到底什么是通信?(第2集)

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鲜枣课堂 发表于 2022/05/31 23:42:23 2022/05/31
【摘要】 上周没写完,今天继续写。█ 通信的分层思维研究通信技术,最重要的第一步,是搭建通信知识体系。而搭建通信知识体系的秘诀,就是建立“分层思维”。通信的分层思维,分为“大分层”和“小分层”。我们先来看看“大分层”。在上一集中,我给大家讲过通信网络的演进。通信网络演进的一个重要推动力,就是通信节点数量的快速膨胀。换言之,通信网络,是一个从“点到点(point to point)”到“点...

上周没写完,今天继续写。

通信的分层思维

研究通信技术,最重要的第一步,是搭建通信知识体系。


而搭建通信知识体系的秘诀,就是建立“分层思维”



通信的分层思维,分为“大分层”和“小分层”。


我们先来看看“大分层”


在上一集中,我给大家讲过通信网络的演进。


通信网络演进的一个重要推动力,就是通信节点数量的快速膨胀。


换言之,通信网络,是一个从“点到点(point to point)”到“点到多点(point to multipoint)”,再从“点到多点”到“多点到多点(multipoint to multipoint)”的过程。



参与通信的节点数量极速膨胀,最终达到了亿级(人联网)甚至百亿级(物联网)的规模。


最原始、最基本的通信模型,就是两个节点之间互相通信。这种情况下,一条通信线路就可以了。


当参与通信的节点超过2个时,就涉及到组网。也就有了链型、星型、环型、树型等组网方式。



当节点规模不断扩大,人们发现,就像金字塔管理架构是最实用的人类组织架构一样,树型网络结构,是最简单高效的大规模通信组网方式。


树型(金字塔型)


这种“小网逐级汇聚、变成大网”的方式,是一种典型的中心化组网方式


不管是哪种组网方式,只需有多节点,就涉及到路由和交换。也就是说,在每一个汇聚节点,都需要对通信数据进行路由指向,以及信息内容的交换,这相当于是一个路口、网关。


每个节点,都要做判断


树型网络被运营商广泛采用,成为公共通信网络的根基。(当然,环型网络等其它组网方式,也被适当采用,作为补充。)


对于树型网络这种不断“汇聚”的网络,我们一般都将其分为三层,由下至上分别是接入层、汇聚层、核心层。



接入层负责把用户连入网络;汇聚层负责收拢和分发数据;核心层是网络骨干。


我们可以把它理解为一个快递公司。在每个小区附近会有快递站,触达用户,收集和投送快递。快递站的货品,会送到上一级快递转运点,然后再上一级,逐级转运。


不同的分层,涉及到不同的通信技术。也就是说,节点和节点之间,采用的通信技术不一定相同。因为它们所处的环境和条件不同,承载的数据量也不同。


举例来说,在接入层,要将用户连入网络,因为用户可能存在移动性,在到处跑,那么,无线通信技术,就会被广泛采用,例如4G/5G、Wi-Fi等。


5G天线


而在汇聚层,因为汇聚上来的数据量很大,所以,汇聚节点和上层节点通常会采用大容量的光纤通信技术(例如OTN)。


光纤设备


当然,如果接入节点和上层节点之间距离很远,又处于沙漠等偏远地区,那么,也会采用微波、卫星这样的无线通信技术。


微波天线


用快递系统来比喻的话,快递站的快递师傅会骑三轮车,自由地选择路线。而快递转运点之间,会采用汽车或包机,进行直接运输。


上面我们说的,是针对网络架构的分层思维,也就是“大分层”。不同规模的网络,分层级别不一定相同,但是分层的思想是不变的。


什么是“小分层”呢?


当你研究具体的点对点通信时,就会遇到“小分层”思维。工科背景的同学,都知道大名鼎鼎的TCP/IP模型,以及OSI模型,就是典型的“小分层”。



通信是个非常复杂的过程,之所以要“小分层”,就是为了各司其职。每一层就是一个社会,不同的层级之间,“语言(协议)”不通,不能直接对话。


不管是什么通信技术,其实都遵从了“小分层”的模型,其实各自选择的协议不同。


“小分层”,其实就是快递的“打包”思想——我把文字写到信纸上,把信纸塞进信封,信封再封进更大的信封,或者邮袋、包裹。


就这样,逐级封装之后,送到对方那边。



对方收到后,再逐级拆封,解读内容。或者,再对内容进行逐级封装,通过另一条通道,送到下一级节点。


“小分层”还有一个更高大上的名字,那就是“协议栈”。我的每一层,必须和你的每一层匹配,我们才能实现顶层的业务对通。


4G网络的协议栈示例


搞通信,尤其是运营商公网通信,经常涉及到本局和对端局的对接联调。新手往往没有搞明白“小分层”的思想,数据一顿乱配,结果还是不通。


正确的对接联调方法,应该是从底层开始对。先看看物理层通不通(光口是否有光,电口是否有电),然后再一层一层往上对接,当每一层都通了的时候,本局和对端局之间,就实现了业务对通。


