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看完秒懂!移動通信網絡,就這麽簡單!

來源:鮮棗課堂

物聯網智庫 整理發布

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導 讀

絕大部分通信系統,都可以用分層的角度來看,也必須用分層的角度來看。看懂了這個系統的層級,就看懂了這個系統的70%。

今天這篇,我們來看看現實生活中的移動通信系統。

在介紹具體的系統組成之前,首先請大家記住下面這段重要的話——

“絕大部分通信系統,都可以用分層的角度來看,也必須用分層的角度來看。看懂了這個系統的層級,就看懂了這個系統的70%。——小棗君”

簡而言之,看網先看層

哪些層呢?三個,由下至上分別是接入層、匯聚層、核心層。

不管是移動通信網絡,還是企業辦公網絡,哪怕是家庭網絡,基本都是這個邏輯。

我們就從移動通信網絡開始看起。

我們的手機,如果想要打電話,必須連入運營商的通信網絡之中。把手機終端連接起來的這一級網絡設備,就叫做接入網(層)設備。

大家很熟悉的基地台,就屬於接入網設備中的一種。

在我們的生活中,基地台隨處可見。但是,事實上,大部分人對基地台的認知,並不準確。

例如下面這張圖:

很多人認為,這就是一個完整的基地台。其實,並非如此。

上面那張圖,其實是若乾個不同基地台的天線(白色那個),還有一個角鋼鐵塔。

嚴格意義來說,鐵塔並不是基地台設備的組成部分,它只是通信基礎設施。

一個基地台,應該稱之為一套基地台系統,它由多個獨立設備共同組成。以現在主流的4G LTE網絡來說,基地台就包括BBU、RRU、射頻天線,這三個主要部分。

BBU,基帶處理單元,主要負責信號調製。RRU,遠端射頻單元,主要負責射頻處理。饋線,負責連接RRU和天線。天線,主要負責線纜上導行波和空氣中空間波之間的轉換。(結合上一篇通信基礎理論,這段話理解起來應該不會困難。)

通常BBU會安裝在機房裡,RRU在機房或者室外都可以安裝。而天線,剛才說了,安裝在鐵塔或抱杆上,在室外樓頂上經常會看到。

除了主設備和天線之外,一個完整的基地台機房還包括電源、蓄電池、空調、安防監控等配套設備。

上面我們所說的,是宏基地台。宏就是大的意思,大家在野外看到的大鐵塔,上面基本上就是宏基地台的天線。鐵塔下,是宏基地台的機房。

除了宏基地台之外,基地台還有很多種。根據站型大小和功率,主要分為宏基地台微基地台皮基地台飛基地台

基地台的分類

宏基地台剛才介紹過了,不再贅述。

微基地台呢,像下面這樣小小的,經常擺放在室內或人口密集的公共區域:

皮基地台比微基地台更小,是這樣的:

大概和兩塊磚頭一樣大。

飛基地台,主要是家庭用戶使用,體積更小,和家裡的路由器其實差不多:

飛基地台

微基地台、皮基地台和飛基地台,通常合稱為“微小站”

皮基地台和飛基地台,通常合稱為“皮飛站”

不同類型的基地台,使用場合和自身定位也有很大的不同。

在室外寬闊區域,需要覆蓋面積足夠大,所以,會使用功率最大的宏基地台。

有時候,還會搭配使用直放站,解決信號盲區弱區的覆蓋問題。

信號中繼器(Repeater)

對射頻信號進行放大加強

在室內,因為磚牆的阻隔,信號傳播會受到很大的影響,所以,並不適合使用宏基地台,而會大量使用微基地台、皮基地台和飛基地台。它們的天線發射功率較小,對人體的影響也小,對室內空間的覆蓋效果更好。

一般來說,除了微基地台之外,為了加強信號質量,還會使用室內分布系統,也就是大家經常會聽到的“室分”。

“室分”其實也是信號的二次中繼和增強覆蓋。從信源(例如微基地台或直放站)接出饋線,然後到各個房間或通道,再利用天線發出信號。

這裡要補充說明一下。

電磁波的重要特性,就是波長和頻率成反比——頻率越高,波長越短,穿透力越差,傳播的距離越短。

最開始我們使用1G和2G的時候,主要是使用800~900MHz左右這樣的頻段,屬於低頻頻段,頻率低,穿透能力較好,單站覆蓋範圍較大。

後來,用戶數量激增,800~900MHz頻率資源不太夠用,於是,就新增了1700~1900MHz的一些頻段。覆蓋範圍明顯小了很多,但緩解了容量問題。

再後來,我們使用3G,因為對上網速率有更高的需求,加上低頻段被2G佔用,所以,不得不使用1800~2000MHz,甚至2000MHz以上的頻段。覆蓋效果當然不如2G GSM網絡。

