第2章

Chapter 2

从电台到大哥大

无线通信可以说有3个层面。第一个层面是点对点的无线通信，比如说电台，又比如说对讲机；第二个层面是点对多点的无线通信，比如说基站和手机之间，一个基站要和多个手机实现通信，它是建立在点对点无线通信基础之上的，但是除此之外它又要考虑复用、功控、同步等多个附加因素，相对第一个层面要复杂；第三个层面是多点对多点的无线通信，比如说WCDMA中多个基站与多个手机的关系，一个基站要与多个手机进行通信，一个手机也可能与多个基站之间进行通信，要考虑的因素就更多了，但它也是以第一个层面和第二个层面为基础的。

我们在第1章中，已经基本勾勒出了第一个层面无线通信的轮廓，在这一章里，我们要来讨论一下点对多点的无线通信和多点对多点的无线通信。作者希望一步步由简到繁地去分析搭建一个无线通信网可能会遇到的问题，通过这种方式让大家对于无线通信网有一个清晰的认识和基本的概念。

2.1　电台的梦想——点对点的无线通信

“千里眼”、“顺风耳”，这是人们梦想了几千年的通信方式。它们因马可尼的发明而成为现实，马可尼也因此载入通信的史册成为不朽。但是大家要注意到，“千里眼”和“顺风耳”都是《封神演义》里面描写的天神，古人虽然想象力丰富，但是依然没有梦想过每个人都拥有这样的能力，只是想象这样的能力应该是属于神的。到了今天，我们的梦想可以在古人的基础上再往前走一步。

马可尼发明电报后，军队、政府机构、大型企业开始拥有这种远距离通信设备，可以实时地进行沟通，但是并不是每一个人都能享受到它的好处。于是，一个新的梦想诞生了，这个梦想不只属于神，而是属于每一个人，那就是“让任何人在任何时间任何地点可以和任何的另外一个人交换任何信息”，听起来很拗口，翻译成通俗一点的话就是“我想要一个手机”！这个梦想在今天看起来很简单，几百块钱就能解决，但是把历史的页卷翻到1940年，那个没有移动通信网的年代，你还会觉得简单吗？

那好，我们的问题就来了，现在把你放到1940年，你想拥有一个手机，能够随时随地和你女朋友打电话、诉衷肠，请思考一下你该怎么办？不要求描述具体的细节，但是要讲出大致的思路。

2.1.1　无线通信组网构想一：用无线电台可以构成一张无线通信网吗

在1940年，你看不到Theodore S.Rappaort的《无线通信原理与应用》，也读不到Harri Holma的《UMTS for WCDMA》，你的所有学识和经验，只来源于你那个时代。凭空想象一个新的东西总是很困难的，于是，你总会从你身边已有的东西上面寻找线索，那么，你有了这样一个美妙主意——既然无线电台就可以实现远距离的无线通信，那么给每个人发一个电台行不行？

有这个想法一点也不奇怪，1940年，第二次世界大战开始了，电台的使用可是频繁得很，我们拿电台来对照一下我们那个“五个任何”的梦想。

（1）任何人：如果国家足够有钱，给每个人发一个电台确实不是什么遥不可及的梦想；

（2）任何时间：只要你的电台不是山寨货，那么在保质期内任何时间工作不歇菜也不是一件很困难的事情；

（3）任何地点：日本袭击中途岛的电报竟然能被千里之外的美国截听到，说明在地球上绝大多数地方收发电报都没太多问题；

（4）任何信息：这个有点困难，第二次世界大战时，无线电台打打电话是没有什么问题的，你也可以用莫尔斯电码代替短信，但是要发彩信啊，传视频啊，显然那个时候的无线电台完成不了这样的工作。但是这毕竟是1940年年，不是2012年，每个人都能打电话相对只有军方政府企业能用已经大大进步了，不能要求那么高，是不是，咱们得知足。

上面的解释看起来很完美，可是事情真是这样吗？

首先因为要考虑发射电报“任何地点”都能收到，发射功率就得很大，嗓门够大，才能穿透层层阻碍，从日本太平洋舰队传到美国五角大楼。发射功率一大，这电台的体积就小不了。我们首先从图2.1和图2.2来看看电台和步话机的大小，相信大家都从电视里或者博物馆里看到过，应该对它有个比较直观的认识。

先不谈别的，这样大小的一个铁疙瘩，背在身上可不是一般的沉，拿这玩意当手机估计一般人还真承受不了。说到这里估计有人要反驳，随着技术的进步，这电台也许将来有一天可以变得很小，可以握在我们掌中，到时候不就成了，现在有点不方便，大家还是可以将就的嘛。

图2.1　无线电台

图2.2　第二次世界大战时的步话机

事情果真是这样的吗？

我们来看看电磁波在空中的传播，如图2.3所示，电磁波在空中是向四面八方发射的，在同一频段的电磁波是会互相干扰的。这个理由其实不难明白，比如人说话的频段一般在20～3400Hz，如果好几个人同时跟你说话，那么你要分辨起来就有点困难，因为他们的声音都在同一个频段，会互相干扰。如果是一个人和一只蝙蝠同时向你吼嗓门，那么就不存在干扰的问题，因为蝙蝠发射的是20kHz以上的超声波，跟人发声的频段差得远。

图2.3　两个发射源传送电磁波互相干扰

哦，原来障碍在于这些电台不能用相同的频段，既然如此，我给全球所有的电台都分配不同的频段不就行了么。假设一个电台需要占用25kHz的频段，全球有20亿人需要用电台打电话，那么只需要25kHz×2×10¹⁰＝5×10⁵GHz频段的带宽分配给全球这些人用也就够了，有什么问题吗？

聪明的同学或许发现了，这样做存在一个很大的漏洞，那就是“我怎么才能知道张三在哪个频段上呢？”在第二次世界大战的各支军队里，这种每个电台用不同频段的方法之所以还奏效是因为要管理的通信单元还不够多，就算每个连配一个电台，一个连以200人为单位，那么一支100万人的军队，也许5000个电台就够了，就拿本子记，问题也不是太大，但是当通信单元达到20亿个，假如1页可以记录100条对应关系，也得2000万页，这得是一本多厚的本子！或许还有人要争辩，随着数据库技术的发展，我将来也许可以把这20亿条信息都存到手机里，问题不就解决了。

好，就算数据库建立了，一个要命的问题也来了，如果在这20亿人之外新增了一个手机用户名叫李四，其他20亿人如何才能知道他用的哪个频段？如何才能找到他？难道一个个通知20亿人刷新数据库么……

又有聪明的人想到了，可以建立一个中央数据库，大家定时去那里下载最新的就是了。好吧，虽然困难，虽然麻烦，倒是好歹还是有解决办法的。但是也就是说，到现在为止，我们用电台来实现个人通信的想法虽然千疮百孔，但是问题还只是不好用，或者说很难用，不是不能用。

接下来，真正的也是最致命的挑战来了，我们面临的一个现实问题直接否决掉了这个方案，那就是，适宜于无线通信的频段很少，完全不够用，想从中分出5×10⁵GHz给大家来实现个人通信，那纯属一件扯谈的事情（原因在2.1.2小节中解释）。

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条件。不论在我们虚构的这套电台解决方案里，还是在后面的GSM、WCDMA、TD-SCDMA、LTE乃至所有的无线通信领域，大家都会深刻领会到——无线资源的频段是稀缺的，是有限的。而正是这种稀缺性和有限性给我们造成了巨大的麻烦，并且导致了我们采取各种技术手段来克服它，这一点请大家务必牢记！我们一直在说频谱资源很有限，那么到底有多有限呢，请看下面的分析。

