為什麼你的手機能上網打電話?

網優僱傭軍2016-12-14 23:21:32

這本來是一篇科普文,目的是讓更多人瞭解通信網絡,但我卻不小心把它寫成了隨感雜文。


無疑是人類歷史上最偉大的發明之一。然而,這個世界欠它一個公道。


每當我看到那些通信設備被惡意破壞之時....




我就希望所有人都能夠了解通信網絡。


因為,無知者無畏,越是瞭解,越懂得敬畏。


故事回到幾天前,2016年12月1日,澳大利亞最大的移動運營商Telstra關閉了在網運行了23年零6個月7天的2G網絡。面對這張曾經承載了870億次手機通話的通信網絡的落幕,一位Telstra的老通信人在網絡上寫了一篇感人肺腑的告別信,引起了無數通信人的共鳴。


每個人都在留言板裏追憶那些曾經為GSM奮鬥過的先驅們,包括我們熟悉的那本神書《The GSM System for Mobile Communications》的作者Michel Mouly…




文中,作者唏噓感歎,認為這個世界欠通信一個公道。


蜂窩移動通信技術對世界的貢獻不亞於任何一項其它發明,那些通信先驅們的成就絕不遜於任何一名藝術家、明星或社會名人,然而,當那些通信設備落幕之時,並沒有觀眾,也沒有紀念通信先驅們的殿堂供人瞻仰,像那些偉大的藝術家和社會名人一樣。


可是,沒有蜂窩,沒有那些通信貢獻者們,你憑什麼上網打電話?


每天,我們都在刷朋友圈,隨便一撥電話就能接通遠在千里的戀人。可是,你知道你是怎樣撥通電話的嗎?你知道這一個個小小的動作背後要靠多麼龐大的通信網絡來支撐嗎?


下面這張動畫簡單描述了你的2G手機通話時的整個過程...





我們每撥打一個電話,發一條短信,都離不開背後龐大的移動通信網絡支撐。這個通信網絡首先是由無數的基站組成,你要發送的文本、圖片、聲音、視頻,首先通過無線電波發送到離你最近的基站,然後再通過各種不同的網絡節點傳送到離通話對方最近的基站,並由該基站再通過無線電波發送到對方的手機上。


在基站與基站之間還有無數的通信設施,比如光纜、基站控制器、交換中心等等,所有的這些設備組成了一個龐大的通信網絡。





正是這一龐大的通信網絡將世界各地的移動用户連接在一起。




相對於移動通信網絡中的其它設施,基站的分佈是最廣的,基站又被劃分為三個扇形小區,每個扇形小區負責一塊覆蓋區域,當你在移動中撥打電話時,可能會穿越多個小區,此時,任何一個基站(或小區)覆蓋不足都會導致你的通話中斷或質差。




這種蜂窩狀的網絡,正是蜂窩移動通信系統的由來。


事實上,從2G,3G,再發展到4G,蜂窩移動通信網絡變得越來越龐大,越來越複雜。


通常,一張移動通信網絡裏包含了各種來自不同廠家的設備,從某種角度講,為了互聯互通、安全和適應性,它是一個交織的網絡拓撲。


不過,為了便於理解,我們根據功能和服務的區別,將網絡主要分為四大部分:接入網、傳輸、核心網和服務/應用網絡,這四個部分都有統一的接口,並按照國際標準化組織3GPP定義的全球統一標準相互連接。


接入網(RAN,Radio Access Network)


簡單的講,接入網就是手機和基站組成的網絡,我們將手機和基站間的接口稱為空中接口(Uu),手機通過空中接口連接到基站,一個基站連接多個手機,並將來自手機的數據和語音信息匯聚,傳送到核心網。


由於2G、3G和4G的無線接入技術不同,所以其接入網包含的網元名稱也不一樣。


比如,2G基站叫BTS,3G基站叫NodeB,而4G基站叫eNodeB;對於負責基站管理和匯聚的網元,2G叫BSC,3G叫RNC,而到了4G,由於採用了更扁平化的構架,直接取消了這一網元。


不過,從用户角度講,不管名稱怎麼變,其功能都是差不多的。


這是一張包含了2G、3G、4G和WiFi的無線接入網網絡構架...





看起來非常簡單的構架,本質上卻相當複雜。它的複雜性不僅在於網絡內部設備互聯,而更多的在於建設、維護和優化一張無連接入網,需要無數通信人在這張網絡上日以繼日。網絡建設前需要規劃,建設後需要365天*24小時不間斷的維護,還需要對網絡不停的測試、優化,因為網絡稍有問題,就會影響用户體驗。



傳輸


傳輸是網絡的中樞,有了它,才能將網絡中的各種設備連接起來。傳輸的範圍很廣,物理上包括銅線、微波、光纖和衞星通信等等;技術上,包括SDH,ATM到IP/MPLS等等,傳輸容量也隨着網絡規模的擴大而提升,從E1到STM64,到400GBPS...


