GSM的空中接口（一）

感谢阅读。

 

最近有感于无线知识的匮乏，不太符合外界对我专业形象的期望（不存在的），在GSM启用25周年之际，我决定从2G学起，乐观估计2050年就能学到5G了。虽然没有实际做过无线工作，文章存在错误在所难免（先找个开脱的理由），我还是把学习心得放在这里，提供给和我一样的小白们参考，也请大家帮助我提高。（让吐槽来的更猛烈些吧~）

 

文章参考了韩斌杰的《GSM原理及其网络优化》、曹志刚的《现代通信原理》、丁奇的《大话无线通信》和陈爱军的《深入浅出通信原理》，个人认为有些比喻或例子不够贴切，文章中用其他方式进行了表述。（当然也可能是反效果）

 

言归正传。

 

GSM是设计用于语音业务的移动通信系统，目标是实现语音数据的传送。很显然，数据需要通过网络转发（不需要转发的那是对讲机），GSM中首要解决的，就是MS（MobileStation，移动终端）和BTS（BaseTransceiver Station，基站收发台）之间的通信。文章重点关注图中的蓝色部分，即Um接口的物理层。

和固网不同，MS和BTS之间没有可见的物理连接，如电话线、网线或光纤等，而是依靠空气中传播的电磁波进行通信，因而Um接口也称为GSM的空中接口。我们把这种携带信息的电磁波称为无线信号，相应的，把这种通信方式称为无线通信。

 

无线通信带来的好处是显然的，终端摆脱了电话线的束缚，可以愉快的“移动”起来。与此同时，无线通信带来的挑战也很多，最突出的是信号衰落。无线信号在空气中传播，距离越远衰落越大，当接收信号强度低于灵敏度或信号噪声比（S/N）低于门限时，无线通信就无法进行了，因而也就有了基站覆盖范围的概念。

 

关于这一点，积极阻挠基站建设的群众们有着“清醒”的认识，不过投诉信号不好的往往也是这一拨人。且不说实际辐射远低于安全门限，他们似乎忘了通信是双向的，基站离得越远终端发射功率越大，否则基站也无法收到终端的信号，到底哪个对人体伤害更大就两说了。当然，如果A运营商的用户去阻挠B运营商的基站建设就可以理解了，所以国家推出铁塔公司来背锅本来显得挺合理的。（哈）

图示为无线信号在自由空间（介电参数和相对磁导率均为1的均匀介质所存在的空间）传播的衰落模型（“受到平地面的吸收、反射和曲率地面的绕射以及地面上覆盖物等产生的传输损耗的影响”，实际规划时“需要采取更为复杂的传播模型”）。在仅考虑能量扩散产生的衰落时，MS接收功率Pr可以由BTS发射功率Pt、BTS发射天线增益G1、MS接收天线增益G2、波长λ和距离d推算得到，反方向同理。由公式可以得到两个重要结论：1、距离越远，衰落越大；2、频率越高，衰落越大。

 

由公式可见，提高Pr也可以从提高Pt、G1或G2着手，但会伴随其他问题。一方面，提高Pt会增加对其他用户的干扰（受限于终端尺寸，提高终端发射功率也比基站相对困难）；另一方面，提高G1或G2会同时提高噪声的接收功率，对提升信号噪声比帮助也不大。

 

除了距离，大到一座山，小到一面墙，都会对信号传播产生影响（阴影效应和多径衰落）。当MS和BTS相对运动时会产生多普勒频移（频率越高，频移越大）。另外，无线信道中还存在大量人为噪声（点火噪声、电力线噪声、工业噪声）以及无线信号之间的干扰。这些都会增加从无线信号恢复信息的难度。

 

对于固网通信，信道问题通常换条线就解决了。对于移动通信这招不太好使 —— 总不能换空气吧？因而，无线信道的各种不靠谱，只能通过系统设计进行解决，这在GSM的空中接口也有体现，详见后文。

 

除了衰落、噪声、干扰、频移等物理特性相关的问题，无线通信还面临其他难点。比如，用户的合法性：没有可见的物理连接，怎么确认接入用户的合法性？又比如，内容的安全性：谁都可以从空中接收无线信号，如何保证传送的内容不被他人窃听？

 