所以3G網絡建成之後,在野外偏遠地區,或者室內偏僻角落位置,往往只有2G信號,沒有3G信號。

4G LTE就更明顯了,使用頻段甚至到了2600MHz左右,覆蓋範圍更小,室內信號更差。

而80%以上的數據流量,都來自室內。所以,催生了微基地台和皮飛基地台,用於室內人群的信號覆蓋,保證能夠正常上網。

即將到來的5G,會開始使用毫米波(波長達到毫米級的電磁波),頻率類似於28GHz(28000MHz),覆蓋範圍更加小。

這樣一來,室內將使用大量的微小基地台進行覆蓋。所以,大家會看到越來越多的小型化基地台,出現在身邊。

當基地台完成和手機的連接之後,又該怎麽辦呢?

顯然,就是打通基地台和中心機房之間的連接。

這個負責承載數據、匯聚數據的網絡,就是承載網

如果說接入網是通信網絡的四肢,那麽,承載網就是通信網絡的動脈。

對於中國這樣一個面積龐大,人口眾多的國家來說,一個運營商的承載網,顯然會比較複雜。它會分為接入層、匯聚層、骨乾層,分別位於不同的行政層級(例如骨乾層通常在省會)。

承載網主要是傳輸數據。以前基本是使用電纜,後來,因為數據上網業務的激增,流量變得很大,所以,開始使用網線、光纖光纜進行傳輸。

光纖,相信大家都很熟悉,因為它的低成本(相對電纜來說)和高速率,現在已經成為通信網絡不可或缺的重要組成部分。

光纖的傳輸能力,目前也已經達到PB級(1PB/s=1024TB/s)。

如今的承載網,說白了,就是很多很多的光纖和光纖設備。

最有代表性的承載網設備,就是PTN(Packet Transport Network,分組傳送網)OTN(Optical Transport Network,光傳送網)。

隨著5G時代到來,終端速率激增,承載網作為管道,當然也要能夠承受住巨大的流量。現在新聞裡經常出現的所謂“400G OTN”,就是指OTN的單載波承載能力,達到了400G。

承載網將數據從接入網發送到核心網。嗯,也就是整個通信網絡的大腦。

核心網,是通信網絡最核心的部分,主要負責數據的處理和路由。你可以把它理解成一個“超級路由器”

在2G時代,核心網比較簡單,只有很少的幾種設備:

HLR、EIR和用戶身份有關,用於鑒權。

它們實現的功能,也比較簡單,就是打電話。

那個時候,基本上還是用電纜為主,電纜劃分為好多路通道,通常稱為電路,不同的電路給不同的用戶佔用,用於通話。這樣專有通道佔用的交換方式,叫做電路交換。所以,2G 核心網的MSC之類設備,也叫做電路核心網設備

後來,到了2.5G。是的沒錯,2G和3G之間,還有一個2.5G——就是GPRS。

在之前2G只能打電話發短信的基礎上,有了GPRS,就開始有了數據(上網)業務。

於是,核心網有了大變化,開始有了PS核心網。PS,Packet Switch,分組交換,包交換。

分組交換不再是獨佔通道,而是發數據包,一個包一個包地傳輸。

很快,2.5G演進到了3G,網絡結構基本定型,變成了這樣:

到了4G時代,也就是LTE時代,出現了LTE網絡。

LTE網絡,其實可以簡單理解為3G時代PS網絡的升級版。說白了,LTE網絡也屬於PS網絡,只能支持上網(數據業務)

上面那張圖,變一下:

LTE替換PS之後,正常情況下,我們就是用2/3G的CS網絡打電話,用4G的LTE網絡上網。應該能看懂吧?

當時,負責制定通信標準的組織,3GPP,決定加個IMS(IP Multimedia Subsystem,IP多媒體子系統),取代傳統CS,提供包括打電話在內的多媒體業務。

於是,理想中的4G LTE網絡,就變成下面這樣:

這種IMS+LTE的語音解決方案,將使得手機用戶可以同時打電話和上網。這個方案,就是大家經常聽說的VoLTE

打電話和上網可以同時進行!

VoLTE是目前最完美的LTE語音解決方案。

即使到了5G時代,雖然數據業務可以使用5G NR(New Radio,5G的正式名稱),但打電話還是依靠IMS。而VoLTE,到了5G時代,也變成了VoNR

核心網作為移動通信網絡的最頂層,完成數據的路由和交換,最終實現了手機用戶和互聯網的通道建立。

通道建立之後,手機用戶就可以訪問互聯網上的數據中心,也就是服務商的伺服器,從而使用服務商提供的業務和服務。

好啦,以上,就是一個標準移動通信網絡的組成結構。

怎麽樣?是不是非常簡單?

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