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蜂窝,到底跟移动通信网有啥关系?!

2020-11-20 04:07:38来源:阅读:-
蜂窝,到底跟移动通信网有啥关系?

单个基站的力量是非常渺小的,因此,需要把多个基站紧密地连接起来,组成一张蜂窝移动通信网,才能正常提供服务

看完本篇内容,你将会了解:

① 什么是蜂窝网?

② 蜂窝网实现移动性管理?

③ 2345G的通信网络架构有何不同?

蜂窝,到底跟移动通信网有啥关系?

让我们开始吧!

大家好!今天要介绍的是“蜂窝移动通信网”这个概念。

单个基站的力量其实是非常渺小的。看似一个个复杂的庞然大物,也就只能覆盖方圆几百米的范围。在密集城区,一个1800MHz频段的4G基站,覆盖半径也就是300米左右。

如果你边打电话边走路,不知不觉地从一个基站的覆盖范围跑到了另外一个基站的覆盖范围,那么对你的服务就必须在这两个基站间无缝交接,才能保证电话不断。

因此,一个个孤立的基站单打独斗是没法提供良好服务的,需要让众多的基站联合起来,遵守相同的规则,互通有无,协同工作才能满足移动通信需求。

这大量的基站联合起来,再加上其他的一些传输,控制节点,就组成了一张“网”。业界一般把这张网叫做“蜂窝移动通信网”。

不难看出,“蜂窝移动通信网”这个词中包含了3个概念:“蜂窝”“移动”“通信网”下面我们将进行逐一介绍。

蜂窝,到底跟移动通信网有啥关系?

啥是蜂窝?

说到蜂窝,首先想到的肯定是硕大的马蜂窝,周边嗡嗡飞舞着凶悍的马蜂,捅马蜂窝也曾是很多人童年的快乐或者噩梦。

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真实的蜂窝

相比之下,蜜蜂虽然也蜇人,但毕竟比马蜂温顺了许多。如果我们深入到蜂巢的内部,就会发现它们是由许多个完美的正六边形组成。这些正六边形无缝衔接起来,组成了一张大网,并且还会随着蜂群的壮大而不断地扩张。

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蜂巢内的蜜蜂

虽然单个基站的覆盖范围很有限,但如果我们让每一个基站的覆盖都是一个完美的正六边形,多个基站联合起来,不就能实现大面积的无缝覆盖了吗?

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蜂窝网络

如上图所示,多个基站整齐地排布在一起,每一个正六边形的“蜂房”就叫一个“Cell”(中文翻译为小区),多个这样的Cell组成的系统就叫做Cellular Network(蜂窝网络)

如果你手边有苹果手机话,打开设置,就能看到关于“蜂窝网络”的相关选项,点进去之后,还能看到“蜂窝数据”相关的选项。

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iPhone上的设置

虽然看起来这么玄乎,其实目前所有运营商的网络都是蜂窝网络,苹果的设置里面无非就是关于关于运营商,语音,数据,热点之类的基本功能的一些设置。

下文将会经常出现的“网络”这个词,就是指的由多个基站组成的蜂窝网络。

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怎样移动?

手机,又称“移动电话”,和固定电话最大的区别就在于手机可以被人随身携带,到处移动。

这就导致了蜂窝网络必须解决一个最关键的问题:怎样让这些跑来跑去,不知道在哪里的用户随时随地可以打电话并上网?

第一招:小区选择和重选

手机在开机时,会不断地检测哪个基站的信号强,并进行排序确认最优的服务小区。一旦选定,手机就会驻扎在这个小区里,手机上也就显示出了信号标识,到底有几格信号一目了然。这个过程就叫做“小区选择”。

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小区选择

并且,由于手机是可以被拿着到处移动的,它不可能对一个小区从一而终,必须时刻扫描相邻小区的信号强度,一旦发现更优的小区,就会毫不犹豫地抛弃原小区,投入这个新小区的怀抱。这个过程就叫做“小区重选”。

