什么是移动通信网络？看完秒懂
弱电行业圈2019-03-22 09:37
上一篇什么是通信原理？原来这么简单我们讲的都是通信的基础理论，比较枯燥。今天这篇，我们来看看现实生活中的移动通信系统。
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。
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）和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？
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