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蜂窩,到底跟移動通信網有啥關系?

2019-12-24 15:55:40來源:閱讀:1

蜂窩,到底跟移動通信網有啥關系?

單個基站的力量是非常渺小的,因此,需要把多個基站緊密地連接起來,組成一張蜂窩移動通信網,才能正常提供服務

。

看完本篇內容,你將會了解:

① 什么是蜂窩網?

② 蜂窩網實現移動性管理?

③ 2345G的通信網絡架構有何不同?

蜂窩,到底跟移動通信網有啥關系?

讓我們開始吧!

大家好!今天要介紹的是“蜂窩移動通信網”這個概念。

單個基站的力量其實是非常渺小的??此埔粋€個復雜的龐然大物,也就只能覆蓋方圓幾百米的范圍。在密集城區,一個1800MHz頻段的4G基站,覆蓋半徑也就是300米左右。

如果你邊打電話邊走路,不知不覺地從一個基站的覆蓋范圍跑到了另外一個基站的覆蓋范圍,那么對你的服務就必須在這兩個基站間無縫交接,才能保證電話不斷。

因此,一個個孤立的基站單打獨斗是沒法提供良好服務的,需要讓眾多的基站聯合起來,遵守相同的規則,互通有無,協同工作才能滿足移動通信需求。

這大量的基站聯合起來,再加上其他的一些傳輸,控制節點,就組成了一張“網”。業界一般把這張網叫做“蜂窩移動通信網”。

不難看出,“蜂窩移動通信網”這個詞中包含了3個概念:“蜂窩”,“移動”“通信網”。下面我們將進行逐一介紹。

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啥是蜂窩?

說到蜂窩,首先想到的肯定是碩大的馬蜂窩,周邊嗡嗡飛舞著兇悍的馬蜂,捅馬蜂窩也曾是很多人童年的快樂或者噩夢。

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真實的蜂窩

相比之下,蜜蜂雖然也蜇人,但畢竟比馬蜂溫順了許多。如果我們深入到蜂巢的內部,就會發現它們是由許多個完美的正六邊形組成。這些正六邊形無縫銜接起來,組成了一張大網,并且還會隨著蜂群的壯大而不斷地擴張。

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蜂巢內的蜜蜂

雖然單個基站的覆蓋范圍很有限,但如果我們讓每一個基站的覆蓋都是一個完美的正六邊形,多個基站聯合起來,不就能實現大面積的無縫覆蓋了嗎?

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蜂窩網絡

如上圖所示,多個基站整齊地排布在一起,每一個正六邊形的“蜂房”就叫一個“Cell”(中文翻譯為小區),多個這樣的Cell組成的系統就叫做Cellular Network(蜂窩網絡)。

如果你手邊有蘋果手機話,打開設置,就能看到關于“蜂窩網絡”的相關選項,點進去之后,還能看到“蜂窩數據”相關的選項。

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iPhone上的設置

雖然看起來這么玄乎,其實目前所有運營商的網絡都是蜂窩網絡,蘋果的設置里面無非就是關于關于運營商,語音,數據,熱點之類的基本功能的一些設置。

下文將會經常出現的“網絡”這個詞,就是指的由多個基站組成的蜂窩網絡。

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怎樣移動?

手機,又稱“移動電話”,和固定電話最大的區別就在于手機可以被人隨身攜帶,到處移動。

這就導致了蜂窩網絡必須解決一個最關鍵的問題:怎樣讓這些跑來跑去,不知道在哪里的用戶隨時隨地可以打電話并上網?

