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星星之火-15: 空口資源是有限的,GSM如何實作各種終端、各種資訊共享有限的無線資源?

2020-10-13 18:49:08 前端設計

1. 無線網路拓撲結構的選擇

無線通信就是通過調制的方式,控制高頻載波信號的某種特性,把二進制資料加載到高頻無線電磁波上,然后利用無線電磁波在兩個節點之間進行傳輸,從而實作資料通信的程序,

關于GSM調制的方式,可以參考《圖解通信原理與案例分析-15:2G GSM手機語音通話的作業原理--TDMA時分多址與GMSK調制》

無線頻譜資源是共享的,利用共享資源通信的方式大致有如下幾種:

(1)點對點拓撲結構通信:

通信雙方之間,直接通過電磁波進行通信,中間不借助任何設備,

前面花了幾篇文章拆解過點對點無線通信的基本原理,

然后,這種點對點通信有幾個明顯的缺點:

  • 相互通信的兩個節點之間,距離不能相處太遠,只能相距在有限的范圍,比如對講機,通信雙方只能相距幾公里之內,
  • 不同的通信節點之間,無法知道其他人什么時候占用無線資源,導致無線資源沖突訪問明顯,

(2)點對多星型拓撲結構通信

多個節點之間,不直接通過無線電磁波進行通信,每個終端節點,通過共享的無線電磁波信號與中心節點通信,然后通過中心節點的中轉,最終實作任意終端節點之間的通信,

WIFI路由器,GSM基站,都采用了這種星型拓撲結構,

然后,如果只有單個WIFI路由器,只能實作局域網通信,無法實作跨不同WIFI路由器之間通信,不能實作跨區域、跨國家之間的通信,

如果只有單個基站子系統,也只能實作終端無線接入,無法實作跨不同基站子系統之間的通信,不能實作跨區域、跨國家之間的通信,

要想實作更大無法內終端之間的無線通信,必須借助網路,

(3)網路通信拓撲結構

WIFI和GSM都采用了上圖的網路拓撲結構,能夠實作更大范圍的任意兩個節點之間通過無線接入點實作遠程通信,

2. 頻分復用---頻段復用:200KHZ載波

數字無線通信中,所有的二進制的資料,包括來自終端與來自網路的二進制資料,都是通過無線電磁波進行承載和傳輸的,需要對無線電磁波采用某種共享的策略,即所謂的“多址”策略,

GSM采用的是:先頻分多址,然后時分多址,

以分配給GSM的900M頻段的電磁波為例,先把25M帶寬的電磁波,以200KHz為單位進行切分,得到125個載波,這就是頻分多址的思想,

不同用戶,可以占用不同的載波,實作不同用戶并發共享25M帶寬的GSM無線資源,

3. 時分復用---載波復用:8個時隙(語音)

全速率語音通信,語音編碼的二進制位元為13Kbps, 200KHz帶寬的電磁波,對單個用戶是及其富裕的,于是按時間,再劃分為8個時隙,每個用戶分時輪流復用這200KHz的載波帶寬,這就是時分多址TDMA的思想,

在上圖中,每個方格就是一個時隙,縱向是電磁波的頻率資源,橫向是時間,被切分成了8個時隙,每個時隙可以傳送一路用戶的編碼后的二進制語音資料,

每個時隙的時長為0.577ms,傳輸156.25個符號碼元,通過GMSK調制,每個碼元可以攜帶一個位元的二進制資料,除去保護帶寬和其他資訊,每個時隙大概可以傳送148bits,一個時隙的二進制的編碼、調制、發送,稱為一個突發脈沖,

這樣,不同用戶的語音資料,可以占用不同的載波不同時隙,實作不同用戶語音分時共享25M帶寬的GSM無線資源,

4. 時分復用---時隙復用:TDMA幀(控制信令)

就像一個公司,除了各個業務部門外,還需要一些如人力資源、財務部門、工會、后勤等一些公共部門,即使是業務部門,除了業務人員外,還有像部門秘書、部門運營等一些公共輔助性的人員,

GSM通信也樣,除了需要傳輸語音的時隙外,還需要時隙來傳輸公共的資訊,由于公共資訊的種類繁多,為此,把這些公共資訊進行抽象與分類為各種公共信道,而傳送語音的信道,稱為業務信道,

每種用于傳送信令的公共信道的資料量不大,且傳輸延時要求不嚴格,占用整個時隙有點浪費,是否可以考慮多種公共信道共享同一個時隙呢?這就是時隙共享的基本思想!

時隙共享的思想雖好,但問題是各種型別的公共資訊如何分時復用同一個時隙傳遞?如何有效的、有條不紊的、集權性的管理這些時隙、信道、信道中的資料呢?以便能夠把有限的無線資源得到最大利用率和最大的公平性?

為此,GSM定義了物理信道、邏輯信道和TDMA幀,通過TDMA幀可以結構化各種控制信道的資訊,分時復用同一個時隙資源!

(1)物理信道

物理信道中傳輸二進制位元的稱為突發脈沖,共有五種突發脈沖,每種突發脈沖都有自己的用途和二進制資料格式,

(2)邏輯信道

根據其傳輸的資訊的種類和功能,把這些資訊分為一個個邏輯信道,每個邏輯信道傳送相關性的資訊,

(3)TDMA幀

這么多的邏輯信道,可以映射到不同的物理信道中,每種邏輯信道中,傳輸的資料格式都不相同,

如何對邏輯信道中的資料進行統一架構化呢? 這就是所謂的TDMA幀格式的定義了!

8個連續的、相同索引index的時隙,組成一個TDMA基本幀,

26個傳輸業務資料的基本幀或51個控制資料的基本幀,構成一個復幀,

26個控制復幀構造一個超幀或51個業務復幀,構成一個超幀,

2048個復幀構成一個超高幀,

這種分層的幀結構,可以達到如下的效果:

(1)可以把各種復雜的業務資料、控制資料進行了有效的組織、管理和集中控制!然后復用某個時隙進行傳輸,

(2)不同的資料域,其傳輸位元率與傳輸周期可以靈活的控制,

結論:

通過對整個頻段按載波切分,實作頻分復用,

通過對單個載波按時隙切分,實作時分復用,

通過對單個時隙按時間復用,實作TDMA幀結構,

最終實作這樣的一個效果:

在集中化、集權化的調度下 ,各種終端、各種資訊,能夠復用和共享有限的無線資源,進行并行和分時傳輸!

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