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控制你的“音量”

如今，手机已成为我们日常生活的一部分。图1–1显示了部分国家在年年中的手机渗透率，即各国平均每人拥有的手机数量。请注意，最左侧5个国家的渗透率均超过%，说明在这些国家，手机数量超过了人口数量。

此外，在年年中，图1–1中的13个国家均拥有超过1亿的手机入网量。同一时期，全世界手机入网量超过68亿。

既然数量如此巨大，你也许会问，我们如何能有效地进行无线通信，而不会干扰彼此通话、收发信息及上网？我们将在本书这一部分分享几种方法，本章首先介绍功率（通话音量）控制。现代移动蜂窝（cellular）系统是几十年来技术革新的产物。20世纪40年代至80年代，移动设备尚属奢侈品，而到了21世纪，则变成了必需品。伴随这一趋势，工程师们必须想出能让人们进行无线通信的不同方式。

从电话到手机

在无线网络和手机出现之前，通信网络主要依靠有线（wireline）手段，即利用线缆进行通信，与之相对的是无线（wireless）通信。早在年10月9日，通过从波士顿到坎布里奇的一段2英里长的线缆，亚历山大·格雷厄姆·贝尔拨打出了世界上第一通电话。

第二年，贝尔电话公司成立。那是第一家提供公共交换电话网络（publicswitchedtelephonenetwork）服务的公司（我们通常称之为“固定线路”）。

在设计电话前，贝尔正在对此前发明的电报进行实验。利用“复式电报机”，多个发送者（transmitters，信息发出方）和接收者（receivers，信息接收方）能够通过一条线路进行联系。

注：图为截至年6月，部分国家的手机渗透率，即平均每人拥有的手机数量。其中6个国家的渗透率为%或以上，说明这些国家的手机数量超过人口数量

试想一下：我们如何能像图1–2那样，让许多人使用同一条线路呢？假如安娜和本正试图通话，查理和达娜也是，这难道不会导致他们干扰彼此的通话吗？

其实未必。虽然他们在使用同一个空间（电话线），但我们可以在其他层面把他们分开。最直接想到的或许是时间：让安娜和本占用一会儿电话线，然后让查理和达娜用一会儿，再让安娜和本用，如此反复。

我们还可以试着用语言来区分：让安娜和本说英语，查理和达娜说西班牙语。这样他们就能同时通话，只需要听自己的语言就行。即便如此，我们还是要担心不同的说话声会盖住彼此。

这些层面——时间和语言，是不同多址联（multipleaccess）技术的简化例子。这些技术使多个通话者能共用同一网络媒介（如电话线和无线信号）。我们将在本章对其进行深入探讨。按不同频率进行共享

注：假设安娜正在和本打电话，查理正在和达娜打电话，两对通话者如何能在使用同一条线路时，不互相干扰呢

复式电报机根据不同频率，利用频分多址（frequencydivisionmultipleaccess，FDMA）将不同连接进行区分。FDMA会为每组发送者和接收者（称为一个“链接”）分配一个频道（frequencychannel），使其能进行联系。你可以在图1–3中看到图示。

“频率”是什么？对于我们能听到的频率，可以理解为声音的不同音调。频率以赫兹（hertz，Hz）为单位进行衡量，表示声波平均每秒完成的循环次数。因此10赫兹表示声波每秒完成10次循环（见图1–4）。

频率单位将在本书此部分多次被提到，但我们即将探讨的频率范围远远超过一赫兹的数量级。通常提到的无线频带为数百万赫兹或数十亿赫兹，分别称为兆赫（MHz）和千兆赫（GHz）。为了帮助你理解这些数字的概念，人类能听到的最高频率为大约20，赫兹。

注：通过频分多址，根据通话的指定频道对其进行区分：通话一的用户被分到一个频道，通话二的用户被分到另一个频道，以此类推

第一代移动电话始于20世纪二三十年代，运用了FDMA技术。它们在本质上是模拟（analog）的，也就是说，它们的信号完全以电的形式从空中穿过。年，贝尔电话公司建立第一套“移动电话”网络，称为“移动电话服务系统”。这套系统与年出现的新一代系统一样，都是FDMA系统。它们被认为是第零代技术，也叫作0G，与之相对的是我们现在使用的4G技术。

