手機現(xiàn)在已經(jīng)非常普及了，作為電子工程師的你們了解手機和基站、基站和基站的通信方式和流程么？我們來詳細看一下具體的工作流程。
手機是如何通過基站接入互聯(lián)網(wǎng)的？
比較早期的2G網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)是通過CSD方式進行的，但是CSD是基于電路交換的，在應(yīng)對以IP封包為主的internet業(yè)務(wù)時并不高效，因此GSM在后續(xù)的演進中引入了GPRS技術(shù)。
上圖為GPRS網(wǎng)絡(luò)的一個拓撲圖，BTS是基站，分布在我們周圍，BSC是基站控制器，主要放置于各地市運營商的中心機房中，BTS和BSC/PCU組成了無線接入網(wǎng)，其他網(wǎng)元則為核心網(wǎng)。注意看PCU、SGSN、GGSN這三個網(wǎng)元，它們是GPRS出現(xiàn)后才加上去的。PCU作用主要是把從基站傳至BSC的數(shù)據(jù)中的分組業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單獨剝離出來，然后傳遞給SGSN。SGSN可以簡單的理解為一個大型的、多功能的交換機，負責鑒權(quán)、移動性管理、加密、計費、路由選擇等等。GGSN則是網(wǎng)關(guān)設(shè)備，簡單理解就像是一個“翻譯家”，把internet上的“語言”翻譯成SGSN能聽懂的“語言”，同時也把SGSN的“語言”翻譯成internet能聽懂的“語言”，另外又像是一個“海關(guān)+國家安全部門”，控制著整個GPRS網(wǎng)絡(luò)的對外出口，什么數(shù)據(jù)不能進，什么數(shù)據(jù)能進都由GGSN來把關(guān)。另外手機等終端需要上internet，就需要IP地址，IP地址也由GGSN來分配。上述的三個網(wǎng)元設(shè)備構(gòu)成了劃時代的核心網(wǎng)分組交換域（即PS域，原先只有CS電路交換域）。手機從基站接入，傳遞數(shù)據(jù)給基站，然后基站傳遞給上層BSC，PCU從中剝離出分組業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，傳遞給SGSN，最后通過SGSN經(jīng)由GGSN這個網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)匯入到茫茫internet中~
上圖是CDMA2000的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，其中PCF、PDSN/FA、HA、AAA是在IS95后引入的，這點和GSM類似，早期都沒考慮到internet業(yè)務(wù)，后來需要了才加上這些網(wǎng)元。PCF可以類比GPRS里的PCU，PDSN的功能則具備了SGSN和GGSN的大部分功能，AAA服務(wù)器則主要是用戶身份認證/歸屬登記和鑒權(quán)計費等等功能。FA和HA設(shè)備現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用比較少，就不說了。上述的幾個網(wǎng)元也構(gòu)成了CDMA2000網(wǎng)絡(luò)的“PS域”。
到了3G時代，其實整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也并沒有太大的變化。
上圖是WCDMA早期版本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，NodeB即基站，RNC相當于原來GSM中BSC+PCU兩個的集合。所以可以看到整個架構(gòu)和GPRS時代沒什么不同，核心網(wǎng)分組域也還是SGSN和GGSN這兩個網(wǎng)元。而CDMA2000 1x EVDO的整體架構(gòu)也和原來的CDMA2000 1x是一樣的。所以3G更多的是在無線接入網(wǎng)的技術(shù)方面做修改，核心網(wǎng)方面動得并不大。但是在后續(xù)演進中，3GPP組織也不斷對核心網(wǎng)做出改變，包括但不限于R4版本中，電路域（CS）的軟交換（把圖中MSC拆為MSC-server和MGW，實現(xiàn)信令和業(yè)務(wù)承載分離）以及R5和后續(xù)版本中提出核心網(wǎng)全IP化及其特性的增強（典型應(yīng)用則為IMS系統(tǒng)）。