我把这些问题放到一边，选择一个相对简单的内容来切入：GSM这样的公众通信系统，如何为尽量多的用户提供服务？换句话说，大家都在空气中发送无线信号可不可以？如果可以，网络怎么区分谁是谁？在通信系统中这些需求称为信道复用（Multiplexing）和多址接入（Multiple Access）。

 

最早的灵感来自于电台广播。

 

每个电台都有一个无线频道，转动收音机旋钮，就会依次听到不同电台的声音。主持人还会时不时播报一下，比如“快乐1062，创造深圳快乐的交通生活”。在这里，1062就是频道的中心频率106.2MHz。收音机调谐到哪个电台的频道，就可以接收到哪个电台的信号。

 

将信道（在Um接口就是空气了）按频率划分为多个子信道（频道）以发送多路信号，这种技术称为FDM（Frequency-division Multiplexing，频分复用）。各个电台使用的子信道（即频道）不同，各自的信号就可以同时在空气中发送，收音机将某个子信道的信号过滤出来，就可以接收对应的电台信号。

在我国，FM（FrequencyModulation，调频）电台的频率一般在87~108MHz之间；AM（Amplitude Modulation，调幅）电台的频率一般在550~1600kHz之间（中波）或2~24MHz之间（短波）。

 

就像一群小朋友一起唱歌，大家各唱各的，你一句都没听出来。你让小明唱中音，小强高一个八度，小红再高一个八度… 这回你听出来了，小明在唱“两只老虎”，小强也在唱“两只老虎”，小红在唱……“忐忑”？重点是，无论小朋友唱的歌是不是一样，如果你专注听某个八度的声音，就能识别出某个小朋友唱的歌，这和FDM有点相似。

 

你说不对啊，主持人的声音不会换个台就变了，赵忠祥也不会因为从97.1MHz调到106.2MHz就变成赵本山。可见FDM和小朋友唱歌这个例子是有差别的。

 

FDM中说的电台频率指的是载波信号的频率，而我们听到的电台声音来自于“加载”在载波上的基带信号，而不是直接来自于已调信号。发送端将基带信号“加载”到不同频率的载波上，接收端将基带信号从载波上“卸载”下来，这两个过程分别称为调制（Modulation）和解调（Demodulation）。

 

还是以小朋友唱歌为例，假如基带信号是标准音高的“两只老虎”，那么让不同的小朋友来唱（即“加载”在不同的小朋友的声带上）就会变成不同音高的“两只老虎”，听的人无论听到哪个小朋友唱都知道是“两只老虎”。

 

当然，听的人应该排除音高版本的影响，从听到的音高减去八度的整数倍，还原为标准音高的“两只老虎”（即从听到的声音“卸载”出基带信号）。实际上，我们的大脑也是这么工作的，如果一男一女分别唱“两只老虎”，尽管差一个八度，我们还是能识别出是同一首歌，因为“基带信号”反映的是音高的相互关系，而不是绝对音高。

 

在广播系统和通信系统中，怎样将基带信号“加载”到载波信号上呢？以标准AM调制（Amplitude Modulation）为例，从时域的角度看，低频的基带信号f(t)和直流信号A0相加（以确保相加后幅度取值不为负，和载波信号相乘后不会相位突变），再和高频的载波信号（余弦信号）相乘，输出已调信号s(t)的包络（黄线）和f(t)相同，接收端可以使用包络解调得到基带信号f(t)。

时域相乘等同于频域卷积。从频域的角度看，标准AM调制就是基带信号频谱和载波信号（余弦信号）频谱的进行卷积，输出已调信号s(t)频谱等同于将基带信号f(t)频谱分量减半，分别搬移到载波频率位置（ ωc和-ωc）。

 

可见，调制是用低频的基带信号控制高频的载波信号的一个或多个参数（在AM调制中参数是幅度，在其他调制方式中可能为频率或相位），输出跟随基带信号变化的已调信号。

这里不展开调制的内容，我们关注的是：调制可以将基带信号频谱“搬移”到载波频率位置（是否线性的“搬移”需要看具体的调制方式，也就是说不一定可以像AM调制这样直接从已调信号“识别”出基带信号来，即不一定可以直接听出“两只老虎”来），这正是实现FDM所需要的。电台通过调制将基带信号加载在各自的载波信号上，从而实现信道复用的效果。

 

基站就像多个电台组成的“广播集团”。

 