2.1.2　资源是有限的——适于组网的无线频段

我们首先来看一下ITU按照电磁波频率或者说波长定义的电磁频谱系，如图2.4所示。

适宜于无线通信的波长，按ITU的定义，是从长波至微波不等，也就是自30kHz至300GHz不等，我们在2.1.1小节建立的虚拟的电台通信系统，需要500000GHz，显然是没有办法满足的。而要进行远距离的电台点对点通信，微波都不太适用，也就剩下长波到短波这一段了，资源都可以以MHz来计算了，比起500000GHz来，基本可以算是杯水车薪。

图2.4　电磁频谱系列

在无线频谱资源这一节里，我们要搞清楚两件事情，一是长波、中波、短波的用途，因为它们在生活中应用很广泛；二是几个主流移动通信比如GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA、cdma2000所使用的频段，这是我们日常工作中可能经常要打交道的事情。

长波主要沿地球表面进行传播，又称地波；也可在地面与电离层之间形成的波导中传播。传播距离可达几千千米甚至上万千米。长波能穿透海水和土壤，但波长越长，干扰噪声也越大。长波多用于海上、水下、地下的通信与导航。比如说潜艇，一般就用长波进行通信。也许有人会问：潜艇为什么一定要依赖长波台呢？因为无线电短波、中波都不能进入水里，只有长波能进入水下，最深可达40多米，这样遨游碧波下的潜艇，就不必浮出海面来接收陆地上的统帅部的指令了，在水下就可收到，从而能更好地完成隐蔽和作业。

中波在白天主要靠地面传播，夜间也可由电离层反射传播，主要用于广播和导航。一般中波广播（MW，Medium Wave）采用了调幅（AM，Amplitude Modulation）的方式，所以在不知不觉中，MW和AM之间就画上了等号。实际上MW只是诸多利用AM调制方式的一种广播，像在高频（3～30MHz）中的国际短波广播所使用的调制方式也是AM，甚至比调频广播更高频率的航空导航通信（116～136MHz）也是采用AM的方式，只是我们日常所说的AM波段指的就是中波广播（MW）。

短波主要靠电离层反射的天波传播，可经电离层一次或几次反射，传播距离可达几千千米甚至上万千米。适用于应急、抗灾通信和远距离越洋通信。

微波主要是以直线视距传播，但受地形、地物及雨雪雾影响大。传播稳定、传输带宽宽，地面传播距离只有几十千米；能穿透电离层，对空传播可达数万千米。主要用于干线或支线无线通信、卫星通信。在本书中，主要关注的是微波的300MHz～3GHz这一段，因为它是当前移动通信网组网的主要频段。

在中国，GSM的频段是这样划分的。

PGSM 900M频段：上行890～915MHz，下行935～960MHz，上下行各25MHz频宽，其中上下行之间45MHz间隔；

EGSM 900M频段：上行880～890MHz，下行925～935MHz，上下行各10MHz频宽，其中上下行之间45MHz间隔；

GSM1800的频段上行链路为1710～1785MHz，下行链路为1805～1880MHz，上下行各75MHz频宽，其中上下行之间95MHz间隔。

具体到中国移动和中国联通又是这样区分的。

中国移动：

900M频段——上行885～909MHz（5MHz EGSM频段＋19MHz PGSM频段）；

1800M频段——上行1710～1725MHz，下行1805～1820MHz。

中国联通：

900M频段——上行909～915MHz（6MHz PGSM频段）；

1800M频段——上行1740～1755MHz，下行1835～1850MHz。

在CDMA的IS-95标准引入中国并由中国联通运营后，国家给CDMA也划分了10MHz的频段，那就是：上行825～835MHz，下行870～880MHz，和GSM900M一样，上下行之间的间隔也是45MHz。

2009年1月7日，工业和信息化部为中国移动、中国电信和中国联通发放了3张第三代移动通信（3G）牌照。其中，中国移动获得TD-SCDMA牌照，中国联通和中国电信分别获得WCDMA和cdma2000牌照，3大标准的频段也随之敲定。

其中，中国移动的TD-SCDMA获得了1880～1920MHz，2010～2025MHz两个频段，其中1880～1920MHz原用于发展小灵通，小灵通2011年年底清频退网后此频段划归TD。值得注意的是，TD-SCDMA是TDD方式，所以不像我们上述的GSM和CDMA有上下行频段之分。

中国联通的WCDMA获得了上行1940～1955MHz，下行2130～2145MHz，上下行各15MHz频宽，其中上下行之间90MHz间隔。

中国电信的cdma2000获得了上行1920～1935MHz，下行2110～2125MHz，上下行各15MHz频宽，其中上下行之间90MHz间隔。

2.1.3　无价的战略资源——无线频谱资源的价值

读者看到2.1.2小节的时候或许会有一种昏昏欲睡的感觉，通篇都是一些数字，似乎除了翻出来查一下移动、联通、电信的频段之外毫无其他价值。但是作者必须强调，这些数字背后隐藏着一个巨大的玄机不易被识破，那就是频率资源是运营商最重要的战略资源之一，其拥有的频谱资源的多少直接决定了其网络能够承载多少用户，进而影响其建网方式、市场定位、营销策略、广告宣传等一系列关键战略。

在中国，频谱资源的价值并不是很容易识别出来，因为它是通过行政命令的方式分配的。行政命令背后各运营商的博弈不像商业上的博弈一样透明和容易量化，而像欧洲或者其他一些地区的频谱资源是政府拿出来拍卖的，那么从拍卖价高低我们一眼即知频谱资源的价值。

以德国电信为例，为了获得3G的10MHz频段竟然花了77亿美元，每1MHz频段价值7.7亿美元。7.7亿美元相当于什么概念，当前的国际黄金价格约为47美元每克，7.7亿美元可以买16吨黄金。1MHz频率相当于16吨黄金，是不是比黄金圣斗士还牛。

话说到这里问题就来了，这个频率资源为什么会这么值钱呢，答案和2.1.1小节中所说的一样：电磁波在同一频段的干扰造成了无线频谱资源的有限性，各种无线制式对有限的频谱资源的争夺造成了它的高价值。凡是供给有限而日常生活又大量需要的，比如说石油，基本就便宜不了。既然说无线频谱资源的有限性是由于电磁波在空中会相互干扰而造成的，那么电磁波在空中的干扰又是怎么回事呢？

无线通信中传递信号的电磁波，如同太阳光一样，是向四周发散传播的，其传播方式在视距的情况下遵循自由空间传播模型，如果两个信号频率相同，离得也不是太远，那么它们就必定会在空中遭遇，从而造成干扰；而有线通信中传递信号的电磁波，却可以控制其传播路径，一条线路上的信号对另一条线路上的信号完全没有干扰。

比如说同轴电缆，几根同轴电缆往往套在一个大的保护套内，如图2.5所示。同轴电缆的外保护套是接地的，故外部噪声很少能进入其内部，从而避免了干扰。

图2.5　同轴电缆

又比如说光纤，现在大容量高速率的有线通信几乎都以光缆作为载体。如图2.6所示，该图为光纤的剖面图，其芯线的直径为2a，包层的直径为2b。芯线的折射指数为n₁，包层的折射指数为n₂，利用折射指数的不同保证光一直在光纤内传输。

图2.6　光纤剖面图

对于无线信道，情况比有线信道要复杂得多，我们没有办法改变电磁波在空气中的传播特性，既然无法有效地控制信号的传播路径，那么自然也就无法有效地控制同频率的信号与信号之间的干扰。既然无法控制干扰，那么某个运营商用了其中一个频段在全国组网运营，其他运营商就不能再用这个频段，否则两家就会干扰得一塌糊涂。这就是大家要通过拍卖会争夺频谱资源的原因。

