看完秒懂!移动通信网络,就这么简单!

在介绍具体的系统组成之前,首先请大家记住下面这段重要的话——

“绝大部分通信系统,都可以用分层的角度来看,也必须用分层的角度来看。看懂了这个系统的层级,就看懂了这个系统的70%。——小枣君”

简而言之,看网先看层

哪些层呢?三个,由下至上分别是接入层、汇聚层、核心层。

不管是移动通信网络,还是企业办公网络,哪怕是家庭网络,基本都是这个逻辑。

我们就从移动通信网络开始看起。

我们的手机,如果想要打电话,必须连入运营商的通信网络之中。把手机终端连接起来的这一级网络设备,就叫做接入网(层)设备。

大家很熟悉的基站,就属于接入网设备中的一种。

在我们的生活中,基站随处可见。但是,事实上,大部分人对基站的认知,并不准确。

例如下面这张图:

很多人认为,这就是一个完整的基站。其实,并非如此。

上面那张图,其实是若干个不同基站的天线(白色那个),还有一个角钢铁塔。

严格意义来说,铁塔并不是基站设备的组成部分,它只是通信基础设施。

一个基站,应该称之为一套基站系统,它由多个独立设备共同组成。以现在主流的4G LTE网络来说,基站就包括BBU、RRU、射频天线,这三个主要部分。

BBU,基带处理单元,主要负责信号调制。RRU,远端射频单元,主要负责射频处理。馈线,负责连接RRU和天线。天线,主要负责线缆上导行波和空气中空间波之间的转换。(结合上一篇通信基础理论,这段话理解起来应该不会困难。)

通常BBU会安装在机房里,RRU在机房或者室外都可以安装。而天线,刚才说了,安装在铁塔或抱杆上,在室外楼顶上经常会看到。

除了主设备和天线之外,一个完整的基站机房还包括电源、蓄电池、空调、安防监控等配套设备。

上面我们所说的,是宏基站。宏就是大的意思,大家在野外看到的大铁塔,上面基本上就是宏基站的天线。铁塔下,是宏基站的机房。

宏基站

除了宏基站之外,基站还有很多种。根据站型大小和功率,主要分为宏基站微基站皮基站飞基站

基站的分类

宏基站刚才介绍过了,不再赘述。

微基站呢,像下面这样小小的,经常摆放在室内或人口密集的公共区域:

微基站

皮基站比微基站更小,是这样的:

皮基站

大概和两块砖头一样大。

飞基站,主要是家庭用户使用,体积更小,和家里的路由器其实差不多:

飞基站

微基站、皮基站和飞基站,通常合称为“微小站”

皮基站和飞基站,通常合称为“皮飞站”

不同类型的基站,使用场合和自身定位也有很大的不同。

在室外宽阔区域,需要覆盖面积足够大,所以,会使用功率最大的宏基站。

有时候,还会搭配使用直放站,解决信号盲区弱区的覆盖问题。

直放站其实就是一个信号中继器(Repeater)

对射频信号进行放大加强

在室内,因为砖墙的阻隔,信号传播会受到很大的影响,所以,并不适合使用宏基站,而会大量使用微基站、皮基站和飞基站。它们的天线发射功率较小,对人体的影响也小,对室内空间的覆盖效果更好。

一般来说,除了微基站之外,为了加强信号质量,还会使用室内分布系统,也就是大家经常会听到的“室分”。

“室分”其实也是信号的二次中继和增强覆盖。从信源(例如微基站或直放站)接出馈线,然后到各个房间或通道,再利用天线发出信号。

室分系统,和大家经常用的WiFi很像

这里要补充说明一下。

电磁波的重要特性,就是波长和频率成反比——频率越高,波长越短,穿透力越差,传播的距离越短。

最开始我们使用1G和2G的时候,主要是使用800~900MHz左右这样的频段,属于低频频段,频率低,穿透能力较好,单站覆盖范围较大。

后来,用户数量激增,800~900MHz频率资源不太够用,于是,就新增了1700~1900MHz的一些频段。覆盖范围明显小了很多,但缓解了容量问题。

再后来,我们使用3G,因为对上网速率有更高的需求,加上低频段被2G占用,所以,不得不使用1800~2000MHz,甚至2000MHz以上的频段。覆盖效果当然不如2G GSM网络。

所以3G网络建成之后,在野外偏远地区,或者室内偏僻角落位置,往往只有2G信号,没有3G信号。

4G LTE就更明显了,使用频段甚至到了2600MHz左右,覆盖范围更小,室内信号更差。

而80%以上的数据流量,都来自室内。所以,催生了微基站和皮飞基站,用于室内人群的信号覆盖,保证能够正常上网。

即将到来的5G,会开始使用毫米波(波长达到毫米级的电磁波),频率类似于28GHz(28000MHz),覆盖范围更加小。

这样一来,室内将使用大量的微小基站进行覆盖。所以,大家会看到越来越多的小型化基站,出现在身边。

当基站完成和手机的连接之后,又该怎么办呢?

