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1、GSM移动通信系统原移动通信系统原理理 移动通信特点移动通信特点w 电波传播环境十分恶劣w 多普勒频移产生附加调频噪声w 移动台受干扰和噪声骚扰w 移动设备要求有很大的动态范围w 频谱拥挤w 建网技术复杂 大区制大区制w 一个基站覆盖整个城市一个基站覆盖整个城市l通信质量差l频率利用率低l系统容量小PSTN另一有线网另一有线网MSCMSCBSCBSCBSCBSCBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBSCBSCBSC小区制小区制一个区域由多个小区覆盖一个区域由多个小区覆盖l通信质量较好l频率利用率高l系统容量增大375163243561752436127
2、74251314cellsitecellsitecellsite全向小区（OMNI CELL SITE）3扇区/小区（120 SECTOR/ CELLS）6扇区/小区（60 SECTOR/ CELLS）=1 ANTENNA=3 ANTENNA=6 ANTENNA 4 3标准复用模式（标准复用模式（GSM体制推荐）体制推荐） 紧密复用模式紧密复用模式w 3 3w 1 3（NORTEL）w 2 6（MOTOROLA）w 多重复用多重复用MAP（ERICSSON）45MHz双工间隔基站发射频率基站接收频率2MHz保护频带960905890880872950935925917 915GSMTACS/G
3、SMEGSMETACS基站发射频率基站接收频率2MHz保护频带18801805 178590MHz双工间隔1710DCS1800 GSM900主频段（主频段（P-GSM）w 上行：890MHz-915MHz（移动台发，基站收）w 下行：935MHz-960MHz（基站发，移动台收） GSM扩展频段（扩展频段（E-GSM）w 上行：880MHz-890MHz（移动台发，基站收）w 下行：925MHz-935MHz（基站发，移动台收） DCS1800频段频段w 上行：1710MHz-1785MHz（移动台发，基站收）w 下行：1805MHz-1880MHz（基站发，移动台收） GSM900主频段（
4、主频段（P-GSM）w 上行：Fl=890 + 0.2 N（MHz） （1N 124）w 下行：Fu=Fl + 45（MHz） GSM扩展频段（扩展频段（E-GSM）w 上行： Fl=890 + 0.2 （N-1024）（MHz）w 下行： Fu=Fl + 45（MHz） （975N 1023） DCS1800频段频段w 上行： Fl=1710.2 + 0.2 （N-512）（MHz）w 下行： Fu=Fl + 95（MHz） （512N 885）0101系列：系统概述系列：系统概述0202系列：业务系列：业务0303系列：网络结构和网络功能系列：网络结构和网络功能0404系列：无线接口信令（
5、系列：无线接口信令（L2L2、L3L3）0505系列：无线接口物理层系列：无线接口物理层0606系列：语音编码（系列：语音编码（FRFR、EFREFR、HRHR）GSM规范（一）0707系列：移动台终端适配功能系列：移动台终端适配功能0808系列：系列：A A接口和接口和AbisAbis接口接口0909系列：网络互连（系列：网络互连（ISDNISDN、PSTNPSTN、PSPDNPSPDN）1010系列：系列：PH2PH2新功能新功能1111系列：测试系列：测试1212系列：网管（操作维护、用户和终端业务系列：网管（操作维护、用户和终端业务数据监视、性能、设备管理）数据监视、性能、设备管理）G
6、SM规范（二）GSM网络结构网络结构PSTNOMCOMCNMCOMSSIMMEMSBTSBTSBTSBTSBSCBSCAUmMSCMSCMSCMSCVLRVLRVLRVLRHLRHLRAUCAUCEIREIRBCEFGHDNSSNSSBSSBSSNSS系统接口系统接口 A接口：MSC与BSC间的接口 Abis接口：BSC与BTS间的接口 Um接口：BTS与MS间的接口 B接口：MSC与VLR间的接口 C接口：MSC与HLR间的接口 D接口：HLR与VLR间的接口 E接口：MSC与MSC间的接口 F接口：MSC与EIR间的接口 G接口：VLR与VLR间的接口 H接口：HLR与AUC间的接口MSC
