1.1-1.3 引言+空中接口和无线信道+无线通信的困惑

爱卫生

水煮篇

茫茫人海，基站如何找到手机？举目四顾，手机如何找到基站？开放的无线电波，如何保障个人的通信sec？信号交叉覆盖，如何实现客户通信的完美切换？无线通信之旅，从固话开始。

1.1 引言

如同我们前言中所说的，学习新知识的最好的办法就是拿它与旧知识进行类比，认识一件不熟悉的事物最好的办法就是拿它和熟悉的事物对比。我们在本章里希望通过大量的类比来为读者提供学习无线通信的一个快速切入口，让读者对无线通信系统和运作方式有一个整体的初步认识。

1.2 空中接口和无线信道

虽然这两年手机的普及速度异常迅猛，但是提起固定电话，相信大家还是相当亲切，毕竟这是陪伴了我们十几年乃至几十年的通信工具。我们介绍手机之前先介绍固定电话，就是因为固定电话相对手机而言要简单。而且出于保护投资以及互联互通层面的考虑，无线通信的整个体系有很大部分是源于固网的，选择从固网切入便于我们学习。

无线通信和有线通信的区别，说得复杂一点，有很多很多；说得简单一点，其实只有两点：接口和信道。

首先是接口不同，固定电话的接口是钉在墙上的，插一根电话线就可以用，通过这个接口可以和固网进行联系（如图1.1所示）；而手机和基站通信的接口是看不见、摸不着的，我们称之为“空中接口”，手机就是通过这个空中接口和无线网络保持联络（如图1.2所示）。

其次是信道不同，固定电话的信号是通过电话线进行传递的，称之为“有线信道”; 手机的信号是通过电磁波在空中传送的，还是看不见、摸不着的，称之为“无线信道”。

可别小看了这两个名词：空中接口与无线信道，翻遍无线通信的史册，几乎没有哪一页与这两个词无关。无线通信所遇到的问题、所取得的成就，无不由这两个名词衍生而来。不夸张地说，读透了空中接口和无线信道，就读透了无线通信。

1.3无线通信的困惑

看起来无线通信与有线通信只有两个区别：空中接口和无线信道，似乎从有线通信 过渡到无线通信很简单。然而仅仅是这两个区别就让无线通信陷入了重重困惑之中。

或许有人会不以为然，不就是用空气代替铜线传递信号吗，怎么就会困惑了。那好, 我们提出以下几个问题，看看无线通信比有线通信到底复杂在哪里。

问题一：一个墙上的插口通常只能对应一台电话，而基站的一面天线要同时接收很多手机的信号，如何区分哪个信号来自哪个手机？

问题二：固定电话要和网络联系是非常简单的，只需找到电话线的插口插上即可； 而手机则要麻烦得多，能让它接入无线网络的基站在哪里，如何才能找到？

问题三：固定电话的位置是固定的，通信网络要找你，把信号送入指定的电话线和指定的接口即可；而无线通信就不同了，手机的位置随时在变化，谁知道手机在哪个基站下面，有电话要找你，怎么才能知道你在哪里，然后找到你呢？

问题四：在固定通信时，确定一个用户的身份是很简单的，电话线就装在你家里，想赖,门都没有；在无线通信时代，大家都是通过电磁波在空中传送信号，没有实体接口可以确认身份，那么就得有别的办法确认你是不是合法用户，要是让不合法用户进入了系统，可没法循着电磁波去找人要钱。

问题五：空中接口的电磁波是开放的，谁都可以捕捉到，咱看影视剧没少看到这一幕。咱不想被人捕捉，该如何加密呢？

问题六：手机在通话过程中位置会不断变化，通话环境也会随之变化，该怎样才能保证用户通话不中断呢？

1.3.1困惑基站如何区分手机

我们知道，在固定电话时代，要识别一路话音信号来自哪台电话是一件很简单的事 情，看看它来自墙上的哪个接口，通过哪根电话线送到电话交接箱就可以了，交接箱上 的标签写得清清楚楚呢。

而无线通信时代就没有这么幸运了，空中接口没有一个实实在在的插口，就是一面天线在接收电磁波，问题是这么多手机都向天线发射电磁波，基站咋搞得清谁是谁？图1.6示意了这种状况。