早期一个基站就可以覆盖整个城市，覆盖范围和电台也差不多。基站和电台不同的是：电台只有一个频道，基站通常有多个频道；电台对所有用户广播相同的信号，即相同的节目内容；基站向不同用户单播不同的信号，即不同的语音数据；电台是单向通信，只发送下行信号，基站是双向通信，除了发送下行信号，还要接收上行信号，包括上行信令和上行语音数据。

 

在FDM的基础上，网络通过频道区分用户，这种技术称为FDMA（Frequency-division Multiple Access，频分多址）。早期移动通信系统就是这么工作的，每个通话的用户占用一对频道，包括一个上行频道和一个下行频道。基站共有12对频道，可支持12个用户同时通话，系统容量完全取决于频道数量。

如图所示，基站覆盖范围内有三个用户正在通话，基站分别使用频率f1、f2和f3（及配对频率）和三个用户通信。需要注意的是，使用f1的用户也会接收到f2和f3的信号，只是用户接收时先进行了过滤。覆盖范围以外的用户无法获得服务，但不代表用户完全接收不到基站信号，只是接收功率低于灵敏度或S/N低于门限。（功率只是影响覆盖范围的一个因素，后面再详细讲述）

 

GSM沿用了FDMA思路。

 

GSM在900MHz和1800MHz频段应用FDMA技术（在美国是850MHz和1900MHz频段，大部分终端四个频段都支持），分别称为GSM900和GSM1800（或DCS1800）。由于GSM900和GSM1800频道数量有限，不能满足快速增长的业务需求，后续GSM900扩展为GSM900E（或EGSM）。

 

更具体的：GSM900共占2 x 25MHz带宽，上行频段为890~915MHz，下行频段为935~960MHz，双工间隔（上行频道和下行频道的频率差值）为45MHz；GSM900E在GSM900基础上增加2x 10MHz带宽，上行频段为880~915MHz，下行频段为925~960MHz。

 

GSM1800共占2 x 75Mz带宽，上行频段为1710~1785MHz，下行频段为1805~1880MHz，双工间隔为95MHz；GSM1900共占2 x60MHz带宽，上行频段为1850~1910MHz，下行频段为1930~1990MHz，双工间隔为80MHz。

 

无线信号“频率越高，衰落越大”（见前文，无线信号在自由空间中传播的衰落模型），GSM1800覆盖广度和深度都不如GSM900，实际部署中GSM900主要用于解决覆盖，GSM1800主要用于在GSM900基础上增加容量，如覆盖室内话务热点。

 

相邻频道的中心频率之间的距离称为频宽，在总带宽确定的前提下频宽决定了频道数量。GSM的频宽为0.2MHz。GSM900划分为124个频道，第一个频道的中心频率为890.2MHz，其他频道往后依次编号，编号称为ARFCN（Absolute Radio Frequency Channel Number，绝对频点号），通常又称为频点。

由此，可以推算ARFCN和频道中心频率的关系，假设n=ARFCN： GSM900共有124个频点，n取值为1~124，上行频道中心频率fl(n) = 890.2MHz （n-1） x 0.2MHz，下行频道中心频率fh(n) = fl(n) 45MHz。GSM1800共有374个频点，n取值为512~885。上行频道中心频率fl(n) = 1710.2MHz （n-512） x 0.2MHz，下行频道中心频率fh(n) = fl(n) 95MHz。

GSM900E相对于GSM900扩展的10MHz带宽（上行频段为880~890MHz，下行频段为925~935MHz）共有50个频点，n取值为975~1023和0（别埋怨编号不好，谁让你来得晚呢）。频点0对应上行频道中心频率为890.0MHz。

 

早期，国内GSM900只占用2 x 10MHz带宽，上行频段为905~915MHz，下行频段为950~960MHz，对应频点为76~124。中国移动占用频点76~95，中国联通占用频点96~124。后期，中国移动扩展为PGSM频段的1~95频点和EGSM频段的1020~1023，0频点，以及GSM1800频段的512~636频点。

 

中国移动NB-IoT采用Stand-Alone方式部署，占用GSM部分频段。根据中国移动物联网指导意见：“NB-IoT按照同频组网，初期在高干扰的局部地区可采用异频的方式规避干扰，异频组网时中心频点分别设置为953.4MHz、953.6MHz、953.8MHz”，中国移动同频组网使用频点94，异频组网使用频点92~94。

 