7、/VLR业务区域业务区域MSC/VLR业务区域VLRMSCLocation AreaVLRMSC位置区（位置区（Location Area） MSCVLRLA1LA2LA3LA4LA5LA6cell 11cell 12cell 7cell 8cell 9cell 4cell 6cell 5cell 3cell 2cell 1GSM各区域间的关系各区域间的关系 GSM业务区PLMN业务区MSC业务区位置区LAC小区CellMSC功能与作用功能与作用 呼叫处理w 呼叫建立、连接与清除位置更新过程用户身份识别移动设备识别 操作与维护w 数据库管理w 测量w 人机接口（MMI） 网间互通 计费MSC为
8、其服务区内的移动用户提供交换和信令功能为其服务区内的移动用户提供交换和信令功能HLR功能与作用功能与作用 HLR:Home Location Register 用户识别号（IMSI,MSISDN） 当前用户的VLR（当前位置） 业务能力、业务限制信息 用户申请的补充业务 补充业务信息（例：当前转移的电话号码） 用户状态（registered/deregistered） 移动用户漫游号（MSRN）传递HLRVLR功能与作用功能与作用 VLR:Visitor Location Register 移动台状态 部分补充业务数据 移动站的位置登记(LAI) 临时移动用户识别号(TMSI)管理 MSRN管
9、理VLRAUC功能与作用l鉴权和加密数据lKi,RANDlA3,A8算法lKc,SresMSCMSCBTSBTSBTSACDHEF鉴权（Authentication）SIMKiA8A3VLRSresKc RANDKcSres=?SresKc RANDA8A3KiAUC 加密（Ciphering )MSSIMKiA8A3KcSresA5Speech,DataVLR无线通路BTSSpeech,DataSresKc RANDA5 EIR功能与作用 EIR：Equipment Identity Register 存储移动设备分类表(IMEI) 用来管理所有移动台设备的国际移动用户识（IMSI）号码以及
10、检查每个移动台设备是否为合法设备。 它包括一个数据库，存储着所有签约用户所使用的移动台设备的IMEI号码等。w 白名单、黑名单、灰名单 EIR功能与作用白名单白名单 灰名单灰名单 黑名单黑名单 合法用户和允许漫游用户的IMEI有故障未经型号认证淘汰的IMEI报失被盗或非法使用的IMEI 国际移动设备识别号(IMEI)国际移动台设备识别码(IMEI)型号批准码(TAC)：由认证中心分配工厂装配码(FAC)：由厂家编码，表示制造厂家及最后装配地。序列号(SNR)： 由厂家分配版本级别(VL)： 由认证中心确定，与TAC关联。FACVLSNRTAC6个数字2个数字6个数字1个数字 IMEI查询流程呼
11、叫建立请求IMEI传送MS发送IMEI在EIR查询IMEI查询结果送MSCMSBSSMSCEIR PSTN MS呼叫流程 MSC/VLR BSS MSRN IMSI MSRN MSISDN HLRGMSC 国际移动用户识别码(IMSI) 移动国家号码(MCC):中国为460. 移动网号(MNC):移动为00，联通：01. 移动用户识别码(MSIN) :H1H2H3 国际移动用户识别号(IMSI)MCCMNCMSIN国内移动用户识别码国际移动用户识别码 移动用户漫游号码： 位长10位 VLR临时分配给用户的一个号码 与该MSC所属HLR有一定联系 在VLR中与IMSI一一对应 移动用户漫游号(M
12、SRN) 临时移动用户识别码(TMSI) 提高IMSI使用的安全性 本地分配的4字节的BDC编码 临时移动用户识别号(TMSI) 移动用户ISDN号码(MSISDN) 移动用户ISDN号码(MSISDN) 国家号码(CC):中国为86 MAC：移动接入码 ，=139(8、7、6、5、0、1) 移动用户号：H0H1H2H3ABCD H0H1H2H3：HLR识别码，由总部统一分配到本地网；H0=0 ABCD：移动用户号，由HLR自行分配 CCMACSN国内有效移动用户ISDN号码国际移动用户ISDN 基站子系统(BSS)组成 基站控制器BSC 基站收发信机BTS 无线操作维护中心OMC-R 码变换
13、器TC(Transcoder)UM接口MSAbis接口接口BTSOMC-RBSCTCBTS BSC的一般结构数字中继交换网络处理器网络数字中继A接口Abis接口 BSC的功能作用 实现A接口物理层规定(PCM/E1) 实现A接口No.7号信令功能(SP) 实现Abis接口物理层规定(PCM/E1) 实现Abis接口数据链路层(LAPD) 实现A接口与Abis接口间信道交换功能 实现部分网络层的功能 实现无线资源管理(RR) 实现BSS管理应用部分的功能 实现切换功能等 BTS的一般结构基基站站接接口口设设备备信信令令处处理理编码与交织编码与交织译码与解译码与解交织交织加密加密加密加密发信机发信
