25、基于移动电话网络的测量系统解析

基于移动电话网络的测量系统解析

1. 移动电话与基站

在GSM系统中，为实现数据传输，包括移动台（手机）在内的所有部件都需具备数据传输能力。以工作在900 MHz频段的典型手机为例，它不仅能传输音频信号，还可传输数据消息。

手机的电话部分工作流程如下：
- 压电麦克风采集声音信号，经13位A/D转换器以8 kS/s的采样频率进行数字化处理，可将最高3.2 kHz频率范围内的音频信号数字化，形成104 kb/s（13 bit × 8 kS/s）的数据流。
- 该数据流由音频解码器处理，压缩至22.8 kb/s。
- 经过GMSK调制（高斯最小移频键控）和放大后，信号激励手机天线。
- 接收端，信号经GMSK解调器、TDMA解码器处理，再由音频编码器处理，最后通过13位B/A转换器转换为音频信号驱动扬声器。

手机的数据部分由信号检测器组成，通过控制单元可将数据传输至常见的串行接口，如USB、蓝牙和IrDA。对于900 MHz频段的系统，最大传输速率为270.833 kb/s，1位的传输时长为3.692 ms，约相当于该信号载波频率下的3300个信号周期。

每个移动台包含移动终端和用户识别模块，该模块有唯一的国际移动设备识别码（IME），存储在SIM芯片卡中，芯片卡还包含移动台的本地操作系统及安全密码（如PIN1、PIN2、PUK1或PUK2）。

基站系统（BSSD）由一系列位于电线杆或塔上的基站组成，每个基站配备天线、接收器、无线电波发射器和信号处理单元，基站之间通过金属或光纤数据链路和/或无线连接。GSM中心控制基站活动，确保每个移动台至少连接三个基站，这不仅提高了数据传输的可靠性，还能确定移动台的位置。

GSM系统采用双工模式进行数据传输，需要双（双工）传输通道。在使用900 MHz频段的GSM系统中，移动台与基站之间、基站与移动台之间的传输通道分配了不同的频段，分别为890 - 915 MHz的上行链路通道和935 - 960 MHz的下行链路通道，这些频段内的通道数量为124个，每个通道带宽为200 kHz，频段边界有100 kHz的无通道频段。此外，还定义了时隙，2.5G及更高版本的网络使用时分多址（TDMA）数据传输技术，以增加传输速度。

不同GSM系统的参数如下表所示：
| GSM类型 | 频率范围 | 上行链路频段 | 下行链路频段 | 频段数量 | 传输通道数量 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| GSM 900 | 900 MHz | 890 MHz - 915 MHz | 935 MHz - 960 MHz | 124 | 992 |
| GSM 1800 | 1800 MHz | 1710 MHz - 1785 MHz | 1805 MHz - 1880 MHz | 374 | 2992 |
| GSM 1900 | 1900 MHz | 1850 MHz - 1910 MHz | 1930 MHz - 1990 MHz | 299 | 2396 |

2. 移动网络中的数据传输

使用TDMA数据传输技术时，传输频段被划分为八个时隙，周期为4.615 ms，每个时隙持续577 ms。使用124个频率通道和八个时隙时，可同时创建992个双工传输通道。使用1.8 GHz频段时，频段数量可增加到374个，传输通道数量增加到2992个，此时发射频段的频率范围为1710 - 1785 MHz，接收频段为1805 - 1880 MHz。

根据数据传输能力，移动电话分为三组：
- MT0（移动终端0） ：无外部数据接口，最简单形式下仅能传输语音消息和短信（SMS），无法传输来自其他数字设备的数据，如集成掌上电脑的手机。
- MT1 ：通过接口与综合业务数字网（ISDN）通信，但需终端适配器（TA）与计算机通信，适配器的作用是将标准计算机信号（如USB信号）双向适配到移动电话，例如诺基亚2110 MT1手机的PCMCIA卡可作为GSM调制解调器。
- MT2 ：可通过USB、无线IrDA或蓝牙无线电从计算机传输数字数据，也可通过为笔记本电脑设计的PCMCIA卡传输数据，如诺基亚Card Phone 2.0卡，安装在笔记本电脑后可作为双频段手机，能在GSM 900或GSM 1800频段工作。