当使用频点94组网时，频点93和95作为保护带，由于运营商分界点的频点95本身就不怎么使用，只需要对频点93和94进行清频，实际部分城市已清出91~95频点。另外，和GSM不同，很多系统（显然，包括NB-IoT）都可以同频组网，原因以后再说。

 

你可能会问，频宽设计的小一些，频点数量（系统容量）不就增加了吗？GSM为什么没有这么做呢？需要注意的是，我们通常只说频点（如频点1）或中心频率（如890.2MHz），但频道实际隐含了频宽概念。就像公路的宽度决定了通行能力一样，频宽决定了信道的速率上限。（从这个意义来说，“频点”这个名称容易引起误解）

 

前面我们已经看到，已调信号的频谱包含中心频率两侧的频率成分。在GSM系统中，为了区分不同频道的信号（即解调出各自的基带信号），需要将已调信号的频谱控制在频道范围内，否则会相互干扰以致无法工作。

 

由香农公式 —— C=B x Log2(1 S/N)可知，在S/N相同的条件下信道容量C和带宽B成正比。将频宽调整为0.1MHz，频点数量增长一倍，但相应的信道容量也缩减一倍。在语音通信系统中，信道容量缩减意味着要求降低语音数据的编码速率，语音质量随之下降。

 

GSM的频道就像画好线的车道一样，大家都跑在自己的车道上就好了。不过就和现实生活一样，有的车会跑偏，甚至压到别人的车道上；有的车不按道行驶，大货车非要开到小车道上… 这些时候相邻车道的车辆就会受到影响。在无线通信中也有类似现象，我们称为邻频干扰。频宽越大，邻频干扰越小，可用频道也越少。在这里，容量和质量的需求是相互冲突的，系统设计需要寻找一个平衡。

 

只有FDMA是不够的。

 

早期基站和终端发射功率都很大（要不然“大哥大”怎么大的跟水壶似的呢），一个城市建一个基站就够了。相应的，我们把这种覆盖方式称为“大区制”。覆盖范围大本来是好事，运营商建基站就省事了。问题是，一个城市只支持12个用户是远远不够的，我们这儿可不是西伯利亚呀。

 

就算把GSM900E和GSM1800所有频点都用上，一个大区也只能支持174 374=548个用户同时通话，如果把频点分配给多家运营商，每家可服务的用户就更少了，这种情况下还能用“大哥大”的，大概真的只有“大哥”了。（请自行脑补《无间道》中曾志伟的形象）

 

如何提升系统容量呢？

 

第一个方法是频点复用。我们知道，深圳的收音机收听不到北京的FM电台，反过来也一样。由于信号衰落的原因，FM电台通常只能覆盖本地。因而，相同的频点在两地可以给不同的FM电台使用，而不会相互影响。（这么说来衰落也不全是缺点呀）

 

引申到移动通信系统中，如果把天线发射功率调小一些，缩小基站覆盖范围，将“大区”分裂为若干“小区”（Cell），在不同的“小区”进行频点复用，系统容量（频道数量）就可以成倍的提升。相对应的，我们把这种覆盖方式称为“小区制”。

 

如果小区业务较为繁忙，就分裂为更小的小区，这种方法我们称为“小区分裂”（Splitting）。“小区制”和“小区分裂”可看作非严格意义的SDM（Space-division Multiplexing，空分复用）技术的应用（单个小区的容量并没有提升）。

 

小区制带来两个问题。

 

第一个问题是覆盖。大区制一个基站就可以覆盖数百平方公里，小区制基站覆盖范围缩小，相应的基站数量需要大幅增加，怎样才能用尽量少的基站填满这一大片地呢？运营商可不是慈善家或魔术师呀，网络建设需要考虑成本对不？

 

转换为数学问题来看。

 

全向天线小区的覆盖区域是以基站（天线）为圆心的一个圆。假设各个小区的覆盖范围（发射功率）相同，以和相邻基站等距的直线为分界线，可划分出各自的有效覆盖区域。当有多个相邻基站时，每个小区的有效覆盖区域是一个正多边形。因而，覆盖问题可转换为正多边形的拼接问题。

 

只有边数n = 3、4或6的正多边形可以完全覆盖（无重叠，无缺漏）平面，在外接圆大小相同（即单个小区覆盖面积相同）的条件下，n = 6时总面积是最大的。如图中所示，三种场景中d（外接圆直径）大小相同，n = 6时单个小区的有效覆盖区域最大。因此，全向天线小区以正六边形进行部署是最经济的，运营商自然选择了正六边形。

