移動(dòng)通信系統(tǒng)到底是啥？看完就全明白了

今天這篇，我們來(lái)看看現(xiàn)實(shí)生活中的移動(dòng)通信系統(tǒng)。

在介紹具體的系統(tǒng)組成之前，首先請(qǐng)大家記住下面這段重要的話——

“絕大部分通信系統(tǒng)，都可以用分層的角度來(lái)看，也必須用分層的角度來(lái)看?？炊诉@個(gè)系統(tǒng)的層級(jí)，就看懂了這個(gè)系統(tǒng)的70%。——小棗君”

簡(jiǎn)而言之，看網(wǎng)先看層。

哪些層呢?三個(gè)，由下至上分別是接入層、匯聚層、核心層。

 

 

不管是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，還是企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)，哪怕是家庭網(wǎng)絡(luò)，基本都是這個(gè)邏輯。

我們就從移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始看起。

我們的手機(jī)，如果想要打電話，必須連入運(yùn)營(yíng)商的通信網(wǎng)絡(luò)之中。把手機(jī)終端連接起來(lái)的這一級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，就叫做接入網(wǎng)(層)設(shè)備。

 

 

大家很熟悉的基站，就屬于接入網(wǎng)設(shè)備中的一種。

在我們的生活中，基站隨處可見(jiàn)。但是，事實(shí)上，大部分人對(duì)基站的認(rèn)知，并不準(zhǔn)確。

例如下面這張圖：

 

 

很多人認(rèn)為，這就是一個(gè)完整的基站。其實(shí)，并非如此。

上面那張圖，其實(shí)是若干個(gè)不同基站的天線(白色那個(gè))，還有一個(gè)角鋼鐵塔。

嚴(yán)格意義來(lái)說(shuō)，鐵塔并不是基站設(shè)備的組成部分，它只是通信基礎(chǔ)設(shè)施。

 

 

 

 

一個(gè)基站，應(yīng)該稱之為一套基站系統(tǒng)，它由多個(gè)獨(dú)立設(shè)備共同組成。以現(xiàn)在主流的4G LTE網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，基站就包括BBU、RRU、射頻天線，這三個(gè)主要部分。

 

 

BBU，基帶處理單元，主要負(fù)責(zé)信號(hào)調(diào)制。RRU，遠(yuǎn)端射頻單元，主要負(fù)責(zé)射頻處理。饋線，負(fù)責(zé)連接RRU和天線。天線，主要負(fù)責(zé)線纜上導(dǎo)行波和空氣中空間波之間的轉(zhuǎn)換。(結(jié)合上一篇通信基礎(chǔ)理論，這段話理解起來(lái)應(yīng)該不會(huì)困難。)

通常BBU會(huì)安裝在機(jī)房里，RRU在機(jī)房或者室外都可以安裝。而天線，剛才說(shuō)了，安裝在鐵塔或抱桿上，在室外樓頂上經(jīng)常會(huì)看到。

 

 

除了主設(shè)備和天線之外，一個(gè)完整的基站機(jī)房還包括電源、蓄電池、空調(diào)、安防監(jiān)控等配套設(shè)備。

 

 

上面我們所說(shuō)的，是宏基站。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站的天線。鐵塔下，是宏基站的機(jī)房。

 

 

宏基站

除了宏基站之外，基站還有很多種。根據(jù)站型大小和功率，主要分為宏基站、微基站、皮基站、飛基站。

 

 

基站的分類

宏基站剛才介紹過(guò)了，不再贅述。

微基站呢，像下面這樣小小的，經(jīng)常擺放在室內(nèi)或人口密集的公共區(qū)域：

 

 

微基站

皮基站比微基站更小，是這樣的：

 

 

皮基站

大概和兩塊磚頭一樣大。

飛基站，主要是家庭用戶使用，體積更小，和家里的路由器其實(shí)差不多：

 

 

飛基站

微基站、皮基站和飛基站，通常合稱為“微小站”。

皮基站和飛基站，通常合稱為“皮飛站”。

 

 

不同類型的基站，使用場(chǎng)合和自身定位也有很大的不同。

在室外寬闊區(qū)域，需要覆蓋面積足夠大，所以，會(huì)使用功率最大的宏基站。

 

 

有時(shí)候，還會(huì)搭配使用直放站，解決信號(hào)盲區(qū)弱區(qū)的覆蓋問(wèn)題。

 

 