显然,就是打通基站和中心机房之间的连接。

这个负责承载数据、汇聚数据的网络,就是承载网

如果说接入网是通信网络的四肢,那么,承载网就是通信网络的动脉。

对于中国这样一个面积庞大,人口众多的国家来说,一个运营商的承载网,显然会比较复杂。它会分为接入层、汇聚层、骨干层,分别位于不同的行政层级(例如骨干层通常在省会)。

2G移动通信网络的承载网架构

承载网主要是传输数据。以前基本是使用电缆,后来,因为数据上网业务的激增,流量变得很大,所以,开始使用网线、光纤光缆进行传输。

光纤,相信大家都很熟悉,因为它的低成本(相对电缆来说)和高速率,现在已经成为通信网络不可或缺的重要组成部分。

光纤的传输能力,目前也已经达到PB级(1PB/s=1024TB/s)。

如今的承载网,说白了,就是很多很多的光纤和光纤设备。

最有代表性的承载网设备,就是PTN(Packet Transport Network,分组传送网)OTN(Optical Transport Network,光传送网)。

OTN设备

随着5G时代到来,终端速率激增,承载网作为管道,当然也要能够承受住巨大的流量。现在新闻里经常出现的所谓“400G OTN”,就是指OTN的单载波承载能力,达到了400G。

华为400G OTN设备

承载网将数据从接入网发送到核心网。嗯,也就是整个通信网络的大脑。

核心网,是通信网络最核心的部分,主要负责数据的处理和路由。你可以把它理解成一个“超级路由器”

在2G时代,核心网比较简单,只有很少的几种设备:

MSC就是移动交换中心,核心网的最主要设备。

HLR、EIR和用户身份有关,用于鉴权。

它们实现的功能,也比较简单,就是打电话。

那个时候,基本上还是用电缆为主,电缆划分为好多路通道,通常称为电路,不同的电路给不同的用户占用,用于通话。这样专有通道占用的交换方式,叫做电路交换。所以,2G 核心网的MSC之类设备,也叫做电路核心网设备

后来,到了2.5G。是的没错,2G和3G之间,还有一个2.5G——就是GPRS。

在之前2G只能打电话发短信的基础上,有了GPRS,就开始有了数据(上网)业务。

于是,核心网有了大变化,开始有了PS核心网。PS,Packet Switch,分组交换,包交换。

分组交换不再是独占通道,而是发数据包,一个包一个包地传输。

很快,2.5G演进到了3G,网络结构基本定型,变成了这样:

到了4G时代,也就是LTE时代,出现了LTE网络。

LTE网络,其实可以简单理解为3G时代PS网络的升级版。说白了,LTE网络也属于PS网络,只能支持上网(数据业务)

上面那张图,变一下:

LTE作为4G的PS,取代了3G的PS

LTE替换PS之后,正常情况下,我们就是用2/3G的CS网络打电话,用4G的LTE网络上网。应该能看懂吧?

当时,负责制定通信标准的组织,3GPP,决定加个IMS(IP Multimedia Subsystem,IP多媒体子系统),取代传统CS,提供包括打电话在内的多媒体业务。

于是,理想中的4G LTE网络,就变成下面这样:

这种IMS+LTE的语音解决方案,将使得手机用户可以同时打电话和上网。这个方案,就是大家经常听说的VoLTE

打电话和上网可以同时进行!

VoLTE是目前最完美的LTE语音解决方案。

即使到了5G时代,虽然数据业务可以使用5G NR(New Radio,5G的正式名称),但打电话还是依靠IMS。而VoLTE,到了5G时代,也变成了VoNR

核心网作为移动通信网络的最顶层,完成数据的路由和交换,最终实现了手机用户和互联网的通道建立。

通道建立之后,手机用户就可以访问互联网上的数据中心,也就是服务商的服务器,从而使用服务商提供的业务和服务。

好啦,以上,就是一个标准移动通信网络的组成结构。

怎么样?是不是非常简单?

原文发布于微信公众号 - 鲜枣课堂(xzclasscom)

原文发表时间:2019-03-14

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