实际上，正六边形也是蜜蜂（不是tree new bee哦）的选择。前面的结论换一种方式也可以表述为：在正多边形面积相同的情况下，n = 6时外接圆相对于n=3或4是最小的，即此时正多边形的周长是最短的。可见，以正六边形搭建蜂窝使用材料是最少的。

 

由于小区形状和蜂窝结构相似，“小区制”的移动通信系统也常称为“蜂窝网络”（Cellular Network）。不过，蜂窝结构只是一个美好的愿望，基站位置通常无法准确的落在正六边形的中心，需要其他方式进行优化。（基站选址不容易呀）

 

小区制带来的第二个问题是干扰。为了达到完全覆盖，相邻小区的覆盖范围是有重叠的（小区重选和小区切换也要求存在重叠区域）。大区制系统中，下行信号都来自于同一个基站，自然没有（同频）干扰；小区制系统中，相邻小区之间没有北京到深圳这么远，MS可能收到多个基站发送同频的下行信号，于是干扰出现了。（同样的，上行方向的同频信号对相邻基站也是干扰）

MS越是靠近小区边缘，受到相邻小区同频信号的干扰越大。这种干扰我们称为同频干扰。MS从两个方向收到同一频点的信号，就像你听见同一个声音在两个方向和你说话，小区分裂了，MS也精神分裂了。如果以车道为例，同频干扰就像两个车队跑到同一个车道上，这是要出事故的。可见，简单的以小区为单位进行频点复用是不可行的。

解决方法是以小区群为单位进行频点复用。离得近有干扰，那就拉远点好了，就像公园里同时出现几群大妈，各跳各的“小苹果”，挨的越近干扰越大，如果跳“小苹果”的团队分开一些，中间插入一队跳“江南Style”的，就没问题了。（如图中使用fa的两个小区，中间区域可用其他频点覆盖）

 

如果把可用频点分为N个组，分给N个小区使用，这N个小区就组成一个小区群。小区群内各个小区使用的频点互不相同，可以确保小区群内不会产生同频干扰。同时，将使用相邻频点的小区尽量拉远，可以减少小区群内的邻频干扰。

 

我们把小区群看成一块地砖，像铺砖一样以小区群为单位进行复制粘贴，铺满整个平面（注意，相邻小区群边界可能出现邻频干扰，频点规划时应进行规避）。我们将不同小区群中使用相同频点的相邻小区的距离定义为频点复用距离D，并要求所有频点的D相同，以确保不同方向及不同频点的同频干扰水平是相同的。（这样才能提供一致的用户体验）

 

所有频点的复用距离D相同，这句话包含了两层意义：1、小区群内使用某一频点的小区A，在不同方向存在多个相邻的（不同小区群的）同频小区，小区A到这些小区的距离是相同的，这样可以确保各个方向的同频干扰水平是相同的；2、使用不用频点的小区在小区群内的相对位置固定，以小区群为单位进行平铺，所有频点的复用距离D相同，这样可以确保各个频点的同频干扰水平是相同的。

 

什么样的小区群能满足要求呢？

 

转换为数学问题来看… 还是别转换了，反正我也不知道怎么推理来的，只说一下结论：小区群包含的小区数N必须满足N = i x i i x j j x j，其中i和j为非负整数（可为0，但不同时为0）。举几个例子：当i为1，j为1时，N=3；当i为0，j为2时，N=4；当i为2，j为1时，N=7。

图中的这些小区群，如何拼接才能满足要求呢？我们以N=3的小区群为例，以蓝色小区群fa频点小区为参考点，纵向移动i=1个小区（到蓝色小区群fc频点小区），再横向移动j=1个小区，这个位置就是另一个小区群（绿色小区群）fa频点小区的位置。确定了这两个小区群的位置，就可以确定余下其他小区群的位置。

 

由N = i x i i x j j x j可见i和j是可以互换的，相同形状的小区群可能有两种方法确定拼接方式。以N=16为例，小区群是一个4 x 4的方块。如果取i=0，j=4，则表示纵向移动0个小区，横向移动4个小区为同频小区，对应图中黄线；如果取i=4，j=0，则表示纵向移动4个小区，横向移动0个小区为同频小区，对应图中蓝线。在这个例子里，两种方法确定的拼接方式实际是相同的。