直放站其實(shí)就是一個(gè)信號(hào)中繼器(Repeater)對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行放大加強(qiáng)

在室內(nèi)，因?yàn)榇u墻的阻隔，信號(hào)傳播會(huì)受到很大的影響，所以，并不適合使用宏基站，而會(huì)大量使用微基站、皮基站和飛基站。它們的天線發(fā)射功率較小，對(duì)人體的影響也小，對(duì)室內(nèi)空間的覆蓋效果更好。

 

 

一般來(lái)說(shuō)，除了微基站之外，為了加強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量，還會(huì)使用室內(nèi)分布系統(tǒng)，也就是大家經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到的“室分”。

“室分”其實(shí)也是信號(hào)的二次中繼和增強(qiáng)覆蓋。從信源(例如微基站或直放站)接出饋線，然后到各個(gè)房間或通道，再利用天線發(fā)出信號(hào)。

 

 

室分系統(tǒng)，和大家經(jīng)常用的WiFi很像

這里要補(bǔ)充說(shuō)明一下。

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

 

 

最開(kāi)始我們使用1G和2G的時(shí)候，主要是使用800~900MHz左右這樣的頻段，屬于低頻頻段，頻率低，穿透能力較好，單站覆蓋范圍較大。

后來(lái)，用戶數(shù)量激增，800~900MHz頻率資源不太夠用，于是，就新增了1700~1900MHz的一些頻段。覆蓋范圍明顯小了很多，但緩解了容量問(wèn)題。

再后來(lái)，我們使用3G，因?yàn)閷?duì)上網(wǎng)速率有更高的需求，加上低頻段被2G占用，所以，不得不使用1800~2000MHz，甚至2000MHz以上的頻段。覆蓋效果當(dāng)然不如2G GSM網(wǎng)絡(luò)。

所以3G網(wǎng)絡(luò)建成之后，在野外偏遠(yuǎn)地區(qū)，或者室內(nèi)偏僻角落位置，往往只有2G信號(hào)，沒(méi)有3G信號(hào)。

4G LTE就更明顯了，使用頻段甚至到了2600MHz左右，覆蓋范圍更小，室內(nèi)信號(hào)更差。

而80%以上的數(shù)據(jù)流量，都來(lái)自室內(nèi)。所以，催生了微基站和皮飛基站，用于室內(nèi)人群的信號(hào)覆蓋，保證能夠正常上網(wǎng)。

即將到來(lái)的5G，會(huì)開(kāi)始使用毫米波(波長(zhǎng)達(dá)到毫米級(jí)的電磁波)，頻率類似于28GHz(28000MHz)，覆蓋范圍更加小。

這樣一來(lái)，室內(nèi)將使用大量的微小基站進(jìn)行覆蓋。所以，大家會(huì)看到越來(lái)越多的小型化基站，出現(xiàn)在身邊。

當(dāng)基站完成和手機(jī)的連接之后，又該怎么辦呢?

顯然，就是打通基站和中心機(jī)房之間的連接。

這個(gè)負(fù)責(zé)承載數(shù)據(jù)、匯聚數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)，就是承載網(wǎng)。

如果說(shuō)接入網(wǎng)是通信網(wǎng)絡(luò)的四肢，那么，承載網(wǎng)就是通信網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)脈。

 

 

對(duì)于中國(guó)這樣一個(gè)面積龐大，人口眾多的國(guó)家來(lái)說(shuō)，一個(gè)運(yùn)營(yíng)商的承載網(wǎng)，顯然會(huì)比較復(fù)雜。它會(huì)分為接入層、匯聚層、骨干層，分別位于不同的行政層級(jí)(例如骨干層通常在省會(huì))。

 

 

2G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的承載網(wǎng)架構(gòu)

承載網(wǎng)主要是傳輸數(shù)據(jù)。以前基本是使用電纜，后來(lái)，因?yàn)閿?shù)據(jù)上網(wǎng)業(yè)務(wù)的激增，流量變得很大，所以，開(kāi)始使用網(wǎng)線、光纖光纜進(jìn)行傳輸。

 

 

光纖，相信大家都很熟悉，因?yàn)樗牡统杀?相對(duì)電纜來(lái)說(shuō))和高速率，現(xiàn)在已經(jīng)成為通信網(wǎng)絡(luò)不可或缺的重要組成部分。

