话移动通信,34,困惑之一（续）：海蒂拉玛的美丽与高通的魅力,跳频与扩频,扩频则是信号在所有频道上同时传输信息。那么，该如何区分多个用户呢？答案是：靠码字。,序列的正交：两序列乘积的和为0。例：+1，-1和+1，+1。,用序列对原始数据进行编码的过程叫做扩频，这个序列叫做扩频码。,大话移动通信,35,困惑之一（续）：海蒂拉玛的美丽与高通的魅力,跳频与扩频,让语音
16、信号序列和比它速率高得多的扩频序列相乘，从而延展它的频带。不同用户可用不同扩频码区分。,大话移动通信,36,2.2 基站的困惑点对多点的无线通信,1 困惑之一：基站下不止一个手机,5 困惑之四：北京时间的价值,3 困惑之二：无线环境和手机远近在不断变化,4 困惑之三：减少噪声，降低能耗,2 困惑之一（续）：海蒂拉玛的美丽与高通的魅力,大话移动通信,37,移动通信的一个基本特征之一是用户终端的移动性。由 于用户的移动性，使得无线环境在变化远近效应。远近效应：由于用户的随机移动性，发射机与接收机的 距离也是在随机变化。若发射机发射信号功率一样，那到达 接收机时信号的强弱将不同，离接收机近者信号强，
17、接收机 远者信号弱。,困惑之二：无线环境和手机远近在不断变化,大话移动通信,38,38,2019年3月13日星期三,困惑之二：无线环境和手机远近在不断变化,解决远近效应的措施功率控制生活中的处理经验：打电话的时候，如果对方声音太小导致你听不清楚了，你会说“麻烦大声一点说话！”如果对方声音太大，震得你耳膜嗡嗡作响，你会要求“麻烦你小声一点，耳朵都快要震聋啦！”基站和手机的出来方式也基本一致，衡量的标准是SIR。手机和基站之间会有自己的SIR标准，如果低于这个值，就会要求对方提高功率；如果高于这个值，就会要求对方降低功率。,大话移动通信,39,2.2 基站的困惑点对多点的无线通信,1 困惑之一：基
18、站下不止一个手机,5 困惑之四：北京时间的价值,3 困惑之二：无线环境和手机远近在不断变化,4 困惑之三：减少噪声，降低能耗,2 困惑之一（续）：海蒂拉玛的美丽与高通的魅力,大话移动通信,40,在功率控制中，如果SIR指标过好，也会通过功率控制来 降低发射功率。这是由于在基站下不止一个手机，若不同用 户的SIR过高，会对别人的通话造成干扰与噪声。除了控制发射功率外，设计者们还想出了别的方法来降 低系统的噪声，包括：DTX：不连续发射技术 DRX：不连续接收技术,困惑之三：减少噪声，降低能耗,大话移动通信,41,DTX,一种在通话中的省电模式 当语音不激活时，发送端只发射很少信息 接收端产生舒适
19、噪声,DRX,一种在待机时的省电模式 手机基于IMSI被分成不同的寻呼组 从网络来的寻呼信息会以预定的间隔发送,困惑之三：减少噪声，降低能耗,大话移动通信,42,2.2 基站的困惑点对多点的无线通信,1 困惑之一：基站下不止一个手机,5 困惑之四：北京时间的价值,3 困惑之二：无线环境和手机远近在不断变化,4 困惑之三：减少噪声，降低能耗,2 困惑之一（续）：海蒂拉玛的美丽与高通的 魅力,大话移动通信,43,困惑之四：北京时间的价值,在基站的世界里，传输的是0,1的比特流，要想不出错误，就要保证时间同步。在基站世界里，采用SFN（系统帧号）来表示具体时间。对GSM系统，一帧等于4.615ms，
20、而WCDMA和TD-SCDMA系统，一帧为10ms,此时，两消息的时间间隔=间隔帧数*帧长。,同步过程：监听导频信息锁定同步信道读取SFN来校准时间。,大话移动通信,44,电台的梦想点对点的无线通信,2.1,基站的困惑点对多点的无线通信,2.2,2.3,大哥大多点对多点的无线通信,第二章 从电台到大哥大,大话移动通信,45,2.3 大哥大多点对多点的无线通信,1.困惑之一：手机不知道它在哪个基站下面,4.困惑四：安全性与盈利？这是个问题,2.困惑二：网络不知道手机的位置,3.困惑三：如何保证“移动”着打电话不会有中断,大话移动通信,46,把手机扔到移动通信网 里，手机是很懵懂的，它并 不知道自
21、己处在哪个基站的 覆盖范围之下，手机上既没 有装雷达，也没用一双慧 眼，那么手机怎么找到基站 呢？,困惑之一：手机不知道它在哪个基站下面,大话移动通信,47,信令协议： 基站总是一刻不停的向外广播信息，以方便手机找到他,困惑之一：手机不知道它在哪个基站下面,大话移动通信,48,GSM：不同的基站广播信息时所使用的频率不同，这样GSM必须扫描整个频段，按信号的强度从最强信号开始逐一检查，直至找到合适的广播信息。,困惑之一：手机不知道它在哪个基站下面,大话移动通信,49,CDMA：基站固定使用一个频率广播信息，手机只要调谐到这个频率，就可以收到基站的指引信息，从而找到基站。,广播信息不仅能帮助手机
