移动通信原理知识

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本文科普移动通信原理的基本知识

1.手机开机后的步骤:

• 首先搜索124个信道，即所有的BCH通道, 决定收到的广播信道BCH强度, (BCH 的承载的信息是距Mobile最近的BTS; 呼叫信息);
• 跟网络同步时间和频率, 由FCH/SCH调整频率和时间
• 解码BCH的子通道BCCH.
• 网络检查SIM 卡的合法身份.是否是网络允许的SIM 卡。
• 手机的位置更新.
• 网络鉴权
  

2.手机主叫(MOC)过程:

• 手机给基站发送通道需求，即手机发送一个短的随即接入突发脉冲.(RACH Burst)
• 由BCH 指定传输信道. SDCCH
• 手机和基站在独立专用信道(SDCCH)上通信.
• 权限认证
• 指定手机在一个业务信道(TCH)上通信.
• 在TCH上进行语音通信.
  

3.手机被叫

• BTS在PCH呼叫通道上使用SIM中的IMSI号码来呼叫用户。
• 由手机发送RACH
• 通道指定在BCH.
• 手机和基站在SDCCH 上通信
• 手机用户被鉴权
• 手机被指定TCH通道。
• 在TCH通道上进行语音和数据通信。
  

4.紧急呼叫：

• GSM规格定义了112 为紧急呼叫号码
• 112在手机有无SIM卡的情况下均可呼叫。
• 在RACH 上, 手机112 建立紧急呼叫。
  

5.Authentication 鉴权：

• 目的：验证用户身份（IMSI/SIM）; 提供手机新的加密键。
• 鉴权是在什么情况下：每一次注册、每次呼叫或被叫企图、执行一些增值服务、漫游时的位置更新。
  

6.切换handover: 切换是手机通信从一个小区/信道到另外一个小区/信道。

• 上行和下行的接收质量报告
• 上行和下行的接收信号强度
• 距离，迁时
• 干扰层。
• 功率预算。
• 切换包括：同一小区内部信道/时隙之间的切换。小区于小区之间。
   加密ciphering: 语音和数据的保密、信号信息的保密；
  

7.手机位置更新location update:

• MSC应知道呼叫手机的位置。
• 手机连续的改变位置，手机在改变位置时通知MSC关于新位置。由MSC处理位置更新。
• 手机位置更新过程：（location area identity LAI）
  a) 手机改变位置区
  b) 手机从BCCH上读新的位置区
  c) 发送RACH,为通道需求。
  d) 在AGCH上获得一个SDCCH.
  e) 在SDCCH发送IMSI和新旧LAI位置更新需求给MSC
  f) MSC开始认证
  g) 如果认证成功，更新手机位置在VLR上
  h) 发送确认信息给手机
  i) 手机离开SDCCH, 进入空闲模式。
  

8.上行和下行：
上行是手机通过上行频率发信息给基站，下行是相反。上行和下行组成一对频率对（45MHZ分割），上行滞后下行3个时隙；上行和下行使用相同的时隙号；上行和下行使用相同的通道号；上行和下行使用不同的波段。（间隔45MHZ）。

9.功率等级：
由于手机在小区内移动，它的发射功率要随着移动，当他靠近基站时，防止干扰别的用户功率要减小，当他远离基站是为防止衰减要增大发射功率。总共有19个功率等级, 功率等级存于手机的EEPROM中. 功率控制的好处是：手机可以省电、基站减少干扰。

• 由基站在SACCH上发送命令手机改变发射功率
• 改变功率是和路径的衰减成比例。TX Level 5 –33dbm ，19—5dbm。
• 每个等级之间是间隔2dbm.
• BTS需要在上行开始的Rxlev、Rxqual
• 每480ms 发送报告给BSC 关于Rxlev、Rxqual。
• 每一定时间跟初始的进行比较。
   动态基站功率控制：
• 目标是减少平均干扰
• 基于MS发送的测量报告计算
• 是否和BCH载波
• 非强制性的
  