 

N越大，小区群的面积越大，同频复用距离D越大，同频干扰越小，网络质量越好。与此同时，N越大，单个小区可用频点数越少，小区容量越低。可见质量和容量又一次成为了对立的双方。（最好是增加可用频点数，即增加系统带宽，但这并不是由运营商说了算）

 

同频干扰不仅取决于同频复用距离D，还取决于基站发射功率。就好像把两只播小苹果的队伍拉开了，可是大妈们非要提高音量拼个胜负，还是会相互干扰的。在移动通信系统里，用基站覆盖半径R来表征基站发射功率（发射功率大覆盖半径R就大），用D和R的比值D/R来衡量不同复用方式的同频干扰水平。

以七小区群为例，图示是三个七小区群，我们来计算一下fa频点的D/R。由图可见，两个小区的中心点之间的距离为2r，通过余弦公式可计算出r=√(3)R/2，即2r=√(3)R。从上方的fa频点小区移动到下方的fa频点小区需要纵向移动i = 2个小区，横向移动j = 1个小区，即纵向路径长度为i x 2r，横向路径长度为j x 2r，两条路径夹角为120度，通过余弦公式可计算出D正好等于√(3N)R，即D/R=√(3N)。（公式适用于N其他取值）

 

D/R到底多大才合适呢？

 

最终还是要参考载波干扰比C/I（Carrier to Interference）。简单的说，只有信号（Carrier）比干扰（Interference）的强度高出一定程度，MS（和BTS）才能恢复出信息来。就好像你隐约听见远处在播小苹果（干扰），但只要你们播的小苹果（载波）声音够大，你就不会跑偏了。

规范要求同频载波干扰比C/I大于9dB，邻频载波干扰比C/A大于-9dB，保险起见工程会增加3dB余量，即要求同频载波干扰比C/I大于12dB，邻频载波干扰比C/A大于-6dB。如图所示，用户收到频点A的信号包括服务小区的载波信号（蓝色），以及同频小区的干扰信号（橙色），只有C/I大于12dB时频点规划才是可行的。

 

计算C/I需要考虑周围所有干扰源，为简化计算通常只考虑距离最近的第一（圈）层小区，如七小区群复用时第一层包含6个同频小区。假设衰落因子为4，七小区群复用时C/I运算可简化为C/I = 10 x log10 ( Power( √(3x 7) , 4 ) / 6 ) = 18.66 dB。

由此也可见，基站和终端不能为了覆盖无限制的增大功率，因为对你有用的信号对别人就是无用的干扰。就像餐厅里每个人都控制自己的音量，保证对面的人听清就好，大家都可以好好的聊天；如果有人音量太高，大家都不得不提高音量，餐厅就和菜市场一样嘈杂，谁也聊不下去了。

 

怎样减少同频干扰呢？

 

除了加大频点复用距离，另一个方法是用定向天线替代全向天线，减少同频干扰源的数量。比如，每个基站配置3个小区，每个小区只覆盖120度方位角，并让同频信号朝同一方向发射。这种方法我们称为“小区裂向”。 （严格来说小区是逻辑概念，扇区是物理概念，实际部署中1个小区通常和1个扇区对应，这里就不做严格区分了。需要注意的是，GSM和LTE中对小区的定义不同）

我们来找一下图中1号基站B1频点的同频干扰源。如果沿着B1频点天线发送方向的垂直方向，穿过1号基站画一条直线，会发现同频干扰不会来自于直线左侧（发送方向前方的2号基站和3号基站的B1频点），只会来自于直线右侧（发送方向后方的4号基站的B1频点）。相对于全向天线，定向天线大幅减少同频干扰源的数量。

综合考虑上述因素，GSM实际部署中将m x n个小区组成1个小区簇（Cluster），m表示m个基站，n表示每个基站包含n个小区（扇区），再将可用频点分到m x n个小区，以小区簇为单位进行频率复用，我们称为m x n频率复用方式。图示为GSM最常用的4 x 3频率复用方式，即1个小区簇包含4个基站（A、B、C、D），每个基站包含3个小区（下标1、2、3）。

我们把可用频点数和（单个）小区频点数（或TRX数量）的比值定义为频率复用度。显然，m x n频率复用方式需要至少m x n个可用频点，频率复用度即为m x n（如果可用频点无法完全均匀分配，部分频点实际频率复用度则高于m x n）。比如4 x 3频率复用方式需要至少4 x 3 = 12个可用频点，频率复用度为12。

