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空中接口学园技术学习教材 → 领读笔记 原理与实现 2.3 多用户移动通信
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发贴心情 领读笔记 原理与实现 2.3 多用户移动通信
领读笔记《LTE教程:原理与实现》2.3 多用户的移动通信

2.3.1 复用与正交
2.3.2 多址技术
2.3.3身份识别
2.3.4 安全

[此贴子已经被作者于2018-8-3 17:28:47编辑过]
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发贴心情 2.3.1 复用与正交
多用户的通信系统要实现在同一物理资源(如频率)上各信号的混合,就需要复用技术,复用就是各信号的混合;当然实施复用的前提的各信号可分离即信号的正交(可以解复用,即还原混合以前的各原始信号),而各信号可分离的前提又是信号间可分辨,也就是各信号的频谱特性可分辨,而分离呢又分为可完全分离和可完整分离,虽然理论上,我们希望复用的各信号可以完全和完整地分离,实际工程应用中,只要目标信号强度超过一定范围即可(信噪比达标);
信号的正交按不同的维度,又分为空间正交,时间正交和频率正交。常见的空间正交如发射分集(STCB,SFCB),开环空分复用(CDD)…;常见的时间正交,如GSM,LTE的时分复用,在不同时刻传送不同用户的信息;常见的频率正交,如GSM的FDM和LTE的OFDM;
而频率正交又分为功率正交和能量正交,所谓功率正交,就是各信号在在频谱上不重叠,用滤波器即可直接分离,如GSM的FDM,特点是可以动态跟踪信号的即时变化,;所谓能量正交,就是各信号在频谱上相互重叠,只能通过接收信号能量的方式加以分离,即引入参考信号(正交载波),接收信号与参考信号相乘取积分,在相互正交的载波上的信号与自己的载波相乘取积分即为这路信号的能量,而与和自己正交的载波相乘取积分结果为零,这样实现了能量的分离,其实信号相乘取积分就是获得信号的相关部分,如LTE的OFDM解调,QAM解调,CDMA的解扩,特点是在积分周期内信号的幅度必须保持不变;
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当然功率正交的信号,在能量上也是正交的,这里我们举一个有趣的例子,如FDM的解调中常使用到的相干解调,就是利用信号相乘后再经过LPF低通滤波的方法实现信号的分离,这里LPF实际就是积分器,所以说相干解调实际也属于能量正交范畴;

[此贴子已经被作者于2018-7-30 20:38:26编辑过]
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发贴心情 2.3.2 多址技术
由复用/解复用技术延伸而来的是多址技术,即同一小区带多用户的问题,这是多用户移动通信需要解决的首要问题,那么如何区分不同终端用户哦信号呢?参考常见的复用技术,我们很容易类比出常用的多址技术,即FDMA,TDMA,SDMA等;
利用频率正交,我们可以区分不同信号(FDM/OFDM),当然也可以作为区分用户的多址技术,即FDMA/OFDMA,FDMA利用不同频点区分用户,而不同用户信号在频谱上不重叠,通过滤波器来分离不同用户的信号,例如GSM;而OFDMA利用正交子载波/子载波的组合来区分用户,不同用户的信号在频谱上相互重叠,通过接收能量来分离不同用户的信号,例如LTE;
同样地,利用时间正交,我们可以把载波划分成不同的时隙/子帧,每个用户信号分配到不同的时隙/子帧上传送,实际上绝大部分移动通信的都用到了TDMA技术,像GSM,PHS,LTE等等;
利用空间正交,我们可以在多天线不同的流上传送不同用户的信号,例如5G 的MU-MIMO;
最后我们再提一个在上一节复用技术里提到的能量正交里面的码分复用CDM,利用正交码对信号进行扩频,来实现复用,这里我们依然可以利用扩频码来实现码分多址CDMA,即不用用户信号使用不同的扩频码扩频,不同用户在同一时间使用同一载频,利用扩频码来区分不同的用户信号,例如CDMA,CDMA 2000 EVDO,WCDMA.


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[此贴子已经被作者于2018-8-3 17:29:33编辑过]
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发贴心情 2.3.3身份识别
移动通信网络是多用户系统,多用户系统首先要解决用户标识的问题,用户是机卡分离,实际上是用IMEI号来标识终端,由终端厂商用固化在终端中(类似于网卡的MAC地址),用IMSI号来标识用户,IMSI号在开户时存储在SIM卡和核心网HSS内;
解决了用户标识问题,然后需要解决的是用户的身份识别,即鉴权问题,只有通过鉴权的用户(合法用户)方可接入网络,类比于拨号上网需要用户名和密码,可以想象到鉴权除了需要用户标识(IMSI),还需要类似密码的参数,这就是密钥;
以LTE为例,用户开户是IMSI和K会同时保存在终端和HSS,用户每次登记入网时,核心网会下发鉴权参数给附着执行网元MME执行对用户的鉴权,这些参数包括RAND,RES,AUTN和KASME,而MME收到鉴权参数后,将RAND和AUTN发送给终端(其中RAND是HSS生产的随机数,用于和密钥一起生产RES,AUTN,和IK,CK,而IK,CK又可以生产密钥的中间参数KASME;RES是相应序列,用于MME对终端进行鉴权;AUTN是鉴权令牌,用于终端对网络进行识别,以避免接入伪基站;KASME是密钥的中间参数,用于MME,ENB,和UE对信令和用户数据的加密,完整性保护),而终端收到RAND后,会和SIM卡保存的密钥K生成和HSS一样的AUTN(用于对比网络下发的AUTN,如果一致即网络合法),RES,IK,CK,然后IK,CK又可以生成KASME,然后终端将自己算得的RES上报给MME,MME通过对比HSS下发的RES和UE上报的RES,如果二者一致,则完成对用户的鉴权,用户为合法用户,可以继续执行后续接入工作。
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发贴心情 2.3.4 安全
紧接着上一节的内容,由于移动通信系统的口中接口由于是开放的,所以安全性是个非常重要的问题,这里除了之前提到的对用户的鉴权,还有需要对在空口传送的数据的加密,加密涉及到密钥,算法和随机数,上一节LTE鉴权的例子(请参考上节的图例)已经说到,密钥是在用户开户时写入SIM卡和HSS,随机数由每次终端附着请求时,HSS生成并下发(实际是一次性发下很多组鉴权参数,以备MME随时根据需要向用户发起鉴权),而算法是整个通信系统统一的,有几种,每次终端附着时,和网络协商决定使用何种算法,HSS用密钥和随机数通过算法生成响应序列RES,鉴权令牌AUTN(用于终端对网络的鉴权),和密钥的中间参数IK,CK,然后IK,CK再通过算法生成用于加密和完整性保护的密钥(相比GSM,WCDMA和LTE新增了用于完整性保护和终端对网络鉴权的机制),这里提一下,在空中接口传递的信令有加密和完整性保护机制,而用户数据只有加密机制,所以对于信令有相应的加密和完整性保护的密钥,而用户数据只有加密的密钥,而鉴权过程中网络下发给终端的是RAND和AUTN,终端用收到的RAND和SIM卡保存的密钥通过算法生成和HSS一样的AUTN,RES,IK,CK,IK和CK再生成用于加密和完整性保护的密钥,然后终端把自己算得的AUTN和网络侧下发的AUTN进行对比,若一致则网络为合法网络,终端还会把自己算得的RES上报给网络,网络侧对比HSS下发的RES和终端上报的RES是否一致,若一致则终端为合法终端。
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