《大话无线通信》读书笔记

基本信息 BASICS

1. 作者：丁奇
2. 出版社：人民邮电出版社
3. 出版时间：2010年

阅读心得 LEARNINGS

1.  无线通信与有线通信有很大的差异，主要体现在接口和信道。
2.  从理论到商用也需要对技术做不断的改进，商业的逻辑跟技术是有差别的，既然是做产品，就要学会从用户的角度出发，优化技术。
3. 使用类比可以让我们快速掌握新鲜的知识，同时还增加学习的趣味性。
4. 敬畏技术，一个系统能够完整地运作起来，里面蕴含了无数工程师的心血，要从中体会到解决问题的思路。技术可能会过时，但是解决问题的思维永不过时。

重点摘录 NOTES

1.  低频信号不利于传输，需要将其调制到高频信号上去
2.  在GSM通信系统中，通常以20ms为单位对信号进行抽取然后编码。
3.  内插或者视觉停留用信号与系统的话说就是“零阶保持”
4. 欠采样，轮子反着转，术语称之为“混叠”。
5. 电磁波的频率与天线尺寸要匹配，一般天线尺寸为电磁信号为1/4波长为佳。
6. 空中接口的频率对于运营商而言无疑是最重要的战略资源，频率必须被独占使用决定了他的稀缺性
7. 目前CDMA所使用的800MHz频段和GSM使用的900MHz频段是公认的通话的黄金频段，也是运营商争夺的焦点。
8. 对于无线通信而言，扩频和解频本身并不能提供任何的信号增强，信号的增强是以增加传输带宽为代价得来的。
9. 所谓的商业属性：一是资源的分配；二是如何满足用户的需要。商业的蜂窝通信系统需要在原有的点对点方式的无线通信系统上添加很多东西，以及进行复杂控制与资源管理调度。
10. 蜂窝网络：是一种移动通信硬件架构，构成网络覆盖的各通信基地台的信号覆盖呈六边形。组成主要有：移动站，基站子系统，网络子系统。(网络摘录)
11. 熟悉信令流程可以对信号的走向和网络设备的运转有一个系统的认识，同时还有利于度网络进行分析和排障。

专业术语 TERMINOLOGY

1. 切换：Handover
2. NSS: network switched subsystem, 交换子系统
3. MS：mobile station，移动台
4. BTS：base transceiver station，基站收发信机
5. BSC：base station controller， 基站控制器
6. BSS(BTS+BSC): base station subsystem，基站子系统
7. MSC: mobile switching center, 移动交换中心
8. OMC: operation & maintenance center, 操作和维护中心
9. PLMN: public lands mobile-communication network, 公用陆地移动通信网
10. PSTN: public switched telephone network, 公用电话交换网
11. IMSI: international mobile subscriber identity, 国际移动用户识别
12. HLR: home lacation register, 归属位置寄存器
13. VLR: visitor location register，访问位置寄存器
14. OML: operation and maintenance link, 操作和维护链路
15. RSL: radio signalling link, 无线信令链路
16. MTL: message transition link, 消息传送链路
17. CBL: cell broadcast link, 小区广播链路
18. TCH: traffic channel, 业务信道
19. BCH: broadcast channel, 广播信道
20. CCH: control channel, 控制信道
21. CT: cell identity, 小区标识
22. LAC: location area code, 位置区域码
23. BSIC: base station identity code, 基站标识码
24. BCCH: broadcast control channel, 广播控制信道
25. FCH: frequency correction channel, 频率校正信道
26. SCH:  synchronization channel, 同步信道
27. CRC: cyclic redundancy check, 循环冗余校验
28. ASK：amplitude shift keying, 幅移键控
29. FSK：frequency shift keying, 频移键控
30. PSK:  phase shift keying, 相移键控
31. FDM: frequency division multiplexing, 频分复用
32. TDM: time division multiplexing, 时分复用
33. CDMA: code division multiple access，码分多址
34. GSM: Global System for Mobile Communications, 全球移动通信系统
35. MSISDN: mobile station international ISDN number, 移动台的国际ISDN号码
36. MSRN: mobile station roaming number, 移动台漫游号码
37. TMSI: temporary mobile subscriber identity, 临时移动用户识别码
38. IMEI: international mobile equipment identity, 国际移动台设备识别码
39. RRM: radio resource management, 无线资源管理
40. MM: mobility management, 移动性管理
41. CM:  connection management，接续管理