到了LTE里，網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)迎來了大變化。
上圖為LTE的一個大致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，LTE中全面取消了電路域（CS），這也是為什么LTE目前無法承載語音業(yè)務(wù)的主要原因之一。eNodeB是基站，分布在我們周圍，BSC/RNC也不見了，所以整個無線接入網(wǎng)由eNodeB組成。S-GW類似于SGSN+GGSN一部分功能的集合，P-GW具備GGSN中的IP地址分配功能，PCRF設(shè)備用以控制用戶行為（比如限速），PCRF需要和P-GW配合使用。HLR負責記錄用戶歸屬信息、鑒權(quán)信息、開戶信息等等。MME則是信令方面的承載設(shè)備。
上面說的只是移動通信網(wǎng)絡(luò)中的情況，如果是家里用無線路由器的WIFI上網(wǎng)，那又是另外的了~有耐心的繼續(xù)往下看~以目前常見的ADSL和FTTH為例。
請先自行把“用戶終端”腦補成無線路由器。這是ADSL寬帶接入網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)，手機從無線路由器通過802.11x系列協(xié)議接入，無線路由器通過以太網(wǎng)協(xié)議向ADSL貓傳遞數(shù)據(jù)（ADSL貓放在家里），ADSL貓負責調(diào)制解調(diào)，然后通過語音/數(shù)據(jù)分離器和電話線路向ADSL局端設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)，然后再進入到寬帶接入服務(wù)器BAS中，最后匯入茫茫的internet大洋中~BAS（寬帶接入服務(wù)器）與AAA服務(wù)器通過RADIUS協(xié)議相配合，實現(xiàn)AAA功能（即驗證Authentication、授權(quán)Authorization、記賬Accounting ）。可以將BAS和AAA服務(wù)器類比為移動通信網(wǎng)絡(luò)中的“核心網(wǎng)”。注：此處提到的AAA Server和上文中CDMA2000里提到的AAA Server并不是同種設(shè)備，只是說具備相似的功能，但是一個是固網(wǎng)的AAA，一個是CDMA2000的AAA。
這是目前流行的所謂“光纖寬帶”中EPON的接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)（另外一種流行的光接入網(wǎng)為GPON），因為是FTTH，所以先自行腦補把圖中ONU替換成ONT光貓，然后再腦補把ONT后面加上無線路由器。手機一樣從無線路由器接入，經(jīng)過ONT（也就是光貓）的電光轉(zhuǎn)換后通過ODN傳遞給OLT，然后OLT經(jīng)由各種交換機把數(shù)據(jù)匯入到茫茫Internet大洋中~ONT現(xiàn)實中多指光貓，放在我們的家里，ODN是無源光配線網(wǎng)絡(luò)，由光纖和各種無源器件組成，實際上就是傳遞光的，OLT則是局端設(shè)備，放置在運營商中心機房中，其作用可以簡單理解為一個移動通信網(wǎng)絡(luò)中的“BSC/RNC”，負責控制和管理底下的ONU/ONT，并提供到上層交換機（核心網(wǎng)）的接口。
我想清楚了各個制式中的各個設(shè)備的具體功能和它們之間的連線，應(yīng)該就不難理解手機是如何接入到互聯(lián)網(wǎng)的吧？簡單的說就是在一個個網(wǎng)元間不斷的傳遞、轉(zhuǎn)換格式、再傳遞、再轉(zhuǎn)換格式直到讓接收端收到并成功解調(diào)為止。當然了，具體的各個接口是如何對接、如何轉(zhuǎn)換格式、如何傳遞的在這里就沒法說了，因為單單空中接口這一項的電信號如何傳遞、轉(zhuǎn)換成電磁波，幀結(jié)構(gòu)等等就夠?qū)懸槐緯?！有興趣的可以百度維基谷歌或者買本相關(guān)的書來看。