除此之外，无线频谱由于其在空中的无线特性不同，还有“黄金频段”一说。比如CDMA所在的800MHz频段以及GSM所在的900MHz频段，相对1800MHz频段其穿透墙体和其他障碍物造成的损耗就要小得多，所以也被称作“黄金频段”。

国家已经分配给了中国电信1920～1935MHz来承载cdma2000业务，但是电信目前依然用800MHz频段来承载3G业务，也就是因为这个频段的资源更优质。由于历史因素，中国移动在900MHz频段一共获得了885～909MHz这24MHz频谱，相对中国联通909～915MHz这总共6MHz的频宽而言频谱资源要丰富得多，自然其网络能承载的用户数也就更多。有德国电信的例子在前，各位读者也可以在心里盘算一下18MHz频谱值多少钱。

2.1.4　无线通信组网构想二：参照广电网络的架构行不行

我们在2.1.1小节中已经用频谱资源有限的理由把用电台搭建无线通信网的想法给否决了，一时间大家是愁眉苦脸，在1940年那个时代，除了电台，跟通信沾边的事情也想不到别的了，没什么思路。也罢，我们把时间拨到1985年，这个时候距离马可尼发明无线电报已经整整90年了，但是那时中国暂时也没有移动通信网，大哥大也是在两年后的1987年才出现，在这个时间点上，我们又会不会有新的思路呢？

有的！中国这时候黑白电视已经逐渐开始进入寻常百姓家，这个时候的电视是通过天线来接收无线信号的，而不是像后来一样是通过有线闭路接入。广电在每个城市几乎是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，你不妨把这个过程也看作“通信”，毕竟有收有发，有调制有解调，跟通信还是有那么一点神似。不仅电视，城市里的广播电台也是采取这种模式。如果把电视和广播电台也看作“通信”的话，那么我们在1985年来搞移动通信网也就不能算完全无先例可循了，我们能不能复制一把广播电台这种模式呢？

这个主意看起来不错，至少我们在前面担心的终端个头的大小现在看起来不是问题，因为手持收音机的大小跟大哥大也差不多。那就这样吧，我们参照一把广电的模式，在每个城市里竖一个发射塔，然后手机终端的设计就参照收音机，是不是就可以组成移动通信网了呢？

可能有人觉得对于移动通信而言，一个城市一个发射塔是不够的，因为移动通信用的是900MHz这样比较高的频段，而900MHz的绕射能力不如低频的中波和短波，那么我们就多建几个发射塔吧，比如一个城市3～4个，是不是就可以了？事实上，参照广电网搭建移动通信网这件事情还真不是我们在这里空谈，早期的移动通信系统还真是这么干的。20世纪70年代在纽约建立了贝尔移动系统。这个系统建在高塔上，用大功率的发射机来获得一个广覆盖，最广可以覆盖2800km²！这比整个上海的城区面积还要大！

一个发射机就能覆盖2800km²的距离，让这么广大地区的人民可以享受随时随地通信的快乐，真是一件功德无量的事情。然而，这个通信系统有一个致命的缺陷，它竟然只有12个频道，只能容纳12个用户同时通话。也就是说，虽然它满足这个区域的人们“任何时间”、“任何地点”通信的梦想，但明显不能满足“任何人”和“另外一个任何人”通信的需求。

广电模式不是运行得好好的么，一个广电的发射塔不是可以让千家万户看上电视么，怎么到了电信运营商这里这种模式就走不通了呢，问题出在哪里？

我们来看看广播和通信这两个词在英文里的区别，广播叫做“Broadcast”，英文单词直译是广泛地扔，只需要发射塔向电视机发射信号，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配25kHz的带宽（从100.000MHz到100.025MHz），那么只需要发射塔来占用这25kHz带宽发射就好了，所有电视机只接收信号不发射信号，也就是说一个城市只有一个发射源，这当然是不会产生干扰的，如图2.7所示。

而通信这个词，在英文里叫做“Communication”，所谓“Com”，是指交互的意思，不仅发射塔要给用户终端发送信息，用户终端也要给发射塔发送信号！问题就来了，假设现在只有一个用户终端要和发射塔交互信息，那么发射塔还是如上述所示占用“从100.000MHz到100.025MHz”所示带宽，由于这25kHz已经给发射塔发射的信号用了（也称作下行信号），那么用户终端就不能再占用这25kHz的带宽给发射塔发射信号了，于是，用户终端对应地找一个频段，假设是“从50.000MHz到50.025MHz”的25kHz的带宽来发射信号（称作上行信号）。这只是第一个用户，出现第二个用户怎么办呢？

图2.7　广电模式，只有下行，没有干扰

如果说需要交互是电信模式和广电模式的第一个区别，那么每个用户的信息都各不相同则是电信模式和广电模式的第二个区别。早期的时候，可能只有一个电视台，每个用户看到的台都是一样的。当有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“从100.025MHz到100.050MHz”的带宽，用于承载第二个电视台的信息，所谓CCTV-1到CCTV-13，就是通过将信号运行在不同的频段里来实现的。

同样，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一个“频道”，也即增加“从100.025MHz到100.050MHz”的带宽。不同的是，这个终端用户上行也需要增加同样多的带宽，即“从50.025MHz到50.050MHz”。假如说给贝尔移动系统上下行各分配300kHz的带宽，那么能支持的用户数也不难算出，300kHz/25kHz＝12个用户。

300kHz或许显得不是特别多，但是读者可以设想一下，在这种模式下如果要支持3000个用户、30000个用户需要的带宽又将会是多少？显然，这个模式是不足以满足现代无线通信的需要的。于是，先行者们想出了一个办法——降低发射塔的发射功率，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。原来我可以覆盖2800km²，我现在只覆盖2.8km²总行了吧，这2.8km²或许只有30个用户需要同时打电话，那么我只需要上下行各分配30×25kHz＝750kHz就行了。这样，就形成了现代无线通信系统的雏形，如图2.9所示。覆盖同样的面积，图2.9所示的移动通信系统相对贝尔移动系统发射塔数量增加了100倍，同时在相同频谱带宽内能支持的用户数也大大增加（没有100倍，因为电磁波不可能控制得那么完美，不同发射台覆盖的区域完全无重叠，无干扰）。这些发射塔通常意义上也被称作基站。基站和基站之间的用户怎么实现通信呢？会有更上一级的通信设施基站控制器（BSC，Base Station Controller）乃至移动交换中心（MSC，Mobile Switching Center）进行处理，那是后话。

图2.8　贝尔移动系统，从1、2到N个用户

图2.9　现代移动通信系统雏形

2.2　基站的困惑——点对多点的无线通信

应当说，到图2.9的时候，我们“五个任何”的梦想，也基本能够实现了，但是依然有很多问题有待我们去解决，很多细节有待我们去完善。发现问题和解决问题的过程可以给我们带来很多启迪，也可以加深对无线通信网的理解。希望读者可以和作者一起来思考，品味通信里的智慧和美感。我们看到图2.9所给出的现代移动通信系统的雏形，其中是有很多基站的，但为了简单起见，我们先来讨论一个基站下手机的活动情况，再考虑多个基站之间的协作问题。