 

第一章：快速理解无线通信

• 无线通信与有线通信的区别：  空中接口和无线信道
• 基站如何区分手机：让手机工作在不同的频率或者不同的频率里
• 手机如何找到基站：利用基站的广播机制，手机通过广播找到基站
• 基站如何找到手机：手机是移动的，首先需要对城市的无线网络进行划分，然后手机侦听广播信息，来获取自己所在区域位置信息，然后主动联系无线网络上报自己的位置；
• 如何识别手机用户：SIM卡中的IMSI号；
• 如何保证不被人窃听：数据加密
• 基站的切换：硬切换和软切换

 

第二章： 通信的本质-通信系统概述

• 模拟-数字转换模块，俗称编码模块
• 信源编码：编码简洁，减少冗余信息，追求相同信息量的最少比特位
• 信道编码：信息完整，尽量不丢失信息，以提高信息传输的可靠性为目的，例如奇偶校验，线性分组码等，其本质是通过增加信息的冗余度来实现对信息的保护
• 数字通信的优点：差错编码控制噪声或干扰误差，保密，成本低。
• 周期信号的数学表达----傅里叶级数
• 非周期信号的数学阐述----傅里叶分析
• PCM编码：A律13折线法
• DPCM编码：增量调制
• 调制：将基带信号(没有经过调制的信号，4kHz以下的语音信号)转变为频带信号(900MHz)
• 三种调制的方式

       

• 信道容量：
• 数据率：数据能够进行通信的速率，用bit/s来表示，生活中所说的带宽
• 带宽：传输信号所占的频带宽度，用Hz来表示，带宽能承载的最高数据率是多少可以根据信噪比计算出来。

1. 无噪声干扰时，根据奈奎斯特带宽准则，如果带宽为B，那么可被传输的信号的最大速率为2B;
2. 有噪声干扰时，根据香农定理可以计算信道容量：

         

• 无线信道的衰落特性：由于多孔效应引起的小尺度效应，以及由于距离衰减引起的路径损耗或者障碍物造成的阴影等大尺度效应。

 

第三章： GSM空中接口技术

• 早期移动通信的思路（也是蜂窝通信的理念）：
• 向政府要更多的频谱资源(频段有限)---->降低发射机功率，增加基站个数(实际覆盖面积不规则，交叉干扰)---->扇形定向天线
• 频分复用：以广电架构为例，不同的电视台占用不同的频率段，以和其他的电视台进行区别；在GSM中，将890~915MHz这个频段均匀地划分124块，每块占用200kHz的频段。
• 时分复用：举例，让歌手同唱一首歌，每人轮唱；在GSM中，使用相同频率的用户通过在不同的时间里工作来区分。
• 码分多址：依靠不同的扩频码来区分不同的终端，扩频码必须正交。
• 在CDMA中信号速率是9.6kbit/s，而带宽可以达到1.25MHz，是信号速率的100多倍，这样信号在带宽上的平均功率就降低了。同时，根据香农定理，传输同样的信号，增加信道带宽，可以降低接收机的信噪比要求，这样不仅可以扩大基站的覆盖范围也可以提高系统的抗干扰能力。
• 在CDMA中，常用的扩频码是walsh码和m序列；
• 块内交织：把码字的b个比特分散到n个帧中，以改变比特间的邻近关系，因此n越大，传输特性就越好；
• 跳频：信号通过不断变化的频率发送出去。（交织和跳频都是为了对抗瑞利衰落，交织属于时间分集，跳频属于频率分集）
• TA：时间提前量，可以消除路径的时延
• 码间干扰(时间色散)：由于多径传播和时延导致的误码。GSM通过均衡来解决。
• 如何降低手机的功耗以及对系统的干扰：

• 1）、控制手机的发射功率，降低干扰

      

• 2)、不连续发射：在通话时候采取语音编码，在通话间隙传输低速编码
• 3)、不连续接收：设置手机的解码状态和休眠状态。

 