机器是非人类，在了解非人类的想法之前，我们不妨先了解人类世界是怎么做的。如果我们面前有好几个人在说话，我们要区分哪句话是谁讲的并不困难。那我们是如何区分的呢，物理课里有很清楚的答案，我们有3个参数来分辨声音——音色、音调、响度。

声波通常包含多个频率，其中频率最低的声音叫做基音，基音决定了音调。其他频率声音的强度都比基音弱，频率都是基音的整数倍，我们把它们叫做泛音，泛音和基音 一起决定了音色。响度通常指声音的大小。

在无线通信网络里也照搬一下人类的区分系统，这样多省事啊。但我们很快发现，响度这个指标根本不靠谱。如果把接收信号的天线比作耳朵的话，那么响度就是指接收功率了，影响这个指标的因素实在太多了，手机离基站的远近，小尺度衰落，大尺度效 应，这个“响度”一刻不停地在变化，根本不能作为区分不同手机的指标用。音色和音 调也有问题，因为大家都在20〜3 400Hz频率上说话，所以很容易产生干扰，2个人说话分辨出来不难，8个人说话……呃，那你的耳朵得多灵敏啊。

那么基站是如何区分不同的手机的呢。我们知道，一男一女合唱，他们的声音是很容易分辨的，因为声波工作在不同频段，女的要高八度，而两个男的合唱则不容易区分。在这方面，手机可比人强多了，手机的滤波器对频率区分的能力远远高于人耳。所以，我们可以让手机工作在不同的频率上用以区分它们。另外，无线通信系统都是有自己的时间体系的，比如GSM，在中心交换机里用晶振产生时间，然后一级一级往下传送时钟，以形成全网时间的统一，如果让手机工作在不同的时间里，那么也可以区分它们。在无线通信里，对手机的区分有个术语，叫做多址或者复用，是无线通信中非常重要的概念，有关这部分的详细内容请参见第3章。

1.3.2 困惑二：手机如何找到基站

前面说过，对于固定电话而言，想要找到通信网络是非常简单的，只要把电话线往墙上的接口一插就搞定了。而对于手机而言，要想找到移动通信网络则要复杂得多，因为手机并不知道要建立联系的基站在哪里，这就需要建立一个机制让手机找到基站，如图1.7所示。

1.发现基站

手机到底如何找到基站？说起来与旅游团差不多，在一些非常热门的旅游景点，游客非常多，旅游团走散是再正常不过了，要靠你去找团可能有点困难。每当这时，导游总是站在高处，挥舞手中的小黄旗，用大喇叭广播着：“XX地市的朋友注意了，俺在这里，俺在这里”。

基站的处理方式与此颇为类似，它总是一刻不停地向外广播信息，以方便手机找到它。然而手机又如何才能听到基站的广播信息，从而去锁定基站呢？

对于GSM系统而言，不同的基站广播信息时所使用的频率不同，这样GSM手机必须扫描整个频段，按信号的强度从最强信号开始逐一检查，直到找到合适的基站的广播信息。这很有点像我们在学校里听广播，我们拿着收音机调啊调，调到一个信号最强的台然后收听广播。不过咱们是手动挡，人家手机是自动挡。

CDMA手机锁定基站的方式要简单得多。在CDMA系统里，基站固定使用一个频率（控 制载频）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。系统的控制载频在整个CDMA通信网络中是统一的，这有点儿像无论在哪里，只要拨打110就可以得到警的帮助一样，手机只要记住控制载频这个频率，接下来的事情就好办了。

2.广播的内容

话说基站是通过广播指引信息让手机找到基站，那么基站都广播一些什么内容呢？

对于GSM系统而言，另外，由于手机需要调整接收频率以正确接收广播信息，那么首先需要广播频率校正信号。由于GSM是一个时分复用系统，时间的同步很重要，那么接下来的信息就是同步信号。

当然还会有一些其他信息，比如基站的标识、空中接口的结构参数（比如这个基站都使用了哪些频率、属于哪个位置区、手机选择该小区的优先级等）。这很好理解，就好 比旅行团的导游会介绍一下当地有哪些景色、游完要花多少时间、需要多少花费等一些详细信息。你觉得合适就跟团，觉得不合适再听其他团的介绍换团也可以（根据小区的各项信息，如果当前小区不适合停留，则换到别的小区去）。