总而言之,“大分层”思维,用于研究通信网络的整体架构。“小分层”思维,用于看懂通信技术的具体工作原理。具备了这两种思维,研究任何通信技术都会有清晰的思路。


有线通信和无线通信


前面提到了有线和无线通信。这里,还是要再详细介绍一下它们的区别。


在近现代通信史上,无线通信的诞生时间并不算晚。但是,在它诞生后的很长一段时间里,这个技术都属于“贵族”技术,只有少部分人可以使用它。


原因很简单,因为电子技术、材料技术和信号处理技术等基础技术在发展早期的不足,导致人类不具备完美驾驭无线电磁波的能力。



无线电磁理论奠基完成之后,人们一直试图对无线电磁波这一神秘力量加以利用。


不同频率(波长)的无线电磁波,有不同的物理特性。人类对无线电磁波的开发,其实就是利用这些不同的特性,用于不同的用途。例如,高频的γ射线,具有很大的杀伤力,可以用来治疗肿瘤。



从宏观上来看,无线电磁波主要分为电波和光波(如上图)。马可尼和波波夫,开创了将电波用于通信的先河。


以当时的技术水平,他们只能使用低频的电波,进行无线通信。


无线电磁波并不是一个“取之不尽、用之不竭”的资源。它的资源稀缺性,体现在频谱(频率区间)上。在一定的空间范围内,某频率的无线电磁波一旦被占用,如果别人也试图使用(发射该频率的信号),就会造成干扰。


低频电波的优势,就是传输距离更远。众所周知,频率较低的无线电磁波,波长更长(频率×波长=光速,光速是恒定值),绕射能力更强,所以传播距离更远。


而频率越高的话,波长会更短,绕射能力更差(穿透的损耗也会更大),传播距离更近。


低频电波的缺点,就是资源非常稀缺。采用FDMA频分多址的话,容纳的用户数很少,无法完美用于公共移动通信。


后来,随着基础技术的不断突破,我们才有了TDMA、CDMA、OFDMA等复用技术,在少量的频率资源下,容纳更多的用户。


简单举例,我们把频率资源想象成一个房间,如果把房间分割成不同的空间,不同的用户在不同的房间聊天,这就是频分多址(FDMA)。



如果这个房间里,某一时间让某一个人说话,下一时间段,让另一个人说话,就是时分多址(TDMA)。



如果大家都用各自的语言说话,有的人说英语,有的人说法语,有的人说中文,那就是码分多址(CDMA)。



与此同时,我们还具备了驾驶更高频率无线电磁波的能力,进而进一步扩展了无线通信的频率使用范围,最终实现了通信容量的不断扩大,以及连接速率的不断提升。


这个就和高速公路一样,道路越宽,能同时容纳的车辆当然就越多。而且,能容纳的车型也就越大。高速公路的运输能力,也就越大。


我们还在编码技术和分集技术上有了很大的突破,从而逐渐摸清了无线通信这门玄学技术的特性,进一步降低了误码率,提升了无线信道的效率。


就这样,我们有了从1G到5G的不断演进,成功将无线通信从“贵族”技术,发展为“大众”技术,让所有人都能享受它带来的便捷。



无线通信技术的主要优势在于打破了空间限制、移动性限制,以及适当节约了成本。如果是单纯比拼性能(例如传输速率、时延、稳定性等)的话,无线通信完全被有线通信吊打。


有趣的是,现在的有线通信虽然厉害,但本质上却是无线通信的“血统”。


早期的有线通信,一直都是采用有线金属电缆加电信号脉冲的方式,进行通信。上世纪60-70年代,光纤横空出世,打破了这一局面。


光纤通信,采用的是光波,而光波是无线电磁波,不是吗?


只不过,传统无线通信是在空气中传播,传播路径太过复杂,干扰太多,不确定性太大。所以,光纤通信是将光波约束在纯净的玻璃纤芯中传输,与外界隔绝,大大提升了稳定性。

无线通信 VS 光纤通信


这就好像是一条封闭的专用车道,一条高铁,尽可以拼命提速,提升效率。


光纤实在是人类历史上最伟大的发明之一。它用最低的成本,实现了最大的收益。


光纤


试想一下,如果我们没有光纤,只有金属电缆,那么,实现现在的密集通信骨干网络,我们需要用掉多少贵重金属?这些成本转嫁到用户身上,我们的通信费用又会有多么昂贵?


目前,光纤取代金属电缆是大势所趋。通信运营商的骨干网络和接入网,早已实现“光进铜退”。


光纤通信目前主要的缺陷,在于自身物理上还是较为脆弱,加上光纤熔接具有一定的技术门槛,光接口、光模块的成本还是略高,所以无法彻底取代网线。


但是,在可预见的未来,光纤将连入每个电脑、每个电视,以及所有需要有线连接的终端。


有线通信全部采用光纤,无线通信全部采用高能效的无线空口技术(例如4G/5G/Wi-Fi 6),是人类通信发展的目标。它们将共同支撑人类庞大的连接规模和带宽需求。


好了,以上就是今天文章的全部内容。感谢大家的耐心观看!


如果大家喜欢这个系列,后面我就继续往下写,从头到尾梳理一下通信所有的基础知识概念。

文章来源: zhuanlan.zhihu.com,作者:小枣君,版权归原作者所有,如需转载,请联系作者。

原文链接:zhuanlan.zhihu.com/p/522585330

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