核心網(Core Network)




核心網是網絡的心臟,也是網絡最關鍵的一部分,所有數據存儲於此,計費也在這裏完成。


核心網主要包含以下幾個網元:


MSC:即移動交換中心。它提供基於電路交換(CS)的所有2G語音呼叫連接,並負責轉換所有的在2G移動電話和PSTN、其它移動電話之間的呼叫。


HLR/VLR:HLR和VLR就相當於連接MSC的兩個數據庫服務器,HLR存儲的是MSC所屬轄區內的所有本地用户的基本信息,當用户選擇一個網絡運營商併購買了SIM卡之後,其相關的很多信息就被錄入了HLR系統當中,正如每個合法的中國公民都有一個身份證號碼一樣,每個可以被呼叫的移動號碼必須在某個HLR中可查。


而VLR裏面存儲的是目前附着於該MSC的用户的動態信息,包括漫遊到本地的用户。


HLR/VLR只負責2G/3G用户,而4G用户由HSS負責。


SGSN:即服務GPRS支持節點。它主要負責瀏覽網頁、視頻電話等數據業務的分組數據包的會話管理、路由轉發等。


GGSN:網關GPRS支持節點,負責將用户連接到互聯網。


ePC:Evolved Packet Core,全IP的分組核心網。EPC直接連接4G基站eNodeB,由於LTE網絡全IP設計,不管是語音、視頻,所有數據都通過數據包傳送,所以只有分組域(PS),沒有電路域(CS)。


HSS:HSS功能相當於2/3G的HLR/VLR,不同的是它存儲的是4G用户信息。


EIR:設備標識寄存器。EIR的數據庫中儲存手機的IMEI信息(相當於手機的身份證),其用來識別接入網絡中的終端設備的合法性。我們通常所説的通過網絡追蹤器追蹤被盜手機就是通過EIR實現的。


AAA:AAA是驗證、授權和記賬(Authentication、Authorization、Accounting )三個英文單詞的簡稱,其主要目的是管理用户的訪問權限,用户可獲得的服務,和記賬用户使用的網絡資源。


服務/應用網絡(Services/Application Network)


我們用智能手機打電話、上網、發短信、微信聊天、看視頻等等,這些都稱為服務,每一種服務都由不同的服務網絡提供,這些服務網絡包括:PSTN、other PLMN、互聯網、IMS和應用服務器等。




PSTN:公共交換電話網絡。當我們用手機撥打固定電話時,將通過這一服務網絡。


PLMN:公共陸地移動網絡。某個運營商的某種制式的蜂窩移動通信網絡被稱為PLMN,這裏的other PLMN,指的是當你用手機撥打其它運營商的手機號碼時,比如139號撥打133號,將連接到other PLMN。


Internet:就是你手機上網時,需要連接的互聯網。


IMS:IP多媒體子系統。你可以把它看成是你接入運營商IP網絡的網關,由於目前LTE網絡是全IP網絡,所有的IP服務都要通過IMS匯聚到這張全IP網絡上。IMS是一種全新的多媒體業務的承載形式,它能夠滿足終端用户日益多樣化的多媒體業務需求,減輕了網絡管理和向終端用户交付新服務的複雜性。


Application Servers:應用服務器,是IMS系統中位於最上層的應用層設備,負責提供服務,當用户需要嘗試接入某類服務時,會通過IMS連接到應用服務器。


最後,我們把以上四個部分組合起來,就是一張完整的蜂窩移動通信網絡結構圖...




從1983年第一代模擬移動通信網絡(1G)開始使用,33年來,蜂窩通信技術每10年更新換代一次,如今2/3/4G網絡共存,基站分佈越來越密集,網絡覆蓋越來越好,網絡也越來越龐大複雜。而中國的基站數量是全球之最,光是4G基站,就佔了全球基站總數量的一半以上。


如此龐大而複雜的網絡,帶給人們通信便利的同時,通信人肩上的重擔也隨之不斷增加。為了保證每一個通話都不中斷,為了讓用户極致的體驗,他們一年365天,每天24小時不間斷的守護着這個網絡。


這是一位通信工程師凌晨三點在微信羣裏彙報工作...




這是另一位通信工程師在後半夜3點處理故障之後,沒車回去,直接睡機房了...




然而,不管是通信網絡本身,還是這羣揹負着網絡的通信人,所有的付出和貢獻並沒有得到社會應有的理解和認可。直到今天,通信設施依然有人惡意破壞,很多通信人卻掙扎於逃離通信的糾結中。


所以,你應該知道,為什麼你的手機能上網打電話?


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