CDMA系统与GSM系统类似，首先是广播导频信号和同步信号，然后再广播基站 的标识和空中接口的结构参数。

3.广播之间避免干扰

由上可知，广播信息不但帮助手机找到和定位基站，还能为手机提供大量当前小区所必需的信息。因为我们希望广播之间不要互相干扰，不然带来很多麻烦。

GSM相邻的基站釆取不同的频率，工作的频率不同，自然不会产生干扰。就好比两个人唱歌，一个唱男低音，一个唱花腔女高音，谁也干扰不着谁。

CDMA系统中采用的是一个固定的频率，但是扩频码不一样，也不会产生干扰。就好比一堆导游，一个说中文，一个说英文，一个说意大利语，谁也干扰不着谁。

1.3.3困惑三：基站如何找到手机

对于固定通信而言，它知道自己的用户在哪里，因为用户的位置是固定的；而对移动通信而言，则完全不是这么回事。手机始终处于移动状态，由于基站的覆盖范围有限，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覆盖范围的情况。

尽管如此，移动网却是必须想办法找到手机，要不然就无法实现和该手机的联系，那它怎样才能找到手机呢？

一个简单的办法是通过所有的基站下发"寻人启事”，寻找该手机，这样的办法很有效，只要手机还在移动通信网的覆盖范围内，那么就一定可以找到，如图1.8所示。

办法虽然简单快捷，但是弊端也是显而易见的，要找一部手机居然要进行全程全网的寻找，太没效率了，我们得想想办法。想当年没有移动网的时候，我们到一个地 方游玩总是用固定电话给家里打一个电话报平安：“老妈，俺在长沙开福区玩哦”，“老 妈，我在北京丰台区玩哦”。万一俺当年不幸走丢了（呸，啥子假设嘛），家里人也只需要在俺走丢的区域打“寻人启事”的广告，不用在整个长沙市或者北京市打广告，这样就可以大大节省一笔广告费。

现代的无线通信系统在处理如何寻找手机这个问题上和以上方式有惊人的类似。它先是将一个城市的无线网络划成若干个位置区（类似城市的片区划分，如长沙市的开福区、岳麓区等），如图1.9所示。手机通过侦听广播信息得知自己所在的位置区，如果发现自己的位置区发生了变化，则主动联系无线网络，上报自己所在的位置（类似于到了新的地方后向家里报平安，告知自己所在的位置），如图1.10所示。

无线网络收到手机发来的位置变更消息后，就把它记载在数据库里，这个数据库称为位置寄存器。等以后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，确定手机当前所处的位置区，再将被叫的请求发送到该位置区的基站，由这些基站对手机进行寻呼。

位置变更消息还有一个时效性的问题。有时候你手机所处的位置区并没有变更，但网络也无法找到你，比如你的手机电池没电了，或是SIM卡被拔出来了。还有一种可能是你的手机位置发生了变化，但是网络无法得知，比如说你进入了无网络覆盖的区域。在这种情况下，继续对你寻呼无疑是浪费了网络的资源。为了避免造成浪费，我们通常设定一个周期性的时间，要求手机每隔一定时间，不管位置区有没有变化，都要向网络汇报一下自己当前所在的位置区，如图1.11所示。对于逾时未报的，就把它当作“网络不可及”好了，直到收到它的下一次位置更新再改变状态。

位置区的划分需要寻找一个平衡。划得太大了浪费寻呼资源，划得太小了手机随便一动就要上报位置区变更，同样浪费系统资源。

爱卫生

对于通信网络而言，识别用户的身份至关重要。

天底下没有免费的午餐，运营商提供的网络服务可不是免费的，收不到钱咋个养家糊口啊。在这方面，固网有天然的优势，固网的终端一般直接接在用户家里或者公司里，跑的了和尚跑不了庙，我没有必要去确认你的身份，接口就在你家里，接口就是身份，如图1.12所示。