第四章、商业蜂窝通信系统的典范----GSM

• GSM网络组成及接口
• 移动台(移动终端+用户识别卡)、基站子系统(BSS,BTC,BTS)、交换子系统(MSC, VLR, HLR, AUC, EIR)、操作维护中心(OMC)
• 从基站到电台----手机的核心部件
• 天线，低噪声放大电路，射频滤波器，超外差电路(将高频电流信号转成中频电流信号)、基带芯片
• BSC----计算机与通信的交融
• BSC的主要功能：1、动态交换，分配电路；2、陆地接口；3、链路控制，维护与MSC的通信；4、同步时钟
• 交换子系统----MSC、VLR和HLR
• 交换机的功能：母线交换，时隙交换(空间接线器和时间接线器完成操作)
• GSM的根DNS----归属位置寄存器(HLR): 存放用户的签约信息
• GSM的本地DNS----访问位置寄存器(VLR): 存储用户的当前位置信息
• GSM系统的守护神----鉴权中心(AUC)：确定用户的身份和对呼叫加密。
• GSM的编号计划
• MSISDN: CC+NDC+SN(国家码+网络接入号+用户号码)，eg，8613007370000
• IMSI: MCC+MNC+MSIN(移动国家号码+移动网号+用户识别码)，eg, 460001357924680
• (MSISDN与IMSI的关系类似于姓名和身份证，平时以姓名相称，但是公安局登记的是身份证号)
• MSRN: 与MSISDN结构一致，漫游时临时分配
• IMEI: 国际移动台设备识别码，用于识别移动台设备
• LAI: 位置区识别码，用于移动用户的位置更新
• CGI: 全球小区识别码， 用来识别一个位置区内的小区 
• BSIC: 基站识别码， 用于移动台识别相邻的、采用相同载频的、不同的基站收发信机(BTS)  

 

 第五章、源于频率的困惑----GSM空中物理层的设计

• GSM在无线路径上的传输单位是突发脉冲(burst)，突发脉冲发送的时频窗口称为时隙(time slot)
• 突发脉冲序列的类型：
• NB(普通)，DB(空闲)，FB(频率校正)，SB(同步)，AB(接入)
• TDMA帧：每个载频被定义为一个TDMA帧，每个帧包含8个时隙。
• TDMA复帧：26复帧(用于TCH, 作为语音信道及其随路控制信道)；51复帧(用于携带BCH和CCCH, 用于控制信道)
• 突发脉冲的应用----铁路管理的艺术
• 物理信道和逻辑信道的关系可以看成铁路与火车的关系，铁路只是载体，铁路上的内容取决于你用什么火车
• TCH(业务信道)：客运火车
• FCCH(频率校正信道)：候车厅的大喇叭:确认BCCH，锁频
• SCH(同步信道)："现在是北京时间八点整"：识别基站，同步时间
• BCCH(广播控制信道)：向周围不断播放广播网络信息
• RACH/AGCH(随机接入信道/允许接入信道)：申请分配独立专用控制通道，类似于买票上车
• PCH(寻呼信道)：火车站的寻人启事
• SDCCH(独立专用控制信道)：列车引导员，首先查票和车次然后引导上车(鉴权和请求建立呼叫)
• FACCH/SACCH(快速/慢速随路控制信道)：传递紧急或者周期的控制信令(列车上的服务员)

 

第六章、无线通信的特质----GSM第三层协议

• 无线通信与有线通信的主要差异在于接续资源的管理，信令通道的分配和切换
• RRM负责管理无线接口，包括信道的分配和切换；MM负责处理移动性和安全保密性；CM完成点对点通信的建立与释放。RRM类似于公路管理局，时刻监视公路的质量，而CM类似于搞物流的，在公路上实现货物的运输和交换转运；MM类似于高速公路的收费站，负责车辆的鉴别与收费。

• RRM:无线资源管理
• RRM的初始化：MS从空闲模式向专用模式下的转换过程
• RR的传输管理(模式的分配)；GSM小区的切换；控制功率和时间提前量，小区信道的配置与分配

    

• MM:移动性管理
• 有效地对用户信息和通话进行加密也是一个成熟的商业无线通信系统所必备的功能。
• MM的两个方面：位置区域管理和安全性管理
• SIM卡的破解：IMSI号，ICCID号和Ki号
• CM:接续管理
• 建立主叫和被叫点对点的通信链路以及呼叫完成以后对这条链路进行拆除。
•  
• 小的知识点：漫游被叫为什么收费？
• 手机被叫时，其所在位置和路由是未知的，需要进行查询，原则上需要将被叫的位置查询后显示给主叫让其选择是否呼叫，但是出于移动台位置保密原则，被叫需要承担相应费用使自己的位置不被公开。在国内有一段时间漫游也是收费的，这是因为东西部发展不平衡，为了避免西部地区的用户买东部地区的号，再到西部地区使用，运营商干脆体感门槛，只要离开手机注册当地，费用就要提高。

