星星之火-15： 空口资源是有限的，GSM如何实现各种终端、各种信息共享有限的无线资源？

1. 无线网络拓扑结构的选择

无线通信就是通过调制的方式，控制高频载波信号的某种特性，把二进制数据加载到高频无线电磁波上，然后利用无线电磁波在两个节点之间进行传输，从而实现数据通信的过程。

关于GSM调制的方式，可以参考《图解通信原理与案例分析-15：2G GSM手机语音通话的工作原理--TDMA时分多址与GMSK调制》

无线频谱资源是共享的，利用共享资源通信的方式大致有如下几种：

（1）点对点拓扑结构通信：

通信双方之间，直接通过电磁波进行通信，中间不借助任何设备。

前面花了几篇文章拆解过点对点无线通信的基本原理。

然后，这种点对点通信有几个明显的缺点：

• 相互通信的两个节点之间，距离不能相处太远，只能相距在有限的范围，比如对讲机，通信双方只能相距几公里之内。
• 不同的通信节点之间，无法知道其他人什么时候占用无线资源，导致无线资源冲突访问明显。

（2）点对多星型拓扑结构通信

多个节点之间，不直接通过无线电磁波进行通信，每个终端节点，通过共享的无线电磁波信号与中心节点通信，然后通过中心节点的中转，最终实现任意终端节点之间的通信。

WIFI路由器，GSM基站，都采用了这种星型拓扑结构。

然后，如果只有单个WIFI路由器，只能实现局域网通信，无法实现跨不同WIFI路由器之间通信，不能实现跨区域、跨国家之间的通信。

如果只有单个基站子系统，也只能实现终端无线接入，无法实现跨不同基站子系统之间的通信，不能实现跨区域、跨国家之间的通信。

要想实现更大无法内终端之间的无线通信，必须借助网络。

 

（3）网络通信拓扑结构

WIFI和GSM都采用了上图的网络拓扑结构，能够实现更大范围的任意两个节点之间通过无线接入点实现远程通信。

 

2. 频分复用---频段复用：200KHZ载波

数字无线通信中，所有的二进制的数据，包括来自终端与来自网络的二进制数据，都是通过无线电磁波进行承载和传输的。需要对无线电磁波采用某种共享的策略，即所谓的“多址”策略。

GSM采用的是：先频分多址，然后时分多址。

以分配给GSM的900M频段的电磁波为例，先把25M带宽的电磁波，以200KHz为单位进行切分，得到125个载波，这就是频分多址的思想。

不同用户，可以占用不同的载波，实现不同用户并发共享25M带宽的GSM无线资源。

 

3. 时分复用---载波复用：8个时隙（语音）

全速率语音通信，语音编码的二进制比特为13Kbps， 200KHz带宽的电磁波，对单个用户是及其富裕的，于是按时间，再划分为8个时隙，每个用户分时轮流复用这200KHz的载波带宽。这就是时分多址TDMA的思想。

在上图中，每个方格就是一个时隙，纵向是电磁波的频率资源，横向是时间，被切分成了8个时隙，每个时隙可以传送一路用户的编码后的二进制语音数据。

每个时隙的时长为0.577ms，传输156.25个符号码元，通过GMSK调制，每个码元可以携带一个比特的二进制数据，除去保护带宽和其他信息，每个时隙大概可以传送148bits，一个时隙的二进制的编码、调制、发送，称为一个突发脉冲。

 这样，不同用户的语音数据，可以占用不同的载波不同时隙，实现不同用户语音分时共享25M带宽的GSM无线资源。

 

4. 时分复用---时隙复用：TDMA帧（控制信令）

就像一个公司，除了各个业务部门外，还需要一些如人力资源、财务部门、工会、后勤等一些公共部门，即使是业务部门，除了业务人员外，还有像部门秘书、部门运营等一些公共辅助性的人员。

GSM通信也样，除了需要传输语音的时隙外，还需要时隙来传输公共的信息。由于公共信息的种类繁多，为此，把这些公共信息进行抽象与分类为各种公共信道，而传送语音的信道，称为业务信道。

每种用于传送信令的公共信道的数据量不大，且传输延时要求不严格，占用整个时隙有点浪费。是否可以考虑多种公共信道共享同一个时隙呢？这就是时隙共享的基本思想！

时隙共享的思想虽好，但问题是各种类型的公共信息如何分时复用同一个时隙传递？如何有效的、有条不紊的、集权性的管理这些时隙、信道、信道中的数据呢？以便能够把有限的无线资源得到最大利用率和最大的公平性？

为此，GSM定义了物理信道、逻辑信道和TDMA帧，通过TDMA帧可以结构化各种控制信道的信息，分时复用同一个时隙资源！

（1）物理信道

物理信道中传输二进制比特的称为突发脉冲，共有五种突发脉冲，每种突发脉冲都有自己的用途和二进制数据格式。

（2）逻辑信道

根据其传输的信息的种类和功能，把这些信息分为一个个逻辑信道，每个逻辑信道传送相关性的信息。

（3）TDMA帧

这么多的逻辑信道，可以映射到不同的物理信道中，每种逻辑信道中，传输的数据格式都不相同。

如何对逻辑信道中的数据进行统一架构化呢？ 这就是所谓的TDMA帧格式的定义了！

8个连续的、相同索引index的时隙，组成一个TDMA基本帧。

26个传输业务数据的基本帧或51个控制数据的基本帧，构成一个复帧。

26个控制复帧构造一个超帧或51个业务复帧，构成一个超帧。

2048个复帧构成一个超高帧。

这种分层的帧结构，可以达到如下的效果：

（1）可以把各种复杂的业务数据、控制数据进行了有效的组织、管理和集中控制！然后复用某个时隙进行传输。

（2）不同的数据域，其传输比特率与传输周期可以灵活的控制。

 

结论：

通过对整个频段按载波切分，实现频分复用，

通过对单个载波按时隙切分，实现时分复用，

通过对单个时隙按时间复用，实现TDMA帧结构，

最终实现这样的一个效果：

在集中化、集权化的调度下 ，各种终端、各种信息，能够复用和共享有限的无线资源，进行并行和分时传输！

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