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小区重选

第二招:位置更新

首先,网络会按照地理区域,划分为多个“位置区”。一个位置区包含了一组基站所覆盖的区域,在此区域内,每个基站都在源源不断地向用户广播自己的位置区编码。

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位置区划分

手机开机后,检测到自己所在的位置区,并向网络报告,这个过程就叫做“位置更新”。这样网络就知道了手机的位置,以后如果来电话了也就到这个位置区去提醒手机接电话。

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开机时的位置更新

如果只在开机的时候上报位置,网络还是会担心:如果过段时间手机要是故障了,或者没电关机了的话,不是又联系不上了吗?这还得了,必须让手机每隔几分钟主动就吱一声,告诉我它还在原地,还活着,还能联系上!

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周期性位置更新

如果手机到时不主动上报,那网络就会认为这手机已经跑到没信号的地方,没法联系上了。如果有人拨打这个手机的号码,就会提示:“对不起,您拨打的用户不在服务区。”

更进一步,如果手机跑啊跑,发现自己到了另外一个位置区的地界,那就必须给网络打个招呼:我到了新的位置,以后在这里找我吧,不用再去原来的地方了!

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位置区改变的位置更新

第三招:切换

想想看,如果你拿着手机,坐在车上打着电话,从一个小区移动到了另一个小区的边界,眼看着信号越来越弱,随时都有可能掉话,形势十分危急。这可咋办呢?

好在手机一直在测量着相邻小区的信号强度,服务小区一旦发现邻区信号强到一定的程度,就可判断手机到了边界,该把电话移交给另外一个小区了,于是火速联系新小区做好一切业务移交准备,得到肯定的答复之后才能让手机接入到新小区,电话得以持续。

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切换流程

这个过程就叫做“切换”。

注意:小区选择,重选和位置更新都是手机在空闲态时的行为,没有那么紧急;而切换是在手机处于通话状态的行为,必须快速准确完成,否则可能导致切换失败,电话断开。因此切换成功率是一项非常关键的考核指标。

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切换过程示意图

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信网架构

一旦多个基站连成了一张蜂窝网络,靠各个基站之间彼此互通,进行自治效率太低,这就需要引入一个中央控制点,对多个基站进行统一管理了。

在2G和3G时代,多个基站由一个控制器管理,多个控制器又由核心网来管理,组成了一个三层的金字塔型架构。

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2G/3G通信网络架构

控制器这个名字非常直白,就是用来控制基站的。其中2G的控制器就叫做“基站控制器(BSC:Base Station Controller)”,3G的控制器为了彰显逼格,取名为“无线网络控制器(RNC:Radio Network Controller)”。业界一般直接就叫英文缩写BSC/RNC或者干脆就统一叫控制器。

核心网的名字里也有个“网”字,它自身也是一张非常复杂的网络。但在这里我们不去展开说,只需把核心网想象成一个功能强大的路由器,连接并管理所有的基站和控制器,让一切的服务,不管是打电话,还是发短信,彩信,还是上网都能顺利地找到目的地。

在4G时代,为了降低时延,简化架构,去掉了基站控制器,基站直接由核心网来进行管理。但是这个架构虽然简单,但用起来却不是那么方便。

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4G通信网络架构

这是因为如果让核心网把一切都管起来的话,负荷太大;如果放权让基站之间点对点地互相协调资源调度,干扰等问题的话,效率低,效果差,结果就是4G终其一生都在跟这个架构死磕。

到了5G时代,吸取了4G时代的教训,又走回到了2G和3G时代的老路,那就是把基站拆分成了集中单元(CU)和分布单元(DU),一个CU管理多个DU,然后核心网再来管理数量较少的CU。

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5G通信网络架构

然而5G是非常灵活的,CU和DU可以分离,也可以不分离,如上图所示。具体是否进行DU和CU的拆分要看5G的发展阶段以及具体业务的时延需求。这也算是通信网架构螺旋式上升的表现了。

来源:无线深海

编辑:陈可轩

审核:管晶晶

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