5.5 无线移动通信系统

无线移动通信是现代多媒体通信业务的主要特征，无线传输网络是无线移动通信的基础。移动通信从1G、2G、3G、4G到5G的超速增长充分说明了这一点。

5.5.1 无线传输网络

从1G开始，历经2G、3G、4G一路走到5G，整个无线移动通信网络的逻辑架构都是：手机A→无线接入网→承载网→核心网→承载网→无线接入网→手机B。而通信过程的本质，就是编码解码、调制解调、加密解密。

图5-7是无线接入网+固定传输网络（承载网）组成的无线移动通信系统架构。系统分为左右两部分，右边为无线网络架构（无线侧），左边为固定网络架构——固网侧（承载网）。

无线侧：无线网络架构中以蜂窝布置的无线通信基站BS为核心构成的无线接入网RAN。手机或集团客户通过基站接入到无线接入网，在RAN接入网侧可以通过PTN（分组传送网）来解决信号传递给BSC/RNC（基站控制器/无线网络控制器），然后再将信号传递给核心网，核心网内部的网元通过IP承载网来承载。

固网侧：手机客户通过RAN接入网接入，从接入网出来后进入MAN城域网，城域网又可以分为接入层、汇聚层和核心层。BRAS为城域网的入口，主要作用是认证、鉴定、计费。信号从城域网走出来后到达骨干网，在IP骨干网（IP Back Bone）处，又可以分为接入层和核心层。

固网侧和无线侧之间通常采用光缆传递，光缆设备通过WDM+SDH（密集波分复用+同步数字体系统）的升级版来实现对大量信号的承载，OTN（光传送网）是一种信号封装协议，通过这种信号封装可以更好地在波分系统中传递。最后信号要通过防火墙到达Internet，防火墙主要就是一个NAT（网络地址转换），来实现一个地址的转换。这就是整个网络的架构。

5.5.2 RAN无线接入网

RAN（Radio Access Network）无线接入网，简单地讲，就是把所有的手机终端都接入到通信网络中的无线网络。通信基站BS（Base Station）是无线接入网中的基本组成单元，完成移动通信网和移动通信用户之间的通信和管理功能。无线接入网有宏蜂窝网络和微蜂窝网络两类。图5-8是移动通信架构图。

宏蜂窝小区，每个基站的覆盖半径大多为1～25km，基站发射的微波功率越大，天线尽可能做得很高，基站的覆盖半径就越大。

微蜂窝小区，每个基站的覆盖半径一般为30～300m，电波主要沿着街道的视线进行传播，信号在楼顶的泄漏小。低发射功率的基站允许较小的频率复用距离，每个单元区域的信道数量较多，射频干扰要求很低。

一个基站BS（Base Station）通常包括BBU（Building Base Band Unit）基带处理单元、RRU（Remote Radio Unit）遥控射频拉远单元和天馈系统。BBU主要负责信号调制；RRU主要负责射频处理；天馈系统由馈线和收发天线组成，如图5-9所示。

在实际安装中，为了缩短RRU和天线之间馈线的长度，减少射频信号的传输损耗，把RRU安置在天线旁边，构成D-RAN分布式无线接入网。此外，一个BBU机柜通常安装有多个频道的BBU基带处理单元，可供同一基站安装使用。图5-10是D-RAN分布式基站安装图。

为了减少接入网络大量机房的成本，运营商在D-RAN的基础上又想出了C-RAN解决方案。C-RAN的意思是Centralized RAN，集中化无线接入网。除了RRU拉远单元之外，还把BBU全部都集中起来（称为BBU基带池），关在中心机房（Central Office）后再用馈线分别传送给各个基站，如图5-11所示。

这一大堆BBU，就变成一个BBU基带池。C-RAN可以非常有效地解决建设基站的成本问题。

此外，BBU基带池既然都在中心机房了，那么，还可以对它们进行虚拟化，就是网元功能虚拟化（NFV）。简单来说，以前的BBU是一台昂贵的专用硬件设备，现在，只要用一台运行BBU功能的软件服务器，就能成为BBU虚拟机了，一台服务器就能当一个BBU基带池用了。

到了5G时代，接入网再次发生了很大的变化。在5G网络中，接入网不再是由BBU、RRU、天线这些东西组成了。而是被重构为以下三个功能实体：CU（Centralized Unit，集中单元）、DU（Distribute Unit，分布单元）、AAU（Active Antenna Unit，有源天线单元）。

图5-12是4G与5G两种基站的组成。

CU：原BBU的非实时部分将分割出来，重新定义的CU，负责处理非实时协议和服务。

AAU：BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU，AAU=RRU+天线。

DU：BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务。

简而言之，CU和DU，以处理内容的实时性进行区分。

5.5.3 无线通信的主要技术特性

各代无线通信系统的主要技术特性如下：

1985年的第一代1G为模拟通信系统，典型产品为摩托罗拉8000X，即俗称的大哥大。

1991年的第二代2G移动通信，采用GSM数字调制技术，增加了系统容量和高度的保密性，典型产品为诺基亚7110。

1998年的第三代3G，主要解决了大数据传输速率过低问题和制定频谱新标准，CDMA是第三代通信系统的技术基础，典型产品有苹果、联想、华硕。

2008年的第四代4G，采用第四代无线蜂窝电话通信协议，能够传输高质量视频图像，能实现100 ⁺ Mbit/s下载速度，典型产品为采用Android、苹果iOS、Windows操作系统的移动设备。

2020年的第五代5G移动通信技术，分为互联网应用和物联网应用两大类，是4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系统后的延伸。5G网络主要有三大特点：极高的速率、极大的容量、极低的时延，可节省能源、降低成本、提高系统容量和实现大规模设备连接，可以实现宽信道带宽和大容量的多路进、多路出MIMO（Multiple Input Multiple Output）。表5-4是从1G到5G无线通信的主要技术特性。

图5-13是移动通信服务要求演进时间表。表5-5是我国运营商分配使用的移动通信频段。