到底什么是通信？（第2集）

Posted 2022-06-03 鲜枣课堂

到底什么是通信？（第1集）

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。

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