光纖的傳輸能力，目前也已經(jīng)達(dá)到PB級(jí)(1PB/s=1024TB/s)。

如今的承載網(wǎng)，說(shuō)白了，就是很多很多的光纖和光纖設(shè)備。

最有代表性的承載網(wǎng)設(shè)備，就是PTN(Packet Transport Network，分組傳送網(wǎng))和OTN(Optical Transport Network，光傳送網(wǎng))。

 

 

OTN設(shè)備

隨著5G時(shí)代到來(lái)，終端速率激增，承載網(wǎng)作為管道，當(dāng)然也要能夠承受住巨大的流量?，F(xiàn)在新聞里經(jīng)常出現(xiàn)的所謂“400G OTN”，就是指OTN的單載波承載能力，達(dá)到了400G。

 

 

華為400G OTN設(shè)備

承載網(wǎng)將數(shù)據(jù)從接入網(wǎng)發(fā)送到核心網(wǎng)。嗯，也就是整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的大腦。

核心網(wǎng)，是通信網(wǎng)絡(luò)最核心的部分，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和路由。你可以把它理解成一個(gè)“超級(jí)路由器”。

在2G時(shí)代，核心網(wǎng)比較簡(jiǎn)單，只有很少的幾種設(shè)備：

 

 

MSC就是移動(dòng)交換中心，核心網(wǎng)的最主要設(shè)備。

HLR、EIR和用戶身份有關(guān)，用于鑒權(quán)。

它們實(shí)現(xiàn)的功能，也比較簡(jiǎn)單，就是打電話。

那個(gè)時(shí)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占用，用于通話。這樣專有通道占用的交換方式，叫做電路交換。所以，2G核心網(wǎng)的MSC之類設(shè)備，也叫做電路核心網(wǎng)設(shè)備。

后來(lái)，到了2.5G。是的沒(méi)錯(cuò)，2G和3G之間，還有一個(gè)2.5G——就是GPRS。

在之前2G只能打電話發(fā)短信的基礎(chǔ)上，有了GPRS，就開(kāi)始有了數(shù)據(jù)(上網(wǎng))業(yè)務(wù)。

 

 

于是，核心網(wǎng)有了大變化，開(kāi)始有了PS核心網(wǎng)。PS，Packet Switch，分組交換，包交換。

分組交換不再是獨(dú)占通道，而是發(fā)數(shù)據(jù)包，一個(gè)包一個(gè)包地傳輸。

很快，2.5G演進(jìn)到了3G，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本定型，變成了這樣：

 

 

到了4G時(shí)代，也就是LTE時(shí)代，出現(xiàn)了LTE網(wǎng)絡(luò)。

LTE網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)可以簡(jiǎn)單理解為3G時(shí)代PS網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)版。說(shuō)白了，LTE網(wǎng)絡(luò)也屬于PS網(wǎng)絡(luò)，只能支持上網(wǎng)(數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))。

上面那張圖，變一下：

 

 

LTE作為4G的PS，取代了3G的PS

LTE替換PS之后，正常情況下，我們就是用2/3G的CS網(wǎng)絡(luò)打電話，用4G的LTE網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)。應(yīng)該能看懂吧?

 

 

當(dāng)時(shí)，負(fù)責(zé)制定通信標(biāo)準(zhǔn)的組織，3GPP，決定加個(gè)IMS(IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng))，取代傳統(tǒng)CS，提供包括打電話在內(nèi)的多媒體業(yè)務(wù)。

于是，理想中的4G LTE網(wǎng)絡(luò)，就變成下面這樣：

 

 

這種IMS+LTE的語(yǔ)音解決方案，將使得手機(jī)用戶可以同時(shí)打電話和上網(wǎng)。這個(gè)方案，就是大家經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)的VoLTE。

 

 

打電話和上網(wǎng)可以同時(shí)進(jìn)行!

VoLTE是目前最完美的LTE語(yǔ)音解決方案。

 

 

即使到了5G時(shí)代，雖然數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(shí)代，也變成了VoNR。

核心網(wǎng)作為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的最頂層，完成數(shù)據(jù)的路由和交換，最終實(shí)現(xiàn)了手機(jī)用戶和互聯(lián)網(wǎng)的通道建立。

通道建立之后，手機(jī)用戶就可以訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)中心，也就是服務(wù)商的服務(wù)器，從而使用服務(wù)商提供的業(yè)務(wù)和服務(wù)。

 

 

 

 

好啦，以上，就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)。

怎么樣?是不是非常簡(jiǎn)單?