2.2.1　困惑之一：基站下不止一个手机

我们知道，对现代无线通信系统的一大要求就是要“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，在2.1节中贝尔移动系统的设计者们已经想出来了多建基站，控制基站的发射功率和覆盖距离，从而让总容量大大增加的方法，这在通信里面也叫做“空分复用”。但是仅仅有空分复用还是不够的，因为基站的建设费用毕竟是很高昂的，一味地靠增加基站的数量来解决容量的问题就成本而言很不划算，这还只是一方面；另一方面是，基站覆盖范围越小，电磁波的传播路径就要控制得越精确，从而尽量避免基站之间的干扰，这在实际工作中操作起来非常难；再者，基站覆盖范围过小，基站数量太多，会造成大量的切换，这对于移动通信系统而言不是很有利。

基于上述种种理由，我们必须提高单个基站的容量，那么有什么好的办法呢？据说这个问题也让GSM的创始人很头疼，在处理新增用户接入的问题上，GSM和贝尔移动系统是一脉相承的，每新增一个用户，就给这个用户分配200kHz的频宽（GSM的频宽是200kHz），这种操作方式也叫做频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）。所谓频分，就是把一段频谱切成N块，每块分给一个载波，让这个载波去承载用户。在这个阶段，我们可以把一个载波理解为一块载频，载频的形状如图2.10所示。很多人可能没有去过基站，不理解载波的概念，你不妨把一块载频当成一个电台，其主要工作之一也就是发射信号。一个电台是可以给N个用户服务的，因为每个用户听到的内容都是一样的；而一个载频就只能给一个用户服务（假设只有频分，没有时分和码分），因为每个用户通话的内容都是不一样的，在此时还没有办法在一个载波上共存。看到这里，就理解通信“Communicaiton”相对广电“Broadcast”的烦恼之所在了吧。广电里一个电台可以让成千上万的用户收听到广播，而在通信里这么大一块铁疙瘩只能给一个用户使用，亏大了！

图2.10　摩托罗拉的第二代载频

我们把问题再具体化一点，直接给运营商算算账。假如一个运营商有10MHz的频宽，那么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有10MHz/200kHz＝50个用户。如果考虑到干扰，通常还要打个2.5折（空间复用紧密度的原因），即50/4＝12.5，也就是不超过13个用户可以同时通话。大家都看到了2.1节中德国电信对于占用10MHz频谱的出价是7.7亿美元，如果一个基站竟只能承载这么点用户同时通话，那么想收回成本乃至赚钱简直是不可能的事情。

痛苦归痛苦，问题还是要解决的，话说GSM的创始人在这个问题上冥思苦想，却一无所获，正在万般无奈之际就接到了中国老朋友的邀请，让他来中国散散心。问题既然解不出，那么出去散散心也好，或许能有灵感呢。抱着这样的想法，他应邀来到中国做客，并参加了一场盛大的晚会，而晚会上有一幕场景让他眼前一亮，计上心头。那就是——有8个歌手在唱同一首歌，而且是一人一句地来！

真不愧是文明古国，就是会利用资源啊！舞台上的一首歌是资源，我GSM的一个载波也是资源；把一首歌按时间进行切片，分成8份，一人一句地来，就可以让8个人都有歌唱，把GSM的一个载波按时间进行切片，分成8个时隙（time slot），一人占用一个时隙地来，那么就能让8个人都有电话打。多么绝妙的主意！

这就是后来GSM物理层信道划分的由来，GSM900频谱上共有890～915MHz频宽，按200kHz对这段频谱进行等分，分为每个载波用，这就是频分复用（FDM）；然后每个载波又在时间上进行切片，分为8个时隙给8个用户使用，这就是时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）。每当你对时分的概念感觉不够清楚的时候，你就可以想想晚会联唱的场景，如果你对时隙的概念不那么清晰，你就想想那些歌手每人唱一句歌词占用的时间。

至此，我们已经提出了3种增加移动通信系统容量的方法，分别是空分复用（SDM）、频分复用（FDM）和时分复用（TDM）。在GSM里面，3种方式都得到了很好的应用，GSM也成了全球应用最广泛、最成熟的移动通信系统。但是，总还有人觉得这还不够，于是又提出来了“码分多址”，CDMA（Code Division Multiple Access）。作者觉得，空分、频分、时分的概念都是比较好理解的，独独码分不是那么好让人理解，实现的机制也比较复杂。而CDMA是3大3G标准都绕不过去的核心所在，如果对CDMA这个概念理解不够深入，想搞明白3G是比较困难的，所以读者在这一块需要花费更多的时间和精力，务必把这个概念弄透彻。为此，尽管CDMA的初衷与SDM、FDM、TDM一样，都是为了提高系统容量而设计的，但是作者还是认为有必要单独用一小节来讲述CDMA。

2.2.2　困惑之一（续）：海蒂·拉玛的美丽与高通的魅力

CDMA的概念源于一个你绝对想不到的人，美丽的电影演员——海蒂·拉玛（见图2.11）。拉玛1913年出生于奥地利的维也纳，我们也许有理由相信，这座音乐之都对拉玛的人生产生了深远的影响，因为她后来提出的跳频，就是源于钢琴演奏！

图2.11　海蒂·拉玛

拉玛对跳频通信的研究最初是因为第二次世界大战。在战场上，当你发射鱼雷的时候，对手通常有办法使它失效——对无线电信号进行干扰，使鱼雷偏离原有目标。因为早期的通信是在一个单独的频道上传输（嗯，你想得很对，就是在我们上一小节所说的频分的那么一小块里进行信号传输），敌方只需简单地探查频道，之后制造足够的电磁噪声来干扰鱼雷引导信号即可。

拉玛的丈夫曼德尔是个武器制造商，这使得她有兴趣研究规避鱼雷引导信号被干扰的方法，而她后来的合作者安太尔是一个非常著名的作曲家，这给了她以灵感。

拉玛和安太尔关于“免干扰通信系统”的主要原理，用简单的图画和区区百余字描述在了一张小纸片上，其基本想法就是为了避免干扰必须从一个频率跳到另一个频率。而信号的发射者和接收者所采用的频率必须像管弦乐一样达到同步。这张小纸片因为首次提出了“跳频”的概念而成为不朽。1942年8月11日，安太尔和拉玛的研究被授予美国专利“2292387号”，名称为“秘密通信系统”。

跳频后来又演化成了扩频通信，并成为高通公司CDMA技术的基础，而高通公司也凭借CDMA成为通信业界一颗耀眼的明星。“一流的公司做标准”就是对高通的最佳阐释。

在这里，我们有必要区分一下跳频和扩频的概念。

跳频通常是一种序列方式，信息在一段时间内（即间隔时间内）在一个频率上传输，然后又跳到另一个频率。扩频技术由跳频的概念发展而来，但它更先进。在扩频通信中，信息能在多个频道上同时发送。

打个比较粗浅的比喻，跳频就好比按一定的顺序比如说“哆，来，咪，发，梭，拉，西”敲击钢琴键盘。由于钢琴键盘每个音符的频率都是不相同的，所以这种周而复始的音符变动其实也可以理解为频率的变动，海蒂·拉玛或许就是从这一点上领悟到“跳频”的真谛的吧。当然，这个敲击序列不会像，“1234567”那么有规律，一定是看起来混乱但是收发双方都知道运行规律的，要不然也就起不到保密的效果了。你可以把那个“看似混乱但收发双方都知道的序列”理解为一首歌的五线谱，信号的发射方和接收方都可以根据这个五线谱了解到接下来的音符会是哪个，“也即跳到哪个频道进行通信”。

而扩频像什么呢？咳咳，就好比你伸出两个巴掌，同时敲击所有的音符键，在所有的频道上同时传送信号。这个比方倒是形象了，但是从这个例子里不好解释这么做有啥好处，别急，我们接下来就会介绍到。