10.DTX 不连续发射：

• 当语音中断的大部分时间里，允许无线发射器关掉。
• 有DTX Handler处理器： 在发射端有语音激活检测、在发射端有背景声噪音、在切断时产生舒适噪音。
• 不连续发射在上行和下行都有执行。不连续发射、不连续接收；
• 在手机上执行不连续发射和不连续接收。
• 在BTS接收时有不连续接收
  

11.时迁（定时提前）:
Timing advance 就是为了保证信号能在准确的时间内到达BS, 当MS移动时, 随着MS距离BS 的远近, 上行传递的时延的可变，基站命令移动台提前发送。 由BS在SACCH信道上命令MS来改变它的迁时的大小. 手机在空闲模式时接收机站和解码BCH，在BCH中的SCH允许手机调整它的内部时间，当手机接收到SCH时不知道距离基站多远，通过SACH特殊的 短突发。当手机在下行的SACCH上获得迁时信息，才发送正常的突发，30KM 手机设置迟延100US.

12.信道介绍:

• BCH 广播信道:
  BCH就象灯塔, 在每一小区的任何时候, 都有BCH在ARFCN上，使手机能发现网络, 并使手机同步于网络，并且BCH信号的强度告诉手机那个是距它最近的GSM网络; 手机几乎每30秒会报告相邻小区的BCH 功率, 以便于由基站决定是否切换.?? 每一小区使用的BCH频率通道都不同, 通道被远距离的小区重复使用; 小区中的所有的手机接收BCH. 在ARFCN上有BCH信道. BCH的信息在下行的通道0时系, 其他时系用于业务信息TCH; 使MS 同步, 运载控制信息和呼叫信息. 和网络身份信息。所有手机的呼叫信息都在BCH上。BCH由FCH、SCH、BCCH、CCCH、SDCCH、SACCH组成。基站产生的BCH在零时隙，
  a) FCH: frequency correction channel 在BCH上重复使用特别的BURST, 让手机开机时调整它的频率.
  b) SCH: synchronization channel, 在FCH后, 调整时间.
  c) BCCH: 广播控制信道, 带有网络身份.
  d) CCCH: 共用控制信道, 它的子通道PCH(PAGING CHANNEL)在CCCH上. 手机能认出并用一个RACH作出反应.; 还有子通道AGCH 访问认可通道, 命令手机进入SDCCH或TCH.
• CCCH共用控制信道: 是双向控制信道, CCCH和BCH在多帧上分享0时隙；CCCH包括RACH; PCH; AGCH; CBCH; PCH呼叫通道 用于运载IMSI报知手机有呼叫、PCH是下行通道，
• DCCH专用控制信道: 双向控制信道, 由三个子通道组成：SDCCH,FACCH,SACCH.。
   SDCCH独立专用控制信道：指定TCH之前的过渡信道，话务建立和用户验证. SDCCH 独立专用控制信道: 在呼叫建立时, 于BCH 和TCH之间起连接作用.
   SACCH 慢速相关控制信道:
  上行: 接收信号质量报告、接收信号RX LEVEL 报告、相邻小区的BCH 功率报告。通道功率;手机的状态.
  下行：命令MS的TX 功率控制的命令、小区信道配置、迁时、跳频。
   FACCH 快速相关控制信道：由BTS用作命令手机切换，
  上行： 中断TCH信号、切换时快速信息交换。
  下行： 中断TCH. 控制BITS
   SACCH和FACCH的区别: SACCH报告基站说有另外的小区可提供给手机更好的信号质量, 切换是必要的.在段时间内, 由于SACCH 没有足够的带宽, 所以在短时间内由FACCH取代TCH; 切换就发生了. FACCH象一个TCH. 当听到语音有小的中断时, 可能发生了切换.
• TCH业务信道: 通话时使用的信道. 运载语音信息、是双向的用于手机和基站交换语音信息 ,TCH full rate 26 frames是 120ms。包含24carry speech, 1个idle , 1个sacch。TCH half rate 26 frames 是120ms ; 包含24carry speech , 2个sacch.
• RACH随机接入信道:
  由手机发送短的突发给基站，即呼叫需求；由MS使用来从基站获取注意; 手机并不知道路经的迟延, 所以手机发短的BURST, 当手机在下行的RACH上获得迁时时, 手机才发正常的BURST.
• 手机测量报告：
  SACCH的测量报告提供给GSM系统。每个手机测量服务小区的功率，也测量相邻小区的BCH功率；手机也测量在TCH上接收的信号的强度和质量。通过SACCH将接收RxLev（dbm）和RXQuaL(be mapped directly to bit error ratio)报告给所在服务小区。
  

