科普干料：为什么你的手机能上网打电话？

xman

这本来是一篇科普文，目的是让更多人了解通信网络，但我却不小心把它写成了随感杂文。

蜂窝移动通信无疑是人类历史上最伟大的发明之一。然而，这个世界欠它一个公道。

每当我看到那些通信设备被恶意破坏之时....

我就希望所有人都能够了解通信网络。

因为，无知者无畏，越是了解，越懂得敬畏。

故事回到几天前，2016年12月1日，澳大利亚最大的移动运营商Telstra关闭了在网运行了23年零6个月7天的2G网络。面对这张曾经承载了870亿次手机通话的通信网络的落幕，一位Telstra的老通信人在网络上写了一篇感人肺腑的告别信，引起了无数通信人的共鸣。

每个人都在留言板里追忆那些曾经为GSM奋斗过的先驱们，包括我们熟悉的那本神书《The GSM System for Mobile Communications》的作者Michel Mouly…

文中，作者唏嘘感叹，认为这个世界欠通信一个公道。

蜂窝移动通信技术对世界的贡献不亚于任何一项其它发明，那些通信先驱们的成就绝不逊于任何一名艺术家、明星或社会名人，然而，当那些通信设备落幕之时，并没有观众，也没有纪念通信先驱们的殿堂供人瞻仰，像那些伟大的艺术家和社会名人一样。

可是，没有蜂窝移动通信网络，没有那些通信贡献者们，你凭什么上网打电话？

每天，我们都在刷朋友圈，随便一拨电话就能接通远在千里的恋人。可是，你知道你是怎样拨通电话的吗？你知道这一个个小小的动作背后要靠多么庞大的通信网络来支撑吗？

下面这张动画简单描述了你的2G手机通话时的整个过程...

我们每拨打一个电话，发一条短信，都离不开背后庞大的移动通信网络支撑。这个通信网络首先是由无数的基站组成，你要发送的文本、图片、声音、视频，首先通过无线电波发送到离你最近的基站，然后再通过各种不同的网络节点传送到离通话对方最近的基站，并由该基站再通过无线电波发送到对方的手机上。

在基站与基站之间还有无数的通信设施，比如光缆、基站控制器、交换中心等等，所有的这些设备组成了一个庞大的通信网络。

正是这一庞大的通信网络将世界各地的移动用户连接在一起。

相对于移动通信网络中的其它设施，基站的分布是最广的，基站又被划分为三个扇形小区，每个扇形小区负责一块覆盖区域，当你在移动中拨打电话时，可能会穿越多个小区，此时，任何一个基站（或小区）覆盖不足都会导致你的通话中断或质差。

这种蜂窝状的网络，正是蜂窝移动通信系统的由来。

事实上，从2G，3G，再发展到4G，蜂窝移动通信网络变得越来越庞大，越来越复杂。

通常，一张移动通信网络里包含了各种来自不同厂家的设备，从某种角度讲，为了互联互通、安全和适应性，它是一个交织的网络拓扑。

不过，为了便于理解，我们根据功能和服务的区别，将网络主要分为四大部分：接入网、传输、核心网和服务/应用网络，这四个部分都有统一的接口，并按照国际标准化组织3GPP定义的全球统一标准相互连接。

接入网（RAN，Radio Access Network）

简单的讲，接入网就是手机和基站组成的网络，我们将手机和基站间的接口称为空中接口（Uu），手机通过空中接口连接到基站，一个基站连接多个手机，并将来自手机的数据和语音信息汇聚，传送到核心网。

由于2G、3G和4G的无线接入技术不同，所以其接入网包含的网元名称也不一样。

比如，2G基站叫BTS，3G基站叫NodeB，而4G基站叫eNodeB；对于负责基站管理和汇聚的网元，2G叫BSC，3G叫RNC，而到了4G，由于采用了更扁平化的构架，直接取消了这一网元。

不过，从用户角度讲，不管名称怎么变，其功能都是差不多的。

这是一张包含了2G、3G、4G和WiFi的无线接入网网络构架...

看起来非常简单的构架，本质上却相当复杂。它的复杂性不仅在于网络内部设备互联，而更多的在于建设、维护和优化一张无连接入网，需要无数通信人在这张网络上日以继日。网络建设前需要规划，建设后需要365天*24小时不间断的维护，还需要对网络不停的测试、优化，因为网络稍有问题，就会影响用户体验。

传输

传输是网络的中枢，有了它，才能将网络中的各种设备连接起来。传输的范围很广，物理上包括铜线、微波、光纤和卫星通信等等；技术上，包括SDH，ATM到IP/MPLS等等，传输容量也随着网络规模的扩大而提升，从E1到STM64，到400GBPS...