假设现在有5MHz频段，GSM会怎样分配给用户呢。如图2.12所示。

图2.12　GSM的复用方法

GSM是一个典型的频分以及时分的复用方法，符合大家的传统认知。而到了WCDMA，则出现了这样不可思议的一幕，如图2.13所示。

图2.13　WCDMA的复用方法

我们看到，在这5MHz的频宽内，频分的概念消失了，时分的概念也消失了。所有用户都要占用5MHz频宽，我们知道，不同的信号由相同频率的电磁波传播是会相互产生干扰的，就好比不同的人说话所产生的声波因为承载在相同的频率上（20～3400Hz）会互相产生干扰一样，那我们像图2.13这样做行得通吗？接收端的所有用户都工作在这5MHz的频段上，这些用户不论是从时间上来看也好，从频率上来看也罢都是一样的，那它们靠什么来进行区分呢？答案是：靠码字！

这个答案是如此令人费解，以至于高通在创始CDMA的时候不得不特意描绘了一个场景以供大家理解，那就是著名的“鸡尾酒模型”。

高通把各种无线技术比喻为在一个大厦中的聚会。

如果聚会上的交流基于FDMA技术，每个一对一的谈话都将在独立的房间内举行，这个房间就代表了分配给你的频段。你和你的朋友在房间内谈话，彼此可以互相清晰地听见对方谈话，既然房间里只有你们两人，那么声音大一点也无所谓（对于GSM这样的FDMA、TDMA系统，功率控制远没有CDMA系统重要）。假如一个大厦只有20个房间，那么一次就只能有20场会谈，假如有几百人来赴宴，其他人就要意兴阑珊地离开了。

为了解决这个缺陷，用TDMA技术来补充是个不错的选择。同样几百人的宴会，每对客人可以进入房间进行一对一的会谈，但是不能谈太久就得让给下对客人，比如说30s后就将房间让出来，这样通过依次轮替的方法可以让更多的人有交谈的机会，从而提高了容量。

而CDMA更像是鸡尾酒宴会，大家可以在一个大房间里进行交谈。既然都是在一个屋子里，如果都是用中文说话，那麻烦就大了，你会不断地被与你无关的人说的话所干扰，甚至搞得你无法和你想交流的对象进行正常的交流。这时候如果大家所采用的编码方式不同，比如你用中文，张三用英语，李四用意大利语，王五用西班牙语，情况就会好得多。你的对家用中文作为“扩频码”和你说话，尽管背景噪声很嘈杂，但是你还是可以很好地分辨出他的声音，OK，咱可以正常交流。这时候张三说的英语的声波过来干扰了，怎么办呢，这时候你的大脑就相当于处理机，它就会这么反应：“对不起，哥们，英语咱一窍不通，您的扩频码咱不认识，咱只当是背景噪声直接过滤了。”

请注意，扩频码有一个特点，那就是必须正交。正交在数学里的概念就是完完全全不相关，也即两个信号的乘积在某个区间内积分为零。换句话说，就是你这编码和编码之间要没啥相关性，英语和汉语就适合做扩频码，因为英语和汉语没啥相关性，很容易就可以区分开来（其实这句话并不完全正确，汉语里有很多舶来品，比如沙发——sofa，好莱坞——Hollywood）。但是湖北话和湖南话做扩频码就不合适了，重叠部分太多了，一起说会干扰得一塌糊涂。

说到这里，相信大家也明白扩频码大致是怎么回事了。但是估计很快就有人会有疑问，在“鸡尾酒宴会”中，要找到两两正交的扩频码是很简单的事情，英语和汉语、韩语与日语，差别都非常大，几乎可以理解为完全没有什么相关性。而我们机器所使用的都是“0”和“1”（按习惯分别用电平值“+1”和“-1”表示），你果真能找到那么多没有交集、完全不相关的序列吗？

在这里，我们得首先搞清楚对于两个序列，什么叫做不相关，定义很简单，两个序列乘的结果加起来等于0就叫做不相关。比如说｛+1，-1｝和｛+1，+1｝两个序列，相乘的结果就是1×1＋1×（-1）＝0，等于0就说明你们俩没关系，不来电，换成数学的话来说就叫做不相关。

我们很容易就能推出一大堆这样的序列，比如｛+1，+1，+1，+1｝和｛+1，+1，-1，-1｝，乃至可以按图2.14所示的码树一直推演下去。大家不难得出，每个纵列的码序列相乘的结果都是0，也就是说是完全不相关的。我们可以把每个序列当成一门语言，序列和序列之间是相互正交的，就好比语言和语言之间是正交的一样。那么只要把原始数据用这个序列来编码，就可以让不同人的原始数据进行正交。我们把用这个序列来对原始数据进行编码的过程叫做扩频，而这个序列就叫做扩频码。

3大3G标准的扩频码都产自Walsh序列，图2.14就是Walsh序列生成的一种简单的演示。在cdma2000中，扩频码也称为Walsh码，而在WCDMA和TD-SCDMA中则称为OVSF（Orthogonal Variable Spreading Factor，正交可变扩频因子）码，其实两者来源都一样，只是生成方式略有不同而已。

其实到这里，我们只是说明了存在这样一系列的序列，它们之间就像英语和中文一样，没有什么相关性，那么不同的用户采用不同的序列来编码，就可以互相不干扰。跟“扩频”两个字好像没有关系，一个“扩”字，一个“频”字，在本节中暂时还没有看到。另外，对于一个原始的话音信号，到底是怎样和这些序列进行运算，从而能实现和其他用户的话音信号互不干扰的过程，也没有举例，没有举例的话，大家的印象也就不可能很深刻。别急，以上两个问题，我们马上就要讲到。

图2.14　扩频码的生成

所谓“扩频”，就是让话音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。我们举一个例子来说明这个问题。假设我原来的话音信号是“10”，那么它和一串“1101100110100011”的码在发送端手机进行扩频，然后在接收端手机进行解扩，这个过程是怎样的？在这里说明一下，图2.15中的运算是模二加运算。

图2.15　扩频与解扩的过程

图2.15很好地说明了一个信号从发送端扩频到接收端解扩还原信号的过程，假设原始话音信号速率是R，那么它扩频后的速率就达到了8R，也就是频率是原来的8倍，这个就叫做“扩频”。扩频完成了，信号也开始在空中发送了，然而一个基站下是不止一个手机的，手机1的信号跑去干扰手机2是很正常的，如图2.16所示。由于手机1和手机2使用的频率是完全相同的，如果扩频码不能有效区分两个信号，那么同频干扰的威力是十分可怕的。

图2.16　手机1的信号去干扰手机2

我们在上面把不同的扩频码比喻成不同的语言，信誓旦旦说它们是不会互相干扰的，是不是真的是这样，有待我们来验证。我们把图2.15中接收端的解扩码换成W₂，发送信号还是用图2.15所示圆圈中的那个发送信号，这样就变成了手机2接收了基站发给手机1的信号，看看手机2是怎样把它过滤掉的，如图2.17所示。

从图2.17中看好像干扰还没有消掉，形成了一串“1100110000110011”的序列，其实这种理解有误。解扩之后，信号又变成了低频信号，只应该有两个码元，同一个码元内高低电平的变化会进行积分，积分的值才是最终的值。在第一个周期内，图2.17所示的为“11001100”，换算成高低电平也就是“-1，-1，+1，+1，-1，-1，+1，+1”，把这8个值加起来等于多少？0！也就是说，其他手机发过来的信号，由于扩频码正交的特性，都可以过滤掉。

上述就是CDMA的工作原理。用扩频码对原来的低频信号进行扩频，使之在整个频段上工作，由于扩频码的正交性，不同的用户可以用不同的扩频码来进行区分，这就是CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）这个词的来历。