（1）
慢速随路信道（SACCH）基站此信道接收移动台发来的移动台接收的信号强度报告和链路质量报告。
频率校正信道（FCCH）：此信道用于给用户传送校正MS频率的信息。移动台在该信道接收频率校正信息并用来校正移动台用户自己的时基频率。在开机以后都有这样一个过程
（2）
快速随路信道（FACCH）用于传送基站与移动台间的越区切换的信令消息。
业务信道（TCH）是用于传送用户的话音和数据业务的信道，包括语音通信。
广播信道（BCH）包括频率校正信道（FCCH）、同步信道（SCH）和广播控制信道（BCCH）在通话过程中都会用到。
（3）
独立专用控制信道（SDCCH）它用于传送基站和移动台间的指令与信道指配信息，如鉴权、登记信令消息等。此信道在呼叫建立期间支持双向数据传输，支持短消息业务信息的传送。

12.手机通信网络组成：

• BTS 基站：base transceiver station 基站首要是收发器，收发器的多少决定小区的容量，一个收发器能支持8个用户。一个小区由3个天线，一个发射，两个接收（分级接收）。（收发器和天线的关系）？？？
  a) 每个BTS都会有一套收发器。
  b) 一个BTS覆盖一个小区，BTS发送BCH信号在RF信道的0时隙。BCH帮助Mobile识别/寻找网络。
  c) 小区的手机用户容量依靠信道数
  d) GSM空中接口的数据传输速率是13Kbps, 即BTS收发语音数据速率是13KB/S.
  e) 有BTS命令手机设置其发射功率、迁时、切换。

• BSC base station controller 基站控制器：
  a) 几个BTS基站连接一个BSC, 基站安排信道配置、切换、和BTS连接BSC; 所有的BSC连接至MSC,
  b) 每个BTS连结BSC用abis 接口，是2Mbps的连接。使用microwave link、optical fiber、 co-axial line等方式连接.
  c) Microwave link 经常是最好的连接方式选择。
  d) BSC连结MSC使用的是A口
  e) 在BSC可提供小区广播等服务。

• MSC mobile switching center 是网络的核心，呼叫建立、保持、和释放；链接BSC和PSTN、 认证、呼叫转接、短信息、收费等。当用户增加到一定数量时，可增加MSC；MSC与MSC之间使用GMSC连结（GATEWAY）
  a) 当呼叫建立时，MSC起到保持通话和断开通话的功能。
  b) 存储所有的用户数据和它们的相关特征。
  c) 介于MS和PSTN之间，交换通信数据.
  d) MSC是GSM 网络的心脏。是与别的GSM 网络、非GSM网络的连接口。
  e) MSC主要功能：认证、位置更新、连接、收费、呼叫转接、SMS。
  f) 当用户增加时，超过一个MSC的容量， 就需要多一个MSC， 就增加一倍的用户

• TRAN------Trans coding/rate adapter unit 速率适配器。
  a) TRAN转换13KB/S的GSM速率为标准的64KB/S; TRAN作为一MSC 的一部分。
  b) Trans coding 也使用在下行时，将64kbps转换成16kbps.
  c) Trans coding在MSC\BSC\BTS中。

