接上文《??我們一起聊聊到底什么是通信???》

上周沒寫完，今天繼續(xù)寫。

通信的分層思維

研究通信技術(shù)，最重要的第一步，是搭建通信知識(shí)體系。

而搭建通信知識(shí)體系的秘訣，就是建立“分層思維”。

通信的分層思維，分為“大分層”和“小分層”。

我們先來看看“大分層”

在上文中，我給大家講過通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)。

通信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的一個(gè)重要推動(dòng)力，就是通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量的快速膨脹。

換言之，通信網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)從“點(diǎn)到點(diǎn)（point to point）”到“點(diǎn)到多點(diǎn)（point to multipoint）”，再從“點(diǎn)到多點(diǎn)”到“多點(diǎn)到多點(diǎn)（multipoint to multipoint）”的過程。

參與通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)量極速膨脹，最終達(dá)到了億級(jí)（人聯(lián)網(wǎng)）甚至百億級(jí)（物聯(lián)網(wǎng)）的規(guī)模。

最原始、最基本的通信模型，就是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間互相通信。這種情況下，一條通信線路就可以了。

當(dāng)參與通信的節(jié)點(diǎn)超過2個(gè)時(shí)，就涉及到組網(wǎng)。也就有了鏈型、星型、環(huán)型、樹型等組網(wǎng)方式。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，人們發(fā)現(xiàn)，就像金字塔管理架構(gòu)是最實(shí)用的人類組織架構(gòu)一樣，樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是最簡單高效的大規(guī)模通信組網(wǎng)方式。

樹型（金字塔型）

這種“小網(wǎng)逐級(jí)匯聚、變成大網(wǎng)”的方式，是一種典型的中心化組網(wǎng)方式。

不管是哪種組網(wǎng)方式，只需有多節(jié)點(diǎn)，就涉及到路由和交換。也就是說，在每一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，都需要對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行路由指向，以及信息內(nèi)容的交換，這相當(dāng)于是一個(gè)路口、網(wǎng)關(guān)。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)，都要做判斷

樹型網(wǎng)絡(luò)被運(yùn)營商廣泛采用，成為公共通信網(wǎng)絡(luò)的根基。（當(dāng)然，環(huán)型網(wǎng)絡(luò)等其它組網(wǎng)方式，也被適當(dāng)采用，作為補(bǔ)充。）

對(duì)于樹型網(wǎng)絡(luò)這種不斷“匯聚”的網(wǎng)絡(luò)，我們一般都將其分為三層，由下至上分別是接入層、匯聚層、核心層。

接入層負(fù)責(zé)把用戶連入網(wǎng)絡(luò)；匯聚層負(fù)責(zé)收攏和分發(fā)數(shù)據(jù)；核心層是網(wǎng)絡(luò)骨干。

我們可以把它理解為一個(gè)快遞公司。在每個(gè)小區(qū)附近會(huì)有快遞站，觸達(dá)用戶，收集和投送快遞。快遞站的貨品，會(huì)送到上一級(jí)快遞轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)，然后再上一級(jí)，逐級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)。

不同的分層，涉及到不同的通信技術(shù)。也就是說，節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間，采用的通信技術(shù)不一定相同。因?yàn)樗鼈兯幍沫h(huán)境和條件不同，承載的數(shù)據(jù)量也不同。

舉例來說，在接入層，要將用戶連入網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)橛脩艨赡艽嬖谝苿?dòng)性，在到處跑，那么，無線通信技術(shù)，就會(huì)被廣泛采用，例如4G/5G、Wi-Fi等。

5G天線

而在匯聚層，因?yàn)閰R聚上來的數(shù)據(jù)量很大，所以，匯聚節(jié)點(diǎn)和上層節(jié)點(diǎn)通常會(huì)采用大容量的光纖通信技術(shù)（例如OTN）。

光纖設(shè)備

當(dāng)然，如果接入節(jié)點(diǎn)和上層節(jié)點(diǎn)之間距離很遠(yuǎn)，又處于沙漠等偏遠(yuǎn)地區(qū)，那么，也會(huì)采用微波、衛(wèi)星這樣的無線通信技術(shù)。

微波天線

用快遞系統(tǒng)來比喻的話，快遞站的快遞師傅會(huì)騎三輪車，自由地選擇路線。而快遞轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)之間，會(huì)采用汽車或包機(jī)，進(jìn)行直接運(yùn)輸。

上面我們說的，是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的分層思維，也就是“大分層”。不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，分層級(jí)別不一定相同，但是分層的思想是不變的。

什么是“小分層”呢？?