GSM系统提供多种数字数据传输服务：
| 传输类型 | 传输特性 | 最大传输速度 | 网络类型 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| CSD | 标准数字数据传输 | 9.6 kb/s | GSM |
| CSD | 带压缩的数字数据传输 | 14.4 kb/s | GSM |
| HSCSD | 快速数字数据传输 | 57.6 kb/s | GSM + 轻微调整 |
| GPRS | 分组数据传输 | 115 kb/s | GSM + GPRS基本调整 |
| EDGE | 改进GSM系统中的扩展数据传输 | 384 kb/s | GSM + 重大修改 |
| UMTS | 通用移动数据传输通信系统 | 1960 kb/s | UMTS全球网络 |

3. SMS和MMS消息传输

• SMS（短消息服务） ：可向GSM或电子邮件用户发送最多160个字符的短字母数字消息，通话期间也可无中断发送。它是一种点对点服务，用户直接在移动台接收消息，无需检查收件箱。SMS的信道负载极低，是最便宜的数据传输方式，可选择让接收方发送送达消息给发送方以确认消息已送达。若发送消息时与接收方的通信未建立，消息将存储在SMS中心，连接后再转发给接收方。典型的消息送达时间为发送后的几秒，但也可能延迟数小时或数天，极少数情况下可能无法送达。在测量中，SMS服务可用于远程传输小体积数据，实际SMS消息的最大字符数可达6 × 160 = 960个字符，此时消息会被分割成最长160个字符的短消息分别发送和计费，消息送达延迟约为数十秒，这对某些测量系统可能不可接受。
• MMS（多媒体消息服务） ：可在用户之间或GSM设备之间传输多媒体文件，包括纯文本（未格式化或带格式指令）、图形（如JPEG、GIF和PNG文件）、声音（基本文件、MP3或WAV）和视频（MPEG文件）。MMS消息的一个重要特点是能够从互联网传输文件，每条MMS消息由信封（传递和解释消息所需的指令）和消息内容组成，MMS标准使用无线应用协议（WAP）作为传输协议，因此采用了改进的传输模式（HSCSD、GPRS和EDGE）。MMS消息在测量系统中使用较少，但可用于交通或水位监测、工业生产中的监测和报警系统等涉及图像或视频文件传输的应用。

CSD（压缩交换数据）自GSM诞生之初就已使用，但由于数据传输速率低（最高9.6 kb/s），在测量系统中的应用受限，且这种传输方式占用整个业务信道，数据连接按电话通话计费，HSCSD传输模式是解决该问题的方案。高速电路交换数据（HSCSD）在一个物理通道内使用多个（最多四个）业务通道来提高传输速度，使用四个业务通道时，数据传输速率可达57.6 kb/s，但这需要对GSM基站进行适当修改，用户也需使用合适的手机。在CSD和HSCSD传输模式下，数据可在两个GSM网络用户之间或GSM网络用户与公共交换电话网络（PSTN）固定电信网络用户之间传输。

4. 通用分组无线服务（GPRS）

GPRS（通用分组无线服务）可在不切换传输通道的情况下通过互联网传输分组数据，与之前讨论的基于通道切换的传输模式不同，GPRS采用分组交换。GPRS会话可在“始终连接”模式下激活，通话期间也可无干扰地传输数据。每个传输的分组或数据集是一个整体，可独立于其他分组传输，分组头中指定了目标互联网地址。

GPRS的优点除了能永久访问网络外，还具有高数据传输速度。这是因为设置传输通道时最多可分配八个时隙，每个时隙容量为14.4 kb/s，乘以分配的时隙数即为GPRS数据传输的最大速度，即8 × 14.4 = 115.2 kb/s，通过合适的数据编码方法，理论上传输速度可提高到170 kb/s。实现GPRS要求网络运营商对基站进行比HSCSD模式更多的修改，但这些修改仍足以使GPRS和HSCSD传输模式成为GSM系统的补充服务（即需添加到核心GSM网络的硬件和软件）。

