蜂窝通信网Cellular Telephone networks

引入：
向有线网类型的网络，即便用绝缘层包住电缆并进行双重绞合，仍然会有一定量的电磁干扰。那么如果是无线通信，根本没有介质来囊括某种类信号，那么两基站之间的信号势必会造成彼此干扰，因此首先就要求通信网络中两临近基站之间使用的无线信号应被划分到不同频段来避免相互间干扰的问题。而频率也不是无限可以被划分的，因此为了更高效利用可用于通信的频段（带宽Bandwidth），使用彼此相邻的设备用不同的频段，但每三基站间隔1个频段后使用相同频段的方法来更高效利用可通信带宽。
频率复用原理：相邻的单元不能使用相同的频率进行通信，因为这样做可能会对位于单元格边界附近的用户造成干扰。然而，可用的频率集是有限的，需要重复使用频率。
如：ABC三个基站线性排列，其中AC使用F₁而B使用F₂。这样保证了两个相邻基站频段不同，而非相邻频段尽可能使用相同频段来减少带宽开销的设计思路。

蜂窝网络/移动网络

两个移动单位之间的通信，称为移动站(MSs)，或一个移动单位[mobile unit]和一个固定单位[stationary unit]之间的通信，通常称为地面单位[land unit]。其中重要的是单元的概念。

单元

单元：按照前言提到的，某信号覆盖范围内提供所有通信服务的思路，最理想的情况下是一个单元囊括全国范围的通信，典型的代表是卫星通信。但是，这种方式有几个弊端，如果国土面积较大，人口较多，服务基数大，则根据香农公式W=log₂(1+SNR)，通信速率必然下降。那么为了提高通信质量，试着增加卫星个数，这样单位卫星可负责区域会减小，提供服务数量减少也会提高单位区域内服务质量。

有了上述概念，我们可以将卫星替换为基站，将地域区域划分的更小，多设置基站并限制其辐射范围，就能够提高单元内通信质量。

如图所示，其中这一个单元（蜂窝Cell）被称为RAN[Radio Access Network]无线接入网。基站到MSC【一般为事业单位的专用高速网络】的这个网络被称为Core Network[核心网]，对于这些事业单位，他们用有线专线连接各基站，为各基站提高高带宽完成通信。基站传输到MSC的信号大多都携带很多用户信息，因此要求MSC有一个中央数据库存储这些信息，但是数据库存储所有信息是困难的，因此也需要一个Cache服务器来筛选过滤信息。从MSC转出信号到PSTN【公共交换电话网】是一个从企业私网转公网的过程，因此要有一个网关来将私网信号转发到公网，这个网关被称为NSC。

频率复用原理

频率复用原理：相邻的单元不能使用相同的频率进行通信，因为这样做可能会对位于单元格边界附近的用户造成干扰。然而，可用的频率集是有限的，需要重复使用频率。
基于这种原理，形成了蜂窝网络。如图所示，图中的相同数字单元意味着相同的频段。颜色只是为了区分一个循环，或者说一个排列组的形状。
因为运营商不止一家，我国的情况联通电信移动等运营商按照约定每个运营商划一部分专属于他们的通信频段，然后再把这部分频段再分成小段频段用于蜂窝网络。

通话过程：
发信：

要从移动基站拨打电话，呼叫者需输入电话号码，然后按下发送按钮【拨号】
【拨号】按下的瞬间，MS（手机节点）扫描频段，寻找一个有强信号的安装频道，然后用那个频道把数据(电话号码)发送到最近的基站。
基站会先返回一个信息问这个节点是谁，节点回复一个信息，然后基站会查找数据库确认是满足条件的用户，然后会将信息转发给MSC
MSC通过网关转发信号到另一个基站的范围内寻找目标节点
目标节点若接收（接电话），则会这个连接就被完整的建立了，这个结果将会返回给MSC
此时，MSC为呼叫分配一个未使用的语音通道，并建立连接，提供双方通话服务

