空口协议 + 核心网 + TCP/IP

通信的本质，是把信息从一端“搬”到另一端。
信源 → 编码 → 调制 → 信道 → 解调 → 解码 → 信宿。中间还要对抗噪声、衰减和干扰。

声音、图像、数据本身不能直接远距离传输，要先变成电信号、光信号或电磁波。比如手机把语音变成数字信号，再调制成无线电波。
调制是把信息“加载”到载波上。比如把 0 和 1 变成不同频率、相位或幅度的电磁波。解调则是从收到的波里把信息取出来。
为了让很多人同时通信，会用到频分复用、时分复用、码分复用、正交频分复用等。交换和路由则决定信息走哪条路。
通信双方要约定格式、顺序、纠错、确认、重传等规则，这就是协议。互联网靠 TCP/IP，移动通信靠 4G/5G 空口协议。

电磁波是总称，无线电波是电磁波谱中的一段。通信里说“无线介质”，通常指无线电波，但严格说，无线电波不是介质，而是电磁波的一种；电磁波传播不需要介质，在真空中也能传。

电磁波是变化的电场和变化的磁场相互激发、在空间传播的现象。它可以在真空中传播，真空中速度约为 30 万公里每秒，即 3×10^8 m/s。
电磁波有频率、波长、振幅、相位、极化等参数。基本关系是：
c = λf
其中 c 是光速，λ 是波长，f 是频率。频率越高，波长越短。进入介质后，速度会变慢，波长变短，频率通常不变。
电磁波谱从低到高大致包括：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽马射线。所以，光也是电磁波，光纤通信用的光波也是电磁波，只是频率比无线电波高得多。

无线电波通常指频率约 3 kHz 到 300 GHz 的电磁波，对应波长约 100 公里到 1 毫米。更高到太赫兹频段，有时也归入无线电波扩展范围。

无线电波主要用于通信、广播、电视、雷达、导航、遥感、卫星通信、Wi-Fi、蓝牙、手机通信等。

电场由电荷产生，电场线从正电荷出发，终止于负电荷。
磁场没有单独的磁荷，磁感线闭合。
变化的磁场会产生电场，这就是法拉第电磁感应定律，发电机和变压器的基础。
电流和变化的电场都会产生磁场，其中“变化的电场产生磁场”是麦克斯韦加进去的关键项，叫位移电流。
变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场又产生变化的电场，两者相互激发，交替向前传播，这就是电磁波。
在无源真空中，麦克斯韦方程组可以推导出波动方程。电磁波的速度由真空介电常数和真空磁导率决定：
c = 1 / √(ε₀ μ₀)
算出来正好是光速，约 3×10⁸ 米每秒。这一步很关键：它说明光就是电磁波，无线电波也是电磁波，只是频率不同。

无线电波通常指频率约 3 kHz 到 300 GHz 的电磁波，对应波长从 100 公里到 1 毫米。频率越高，波长越短，带宽越大，天线越小，但绕射和穿透能力越弱。手机、Wi-Fi、蓝牙、广播、雷达、卫星、无人机图传、5G、低空通感一体，用的都是无线电波。

电动力学是麦克斯韦方程组的系统化和工程化。它研究电磁场在真空、介质、导体、边界条件下的行为。通信里的无线部分，几乎都建立在电动力学上。

傅里叶变换：连续时间，频域，s = jω。
拉普拉斯变换：连续时间，复频域 s，傅里叶的推广。
Z变换：离散时间，复频域 z，拉普拉斯的离散对应。
DTFT：离散时间，频域，z = e^{jω}。
DFT：离散频率，离散时间，实际计算。
FFT：DFT 的快速算法。
傅里叶看频率，拉普拉斯看连续系统复频域，Z变换看离散系统复频域。
拉普拉斯在虚轴上变成傅里叶，Z变换在单位圆上变成 DTFT。

调制：时域乘载波，频域搬移，靠傅里叶变换理解。
采样：时域采样，频域周期延拓，靠傅里叶变换和采样定理。
滤波：频域相乘或卷积，靠傅里叶、拉普拉斯、Z变换。
OFDM：发送端 IFFT，接收端 FFT，是 4G、5G、Wi-Fi 的核心。
数字滤波器：用 Z变换设计，极点零点决定频率响应和稳定性。
均衡器：用 Z变换和自适应算法抵消信道失真。
模拟电路：用拉普拉斯分析 RLC、放大器、滤波器。
控制系统：用拉普拉斯判断稳定性、设计反馈。
雷达和低空通信：用傅里叶分析多普勒频移、脉冲压缩、目标检测。

