蜂窝网络详解

    业界一般把这张网叫做“蜂窝移动通信网”。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。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。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。这个过程就叫做“小区选择”。

    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？

01、让我们开始吧！

    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”和“通信网”。下面将进行逐一介绍。

02、啥是蜂窝？

    说到蜂窝可以理解为蜜蜂的蜂巢，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。

    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？

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。

    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。

03、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”。

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”。

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。

    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。开机时的位置更新见下图

    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！周期性位置更新见下图

    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！位置区改变的位置更新见下图

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。切换流程见下图

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。切换过程示意图见下图

04、通信网架构

    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。2G/3G通信网络架构见下图

    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。4G通信网络架构见下图

    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。5G通信网络架构见下图

    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。

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04、蜂窝网络的意义

    中国拥有世界最好的4G网络，4G基站的数量相当于世界其他国家4G基站数量的总和，这样的大规模建设在世界其他地方是不可想象的，投入非常巨大，但为什么我们要建设好这一张网络呢？

蜂窝网络跟公路、电网一样，是一个国家最重要的基础设施，得力于基础设施的建设，我们才能有更好的发展，中国短时间内移动互联网的崛起，一方面得力于人口红利，另外一方面，就得力于网络的基础，所以才会出现腾讯、阿里、百度、字节跳动等一众优秀的互联网企业，所以移动互联网是蜂窝网络建设的既得利益者。

除了手机、平板电脑等移动设备，我们身边还有很多基于蜂窝网络的设备，我们出门的共享单车、小区楼下的自动快递柜、商场里的自动售卖机、汽车里的OBD、家里的智能电表、公司里的智能烟感报警，各个场景下都有蜂窝网络的身影，他们覆盖2G/4G/NB-IOT，未来的自动驾驶、人工智能、医疗健康、工业自动化，他们有一个共同的名字---物联网，通过设备接入网络，实现更好的体验、更高的效率。万物互联的时代，物联网将来会是比互联网更庞大的产业，将会改版每一个人的生活。

    奇迹物联是一家eSIM物联网应用解决方案供应商，SIM卡是蜂窝网络的一个钥匙，eSIM是一把智能钥匙，把传统SIM卡集成到2mm*2mm的芯片上，省去卡槽的空间，贴片式集成，让SIM更稳定，适应更多的物联网场景。奇迹物联同时提供内置eSIM的2G模块、4G模组、NB-IOT模组、GPS模组，让eSIM集成更简单、更高效、更低成本。