14、机天天线收信机收信机均衡均衡解调解调解密解密AbisBTS的功能模块Um跳频控制跳频控制时钟时钟功率控制功率控制 BTS的功能作用 实现Abis接口物理层规定(PCM/E1) 实现Abis接口数据链路层(LAPD) 实现BTS管理功能 实现部分无线资源管理(RR) 实现Um接口物理层规定(PCM/E1) 实现Um接口数据链路层(LAPDm) 实现实现跳频功能 实现信道加密、解密功能 实现信道编译码、交织与解交织功能 实现调制与解调功能发信机实现用户基带数据到射频信号的转换上变频信号激励功率放大功率控制收信机实现射频信号到用户基带数据的转换低噪声放大下变频信号激励自动增益控制（AGC）信号场强提
15、取（RSSI）天馈系统实现射频信号的合路与分路，控制带外的杂散，实现网络设计规定的扇区分布等。在需要时，实现上下行信号的双工功能，抑制收发信干扰。BTS信令处理 Um接口数据链路层：Dm信道链路接入协议LAPDm Abis接口数据链路层：D信道链路接入协议LAPD Abis接口与Um接口间信令协议转换 无线信道管理 BSS链路连接结构Cell SiteBTSCell SiteBSCBTSCell SiteBSCBTSCell SiteBTSCell SiteBTSCell SiteBTSCell SiteBTSColocated BSSRemote BTSDaisy Chained BTS码变
16、换器(Transcoder)BBS64KBPS16KBPSMSC30PCMTRAFFICCHANNEL*4TC120 GSM TRAFFICCHANNELS011631TC功能 全称：Transcoder Rate Adaptor Unit 语音编解码功能（FR、EFR） 非连续发射功能（DTX） 数据速率适配功能 与BTS的远端通信功能MS结构SIMMEMS 用户识别模块(SIM) 用户固定数据网络临时数据业务相关数据w IMSI wTMSI w使用的语言w Ki wLAI w话费数据w 接入控制级 wKcw 安全算法 w禁止的PLMN 位置区识别码(LAI)与CI 位置区识别码(Locat
17、ion Area Identity) 小区全球识别码(Cell Global Identity)MCCMNCLACL1L2L3L4MCCMNCLACCI小区识别码(CI)：二字节的BCD编码 GSM的功能分层Transmission操作维护人员用户RRMMCMOAM 传输(Transmission)w 用户信息（话音或数据）w 信令消息（物理层到网络层） 无线资源管理(RR)w 建立和释放MS到MSC间的联接w 有效利用无线和对应的陆地资源w 完成切换过程 移动性管理w 位置管理(MS,HLR/AUC,MSC/VLR)w 安全管理GSM的功能层 通信管理(CM)w 呼叫控制面向电路的业务（MS
18、C/VLR,GMSC,HLR,IWF)路由管理w 补充业务管理修改和检查补充业务的实际配置和状态涉及MS和HLR两个实体w 短消息业务点到点的短消息(SM-SC)两个功能实体（SMS-GMSC,SMS-IWMSC) 运行、维护和管理(OAM)w 用户全部登记管理，网络运行维护，用户设备管理GSM的功能层GSM系统原理 业务 系统结构和功能 信道类型、帧结构、突发 主要技术 组网 GSM的FDMA/TDMA结构TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6T
19、S7TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7f0f1f2f4f4f5时间频率TDMA帧 时隙与TDMA帧1234567012345670 突发序列（BURST）时隙TDMA FRAME1TDMA FRAME 2 物理信道w 逻辑信道 业务信道w 语音信道w 数据信道w 随路控制信道控制信道w 广播控制信道w 公共控制信道w 专用控制信道空中接口信道Traffic channelTCHSpeechDataTCH/HSTCH/FSTCH/9.6TCH/2.4TCH/4.8SACCHFACCHTCH业务信道Control channelCCHD
20、CCHSDCCHACCHSACCHFACCHCCCHRACHCBCHPCH/AGCHBCCHBCCHSCHFCCHNBABNBNBNBFBSBNB/DB控制信道 TDMA帧号 基站识别码：BSIC (Base Station Identity Code)NCCBCC网络色码（NCC）：3 bits基站色码（BCC）：3 bits 同步信道消息（SCH） 位置区识别号(LAI) 移动台需监视的邻小区列表 本小区使用的频率列表 小区识别号 功率控制指示 DTX允许指示 接入控制（例：紧急呼叫，呼叫禁止） CBCH描述BCCH广播系统消息 系统消息类型 系统消息w 小区信道描述w RACH控制参数