核心网（Core Network）

核心网是网络的心脏，也是网络最关键的一部分，所有数据存储于此，计费也在这里完成。

核心网主要包含以下几个网元：

MSC：即移动交换中心。它提供基于电路交换（CS）的所有2G语音呼叫连接，并负责转换所有的在2G移动电话和PSTN、其它移动电话之间的呼叫。

HLR/VLR：HLR和VLR就相当于连接MSC的两个数据库服务器，HLR存储的是MSC所属辖区内的所有本地用户的基本信息，当用户选择一个网络运营商并购买了SIM卡之后，其相关的很多信息就被录入了HLR系统当中，正如每个合法的中国公民都有一个身份证号码一样，每个可以被呼叫的移动号码必须在某个HLR中可查。

而VLR里面存储的是目前附着于该MSC的用户的动态信息，包括漫游到本地的用户。

HLR/VLR只负责2G/3G用户，而4G用户由HSS负责。

SGSN：即服务GPRS支持节点。它主要负责浏览网页、视频电话等数据业务的分组数据包的会话管理、路由转发等。

GGSN：网关GPRS支持节点，负责将用户连接到互联网。

ePC：Evolved Packet Core，全IP的分组核心网。EPC直接连接4G基站eNodeB，由于LTE网络全IP设计，不管是语音、视频，所有数据都通过数据包传送，所以只有分组域（PS），没有电路域（CS）。

HSS：HSS功能相当于2/3G的HLR/VLR，不同的是它存储的是4G用户信息。

EIR：设备标识寄存器。EIR的数据库中储存手机的IMEI信息（相当于手机的身份证），其用来识别接入网络中的终端设备的合法性。我们通常所说的通过网络追踪器追踪被盗手机就是通过EIR实现的。

AAA：AAA是验证、授权和记账（Authentication、Authorization、Accounting ）三个英文单词的简称，其主要目的是管理用户的访问权限，用户可获得的服务，和记账用户使用的网络资源。

服务/应用网络（Services/Application Network）

我们用智能手机打电话、上网、发短信、微信聊天、看视频等等，这些都称为服务，每一种服务都由不同的服务网络提供，这些服务网络包括：PSTN、other PLMN、互联网、IMS和应用服务器等。

PSTN：公共交换电话网络。当我们用手机拨打固定电话时，将通过这一服务网络。

PLMN：公共陆地移动网络。某个运营商的某种制式的蜂窝移动通信网络被称为PLMN，这里的other PLMN，指的是当你用手机拨打其它运营商的手机号码时，比如139号拨打133号，将连接到other PLMN。

Internet：就是你手机上网时，需要连接的互联网。

IMS：IP多媒体子系统。你可以把它看成是你接入运营商IP网络的网关，由于目前LTE网络是全IP网络，所有的IP服务都要通过IMS汇聚到这张全IP网络上。IMS是一种全新的多媒体业务的承载形式，它能够满足终端用户日益多样化的多媒体业务需求，减轻了网络管理和向终端用户交付新服务的复杂性。

Application Servers：应用服务器，是IMS系统中位于最上层的应用层设备，负责提供服务，当用户需要尝试接入某类服务时，会通过IMS连接到应用服务器。

最后，我们把以上四个部分组合起来，就是一张完整的蜂窝移动通信网络结构图...

从1983年第一代模拟移动通信网络（1G）开始使用，33年来，蜂窝通信技术每10年更新换代一次，如今2/3/4G网络共存，基站分布越来越密集，网络覆盖越来越好，网络也越来越庞大复杂。而中国的基站数量是全球之最，光是4G基站，就占了全球基站总数量的一半以上。

如此庞大而复杂的网络，带给人们通信便利的同时，通信人肩上的重担也随之不断增加。为了保证每一个通话都不中断，为了让用户极致的体验，他们一年365天，每天24小时不间断的守护着这个网络。

这是一位通信工程师凌晨三点在微信群里汇报工作...

这是另一位通信工程师在后半夜3点处理故障之后，没车回去，直接睡机房了...

然而，不管是通信网络本身，还是这群背负着网络的通信人，所有的付出和贡献并没有得到社会应有的理解和认可。直到今天，通信设施依然有人恶意破坏，很多通信人却挣扎于逃离通信的纠结中。

所以，你应该知道，为什么你的手机能上网打电话？