收信
对于收信者，因为会持续保持移动，所以机制有些不同。在一个称为分页的过程中，MSC通过向每个单元发送查询信号来搜索移动站的位置，一旦找到移动站，MSC就会发送一个振铃信号，当移动站应答时，就会为呼叫分配一个语音通道，从而允许语音通信开始。
移动站（手机）会按照一频率不断与基站沟通，以确保其他信号来时，基站能够找到它。当移动站移动到一个新的基站范围内，会向当地基站登录。
存在的问题：手机如果高频率与基站沟通，按照一般而言大多数人不会在短期内有远距离更换住所的情况，因此显得有些浪费带宽。从而决定让手机与基站的频率降低，如果手机一直出现在一个基站范围内，会在较长的时间段内关停该移动站的交互。当交互重启时，如果移动站更换了基站，也未必需要向新基站登录，虽然更换了基站，但是当前基站和之前的基站也不一定物理距离非常远。
Paging Zone：寻呼区。相邻的一片基站形成的一个区域，当信号来到MSC后，MSC会对一个寻呼区内所有的基站进行广播来试图找到目标移动站，因此，即便更换了基站，如果物理距离不是特别远，也未必需要重新登录基站。换言之，只有寻呼区变的时候，才回到登录到新的基站。

HandOff[移交]和Roaming[漫游]

当通话中的用户称作高速交通工具时，可能会从一个基站变迁到另一个基站。此时有几种不同的用语：

Hard Handoff：在建立新连接之前需要断开旧连接，这可能会导致通信质量出现问题。某时刻只能与一个基站进行通信。代表是1G,2G
Soft Handoff：某时刻可以与两个基站同时通信，允许在断开旧连接之前建立新连接。代表是4G,5G。 3G属于二者过渡期

Handoff是同一个运营商基站变迁使用的用语，对于异地运营商基站变迁时则被称为Roaming【漫游】。

1G~5G移动网简述

概要内容如上表所示。红色部分是重点。
这里补充一下各时代的核心技术

/	1G	2G	3G	4G
核心技术	FM	TDM	[W]CDMA	OFDM
标准/系统	AMPS	GSM	3GPP2	LTE/MIMO
衍生技术	FDM	CDMA	Roaming/GPS	LTE-Advanced
发展目标	Analog voice	Digital voice	Digital voice+ data service	Digital packet voice+Internet\

1G

先进移动电话系统(AMPS）：
在北美第一代移动系统使用
使用FDMA的AMPS是一个模拟手机系统
带宽在800 - MHz频带

以FM为主要通信技术，FSK（数字技术）用于控制信息交互。

2G

全球移动通信系统(GSM)：一种欧洲标准，为整个欧洲提供通用的第二代技术。每个波段的宽度是25兆赫，移向900兆赫

IS-95

TDMA：开始尝试数字化通信

IS- 95是一个使用CDMA数字蜂窝电话系统。该频带可以是传统的800-MHz频带或1900-MHz频带。每个频带被分成由保护频带隔开的1.228兆赫的频道
同步问题：
所有基础信道需要同步才能使用CDMA。为了提供同步，基地使用GPS(全球定位系统)服务

上图是downlink【下行信道】，即基站向移动站发送数据的过程

上图是uplink【上行信道】，即移动站向基站发送数据的过程。两个过程结合就是一个完整的交互过程。在is -95系统中，由于邻近小区的干扰不能影响CDMA或DSSS的传输，所以频率复用系数通常为1。
每个基站使用它的导频频道不断地广播信号，这意味着移动基站可以检测到来自它的小区和邻近小区的导频信号，这使移动基站能够进行软切换，而不是硬切换【Hard handoff】

3G

数字数据和语音通信都可能，其中数字通信基于分组交换而语音通信仍然以电路交换为主。第三代移动通信的概念始于1992年，当时国际电联(ITU)发布了名为IMT2000的蓝图，与现有公用电话网的话音质素相当
数据率：

144 kbps访问在一个移动的车辆(汽车)
384 kbps访问行走的行人
2 Mbps访问固定用户(办公室或家里)

支持分组交换和电路交换数据服务
频带2 GHz
各时代的频宽表：单位：Hz

1G	2G	3G	4G	5G
80M	1.8G	2G	2G	2.8G OR 3.5G

2G的频宽到现在为止也是最常用的
带宽2 MHz ~5 MHz
接口可达互联网

3G时代接口表如图所示，其中3GPP2的内容可以忽略，到现在已经完全被淘汰。只需要知道3GPP是以欧洲派系为标准的3G时代即可。

4G

4G是移动通信发展以来，史上最成功的的时代，得到了最多的跃进与丰富的经验积累。
4G 时代发展目标：
高效频谱系统。
高网络容量。
数据传输速率率：100 Mbit / s访问在一个移动的汽车：：1 Gbit / s访问固定用户。
数据至少100 Mbit / s的速度在世界上任何两个点之间。
顺利跨异构网络切换。
无缝连接跨多个网络和全球漫游。
为下一代多媒体支持高质量的服务
与现有的无线标准的互操作性。
基于IP的分组交换网络[4G之前，移动站与基站之间的通信使用ATM技术]