21、系统消息w 邻小区说明w PLMN允许指示w RACH控制参数 系统消息w 小区识别号w 位置区识别号w 控制信道说明w 小区选择参数w RACH控制参数 系统消息类型 系统消息w 位置区识别号w 小区选择参数w RACH控制参数w CBCH信道说明 系统消息w 邻小区说明 系统消息w 小区识别号w 位置区识别号w 小区选项w PLMN允许指示 系统消息，w 系统消息的扩展w 小区重选参数系统消息类型TC位置类型10BCCH类型21BCCH类型2bis5BCCH类型2ter5或4BCCH类型32和6BCCH类型43和7BCCH类型5SACCH类型5bisSACCH类型5terSACCH类型6S
22、ACCH类型77CCCH类型83CCCHTC(FN/51) mod 8系统消息发送时间GSM复帧类型（一）TRAFFIC CHANNELSTDMA Multiframes012o12345671234567123456701234567891011121314151617181920212223242526-TDMA Multiframes GSM复帧类型（二）CONTROL CHANNELSTDMA Multiframes012o123456712345671234567012345.3839404142434445464748495051-TDMA MultiframesTCH复帧上行ID
23、LESACCHT TTT TT252015121050IDLESACCHT TTT TT252015121050T=TCH下行BCCH/CCCH复帧01020F S B B B B C C C C F S C C C C C C C C F S C C C304050C C C C F S C C C C C C C C F S C C C C C C C C I01020R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R304050R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R RSDCCH复帧F
24、 SF SF SF SF SF SF SF SBBD2D2F SF SF SF SD1D1F SF SF SF SF SF SF SF SBBD0D0F SF SF SF SF SF SF SF SBBD3D3F SF SF SF SF SF SF SF SBBD4D4F SF SF SF SF SF SF SF SBBD5D5F SF SF SF SF SF SF SF SBBD7D7F SF SF SF SF SF SF SF SBBA0A4F SF SF SF SF SF SF SF SBBD6D6F SF SF SF SF SF SF SF SBBA1A5F SF SF SF SF S
25、F SF SF SBBA2A6F SF SF SF SF SF SF SF SBBA3A7F SF SF SF SF SF SF SF SBBA5A1F SF SF SF SF SF SF SF SBBA6A2F SF SF SF SF SF SF SF SBBA7A3F SF SF SF SF SF SF SF SBBD1D1F SF SF SF SF SF SF SF SBBD2D2F SF SF SF SF SF SF SF SBBD3D3F SF SF SF SF SF SF SF SBBD0D0F SF SF SF SF SF SF SF SBBD4D4F SF SF SF SF S
26、F SF SF SBBD5D5F SF SF SF SF SF SF SF SBBD6D6F SF SF SF SF SF SF SF SBBD7D7F SF SF SF SF SF SF SF SBBA0A401020304050010102030405051617181911015161718191101组合复帧01020304050F SF SR RR RF SF SF SF SF SF SF SF SBBBBF SF SF SF SCCF SF SF SF SF SF SF SF SBBBBF SF SF SF SF SF SF SF SBBBBF SF SF SF SF SF SF
27、SF SF SF SF SF SBBBBF SF SF SF SCCF SF SF SF SF SF SF SF SBBBBF SF SF SF SF SF SF SF SBBCCF SF SF SF SF SF SF SF SF SF SF SF SBBBBF SF SF SF SD1D1F SF SF SF SF SF SF SF SBBBBF SF SF SF SF SF SF SF SBBD0D0F SF SF SF SF SF SF SF SF SF SF SF SBBBBF SF SF SF SD3D3F SF SF SF SF SF SF SF SBBBBF SF SF SF S