在移动网络里，情况就大不一样了：用户可能今天在长沙，明天在北京，没有固定的位置，系统无法根据用户的物理位置确定其身份。就好比用户可能在某公司的办公楼里用手机打电话，但这个地理位置与用户的身份识别毫无关系，你可不能去找这家公司要钱。为了保证业务的顺利开展，移动通信运营商一般每次服务前都要先确认用户的身份。

在移动通信系统中，用户是通过终端来访问网络的，因此对用户的鉴别就相当于对 终端的鉴别。

在GSM 系统中，用户的标识称为IMSI (International Mobile Subscriber Identity,国际移动用户识别）号。你可以把它理解为身份证号，对于整个系统而言，每个用户的IMSI 号是唯一的，用以标识和区分用户。IMSI号存储于SIM卡，SIM卡可以独立于终端。另外，核心网络也存储了IMSI号，好与SIM卡中的信息进行比对。

CDMA手机在国外都是机卡一体的，CDMA系统中用户的标识是32bit的电子序列号（ESN, Electronic Serial Number),由终端厂商或者运营商固化在用户手机里。而在国内，为了照顾国人的消费习惯，CDMA手机都是机卡分离的，所以它的用户标识也采取了和GSM相似的做法，即将IMSI号存储于SIM卡和核心网络。

问题是只有IMSI号是不是就足以识别一个用户了呢？实际上是不够的，这年头的假货、仿货太多了，我们得想办法防止非法用户伪造一个IMSI号就可以大摇大摆地在 网络里横行。这就好比身份证，光靠看身份证号是不足以识别一个人的，身份证必须有防伪机制才能保证它的安全使用。

在GSM系统的鉴权体制里，采用的是“用户标识+密码”的方式来识别一个用户是否合法。就好比登录Windows系统 一样，需要一个用户名和密码，有了这两个参数，用户的身份才能得到确认。

手机打电话或者上网之前，首先要向移动网络提供自己的用户标识和密码（如图1.13所示），移动网络收到后和数据库进行比对，如果一致，就认为你是合法用户，然后你就可以享受约定的通信服务了。

爱卫生

无线网络很令人头痛的一个事情就是要防止被人听，无线电波在空中是向四面八方传送的，谁都可以通过仪器在空中拦它并听。在模拟通信时代，这几乎是一个无解的命题。君不见，在以前的年代，打仗对阵双方的无线电通信都是能被对方拦的，所以没有人敢用不加密的文字，都只能通过密码把它翻译成另一串字母后再发送出去。

到了大哥大时代，又不打仗，咱不能打个电话还配个机要员吧，大家都是扯着嗓子直来直去。如果附近有人架起一根天线，那可听得是清清楚楚啊。没有用过大哥大的人对此没有直观的感受，但相信不少人以前都玩过插卡的游戏机。自已在这边玩，旁边的邻居竖起天线就可以收到自已游戏的画面。

除了容量小以外，通话的安全性问题也是第一代模拟通信被人所诟病的一大问题，所以当第二代数字移动通信系统出来以后，大哥大就迅速被取代了。

数字通信系统一个很大的好处就是可以加密，数字通信的信号是一串串比特流，比如像“01110010101010”。我完全可以拿这一串比特流和另一串特定的比特流进行与、或、非、异或等逻辑运算（可以理解为加密算法），产生一串新的数字序列。然后在接收端可以用相似的方式还原原来的信号。这样的话，即使我在空中发送的电磁信号被人家拦住，只要他不知道我的加密算法和我加密的比特流，那他就无法还原出原来的信号。

实际上GSM正是这样操作的，当核心网络确认了手机的身份以后，就给手机下发一串随机的比特流（实际上不是完全随机的），手机用这串比特流与自己的密钥一起生成一串上文所述的特定比特流，然后再和要加密的用户通话数据一起通过加密算法就生成了加密信号，如图1.14所示。

从上文可以知道，在空中传送的只有随机数据和加密结果，要从中推断出加密算法和加密用的密钥是非常困难的。得不到加密算法和密钥，你就无法还原别人的信号而无法实现听。从目前看来，数字无线通信的这种保密方式还是相当成功的。