看到这里，相信读者已经能够理解如何通过扩频码来区分不同的用户，从而使他们能在同一频段上进行工作了。也发现了，要搞清楚CDMA远比弄懂FDMA和TDMA复杂，所以高通公司在最初推广CDMA概念的时候，也是困难重重。

到这里我们心里一定还存在疑问，那就是这样扩频究竟有什么好处？我们为什么要这样做？CDMA技术晚于GSM成型，最终却杀出一条血路，并成为3大3G标准的基础，一定是有它的道理之所在，对于这个问题的答案我们放到第4章中进行探讨。

图2.17　手机2处理干扰的过程

应当说2.2.1小节和2.2.2小节是全书最重要的内容，无线通信之所以复杂，就在于它空中的频谱资源非常有限。而基站下是不止一个手机的，所以要通过FDMA、TDMA、CDMA来解决如何将有限的频谱资源合理分配给手机的问题。这个大原则定下来了，一个无线通信系统的大框架就定下来了，剩下的问题就是如何来完善这个框架，这就是我们在本章中接下来要进行的工作。

2.2.3　困惑之二：无线环境和手机远近在不断变化

基站老兄刚刚通过各种复用方式解决了多个手机资源分配的问题，很快它又发现，这帮手机一点也没有固话省心。它们离自己的距离，不像固话离接入点是固定的，而是随着人的走动一会近一会远。不仅如此，无线环境也在不断变化，由于小尺度衰落效应，手机挪动十几厘米（相对于900MHz的电磁波而言就是半个波长）信号可能突然差89dB。

这会带来什么问题呢？由于距离在变化、无线环境也在变化，如图2.18所示，基站不确定自己该用多大的嗓门和手机说话了！

图2.18　多大的嗓门，这是个问题

实际上，这算不上是个多大的问题。我们在生活中有类似的处理经验，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“请你大声一点说话！”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，耳朵都要震聋了”。

基站和手机之间的处理方式也跟这基本一致，不过它们衡量的标准不是耳膜的感受，而是SIR（Signal to Interference Ratio，信号和噪声的比值）。手机和基站都会有自己的SIR标准，如果低于这个值，那么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，如图2.19所示。

图2.19　嗓门该多大，由SIR控制

值得注意的是，这个功率控制的过程是双向的，手机希望基站给它发射信号的时候，功率不要太大或太小；基站也希望手机给它发射信号的时候，功率不要太大或太小。这其实跟两个人打电话是一样的，两个人通话的时候，双方都会反馈你的声音是大了还是小了，希望你接下来把音量提高还是降低。

上面说的是一个控制功率的方法问题，接下来要说的是一个控制频度的问题。也就是在一秒钟时间里，基站或是手机根据反馈信息调整几次发射功率的问题。在GSM里面，这个频度是2次/s；在WCDMA中，频度为1500次/s；在TD-SCDMA中，频度为200次/s；在cdma2000中，频度为800次/s。这些次数均与几种制式的帧结构有关，大家在深入学习的时候可以认真进行对比，就不在这里展开了。值得一提的是，比较快的功率调整频率有利于克服小尺度衰落，因为小尺度衰落变化的频率也是非常快的。

2.2.4　困惑之三：减少噪声，降低能耗

我们在2.2.3小节中看到，为了避免信号强度太低而被噪声湮没，基站和终端都会根据反馈的信噪比（SIR）来调高发射功率。但与此同时，如果SIR指标过好，也会通过功率控制来调低发射功率，这又是为什么呢？发射功率越大，我听的不是越清楚么，为什么要去降低发射功率呢？

那是因为，基站下不止一个手机！就好比一个宴会大厅不止一个人一样，你说话的声音大了，必然多多少少会干扰到别人。所以，我们对信噪比的要求，也是“适可而止”而已。除了控制发射功率以外，设计者们还想出了别的办法来降低系统的噪声，那就是“不连续发射”。所谓不连续发射，就是该你发言的时候你就发言，不该你发言的时候你就闭嘴，这样整个世界能清净很多。

由于手机的通话是双向的，经统计，某个用户拿手机打电话的时候，平均的说话时间约在40％以下。通常情况下，话音经过信源编码后的速率是12.2kbit/s或者13kbit/s你说话的那40％的时间，这个比特流量当然是不能少的；当你不说话的那60％的时间，还以这个速率进行传输那就很令人郁闷了，因为不说话的时候传递的比特信息流对通话双方而言没有任何意义，还会对无线网络造成干扰。那么不说话的时候我们能不能一个比特也不发送？实际上这样也是不行的，为什么呢？

因为打电话的时候你是看不到对方的，如果有60％的时间你从对方那里听不到任何声音，你就会怀疑你的电话是不是已经掉线了。对于一个商用无线通信系统，肯定不希望为了减少手机对系统的干扰就让客户频繁产生掉话的错觉。于是，就采用了话音激活检测（VAD，Voice Activity Detection）技术，由编码器来检测是否有声音发出。如果没有声音发出，那么就发送500bit/s的低速编码，这种低速编码通常被称为“舒适噪声”编码，由接收端的解码器产生舒适噪声，以避免对端的用户误以为通信已中断。

在通话的时候采取高速率的话音编码，在通话的间隙传输500bit/s的低速舒适噪声编码，这就被称作DTX（Discontinuous Transimission，不连续发射）技术。

除了通过功控和不连续发射技术降低整个无线通信系统的噪声和干扰以外，我们还得想办法降低终端的功耗。在设计GSM和WCDMA的时候，节能减排这个话题还不像今天一样热门，降低终端功耗的目的是为了让它有更长时间的待机时间。毕竟，我们的梦想是“任何时间”都可以通话，如果一个手机老是没电关机那可不妙。

通常而言，想节省打电话和上网的电量是比较困难的。手机节省电量的秘密，就在“待机”这两个字上。“待机”的时候，并不是什么事情都不做的，手机需要监听一种叫做“寻呼”的消息。

寻呼的具体内容我们会在2.3.2小节中具体介绍，在这里，先讲一讲大致的概念。在大学的课堂里，大家估计都有一种体验，这种体验叫做“点到”。一个大课堂或许有180个人，老师翻着花名册唾沫横飞地念着这个或是那个的名字，虽然每念一次都只有1/180的概率命中你，但是你还是不得不竖起耳朵听着每一个名字，因为万一点到你而你没有答到，那么下场可能就是期末考试被扣分。对于手机而言，其实也有类似的过程，叫做“寻呼”。既然是一个“任何时间”都能通话的手机，那么就意味着你任何时间都可能被呼叫到。如果有用户呼叫你，无线网络显然需要发送信息来找你，发送的信息就叫做“寻呼消息”。而基站下发找你的消息就如同老师点名一样，是不区分对象混在一起的“广播”，如果没有合适的手段来规避的话，那就意味着手机时时刻刻要监听基站的寻呼信息。

关键问题就来了，难道你竖起耳朵监听老师点名的过程，不需要消耗能量吗？

答案是毋庸置疑的，但你肯定是不会注意到的，以你八九十或者上百斤的肌肉加脂肪还有水的能量储备，这点热量消耗算得了什么！但是对于电池就不一样了，它就那么点大小，每一点能量对于它都是很珍贵的，都是需要花在刀刃上的。对于寻呼这种事情，能省一点能量就省一点。毕竟基站的寻呼信息和课堂点名还不一样，它是365天×24小时不间断寻呼，如果要你一年365天一刻不停地竖着耳朵听老师点名，我想你也会累得半死。