 

一般来说，频率复用度大于10称为宽松复用，小于10称为紧密复用。宽松复用同频干扰小，网络质量好，但频谱利用率低；紧密复用同频干扰大，网络质量差，但频谱利用率高。运营商应根据频点资源和话务密度进行综合考虑。（在频点资源确定的条件下，频率复用度大则单个小区容量小）

 

宽松复用和紧密复用结合应用，可以兼顾效率和质量，并适应话务分布不均的情况。比如说同心圆（Concentric Cell）技术，在以基站为圆心的同心圆使用不同的频点集合和复用方式。外圆应用宽松复用（如4 x 3复用），满足主要覆盖需求；内圆应用紧密复用（如1 x 3复用），满足密集话务需求。

 

同心圆技术要求外圆和内圆共址，共用一套天馈系统（以实现“同心”），共用一个BCCH信道，且BCCH信道配置在外圆。缩小内圆覆盖范围以抑制内圆同频干扰，可应用紧密复用提高系统容量。由于外圆和内圆覆盖范围不一致，需要频点复用和信道分配（话务控制和切换控制）技术结合应用。

MRP（MultipleReuse Pattern）技术也是基于分层思想。MRP将所有可用频点分到m层，分别包含n1、n2… nm个频点，并要求n1 >= n2 >= nm。最底层（Layer1）应用宽松复用，向上逐层减小频率复用度。和同心圆技术相似，MRP越上层的小区覆盖范围越趋于分散，也越适用于紧密复用。

 

通过小区分裂和小区裂向增加系统容量，到一定程度就进行不下去了。在覆盖面积和可用频点相同的条件下，小区数量越多，频率复用度就越小，同频干扰和邻频干扰就越大。为了进一步提升系统容量，需要在FDM和SDM基础上应用新的技术：TDM（Time-division Multiplexing，时分复用）。

 

TDM就像交通限行。

 

假设有一条路，原来只能给一个用户使用，用户当然很满意。问题是效率太低了，交警决定改一下规则，一个用户每个星期只能在固定的某一天（如周三）使用，这样一条路就可以分给七个用户使用。总的资源没有变化（还是一条路），服务的用户多了，只是每个用户分到的时间少了。

 

和FDM相类似的，将无线信道按时间划分为多个子信道（时隙）以发送多路信号，这种技术称为TDM（Time-division Multiplexing，时分复用）。在TDM的基础上，网络通过不同的子信道（时隙）区分用户，这种技术称为TDMA（Time-division Multiple Access）。

GSM中应用了TDMA技术，一个频点就是一条路，不过这里我们按时间长度分成8片而不是7片，每个分片称为1个TS（Timeslot，时隙），每个TS时长577微秒，更准确的说是15/26毫秒。（请留意26这个奇怪的分母，在复帧结构中会再次见到这个数）

 

8个TS按序编号为TS0~TS7，并构成1个TDMA帧（TDMA Frame）。同一用户分到TS间隔约4.615毫秒，也就是说，用户每4.615毫秒才有机会发送一次数据，每次占用577微秒，接收同理。后续我们来分析这对语音感知的影响。（限于本篇内容，还不能确定这个间隔是否足够短，但很明显如果间隔8天是不行的，用户会疯的）

 

每个TS以固定周期出现构成序列（如所有的TS2），在GSM里称为物理信道（Physical Channel）。1个频点包含8个物理信道，不严格的说，可以支持8个用户同时通话。如果小区的业务繁忙，就需要配置多个载波（频点）以增加物理信道的数量，我们把小区各载波编号为C0~Cn。

 

通过应用TDMA，GSM系统容量得到成倍（x 8）的提升。如果一个小区配置了n 1个载波（频点），小区的物理信道数量为( n 1 ) x 8，可简单的理解为支持( n 1 ) x 8个用户同时通话 —— 不过实际达不到，不是所有物理信道都用于传送语音数据。

即使所有物理信道都用上，似乎也与印象中的人口密度相去甚远。不过不用担心，用户只在通话时会占用信道，而运营商是按照话务模型进行网络规划的。换句话说，如果一个小区有100个用户，最多只有10个用户同时通话，小区只需要配置略多于10个信道即可。

 