GPRS被认为是GSM和UMTS之间第一种可用的数字数据传输技术，其最大数据传输速度取决于GSM网络质量和符合GPRS标准的手机参数。出于成本效益考虑，GPRS模式推荐用于非周期性数据传输、每分钟多次执行的每次少于500字节的频繁小体积传输以及每小时几次或更少频率的较大数据传输。

不同GRPS编码方案的传输速率如下表所示：
| GRPS编码方案 | 传输速度 |
| ---- | ---- |
| CS - 1 | 8.0 kb/s |
| CS - 2 | 12.0 kb/s |
| CS - 3 | 14.4 kb/s |
| CS - 4 | 20 kb/s |

5. EDGE数据传输

自3G时代开始使用的EDGE数据传输，最高传输速度可达473.6 kb/s，可用于传输动态图像。EDGE传输保留了GSM频段和间隔为200 kHz的无线信道，这便于传统GSM和EDGE/GSM系统之间的协作，从而显著降低了实施成本。

EDGE传输的高速度得益于两种调制方法：相移键控（PSK）和正交相移键控（QPSK）。PSK用二值调制信号s(t)调制载波谐波信号的相位，较低电平L对应载波信号的零相移，较高电平H对应180°相移。QPSK用二值或多电平调制信号调制两个相位相差90°的谐波（正交）信号：
[
\begin{cases}
u_1(t) = U_c \cdot \sin(\omega t) \
u_2(t) = U_c \cdot \cos(\omega t)
\end{cases}
]
如果这些信号由一位（二进制）调制信号s1(t)调制，则为2 - QPSK调制；当正交信号由两位调制信号s1(t)和s2(t)调制时，则为4 - QPSK调制。在EDGE数据传输中，使用8 - QPSK和16 - QPSK正交调制，分别用三位和四位调制信号调制载波信号。

从这些调制的特性可知，随着编码信号位数的增加，对其更高的信噪比相位分离要求也增加，例如16 - QPSK调制的相位分离应至少为360/16 = 22.5°的一半。因此，根据基站之间数据链路的距离和质量选择QPSK调制类型。根据信号质量，对于要求较低的情况，使用传输速率为8.4 kb/s的GPSK调制；对于要求较高的情况，使用QPSK - 8调制，使用一个数据通道（时隙）可实现高达59.2 kb/s的传输速率。使用八个时隙时，理论最大数据速率范围为8 × 8.4 = 67.2 kb/s至8 × 59.2 = 473.6 kb/s。国际电信联盟（ITU）推荐的动态图像传输数据速率为384 kb/s，远低于EDGE的上限。

下面用mermaid流程图展示数据在移动网络中的传输过程：

graph LR
    A[移动台] -->|数据传输| B[基站]
    B -->|数据传输| C[GSM中心]
    C -->|数据传输| D[互联网/其他网络]
    D -->|数据传输| C
    C -->|数据传输| B
    B -->|数据传输| A

综上所述，移动电话网络的测量系统提供了多种数据传输方式，每种方式都有其特点和适用场景，在不同的应用中发挥着重要作用。随着技术的不断发展，这些传输方式也在不断改进和优化，以满足日益增长的数据传输需求。