手机监听寻呼消息的策略叫做DRX（Discontinuous Reception，不连续接收）。其实这种策略在大学课堂里也用到了，比如说还是180个人，但是这180个人来自6个班。那么老师一般也比较善解人意，不会天马行空毫无规律地点名，而是会一个班一个班地念。这样，你只需要在念到你们班的时候竖起耳朵听即可，其余时间，你大可趴在桌子上休息。这样，你听点名消耗的体力就只有原来的1/6。

对于一个无线通信系统，一般是用IMSI号（International Mobile Subscriber Identification Number，国际移动用户识别码）来进行分组，IMSI号对于每个用户而言都是唯一的，而且是可以用来识别一个用户的，就好比我们的身份证。你可以把尾数为1的用户分为1组，尾数为2的用户分为1组……这样就可以分为10组，每组的用户只在轮到寻呼自己组的时候才上去监听寻呼消息，那么在这上面消耗的电能就只有原来的1/10。你甚至可以拿IMSI号除以72，余数相同的为一组，这样就有72组，节省的电能就更多了。具体分为多少组取决于寻呼子信道的数量，在这里不展开讨论。

2.2.5　困惑之四：北京时间的价值

在生活中，我们需要一个统一的时间源，我们经常需要将自己的手表和北京时间进行核对。如果手表走快或者走慢半个小时，或许就会有很多麻烦，比如赶不上飞机、挤不上火车、上班要迟到。

在基站和手机的世界里，有一个统一的时间源则更重要。因为它们传输的是“10010011”的比特流，如果时间没校准好，该出现0的位置出现了1，该出现1的位置出现了0，意思就完全变了。在生活中我们用“××时××分××秒”来表述具体的某个时间点，在基站的世界里，它不想搞得这么复杂，它只用SFN（System Frame Number，系统帧号）来表示具体的时间。我们可以通过SFN的差值来辨别两个消息相距多少时间，比如消息1承载在2046号SFN帧上，消息2承载在4096号SFN帧上，那么它们相差的时间就是2050个帧。在基站和手机的世界里，它们就是这样来度量时间的。

如果你觉得相差2050个帧这个时间刻度看起来让你很犯晕，想把它换算成人类日常生活用的时间，那也没有问题。你只需要弄清楚这2050个帧是属于哪个通信系统的，就可以搞清楚它换算成秒以后到底是多长时间，因为不同的无线通信系统设计的帧长是不同的。比如GSM系统，一个帧的时间是4.615ms；而在WCDMA和TD-SCDMA中，一个帧的时间是10ms。那么在GSM系统中，2050个帧的时间就是2050×4.615ms＝9460.75ms，也就是9.46s；而在WCDMA和TD-SCDMA中，2050个帧的时间就是2050×10ms＝20500ms，也就是20.5s。

值得注意的是，空中接口的计时并不像我们日常生活中的计时一样，可以从伏羲创立八卦一直计到未来的未来。空中接口是采用循环计时的，比如WCDMA的SFN帧，就是从0～4096，周而复始。因为SFN的帧号是要不断在空中广播的，采用循环计时的话一来可以使SFN帧的长度固定，二来帧号比较短也可以节约不少资源。再说基站是不需要记住很久之前发生过什么事情的，所以用比较短的循环计时也就完全够了。

我们刚才说的是一个无线通信系统如何确定计时标准和方法的问题。接下来要说到的是基站和手机如何来校对时间的问题，这个校对时间的过程叫做“同步”。日常生活中这个“同步”的过程是比较简单的，“打开电视锁定一个频道”—“收看新闻联播前的准点报时”—“校准时间”。手机也有类似的过程，那就是“监听导频信息”—“锁定同步信道”—“读取SFN来校准时间”。

一个真正的无线通信系统实现同步的过程比上述还要复杂，因为电磁波虽然是以光速传播的，但其实光速传播还是有时延的。传播路径的变化会造成到达接收机上的时间产生微小的变化，而这微小的变化对以兆赫兹运行的通信系统而言，是能造成不少麻烦的。想了解这方面的读者可以参考“时间提前量”、“时域均衡”、“Rake接收机”等相关内容。

到这小节为止，我们在2.2节中一共讲述了多址技术、功率控制、DTX与DRX、基站与手机的时间同步等几方面的内容。在2.1节中，我们解决的是点对点级别的无线通信的问题，也就是讲述两个电台之间如何实现通信；在2.2节中，我们解决的是点对多点级别的无线通信的问题，也就是讲述基站和多个手机如何有效利用频谱资源进行通信的内容。但是大家应该知道，因为要提升一个无线通信系统的容量，我们采用了空分复用，也就是说，世界上不止一个基站，而是有很多个基站！这些基站之间怎么配合呢，这就是2.3节中要讲述的内容。

2.3　大哥大与模拟通信网——多点对多点的无线通信

到这一节里，我们就要开始讨论一个完整的移动通信网的全貌了。概括地说，从点对多点的基站与手机的通信到多点对多点的移动通信网，有以下几个问题需要解决。

（1）现在世界上不止一个基站了，手机怎样判断它现在位于哪个基站下？如何才能知道基站的相关信息？

（2）我们要实现的是“任何时间”、“任何地点”的通信，而手机的位置在一直不停地变化，有电话要找你的时候，怎么才能知道你在哪里，然后找到你呢？

（3）在通话的过程中，你可能从一个基站的覆盖范围走到了另一个基站的覆盖范围，怎样才能保持通话，不至于中断？

（4）既然是一个成熟的商用通信系统，那么系统的安全性显然非常重要，没有谁愿意自己的号码被盗用，也没有谁愿意通话的时候被人窃听。

以上4个问题分别对应移动通信网里的“广播”、“寻呼”、“切换”、“鉴权与加密”4个非常重要的概念。这些概念无论是对于GSM、WCDMA、TD-SCDMA、cdma2000，还是LTE都是适用的，也是构成移动通信网最基本的元素。接下来我们就来看看这几个方面具体是怎么实现的。

2.3.1　困惑一：手机不知道它在哪个基站下面

把一个手机扔到移动通信网里，手机是很懵懂的。如图2.20所示，它并不知道自己处于哪个基站的覆盖下，也不知道这个基站有哪些特点（小区参数、全网参数）。手机上既没有装雷达，也没有一双慧眼，要找到基站并和基站建立联系，全靠基站主动“广播”消息给它。

图2.20　手机需要找到基站才能连上移动通信网

1．手机如何发现基站

要听到基站的广播信息，从而完成接入网络的一系列动作，手机必须先得找到具体某一个基站的信号。那么手机到底如何找到基站呢？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：“××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就可以得到警察的帮助一样，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，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。而又因为GSM是一个时分复用系统，时间的同步也很重要，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

由以上内容可知，广播信息不但能帮助手机找到和锁定基站，还能为手机提供大量当前小区所必需的信息。因此我们希望广播之间不要互相干扰，不然会带来很多麻烦。

GSM相邻的基站和小区采取不同的频率进行广播，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，但是扰码不一样，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。

请注意了，我们这里谈到的基站之间广播信息的互相干扰和2.2.1小节及2.2.2小节中谈到的干扰还不一样。2.2.1小节和2.2.2小节中谈到的是如何避免同一个基站下的手机上下行信号互相干扰。这里谈到的是如何避免相邻基站之间广播信息的干扰，出发点不一样，处理方式也有差异。

2.3.2　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，因为用户的位置是固定的；而对于移动通信而言，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2.21所示。

图2.21　对手机进行全网寻找

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），并分位置区广播自己的位置区消息，如图2.22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2.23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所有基站，由这些基站对手机进行寻呼。