當(dāng)你研究具體的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，就會(huì)遇到“小分層”思維。工科背景的同學(xué)，都知道大名鼎鼎的TCP/IP模型，以及OSI模型，就是典型的“小分層”。

通信是個(gè)非常復(fù)雜的過程，之所以要“小分層”，就是為了各司其職。每一層就是一個(gè)社會(huì)，不同的層級(jí)之間，“語言（協(xié)議）”不通，不能直接對(duì)話。

不管是什么通信技術(shù)，其實(shí)都遵從了“小分層”的模型，其實(shí)各自選擇的協(xié)議不同。

“小分層”，其實(shí)就是快遞的“打包”思想——我把文字寫到信紙上，把信紙塞進(jìn)信封，信封再封進(jìn)更大的信封，或者郵袋、包裹。

就這樣，逐級(jí)封裝之后，送到對(duì)方那邊。

對(duì)方收到后，再逐級(jí)拆封，解讀內(nèi)容?；蛘?，再對(duì)內(nèi)容進(jìn)行逐級(jí)封裝，通過另一條通道，送到下一級(jí)節(jié)點(diǎn)。

“小分層”還有一個(gè)更高大上的名字，那就是“協(xié)議?！?。我的每一層，必須和你的每一層匹配，我們才能實(shí)現(xiàn)頂層的業(yè)務(wù)對(duì)通。

4G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧示例

搞通信，尤其是運(yùn)營商公網(wǎng)通信，經(jīng)常涉及到本局和對(duì)端局的對(duì)接聯(lián)調(diào)。新手往往沒有搞明白“小分層”的思想，數(shù)據(jù)一頓亂配，結(jié)果還是不通。

正確的對(duì)接聯(lián)調(diào)方法，應(yīng)該是從底層開始對(duì)。先看看物理層通不通（光口是否有光，電口是否有電），然后再一層一層往上對(duì)接，當(dāng)每一層都通了的時(shí)候，本局和對(duì)端局之間，就實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)對(duì)通。

總而言之，“大分層”思維，用于研究通信網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)?！靶》謱印彼季S，用于看懂通信技術(shù)的具體工作原理。具備了這兩種思維，研究任何通信技術(shù)都會(huì)有清晰的思路。

有線通信和無線通信

前面提到了有線和無線通信。這里，還是要再詳細(xì)介紹一下它們的區(qū)別。

在近現(xiàn)代通信史上，無線通信的誕生時(shí)間并不算晚。但是，在它誕生后的很長一段時(shí)間里，這個(gè)技術(shù)都屬于“貴族”技術(shù)，只有少部分人可以使用它。

原因很簡單，因?yàn)殡娮蛹夹g(shù)、材料技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)等基礎(chǔ)技術(shù)在發(fā)展早期的不足，導(dǎo)致人類不具備完美駕馭無線電磁波的能力。

無線電磁理論奠基完成之后，人們一直試圖對(duì)無線電磁波這一神秘力量加以利用。

不同頻率（波長）的無線電磁波，有不同的物理特性。人類對(duì)無線電磁波的開發(fā)，其實(shí)就是利用這些不同的特性，用于不同的用途。例如，高頻的γ射線，具有很大的殺傷力，可以用來治療腫瘤。

從宏觀上來看，無線電磁波主要分為電波和光波（如上圖）。馬可尼和波波夫，開創(chuàng)了將電波用于通信的先河。?

以當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，他們只能使用低頻的電波，進(jìn)行無線通信。

無線電磁波并不是一個(gè)“取之不盡、用之不竭”的資源。它的資源稀缺性，體現(xiàn)在頻譜（頻率區(qū)間）上。在一定的空間范圍內(nèi)，某頻率的無線電磁波一旦被占用，如果別人也試圖使用（發(fā)射該頻率的信號(hào)），就會(huì)造成干擾。

低頻電波的優(yōu)勢，就是傳輸距離更遠(yuǎn)。眾所周知，頻率較低的無線電磁波，波長更長（頻率×波長=光速，光速是恒定值），繞射能力更強(qiáng)，所以傳播距離更遠(yuǎn)。