第一招:小區選擇和重選

手機在開機時,會不斷地檢測哪個基站的信號強,并進行排序確認最優的服務小區。一旦選定,手機就會駐扎在這個小區里,手機上也就顯示出了信號標識,到底有幾格信號一目了然。這個過程就叫做“小區選擇”。

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小區選擇

并且,由于手機是可以被拿著到處移動的,它不可能對一個小區從一而終,必須時刻掃描相鄰小區的信號強度,一旦發現更優的小區,就會毫不猶豫地拋棄原小區,投入這個新小區的懷抱。這個過程就叫做“小區重選”。

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小區重選

第二招:位置更新

首先,網絡會按照地理區域,劃分為多個“位置區”。一個位置區包含了一組基站所覆蓋的區域,在此區域內,每個基站都在源源不斷地向用戶廣播自己的位置區編碼。

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位置區劃分

手機開機后,檢測到自己所在的位置區,并向網絡報告,這個過程就叫做“位置更新”。這樣網絡就知道了手機的位置,以后如果來電話了也就到這個位置區去提醒手機接電話。

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開機時的位置更新

如果只在開機的時候上報位置,網絡還是會擔心:如果過段時間手機要是故障了,或者沒電關機了的話,不是又聯系不上了嗎?這還得了,必須讓手機每隔幾分鐘主動就吱一聲,告訴我它還在原地,還活著,還能聯系上!

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周期性位置更新

如果手機到時不主動上報,那網絡就會認為這手機已經跑到沒信號的地方,沒法聯系上了。如果有人撥打這個手機的號碼,就會提示:“對不起,您撥打的用戶不在服務區?!?/p>

更進一步,如果手機跑啊跑,發現自己到了另外一個位置區的地界,那就必須給網絡打個招呼:我到了新的位置,以后在這里找我吧,不用再去原來的地方了!

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位置區改變的位置更新

第三招:切換

想想看,如果你拿著手機,坐在車上打著電話,從一個小區移動到了另一個小區的邊界,眼看著信號越來越弱,隨時都有可能掉話,形勢十分危急。這可咋辦呢?

好在手機一直在測量著相鄰小區的信號強度,服務小區一旦發現鄰區信號強到一定的程度,就可判斷手機到了邊界,該把電話移交給另外一個小區了,于是火速聯系新小區做好一切業務移交準備,得到肯定的答復之后才能讓手機接入到新小區,電話得以持續。

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切換流程

這個過程就叫做“切換”。

注意:小區選擇,重選和位置更新都是手機在空閑態時的行為,沒有那么緊急;而切換是在手機處于通話狀態的行為,必須快速準確完成,否則可能導致切換失敗,電話斷開。因此切換成功率是一項非常關鍵的考核指標。

蜂窩,到底跟移動通信網有啥關系?

切換過程示意圖

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信網架構

一旦多個基站連成了一張蜂窩網絡,靠各個基站之間彼此互通,進行自治效率太低,這就需要引入一個中央控制點,對多個基站進行統一管理了。

在2G和3G時代,多個基站由一個控制器管理,多個控制器又由核心網來管理,組成了一個三層的金字塔型架構。

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2G/3G通信網絡架構

控制器這個名字非常直白,就是用來控制基站的。其中2G的控制器就叫做“基站控制器(BSC:Base Station Controller)”,3G的控制器為了彰顯逼格,取名為“無線網絡控制器(RNC:Radio Network Controller)”。業界一般直接就叫英文縮寫BSC/RNC或者干脆就統一叫控制器。

核心網的名字里也有個“網”字,它自身也是一張非常復雜的網絡。但在這里我們不去展開說,只需把核心網想象成一個功能強大的路由器,連接并管理所有的基站和控制器,讓一切的服務,不管是打電話,還是發短信,彩信,還是上網都能順利地找到目的地。

在4G時代,為了降低時延,簡化架構,去掉了基站控制器,基站直接由核心網來進行管理。但是這個架構雖然簡單,但用起來卻不是那么方便。

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4G通信網絡架構

這是因為如果讓核心網把一切都管起來的話,負荷太大;如果放權讓基站之間點對點地互相協調資源調度,干擾等問題的話,效率低,效果差,結果就是4G終其一生都在跟這個架構死磕。

到了5G時代,吸取了4G時代的教訓,又走回到了2G和3G時代的老路,那就是把基站拆分成了集中單元(CU)和分布單元(DU),一個CU管理多個DU,然后核心網再來管理數量較少的CU。

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5G通信網絡架構

然而5G是非常靈活的,CU和DU可以分離,也可以不分離,如上圖所示。具體是否進行DU和CU的拆分要看5G的發展階段以及具體業務的時延需求。這也算是通信網架構螺旋式上升的表現了。


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