图2.22　网络通过广播告知手机自己所处的位置区

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2.24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，划得太小了手机走不多远就要上报位置区变更，同样浪费系统资源。

图2.23　位置区变更以后，主动向网络汇报自己的新位置

图2.24　周期性更新（图示为30min后）

2.3.3　困惑三：如何保证“移动”着打电话不会有中断

我们现在考虑的模型相对2.2节要更复杂，现在有了多个基站。用户打电话的时候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。切换是移动通信系统成功的关键，如果没有切换这样一个流程，每个基站各扫门前雪，不管从其他基站下过来的手机还在进行中的通话，那么结果一定是掉话很频繁，用户很生气。

Handover这个英语词汇非常形象，很有助于阐述“切换”的本质。它的原意是移交。基站甲对基站乙说：“iPhone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2.25所示。

图2.25　切换示意图

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，因为软切换的本质是这个手机同时有几个基站在与其保持通信，断了一个没关系，其他基站还在继续。这样的类似场景在日常生活中比较难以找到，从而提高了我们理解它的难度。不妨还是以固话为例，打这样一个有点夸张的比方。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，我们的两根电话线都可以同时连到邮电局，信号同时在这两路电话线上传递，那这样就可以实现“软切换”了。当你要移动到隔壁的房间咋办，不要紧，你把现在这根电话线拔了，插到隔壁房间里的另一个口上或是别的房间里的电话口上都可以，这个过程中不会产生通信中断，因为你和隔壁房间的电话线还连着呢，同时有多路信号相连，这就是软切换的本质！

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系统来说，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。

2.3.4　困惑四：安全性和盈利？这是个问题

如果不考虑商业上的问题，那么我们的移动通信系统到2.3.3小节中就已经基本完善了，只要肯花钱在世界上布满基站，那么“任何时间”、“任何地点”和“任何人”交换信息都不成问题（我们在这里没有提“任何方式的信息”，这个涉及如何提高传输速率的问题，放到第4章里去讨论）。

然而，这样一个庞大的通信系统，其成本投入是非常高昂的。这样大的投入要能维持下去就必须要赚钱，就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——如何鉴别想接入系统的用户是不是合法用户？

所谓的合法用户是指已经付费并获得接入网络资格的用户。道理很简单，经营移动通信就和经营一场演唱会一样，如果你没有能力鉴别试图进入演唱会现场的人的门票的真假，你早晚会赔得倾家荡产。

你入网的时候，运营商会给你一张SIM卡，SIM里面有IMSI号，IMSI号可以唯一确定这个用户。就好比你买了一张音乐会的门票，门票上有序列号，每个序列号都是唯一的。最关键的地方不在这里，而在如何建立防伪机制。

无线通信中的防伪机制在《林海雪原》里面有过生动的演绎。座山雕下面的小喽罗想验证杨子荣身份的真伪，于是喊出了一声“天王盖地虎”，杨子荣答上了一句“宝塔镇河妖”，这就算对上了，自己人！我们不妨也根据这个经典桥段来设计一下无线通信网对手机的身份验证，看看是否行得通，如图2.26所示。

图2.26　口令方案一

由于手机号码是大家最熟悉的，那么我们首先来考虑用手机号码作口令是否合适。答案是显然的，很不合适，因为电话号码是公开的，用来作口令的话跟没口令没什么区别。那么用IMSI号行不行呢，也不行，IMSI号的换算也很简单，而且，IMSI号是可以通过运营商的营帐系统查到的，没有什么机密可言。如果用这两个号作口令，别人想仿冒你那就太简单了。

于是，GSM系统的设计者们一咬牙，想出来一个狠招。他们在SIM卡里内置了一个叫Ki的参数，Ki与IMSI号是相关的，不同的IMSI号的Ki不同。用户购机入网的时候，运营商将IMSI号和用户鉴权键Ki一起分配给用户，同时在核心网鉴权中心AuC里也存了这两个值。IMSI号对外可见，Ki对外不可见。

当手机想接入网络的时候，先会有个鉴权，鉴权的方式是由Ki和一个固定的数值通过一个叫A3的算法生成一个值叫SRES，然后就形成两个参数（IMSI，SRES），并将这两个参数发送给基站。基站将两个参数发送到核心网，核心网的ACU里面也会进行相同的运算，生成相同的参数，两组参数一对比，如果一致的话就认为你是合法用户，如图2.27和图2.28所示。

图2.27　SRES生成过程一

图2.28　口令方案二

我们看到，口令方案二相比口令方案一有了长足的进步。光知道IMSI号已经不足以去冒充一个用户了，因为Ki值你是不知道的，所以由Ki值生成的SRES值你也是不知道的。而系统又需要SRES值来鉴权，于是乎，这个系统看起来似乎挺安全了。

但是，依然有个致命的漏洞，那就是，空中接口的信息可能被窃听！拦截电磁波然后解密窃听并不是什么新鲜事了，大家经常可以从电视的谍战片里看到。如果你打电话的时候旁边有人架起窃听装置，窃取了你空中接口传的IMSI号和SRES号，那么他下次就可以用这组鉴权信息来接入网络了。

这是一个很令人头痛的问题，一番苦思冥想之后，GSM的设计者们还是找出了应对的办法，那就是空中接口的SRES只用一次，下次就废掉，每次都变，你拦截这个信息也没有用，然而，我们如何才能让SRES每次的内容都不一样呢？答案就在图2.27上，我们可以把那个固定值变成随机值，那么由随机值和Ki生成的SRES值，也就变成了随机变化的了，如图2.29所示。

图2.29　SRES生成过程二

然而，这个RAND值怎样生成呢，GSM网络选择了由网络来告诉手机当前的RAND值。那么口令方案二就变成了如图2.30所示。

大家可以看到，方案三和方案二的关键区别就是图2.30圆圈所示部分，网络给手机下发了一个随机参数，让手机根据随机参数生成响应数SRES。

方案三就是GSM现网所采用的方案，有了方案三，我们就能确保将非法用户拒之门外。但仍然有一件很讨厌的事情，就是别人虽然不能通过鉴权来冒充你，但由于电磁波在空中是四散传播的，他依然可以窃听你，这很让人讨厌！

于是，我们想把空中接口传送的话音信息进行加密，让他即使拦截到了比特流，也搞不懂我到底说了什么。在这里，我们一定要吸取鉴权方案的经验教训，话音信息用来加密的密钥，一定也要是随机的！于是，就有了图2.31所示的密钥生成方案，Kc就是所生成的密钥。

图2.30　口令方案三

图2.31　密钥Kc生成方案

嘿嘿，大家看到图2.31所示的密钥生成方案，是不是有似曾相识的感觉。没错，总共就Ki和RAND这么两个参数，用A3算法就生成鉴权响应SRES，用A8算法就生成加密的密钥Kc。方式基本一模一样，真有够偷懒的。随机变化的密钥Kc和原始话音信号进行异或运算，就得到了加密后的比特流。

对于WCDMA，其鉴权与加密的方式也与此非常类似，只不过更复杂一些。

到本节为止我们就完成了一个移动通信网的主要架构的学习。到目前为止，这个看起来还比较粗糙的系统就已经能够完成“任何时间”、“任何地点”和“任何人”之间的无线通信了，至于“任何方式的信息”的交换，我们放到后面的章节来阐述。第1章和第2章我们了解的都是一个无线通信系统的概貌，从第3章开始，我们就要来学习GSM、WCDMA、TD-SCDMA、cdma2000、LTE等一个个具体的移动通信网了。看后面章节的同时，不妨也回来翻翻前两章，因为前两章构成了整个移动通信网的骨架，是后面内容的基础和概括性的内容。