这也是为什么一旦出现突发事件（如地震或海啸）电话会很难打通。此时同时通话的用户大幅增加，对信道（不仅是语音信道TCH，还包括RACH、AGCH、SDCCH等控制信道，逻辑信道的内容以后再讲述）需求超过了网络配置。呼叫失败的用户往往会重复尝试，进一步加剧网络拥塞，运营商需要采取控制措施（如Cell Bar）才可以维持有限度的服务。

 

既然终端接收或发送可以等待8个TS，接收和发射也没必要同时进行了。终端只需要一套频率合成器，既节省空间又节省成本。GSM规范规定，同一用户的上行信道相对于下行信道在时间上向后偏移3个TS。

 

因而，GSM900终端是这样工作的：以TS2为例，终端先在下行信道的TS2接收数据，然后等待3个TS并将收发机偏移-45MHz（GSM900的双工间隔是45MHz），再在上行信道的TS2发送数据，然后等待5个TS并将收发机偏移 45MHz，如此循环。

这里还有个小问题。

电磁波速度再快，路上还是要花时间的。终端和基站距离越大，路径时延就越大。路径时延大到一定的程度，信号到达对端可能会落在期望的TS以外，不仅导致期望的TS接收失败，还会影响到其他TS接收。

以TS2为例，图示左侧为未考虑路径时延的情况，右侧为考虑路径时延的情况。如果基站和终端之间路径时延为d，则基站期待接收TS2（绿色）和实际接收TS2（蓝色）的时间相差2d。当d足够大时，TS2接收信号落入了TS3，基站不仅接TS2数据接收失败，TS3（橙色）也收到影响。

 

打个比方，紫霞和牛夫人共用一个信箱（频点），并且约定每周二（TS2）紫霞从信箱里取信，每周三（TS3）牛夫人从信箱里取信。每周二牛魔王每小时都给紫霞写情书（好吧，神仙鬼怪都不用睡觉），不想路上一耽搁第一封情书收到的时间就已经晚了，后面有的情书周三才送到，结果落入了牛夫人之手，这可就糟糕了。（这个比方的不足在于，GSM中一个时隙的数据是同时发送的，而不是像牛魔王这样分开发送的）

 

路径时延的不可避免的，上行数据总是比预期时间晚到。解决方法是让手机早点发送，这个时间提前量我们称为TA（Time Advance）。为了避免情书落入牛夫人之手，紫霞会记录第一封情书是几点钟到的，并告诉牛魔王下次早点发送，比如在七点收到，就告诉牛魔王下周（也许没这么快通知到）提前七个小时发送，这就是TA大致的概念。

 

终端和基站的距离变化会导致路径时延变化，通话中的终端应在测量报告中向基站告知终端的测量时延，基站监控接收信号到达的时间并指示终端更新TA。TA对覆盖范围、终端接入和切换触发均有影响，此是后话。

 

小结一下。

 

GSM是设计用于语音业务的移动通信系统，MS和BTS之间通过无线电磁波传送信息，这种通信方式我们称为无线通信。GSM通过无线通信获得“移动”的便利性，同时也需要克服无线通信的缺点，如衰落和干扰等。

 

本文主要关注GSM的信道复用和多址接入。GSM应用了FDMA和TDMA技术，通过频点和时隙区分用户。GSM采用900MHz和1800MHz频段，频宽为0.2MHz。GSM900和GSM1800分别有124和374个频点。

 

GSM采用“小区制”，并通过频点复用提高系统容量。通过小区分裂和小区裂向，以小区簇为单位进行频点复用，成倍增加频道数量。频点规划主要考虑如何减少同频干扰和邻频干扰，以满足同频载波干扰比C/I大于12dB和邻频载波干扰比C/A大于-6dB。

 

1个TDMA帧的时长约为4.615ms，分为8个TS，每个TS对应1个物理信道。MS上行信道相对于下行信道在时间上向后偏移3个TS。为了消除路径时延影响，网络会指示手机提前发送数据，这个时间提前量我们称为TA，通话中的MS需要根据网络指示更新TA。

 

在移动通信系统中某些需求是相互冲突的，如本文提到的系统容量和信号质量对频宽的需求，网络覆盖和信号质量对功率的需求等，以及后续会看到的可靠性与实时性对重发机制的需求等，系统设计需要在两者之间寻找一个平衡。

 

本文仅代表个人观点，如有错误之处，请在留言中指出。谢谢！