 

第七章、无要把文章写好，要先学好语法----也谈七号信令

•  信令的基础：
• 分类：随路信令和共路信令；线路信令和管理信令；用户线信令和局间信令；
• 结构形式：模拟已编码，数字已编码和七号信令；
• 传送方式：端到端、逐段转发和混合；
• 控制方式：非互控、半互控、全互控
• OSI七层模型和七号信令:

    

•  消息传递部分(MTP)和用户部分(UP)。UP可以分为电话用户部分(TUP)、数据用户部分(DUP)和ISDN部分(ISUP)
• 唐僧开物流公司：
• 信令数据链路级MTP-1：白龙马
• 信令链路控制级MTP-2：沙和尚(运输总监)->定界，信令单元定位，误差检测，误差校正，插入信令单元和链路状态信令单元、初始定位和处理差错率故障
• 物流调度大权MTP-3：猪八戒
• 信令连接控制部分SSCP：孙悟空(业务部门)
• 事务处理能力应用部TCAP：太白金星(市场部)->成分子层(处理和TC用户之间的成分和对话)和事物处理子层(负责处理TCAP消息并管理事务)

 

第八章、妙手著文章----通过信令流程让GSM系统运作起来

• GSM的信令与协议：
• Um接口：手机与网络的接口，TDMA帧/LAPDm帧/RRM/MM/CM
• Abis接口：BTS与BSC接口，PCM线路和LAPD帧/BTSM
• A接口：BSC和MSC之间的接口，物理层/MTP2/MTP3/SCCP/BSSMAP
• B接口：MSC和VLR的接口
• C接口：MSC和HLR的接口
• D接口：HLR和VLR的接口
• E接口：MSC和MSC的接口
• F接口：MSC和EIR接口
• 手机的通用模式和专用模式：
• 空闲模式：网络选择、小区选择、小区重选、位置更新、寻呼
• 专用状态(通话状态)：立即指配、鉴权加密、主叫、被叫、短消息、切换、传输模式改变、信道释放、呼叫重建、无线链路故障判断和功率控制；
• 小区选择和重选：
• 网络选择即选择运营商
• 小区选择：选择合适的小区(提前存储BCCH和未存储BCCH信息)，然后调谐到该小区的BCCH载频上，监听该小区BCCH信道广播的系统消息
• 小区选择的三要素：是否属于PLMN网；小区是否被禁止接入；CI是否大于0
• CI = RxLEV-RxLEV_ACCESS_MIN-Max[(MS_TxPWR_MAX_CCH-P),0]
• dBm：表征功率绝对值，10lgP
• dBi和dBd表征功率增益，dBi的参考基准是全方向性天线，dBd是偶极子
• 随机接入和信道分配：
• RACH：信道申请和信道激活
• SDCCH：建立传送信令的链路

  

•  鉴权的用途及算法

     

• 加密：
• 　　对称密钥加密算法、A5算法
• 　　TMSI再分配：临时移动用户识别码
• 位置更新和IMSI附着：
• 　　正常位置更新和周期位置更新
• 　　IMSI Attach/Detach：类似于手机关机，但是指示网络已关机
• MS主叫流程分析：
• 　　接入阶段：信道申请、信道请求、信道激活、信道激活证实、立即指配
• 　　鉴权加密：鉴权请求、鉴权响应、加密模式命令、加密模式完成、TMSI再分配
• 　　TCH(呼叫建立阶段)：指配命令、搭配完成
• MS被叫流程：
• 　　路由寻址：主叫MSC/VLR从HLR中查询被叫MS所在的MSC/VLR；建立主叫和被叫MSC/VLR的路由；从被叫的VLR查询MS所在位置区；在位置区内对MS进行寻呼；被叫响应寻呼(在SDCCH信道上回送一条寻呼响应)
• 切换原理及流程(空中接力)：
• 　　预防性切换和紧急切换
• 　　切换判决：测量报告和Locating切换考虑的因素：预防性功率预算切换；救援性电平切换；救援性质量切换；TA值引发的切换；话务切换