22、找到和锁定基站，还能为手机提供大量的信息，因此我们希望广播之间不要互相干扰： GSM：采用不同的频率进行广播，工作频率不同，自然不会产生干扰。 CDMA：采用固定的频率，但扰码不一样。,困惑之一：手机不知道它在哪个基站下面,大话移动通信,50,1.困惑之一：手机不知道它在哪个基站下面,4.困惑四：安全性与盈利？这是个问题,2.困惑二：网络不知道手机的位置,3.困惑三：如何保证“移动”着打电话不会有中断,2.3 大哥大多点对多点的无线通信,大话移动通信,51,困惑二：网络不知道手机的位置,对于固定通信而言，它知道自己的用户在哪里；而对于移动通信而言，手机始终处于移动状态，由于基站的覆盖范围有限，
23、因此必然出现手机从一个基站的覆盖范围移动到另一个基站的覆盖范围。那么怎么找到手机呢？,大话移动通信,52,“寻人启事”,困惑二：网络不知道手机的位置,效率低,大话移动通信,53,困惑二：网络不知道手机的位置,位置更新先是将一个城市的无线网络划分成若干个区，手机通过侦听广播信息得知自己的位置，如果自己位置改变，上报自己所在的位置。位置寄存器：记录位置变更消息,大话移动通信,54,困惑二：网络不知道手机的位置,位置更新先是将一个城市的无线网络划分成若干个区，手机通过侦听广播信息得知自己的位置，如果自己位置改变，上报自己所在的位置。位置寄存器：记录位置变更消息,大话移动通信,55,1.困惑之一：手机
24、不知道它在哪个基站下面,4.困惑四：安全性与盈利？这是个问题,2.困惑二：网络不知道手机的位置,3.困惑三：如何保证“移动”着打电话不会有中断,2.3 大哥大多点对多点的无线通信,大话移动通信,56,切换：当移动台从一个基站覆盖的小区进入到另一个基站覆盖的小区的情况下，为了保持通信的连续性，将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站之间的链路。,困惑三：如何保证“移动”着打电话不会有中断,大话移动通信,57,切换的方式： 硬切换：终端首先切断与原来基站的联系，然后再接入新的基站，在切换的过程中发生瞬时的中断。 软切换：终端和相邻的两个基站同时保持联系，当终端彻底进入某一个基站的覆盖区域后
25、，才切断与另一个基站的联系，切换期间没有中断电话。,困惑三：如何保证“移动”着打电话不会有中断,大话移动通信,58,1.困惑之一：手机不知道它在哪个基站下面,4.困惑四：安全性与盈利？这是个问题,2.困惑二：网络不知道手机的位置,3.困惑三：如何保证“移动”着打电话不会有中断,2.3 大哥大多点对多点的无线通信,大话移动通信,59,作为成熟的商业系统，其成本投入是非常高的，因此必须考虑商业模式的问题。在这个商业通信系统里，要考虑的首要问题就是如何鉴别接入系统是不是合法用户？,困惑四：安全性与盈利？这是个问题,大话移动通信,60,口令方案一：用手机号或IMSI号作为口令,问题：手机号或IMSI号
26、都是公开的,困惑四：安全性与盈利？这是个问题,大话移动通信,61,口令方案二：利用Ki（用户鉴权键，SIM卡内置）与一个固定值通过A3算法生成SERS值，进行鉴权。,问题：空中接口的信息可能被窃听,困惑四：安全性与盈利？这是个问题,大话移动通信,62,口令方案三：由随机值生成SERS,困惑四：安全性与盈利？这是个问题,大话移动通信,63,鉴权,作用 保护网络，防止非法盗用 保护用户，拒绝假冒合法用户的“入侵” 原理基于GSM系统定义的鉴权键Ki，当客户在网络上注册登记时，会被分配一个MSISDN、一个IMSI及一个与IMSI对应的移动用户鉴权键KiKi被分别存放在网络端的鉴权中心AC中和移动用户的SIM卡中，鉴权的过程就是在VLR中验证网络端和用户端的Ki是否相同。,困惑四：安全性与盈利？这是个问题,大话移动通信,64,64,VLR,BSC,BTS,RAND,SRES,Kc,鉴权三参数,比较,Kc,RAND,Ki,SIM,A3,A8,SRES,Kc,困惑四：安全性与盈利？这是个问题,大话移动通信,65,鉴权+加密,困惑四：安全性与盈利？这是个问题,