而頻率越高的話，波長會(huì)更短，繞射能力更差（穿透的損耗也會(huì)更大），傳播距離更近。

低頻電波的缺點(diǎn)，就是資源非常稀缺。采用FDMA頻分多址的話，容納的用戶數(shù)很少，無法完美用于公共移動(dòng)通信。

后來，隨著基礎(chǔ)技術(shù)的不斷突破，我們才有了TDMA、CDMA、OFDMA等復(fù)用技術(shù)，在少量的頻率資源下，容納更多的用戶。

簡單舉例，我們把頻率資源想象成一個(gè)房間，如果把房間分割成不同的空間，不同的用戶在不同的房間聊天，這就是頻分多址（FDMA）。

如果這個(gè)房間里，某一時(shí)間讓某一個(gè)人說話，下一時(shí)間段，讓另一個(gè)人說話，就是時(shí)分多址（TDMA）。

如果大家都用各自的語言說話，有的人說英語，有的人說法語，有的人說中文，那就是碼分多址（CDMA）。

與此同時(shí)，我們還具備了駕駛更高頻率無線電磁波的能力，進(jìn)而進(jìn)一步擴(kuò)展了無線通信的頻率使用范圍，最終實(shí)現(xiàn)了通信容量的不斷擴(kuò)大，以及連接速率的不斷提升。

這個(gè)就和高速公路一樣，道路越寬，能同時(shí)容納的車輛當(dāng)然就越多。而且，能容納的車型也就越大。高速公路的運(yùn)輸能力，也就越大。

我們還在編碼技術(shù)和分集技術(shù)上有了很大的突破，從而逐漸摸清了無線通信這門玄學(xué)技術(shù)的特性，進(jìn)一步降低了誤碼率，提升了無線信道的效率。

就這樣，我們有了從1G到5G的不斷演進(jìn)，成功將無線通信從“貴族”技術(shù)，發(fā)展為“大眾”技術(shù)，讓所有人都能享受它帶來的便捷。

無線通信技術(shù)的主要優(yōu)勢在于打破了空間限制、移動(dòng)性限制，以及適當(dāng)節(jié)約了成本。如果是單純比拼性能（例如傳輸速率、時(shí)延、穩(wěn)定性等）的話，無線通信完全被有線通信吊打。

有趣的是，現(xiàn)在的有線通信雖然厲害，但本質(zhì)上卻是無線通信的“血統(tǒng)”。

早期的有線通信，一直都是采用有線金屬電纜加電信號(hào)脈沖的方式，進(jìn)行通信。上世紀(jì)60-70年代，光纖橫空出世，打破了這一局面。

光纖通信，采用的是光波，而光波是無線電磁波，不是嗎？

只不過，傳統(tǒng)無線通信是在空氣中傳播，傳播路徑太過復(fù)雜，干擾太多，不確定性太大。所以，光纖通信是將光波約束在純凈的玻璃纖芯中傳輸，與外界隔絕，大大提升了穩(wěn)定性。

無線通信 VS 光纖通信

這就好像是一條封閉的專用車道，一條高鐵，盡可以拼命提速，提升效率。

光纖實(shí)在是人類歷史上最偉大的發(fā)明之一。它用最低的成本，實(shí)現(xiàn)了最大的收益。

光纖

試想一下，如果我們沒有光纖，只有金屬電纜，那么，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在的密集通信骨干網(wǎng)絡(luò)，我們需要用掉多少貴重金屬？這些成本轉(zhuǎn)嫁到用戶身上，我們的通信費(fèi)用又會(huì)有多么昂貴？

目前，光纖取代金屬電纜是大勢所趨。通信運(yùn)營商的骨干網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)，早已實(shí)現(xiàn)“光進(jìn)銅退”。

光纖通信目前主要的缺陷，在于自身物理上還是較為脆弱，加上光纖熔接具有一定的技術(shù)門檻，光接口、光模塊的成本還是略高，所以無法徹底取代網(wǎng)線。

但是，在可預(yù)見的未來，光纖將連入每個(gè)電腦、每個(gè)電視，以及所有需要有線連接的終端。

有線通信全部采用光纖，無線通信全部采用高能效的無線空口技術(shù)（例如4G/5G/Wi-Fi 6），是人類通信發(fā)展的目標(biāo)。它們將共同支撐人類龐大的連接規(guī)模和帶寬需求。

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