多进多出（MIMO）是为极大地提高信道容量，在发送端和接收端都使用多根天线，在收发之间构成多个信道的天线系统。MIMO系统的一个明显特点就是具有极高的频谱利用效率，在对现有频谱资源充分利用的基础上通过利用空间资源来获取可靠性与有效性两方面增益，其代价是增加了发送端与接收端的处理复杂度。大规模MIMO技术采用大量天线来服务数量相对较少的用户，可以有效提高频谱效率。

eNB:4G时代基站；UE：用户设备[User Equipment]
RRC：控制用阶层，提供控制信息，数据信息仍然由IP阶层传递（从网络层到达）

3G到4G的变迁中，最主要的是基站之间的相互通信，4G时代下，基站的到移动站，基站到中心都是基于IP的分组交换技术。
[ Evolved ]Universal Terrestrial Radio Access Network：通用地面无线接入网
3G与4G相比，RNC【控制用中转站】技能消失并融合到基站中，基站从NB变为eNB。上层基本上就是换了个名字，本质没有大区别

5G

上图是5G是ITU-R WP 5D确定的IMT-2020 (5G)中的8个参数
比较重要的概念：
peak data rate：一个基站最大的传输速率
UEDR：用户体验到的数据传输率
Connection Density: 一个基站最大可以同时连接的移动站个数【主要应用于物联网】
Latency：连接延迟

一图浏览历史：

下图是5G时代重要的发展技术理念：

由于4G技术的成熟，即便5G出现也不能一次性完全替换4G网络，需要一个渐变过程，因此衍生了两种网络模式，现在是4G-5G共存的网络形态

NSA：简单来说，核心网不变，配置5G基站，移动站提供5G服务，但是只是基站与移动站之间使用5G模式，核心网仍然使用4G，4G/5G基站彼此可相互通信
SA： 4G/5G的核心网络相互独立，基站间按类独立

卫星网络

这里简单提一下

人造卫星需要有一个轨道，即它环绕地球运行的轨道。一颗卫星完成环游地球卫星所需的时间,是由开普勒定律决定的。卫星通讯的最大优点是覆盖范围非常广。卫星用双向天线处理微波

卫星能待在哪一个轨道取决于卫星的线速度，为了不受地球重力影响而坠落，需要持续某线速度做圆周运动，因此发射时的加速度就决定了最终可滞留的轨道

GEO

地球同步轨道。高轨道卫星，因为与地球自转同步，可以一直辐射某区域，在国家范围内固定工服务效率高，如广播。
视线传播要求发送和接收天线始终锁定在彼此的位置上【一根天线必须能看见另一根】
卫星必须以与地球相同的速度运动，这样它才能看起来在某一点上是固定不变的
这一轨道发生在赤道平面，距离地球表面大约22000英里

在地球静止轨道(GEO)上，至少需要三颗距离相等的卫星才能提供完整的全球传输

MEO

中地球轨道。定位两者之间的范艾伦辐射带，在这个轨道上运行的卫星大约需要6到8小时绕地球一周
全球定位系统(GPS)

在距离地球18000公里(11000英里)的高空运行，24颗卫星，用于陆地、海上和空中导航，为车辆和船舶提供时间和位置
三边测量

我们需要至少四个球体来找到我们在太空中的确切位置(经度、纬度和高度)。然而，如果我们有更多关于我们的位置的事实(例如，我们知道我们不是在海洋或天空的某个地方)，三个球就足够了，因为两个球相交的两个点中的一个是如此的不可能（两个辐射交点连线距离非常远，只要附加上一些常识内容就可以排除一个点），以至于可以选择另一个点而不需要多虑

GPS接收器需要找到它到至少三个GPS卫星的距离(球的中心）
24颗卫星中的每一颗都同步传输一种复杂的信号
接收器上的计算机测量卫星发出的信号与其信号副本之间的延迟，以确定到卫星的距离
同步：卫星使用原子钟，计算距离使用数据传输速率乘以时间，当然会会有误差。

LEO

近地轨道。移动通信用轨道，3G时代考虑过卫星进行移动通信后被终止，5G时代又开始考虑这个问题。

低地球轨道(LEO)卫星有极轨道
高度在500 - 2000公里之间，旋转周期90 - 120分钟
LEO系统通常有蜂窝类型的接入，类似于蜂窝电话系统
辐射范围的直径通常为8000公里。
由于LEO卫星距离地球较近，往返传播时延通常小于20 ms，这对于音频通信来说是可以接受的
铱星系统有66颗卫星，分为6个轨道，每个轨道有11颗卫星。且支持Handoff

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