以上內(nèi)容，只是提供一個大致思路，并非專業(yè)解答，僅供參考，如有錯誤和疏漏，還望海涵指正。
從手機撥出電話到接聽的那幾秒內(nèi)，發(fā)生了什么？
我們以一次WCDMA網(wǎng)絡(luò)下的語音呼叫為例，簡單的說說。
首先就是建立RRC連接，上圖是流程。圖中的UE為手機（包括USIM卡），NodeB為基站，SRNC則是主服務(wù)RnC_百度百科的意思，NodeB和RNC構(gòu)成了我們叫UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network），即無線接入網(wǎng)。RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）就是建立手機和無線接入網(wǎng)的點對點連接，用于傳送信令。RRC顧名思義，主要就是用于網(wǎng)絡(luò)側(cè)對無線資源進行一個控制和管理，比如通話過程中手機上報周邊基站信號的測量報告（Measurement Report，MR）給RNC，然后RNC要進行判決和下發(fā)切換（HandOver）等等信令的傳送都需要通過RRC來進行。建立完RRC后就需要進行正式的呼叫流程：
第1~3步中主要是建立手機和核心網(wǎng)（Core Network，圖中的MSC即是CN核心網(wǎng)的一個網(wǎng)元）之間的連接，也是用來傳信令的。比如手機得告訴核心網(wǎng)它的業(yè)務(wù)請求，是打電話啊，還是上網(wǎng)啊等等之類的消息，這里就是打電話的業(yè)務(wù)請求。
第4~12步則是鑒權(quán)加密過程。鑒權(quán)簡單說就是手機（USIM卡）驗證下這個網(wǎng)絡(luò)是不是合法的，同時網(wǎng)絡(luò)也驗證下這個手機（USIM卡）是不是合法的。加密就是使用密鑰和加密算法對用戶數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，好比前些日子上映的《智取威虎山》里的“天王蓋地虎”、“寶塔鎮(zhèn)河妖”那樣，如果你不知道“黑話”的規(guī)律（密鑰和加密算法），那自然就聽不懂“加密”后的意思了。
第13~16步則是呼叫信息的傳遞和呼叫處理，比如手機得告訴核心網(wǎng)它所呼叫的號碼是多少，并且核心網(wǎng)確認這是個正確的號碼后，會告訴手機正在進行該呼叫號碼的路由查找和尋呼等等。
第17~27步則是建立RAB（Radio Access Bearer，無線接入承載）的過程，上面的第1到3步完成了手機和核心網(wǎng)的信令連接，而這個RAB則是完成了手機和核心網(wǎng)的用戶數(shù)據(jù)連接，比如我們接電話說“喂？”，這個“喂？”就是用戶數(shù)據(jù)，就需要通過RAB來承載。
第28~29步則是振鈴（Alerting）了，這是說明已經(jīng)接通了所要呼叫的號碼，對方的手機已經(jīng)開始響鈴聲，同時主叫的手機也開始聽到“嘟~”或者彩鈴的聲音了。
第30~33步則是被叫電話已經(jīng)按下了接聽鍵，此時正式開始進行通話了！（手機君表示好累，總算是接通了。。。）
上面主要是主叫流程，如果是被叫的還會多一些監(jiān)聽尋呼、響應(yīng)尋呼發(fā)起隨機接入流程等等，不再啰嗦了，有興趣的百度谷歌維基吧。這里面的每一個步驟都不能出錯，一旦有一個出錯，就有可能導(dǎo)致呼叫、被叫失敗，從而無法建立起正常通話。
如果是LTE的話，由于其目前不支持語音通話業(yè)務(wù)，采用CSFB方案的手機還需要發(fā)起CSFB流程（如果采用雙待方案的手機則不需要），一開機就需要聯(lián)合附著，呼叫時也需要啟動CSFB流程回落到2G/3G中實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)。
上圖則為LTE呼叫時CSFB的一個簡單流程圖（主要是第1~5步，第6步時已經(jīng)回落到2G/3G中，第7~8步則是通話結(jié)束后的了），完成了這些個流程后才能回落到2G/3G中，然后再發(fā)起2G/3G呼叫流程實現(xiàn)語音通話的功能。同樣的，如果是被叫也需要發(fā)起CSFB流程，返回到2G/3G網(wǎng)絡(luò)中，然后進行被叫建立流程建立通話。