• HLR Home location register归属位置寄存器。
  a) 在MSC中有所有的用户数据库存在于HLR。HLR中有永久用户数据库。
  b) 用户发出呼叫时，MSC从HLR之中获得用户数据。是用户核心数据库，大部分在SIM卡中的数据都可以在HLR中获得。

• VLR visiting location register 访问位置寄存器。
  a) 在VLR中有被激活的所有的用户号码。
  b) 当别的MSC中的用户漫游到新的MSC时，MSC和HLR之间通信，新的MSC就将漫游的用户注册到它的VLR中。
  c) 当手机漫游时，用户访问区被别的网络覆盖，而且归属位置网络批准它使用被访问的网络，它的用户信息将从HLR被拷贝到VLR(访问位置寄存器)中暂存。

• 鉴权中心AUC----Authentication center
  a) 是SIM 卡的验证过程。
  b) 每个SIM卡有一个IMSI， 在IMSI有加密码
  c) 在HLR中有IMSI和密码
  d) 手机通信时，首先验证SIM 卡的合法性，由AUC 进行验证。

• 装备身份注册：EIR----Equipment identify register
  a) 包含了IMEI信息。所有的手机IMEI都存储在EIR中，是手机的数据库。
  b) 在GSM中有助于验证当手机遗失时，运营商可以禁止已经报失手机的使用。
  c) EIR分类：Permitted list\evaluation list\stolen list\unknown

• 收费中心BC—Billing center
  a) BC产生每一个用户的费用状况.
  b) 直接连到MSC, 由MSC发送收费信息给BC（通话时）
  c) BC处理按单位计费。

• 操作运营中心：OMC----operation and maintenance center.
  a) 每个GSM网络超过100 个BTS组成，每一个实体需要操作和维护。
  b) 一些远程操纵是必要的，检测和远程进入。
  c) 有时有两种OMC(不同的供应商)，OMC-S: Deal with switch; OMC-R :deal with radio network。

• 短信中心：SMSC信息通过短信息中心发到指定的手机。
  a) 信息通过SMSC传输
  b) 信息可通过人工终端（连到SMSC）发送。
  c) 短信中心SMS CENTER—MSC/VLR----BSC----BTS.----MS

• 语音服务中心：
  a) 它拥有所有语音用户的数据库；
  b) 它也存储了语音信息。

• 设备报警：
  a) BTS, BSC, Trans coder failure.
  b) Link failure
  c) Module failure(transceiver, processor)

  
  

 小区身份:网络中每个小区都由唯一的识别号，CI: Cell Identity. 一个小区由56个用户可同时通话
 调制方式: GSM 采用的是0.3GMSK调制 高斯最小频移键控，0.3是描述滤波器带宽和比特率的关系,不是相位调制，是一种典型的数字调频调制，实际上是调频。0和1代表的是载波加减不同的频率+67.708KHZ 和-67.708KHZ，1被看作是相位增加90度，0被看作是相位在相反方向改变，两个频率表示频移键控; 语音编码速率时13kbps. 数据速率(调制速率)BIT传送速率是270.833Kbps。刚好是四倍于射频频移。这样一来就有效的减少调制频谱和提高了通道利用率. 高斯滤波: 剧烈的频率变化会导致频谱扩散, 所以用滤波器进行滤波平滑后, 减少频谱扩散; RF载频加67.708和减67.708KHZ; 靠频率转移.

 GSM网络系统：手机和机站的接口是空中接口， 基站(BS)和基站控制台BSC是靠abis接口2Mbps的连接。（是光纤或者常用微波连接， DCS1800 Abis接口经常使用微波连接）, 一个BSC控制20~30个BTS；基站控制台BSC到交换局是A口连接。 手机和基站的最大距离是34.9km。