基于移动电话网络的测量系统解析（续）

6. 不同传输方式的对比与应用场景分析

为了更清晰地了解各种移动电话网络数据传输方式的特点，下面对它们进行详细对比，并分析其适用的应用场景。

传输方式	最大传输速度	特点	适用场景
CSD	9.6 kb/s（标准），14.4 kb/s（压缩）	标准数字数据传输，占用整个业务信道，成本按电话通话计费	对传输速度要求不高、数据量小且不频繁的传输场景，如简单的远程设备状态查询
HSCSD	57.6 kb/s	在一个物理通道内使用多个业务通道提高速度，需对基站和手机进行一定修改	需要相对较快数据传输速度的场景，如实时数据监测，但数据量不是特别大
GPRS	115 kb/s（理论可达170 kb/s）	采用分组交换，可“始终连接”，适合非周期性、小体积频繁传输或较大数据的低频传输	物联网设备的数据上传、移动办公中的数据同步等
EDGE	473.6 kb/s	使用PSK和QPSK调制方法，可传输动态图像，需对GSM系统进行重大修改	对传输速度要求较高、需要传输图像或视频等多媒体数据的场景，如交通监控、工业生产中的视频监控
MMS	取决于采用的传输模式（HSCSD、GPRS、EDGE等）	可传输多媒体文件，包括文本、图形、声音和视频	交通或水位监测、工业生产中的监测和报警系统等涉及图像或视频文件传输的应用
SMS	无明确速度指标，以字符数衡量（最多160字符/条，可拆分）	信道负载低，成本低，适合小体积数据传输	远程设备的简单指令发送、小数据量的状态反馈，如设备故障报警

7. 移动电话网络测量系统的发展趋势

随着科技的不断进步，移动电话网络测量系统也在不断发展，未来可能呈现以下趋势：

• 更高的传输速度 ：随着5G及后续技术的发展，数据传输速度将进一步提升，能够满足更复杂、大数据量的应用需求，如高清视频实时传输、虚拟现实和增强现实应用等。
• 更广泛的应用领域 ：除了现有的交通、工业、监测等领域，移动电话网络测量系统将在医疗、农业、智能家居等更多领域得到应用，实现万物互联。
• 更低的功耗 ：为了满足移动设备的长时间使用需求，降低系统功耗将是一个重要的发展方向，例如优化调制方式、采用低功耗芯片等。
• 更强的安全性 ：随着数据传输量的增加和应用场景的多样化，数据安全问题将更加突出，未来的系统将采用更先进的加密技术和安全机制，保障数据的安全传输。

8. 实际应用案例分析

下面通过几个实际应用案例，进一步说明移动电话网络测量系统在不同领域的应用。

案例一：交通监控
在交通监控系统中，使用MMS和EDGE传输方式，通过安装在道路上的摄像头实时采集交通流量、车辆行驶情况等图像和视频数据。这些数据通过移动电话网络传输到监控中心，监控人员可以实时了解交通状况，及时采取交通疏导措施。同时，利用SMS可以发送简单的交通信息，如道路拥堵情况、事故报警等，方便驾驶员做出决策。

案例二：工业生产监测
在工业生产中，采用GPRS和HSCSD传输方式，将生产设备的运行状态、温度、压力等数据实时传输到监控中心。监控人员可以根据这些数据及时发现设备故障，进行远程维护和调整，提高生产效率和产品质量。此外，MMS可以用于传输设备的图像或视频，帮助技术人员更直观地了解设备状况。

案例三：农业环境监测
在农业领域，使用SMS和GPRS传输方式，将土壤湿度、温度、光照等传感器数据传输到农户的手机或农业管理平台。农户可以根据这些数据及时进行灌溉、施肥等操作，实现精准农业。同时，通过MMS可以发送农田的图像，帮助农户了解农作物的生长情况。

9. 总结

移动电话网络测量系统为我们提供了丰富多样的数据传输方式，从简单的SMS短消息到高速的EDGE数据传输，每种方式都有其独特的优势和适用场景。在实际应用中，我们需要根据具体的需求，如传输速度、数据量、成本等因素，选择合适的传输方式。

随着技术的不断发展，移动电话网络测量系统将在更多领域得到广泛应用，并不断提升其性能和安全性。未来，我们可以期待这些系统为我们的生活和工作带来更多的便利和创新。

下面用mermaid流程图展示不同应用场景下传输方式的选择：

graph LR
    A[应用场景] -->|小数据量、低成本| B[SMS]
    A -->|中等数据量、较快速度| C[HSCSD]
    A -->|大数据量、频繁传输| D[GPRS]
    A -->|多媒体数据传输| E[MMS/EDGE]

通过以上的分析和案例，我们可以更深入地了解基于移动电话网络的测量系统，为实际应用提供参考和指导。