28、F SF SF SF SBBD2D2F SF SF SF SF SF SF SF SF SF SF SF SBBBBF SF SF SF SA1A3F SF SF SF SF SF SF SF SBBBBF SF SF SF SF SF SF SF SBBA0A2F SF SF SF SF SF SF SF SBBD3D3F SF SF SF SF SF SF SF SF SF SBBA0A2F SF SF SF SF SF SF SF SBBA1A3R RR RR RR RR RR RR RR RR RR RR RR RR RR RR RR RR RR RR RR RF SF SF SF S
29、F SF SF SF SBBD0D0F SF SF SF SF SF SF SF SBBD1D1R RR RF SF SF SF SF SF SF SF SBBD2D2010203040501020304050051617181911015161718191101TDMA超帧与超高帧1超高帧=2048超帧=2715648TDMA帧（3h 28mn 53s 760ms)012 . 2045204620471234 . 47 48 49 501超帧=1326TDMA（6.12s) .012425120ms235.38ms01 .24242501 .48485026-Frame 复帧51-Frame
30、 复帧业务信道控制信道4.615ms01111111TDMA trameGSM突发 and TDMA帧1234567012345670TDMA FRAME 1TDMA FRAME 2INFONORMAL BURSTSTEALING FLAGTAIL BITSTRANING SEQUENCEINFOTAIL BITSGUARD PERIDGUARD PERIDGSM突发类型1234567012345670TDMA FRAME 1TDMA FRAME 23NORMAL BURST(NB)3TBEncrypted Bits57TBTraining Sequence26TBEncrypted Bits
31、57GP3 118.253DUMMY BURST(DB)3TBEncrypted Bits57TBTraining Sequence26TBEncrypted Bits57GP3 118.25156.25 BitsGSM突发类型1234567012345670TDMA FRAME 1TDMA FRAME 23FEQ CORRECTION BURST(FB)3TBTBField Bits142GP8.253SYNCHRONISA BURST(SB)3TBINFO Bits39TBSynchronleation Sequence54TBINEO Bits39GP3 118.25156.25 Bit
32、sGSM突发类型1234567012345670TDMA FRAME 1TDMA FRAME 2TBSynchronleation Sequence54TB3TBINFO Bits398GP68.25ACCESS BURSTS(AB)156.25Bits546 us语音信道编码Class laClass la132 bitsClass 278 bits378 bits尾比特50 bits卷积编码（ConverlutionalCoder)501323478 260 bits校验比特 bits控制信道编码184184法尔编码（Fire Coder)卷积编码（Converlutional Coder
33、)804校验比特尾比特456 456 bits184 bits数据信道编码240240卷积编码（Converlutional Coder)4尾比特488 456 bits240 bits收缩处理（Punctuate)数据信道9.6kb/S主要技术（一） 频率复用 GMSK调制 话音编码 非连续传输（DTX） 收发时隙偏差和时间提前主要技术（二） 非连续接收（DRX） 分集技术、均衡技术 切换技术 功率控制技术 跳频技术无线区族无线区族s4各基战各基战s每个站每个站3扇区扇区基站结构基站结构s3个个120度或三叶草度或三叶草扇区扇区sC/I12 dBAAABBBBCCCDDDDc2c2c2c1c