爱卫生

爱卫生 发表于 2012-11-27 20:10

话说固话时代，是没有一个叫“切换”的概念。所谓固定电话，就是固定在那里不怎么动的电话。你能移动的范围是有限的，其距离取决于电话线的长度。电话粥煲得正带劲又要出门，若想边走边聊是不可能的。

这与移动通信完全不同。移动通信的特点就是用户在通话过程中位置可以不断地变动，而每个基站的覆盖范围是有限的。用户总会从一个基站覆盖的范围转移到另一个基站的覆盖范围，那么用户与一个基站的通信也不可避免地要转到另一个基站上去，这就是“Handover”——切换。这个英语词汇非常形象，handover的原意是移交。基站甲对基站乙说：“N97这个小兄弟就要脱离我的地盘到你的地盘了，我把它移交给你了，麻烦你好好照顾它”，如图1.15所示。

切换的方式有很多种，一种是终端首先切断与原来基站的联系，然后再接入新的基站，这种切换称之为“硬切换”，在切换的过程中通信会发生瞬时的中断。与此相对应，若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，才断开与另一个基站的联系，切换期间没有中断通话，称之为“软切换”或者“无缝切换”。

我们也可以拿固定电话来打个比方。固话在墙上的接口就好比无线通信的空中接口，电话都是通过接口和网络保持联系。“硬切换”就是这个固话只有一个接口和一条电话线，当你要移动到另一个房间（可以理解为另一个基站的覆盖范围），那么你就把电话线从这个房间的墙上的插口中拔出来，再插到另一个房间的插口中去，“先拔后连”，称之为硬切换。呵呵，你的固话如果要“切换”，估计也就只有这种“硬切换”法了。

对于“软切换”，我们一时间难以有清晰的理解。因为我们传统的固话都只有一根电话线和一个接口联系的。“软切换”纯粹属于无线通信的概念，电磁波的那些事儿太抽象，看不见摸不着的，难以给人直观的感受。这就需要我们有想象力，假设我们的固定电话在电话机上有两个插口，上面可以连两条电话线，在一个房间里其中一根电话线插到墙上的插口通话时，另一根电话线还可以插到隔壁的插口上实现通信，这样就可以实现“软切换”了。当你要移动到隔壁的房间咋办，不要紧，用原来就准备好了的隔壁的电话线进行通信，再把现在的这根电话线拔了，插到第3个房间去，这个过程不会产生通信中断，这就是“无缝切换”的由来。

对于GSM来说，它只有一套信号滤波器，滤波器锁定在目前通信的工作频点。而GSM的邻区工作频点都是不一样的，要完成切换，必须更改当前信号滤波器的频段，等调谐到要切换的频率才能和新的基站建立通信，因此必然有个先断后连的“硬切换”过程。如果一定要让GSM实现软切换也并非不可能，只要在终端上增加一套射频处理单元即可，这无疑会增加成本。对于CDMA来说，软切换要简单得多，因为它的所有载频都工作在一个频段。但当它因为系统扩容上了二载频、三载频以后，同样也会面临只能硬切换的问题。

我们在上面介绍了切换的基本概念，那么什么时候需要切换呢？

在无线通信里，通常有两个参数来衡量是否需要切换：接收信号的强度和通话质量。 手机是有一定灵敏度的，信号太弱了将无法正常工作。通常信号的强度越强，通话质量 就会越好。因此，信号强度是决定切换的一个很重要的指标。日常生活中，我们一般用手机信号有几格来判断接收信号的强度。

切换的时候往往会涉及多个基站，一个基站只了解自身的信号和资源情况，而并不了解其他基站的具体情况，因此通常要将终端以及基站本身测量的信号接收的强度上报给基站控制器，最后由基站控制器决定是否进行切换。

tonyhe

爱卫生 发表于 2012-11-27 20:28
话说固话时代，是没有一个叫“切换”的概念。所谓固定电话，就是固定在那里不怎么动的电话。你能移动的范围 ...

根据这个GSM的切换概念，硬切换才是实实在在的，软切换只是一个概念么？因为“除非在终端上安装两个射频发射器”。而这么说的话，如果在火车上或者高铁上就会很正常的出现从一个基站进入另一个基站，但是怎么没有见电话通信中断呢，难道还有其他的原因么？