而以上的這一切流程，都是在按下?lián)芴栨I到和對方正式建立通話之間短短的數(shù)秒鐘內(nèi)完成的~
兩個基站之間是通過什么進行通信的？
在2G和3G里，基站和基站之間并沒有“通信”的必要，或者說基站只是個底層干活的，整個無線接入網(wǎng)（即RAN，Radio Access Network）的“大腦”是BSC（Base Sation Controller，基站控制器，可以認為是GSM、CDMA IS95/CDMA2000無線接入網(wǎng)的大腦）或者RNC（Radio Network Controller，無線網(wǎng)絡(luò)控制器，用于WCDMA和TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)中，作用同GSM中的BSC）。
在一個商用蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)中，每個網(wǎng)元的工作都是嚴格分工的（好比計算機網(wǎng)絡(luò)的OSI七層結(jié)構(gòu)）。上圖就指示了UMTS網(wǎng)絡(luò)（WCDMA/TD-SCDMA）中的“任務(wù)分工”，我們通常所說的“基站”（UMTS中叫做NodeB）只負責L1物理層的事務(wù)，往上的L2和L3均由RNC負責。舉個例子，比如我們在移動中打電話，離原來的A基站越來越遠，接收到A基站的信號越來越差，而離一個B基站越來越近，收到B基站的信號越來越好，此時需要切換（HandOver），可是切換不是說A和B兩個基站自己協(xié)調(diào)一下就完事了，而是需要聽從RNC的指令進行切換，包括怎么切換，從哪個基站切換到哪個基站等等都是由RNC負責。
上圖指示了一個GSM和WCDMA雙模網(wǎng)絡(luò)的早期組網(wǎng)結(jié)構(gòu)（如今運營商不完全是這樣的結(jié)構(gòu)了，比如電路域已經(jīng)引入了軟交換），可以看到BSC和RNC在網(wǎng)絡(luò)中的位置。
但是基站不甘心啊，憑什么老是受上層的BSC或者RNC控制？在后續(xù)發(fā)展中，由于為了縮短時延等等需求，一些功能被逐漸從RNC中下移到NodeB里，比如HSPA中的L2的MAC層功能被下放到基站中實現(xiàn)，基站逐漸開始有了“大腦”，終于到了LTE里，RNC這個RAN的“總大腦”被完全取消，L1、L2、L3三個層的功能都由基站來負責，甚至連核心網(wǎng)的一部分功能都被基站給“搶”過來了，此時的基站就變成了Evolution-NodeB（eNodeB）。此時的基站有了較大的自主權(quán)后，才有了互聯(lián)的必要（比如上文提到的切換的問題，此時就需要兩個eNodeB互相協(xié)調(diào)），所以到了LTE里的基站和基站之間才是相連的。
上圖是LTE網(wǎng)絡(luò)的一個簡單架構(gòu)圖，可以看到基站（eNodeB）之間存在著邏輯連接。之所以說是邏輯連接，是因為從物理上來說也不是兩個基站之間就直接相連，它們需要借助傳輸網(wǎng)才能實現(xiàn)邏輯連接。就好比大家的電腦要建一個局域網(wǎng)聯(lián)機打游戲，需要借助路由器、交換機一樣，傳輸網(wǎng)在移動通信網(wǎng)中就充當了類似路由器、交換機這樣的作用。
上圖就指示了傳輸網(wǎng)在移動通信網(wǎng)絡(luò)中的位置。目前流行的傳輸網(wǎng)主要為IPRAN和MSTP，其賴以傳輸?shù)慕橘|(zhì)則為光纖。
常見的光纜敷設(shè)方式有架空、直埋、管道還有水下敷設(shè)，顧名思義一下，各種敷設(shè)方式應(yīng)該都不難理解。
比如上圖中藍色框內(nèi)的光纜就是采用架空的敷設(shè)方式，有興趣的話日?？梢粤粢庖幌?，可以看到不少這種架空的光纜，一般還會附帶有相應(yīng)運營商的標簽牌。
僅供參考。
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