34、1c1c3c3c3b2b2b2b2b3b3b3b3b1b1b1b1a2a2a2a3a3a3a1a1a1d2d2d2d2d3d3d3d3d1d1d1d1GSM4GSM43 3标准复用模式标准复用模式3 3 标准复用模式标准复用模式 复用方式复用方式w 个基站个扇区个基站个扇区 特点特点w 不增加新基站不增加新基站w 容量增加（有限）容量增加（有限） 抗干扰措施抗干扰措施CABCc2c1a2c3a3a1b2b3c3c1c2b1 GSM 空中接口调制高新数字预滤波MSK调制 1 0 0 1 1Gaussian Minimum Shift Keying1 0 0 1 1 GSM 调制频谱PowerFr
35、equency200KHzRPELTP：规则脉冲激励长时线性预测编 码功能：13K RPELTP 64K PCM帧长：20ms速率：13Kb/sMOS：3.6复杂度：4.7MIPS抗干扰能力：7dB，BER一类0.61%，二类8.3%语音编解码功能FRACELP：代数码本激励线性预测编码功能：13K ACELP 64K PCM帧长：20ms速率：12.8Kb/sMOS：4.0复杂度：18.1MIPS抗干扰能力：优于FR（BER很高时4，13， 一样）语音编解码功能EFR通过限制无用信息的发送： 减少空间干扰 降低发信机功率，延长MS的电池使用时间使用DTX的意义1定量分析 =40 D=8dB
36、C/I3dB 等效于频率复用距离减少20%50%使用DTX的意义2021 08641 61 41 20.21.00.80.60.4I/I(dB)-3dBD=4dBD=4dB、8dB8dB、12dB12dB、16dB16dBD：DTX衰减因子，收发时隙偏差与时间提前移动台收123456703TSOFFSETTDMA FRAME N移动台收123456703TSOFFSETTDMA FRAME N移动台收12345670TDMA FRAME N移动台收12345670TDMA FRAME NTIME ADVANCE不连续接收 (DRX)P P PPPPP PBCCHMS Being pagedMS
37、 in Sleeping modeMS in listen modeMS in Sleep modeBCCH Multiframe(P=Paging Channel)传播损耗 自由空间传播损耗 慢衰落分集 由地形起伏、建筑物及障碍物的遮蔽等引起慢衰落（阴影衰落） 快衰落均衡 由各种反射物和散射体产生的直射波、反射波和散射波的相互干扰和串扰，以及多普勒（Doppler）频移等产生的快衰落（多径衰落）均衡多径衰落分集技术和合并技术 分集 空间、极化、频率 合并技术 选择、最大比、等增益、开关式空间分集比较比较/ /和路和路合成信号10个波长左右个波长左右均衡前馈横向滤波器自适应算法判决反馈横向滤波
38、器ABy(n)+_I(n)I(n)+_e(n)输出序列参考训练序列IR(n)训练序列训练序列切换切换目的：援救切换：当移动台离开管理它的小区的无线覆盖时。减小干扰：当移动台与另一小区联系，可以大大改进总的干扰电平时业务量切换：当一个小区拥塞，而邻近小区较空闲时目的准则 援救切换 连接上的传输质量。传输误码率、无线传输的路径损耗、传播时延等。 减小干扰 比较相应小区的每个邻近小区的上下行链路的质量。实际使用移动台和几个邻近小区的下行路径损耗。 业务量切换 以BTS 负荷为基础，可以选择那些由于其它原因接近切换的移动台。双频切换 支持同层网络间优先级切换(PL) 支持多层网络间优先级切换(HCS)
39、 在切换候选小区排队中体现不同层的优先级 支持网络负载原因的切换 支持速度原因的切换 支持其他常规原因的切换避免频繁切换h采用改进的滤波技术，去除测量数据中因衰落造成的抖动，保证测量数据更准确，切换更真实。h 设置不对称的切换边界只有当邻区的信号比本小区的信号好到一定程度时才切换。h采用强行迟滞方法，一次切换后必须经过一定的时间才能切回原小区。h在多层网时，启动速度原因切换。功率控制) (4W8W30mW 静态 6级 动态 15级 快速功率控制 2dB移动台跳频工作过程f0 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f0 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7tt0 1 2 3 4 5 6 跳频图案：（跳频图案：（5、4、7、0、6、3、1） Mobile Allocation (MA) Mobile Allocation Indication Offset (MAIO) Hopping Sequence Number (HSN)w HSN=0 Cyclicw HSN=1-63 Pseudo Random Hopping ARFCN=Absolute Radio Frequency Channel Number跳频参数