互联网的端到端互连靠 TCP/IP 协议族；移动通信的“最后一跳”无线接入靠 4G/5G 空口协议；而移动通信的核心网、回传和互联网侧，同样大量使用 IP。两者不是并列替代关系，而是上下层、接入与核心的协作关系。

TCP/IP 不是一个协议，而是一整套协议族。核心是：
IP：负责寻址和路由，把数据包从源地址送到目的地址。全球互联网靠 IP 互连，路由器只看 IP 地址。
TCP：在 IP 之上提供可靠传输。它负责建立连接、确认、重传、排序、流量控制、拥塞控制。网页、文件、邮件大多用 TCP。
UDP：无连接、低时延，适合直播、语音、视频、DNS、游戏。
其他：HTTP、HTTPS、DNS、TLS、ICMP、ARP、QUIC 等，都建立在 TCP/IP 之上。
所以，互联网的“通用语言”是 IP。任何设备，只要支持 IP，就能接入互联网。TCP/IP 解决的是端到端、跨异构网络的互连问题。

移动通信靠 4G/5G 空口协议
空口，英文是 Uu 接口，指手机和基站之间的无线链路。4G LTE 和 5G NR 的空口协议由 3GPP 制定，专门解决无线环境下的传输问题。
以 5G NR 用户面为例，空口协议栈大致是：
物理层 PHY：负责调制解调、OFDM、MIMO、波束赋形、信道编码、同步、功率控制。5G 用 LDPC 和 Polar 码，4G 用 Turbo 码。
MAC 层：负责调度、复用、HARQ、随机接入、功率余量上报。无线资源是共享的，MAC 决定谁在什么时间、什么频率上发。
RLC 层：负责分段、重组、ARQ 重传。模式有透明、非确认、确认三种。
PDCP 层：负责加密、完整性保护、头压缩、重排序。
SDAP 层：5G 新增，负责 QoS 流到数据无线承载的映射。
RRC 层：控制面，负责连接管理、无线资源控制、测量、切换。
NAS 层：非接入层，负责核心网信令，比如鉴权、会话管理、移动性管理。
4G LTE 类似，只是没有 SDAP，物理层和多址方式不同。4G 下行用 OFDMA，上行用 SC-FDMA；5G 上下行都用 OFDMA，但支持更灵活的 numerology 和更大带宽。

为什么空口不能直接用 TCP/IP
无线链路和有线链路差别很大：
误码率高，干扰、衰落、多径、多普勒严重。
带宽共享，需要调度。
信道变化快，需要链路自适应。
移动性强，需要切换。
资源宝贵，需要精细的功率和频率管理。

TCP 假设丢包主要是网络拥塞，但无线丢包可能只是信号不好。如果直接让 TCP 管空口，会把无线误码误判为拥塞，导致速率骤降。所以空口需要自己的 MAC 调度、HARQ、RLC ARQ、PDCP 加密和 RRC 控制。这些是 TCP/IP 不负责的。

手机上网时，协议栈是叠起来的：
应用层：HTTP、DNS、RTP。
传输层：TCP、UDP、QUIC。
网络层：IP。
空口协议：PDCP、RLC、MAC、PHY。
基站：解空口协议，把 IP 包送入核心网。
核心网：UPF、SMF、AMF 等，做会话管理、路由、计费、策略。
互联网：再走 IP 网络到服务器。

TCP 连接是手机和服务器之间的端到端连接。空口协议是手机和基站之间的无线接入连接。基站不解析 TCP，只负责把 IP 包可靠地传过去。核心网和回传网络则大量使用 IP 和光纤。

互联网靠 TCP/IP，是说全球互联网用 IP 寻址和路由，用 TCP/UDP 传输。
移动通信靠 4G/5G 空口协议，是说手机到基站这段无线链路用专门协议。
移动通信的核心网、基站回传、互联网接入，同样靠 IP、以太网、光纤。
手机上网 = 空口协议 + 核心网 + TCP/IP。

低空经济也类似。无人机、eVTOL 的遥控、图传、数传可能用 5G-A、专网、卫星，但上层业务仍可能走 IP。空口协议解决无线接入问题，TCP/IP 解决端到端互连问题。两者分工不同，缺一不可。

[证券通]李娜:A0330623100002

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