第一台手持电话

20世纪70年代，摩托罗拉公司的马丁·库珀坚信，手持电话将成为未来的潮流。年，他带领团队花了90天，制造出史上第一台手持DynaTAC。

DynaTAC并不像今天的手机。它重达近2磅（约0.9千克），价格接近3美元（年的美元价值!），通话30分钟便需要充电。相比之下，年的一台苹果手机重量不到1/3磅（约0.15千克），价格可低至美元（取决于具体型号和无线网络合同），并且每次充电后可供数小时通话及数据应用使用。

注：不同频率的两条声波，表示平均每秒完成的循环次数。实线波频率为1赫兹，虚线波频率为3赫兹

直到20世纪90年代中期，手持电话产业才真正开始脱离车载电话。与数字网络类似，只有当电子元件成本开始大幅下降，手掌大小的电话才变得实际。而电子元件成本下降，部分是因为需求上升。需求之所以上升，部分是因为这些技术的应用增加了。

“蜂窝电话”的“蜂窝”

年，仅纽约市就有大约名手机用户，在等待名单上的人数超过这个数字的6倍。网络容量（capacity）急需扩大。那么，网络运营商能做什么呢？实际上只有两种选择：请求联邦通信委员会（FederalCommunicationsCommission，简称FCC）提供更多频谱，或找出一种方法，使更多用户能使用同一频谱。

如何让更多的用户共享同一频谱？也许可以重复使用频道？这似乎有点儿牵强：如果有两个链接紧挨着彼此，又在使用相同的频道，肯定会产生干扰。但是，如果它们不在彼此旁边呢？如果它们距离足够远，那么可以重复使用同一个频道吗？

答案是肯定的。当信号通过空气（以及通过线缆）传播，其功率电平会衰减（attenuate）。这意味着它们会随着距离增加而减小，如图1–5所示。

通常情况下，衰减被看作是一件坏事。它会导致信号减弱，使其难以远距离传送。但这正是我们所需要的：如果你和我相距足够远，我们就都可以打电话，而且也不会导致信号在空中重叠。衰减的特性使得工程师开始从地理上把移动信号区划分为一个个蜂窝（cell），通常表示为“六边形”。

这个想法是，任何指定的蜂窝都可以被分配一组不被相邻蜂窝使用的频率。这样，使用同一频道的蜂窝将距离彼此很远，不会产生干扰，使我们能够更有效地使用现有的资源。

你可以在图1–6中看到蜂窝网络的示例。在这里，任何具有相同颜色的六边形将被分配相同的频率，因为它们不相邻。假如颜色最深的得到频道1至4，颜色深度居中的得到5至8，颜色最浅的得到9至12。罗布在深色蜂窝里，位于频道2。在他的蜂窝里的其他人可能处于1、3或4频道。

由于蕾切尔是在另一个深色蜂窝里，因此她也可以被分配到频道2，因为她距离足够远。本在中间的蜂窝，则不能得到频道2，因为他太接近深色蜂窝。我们为不同蜂窝指定颜色（频率）时，经常想让使用的颜色数量尽可能小。找到那样的颜色组合实际上是相当困难的，特别是当图中单元格的数目变得非常庞大时。

注：当信号通过空气传播，其功率电平会衰减。在安娜的手机周围，她的手机发射功率电平是。当信号到达本时，功率电平是50。到达查理时，是10

那么每个蜂窝里有什么？有基站（basestations），也叫BS，以及移动站（mobilestations），也叫MS。每个蜂窝的基站一端连接有线核心网和互联网，另一端连接分配给它的移动站。移动站可以是一部手机、一台平板电脑，或任何可以根据蜂窝标准发送和接收信号的设备。

单元首先在先进的移动电话系统中使用，标志着1G技术在美国的诞生。在这个系统中，移动用户数量猛增。到20世纪90年代，仅在美国就有2万名手机用户。这也意味着，由于高使用率和低容量，模拟信号已经无法满足需求。

注：这是一张蜂窝网络图。每个单元都是一个六边形，包括多个移动站（MS）和基站（BS）。单元格的颜色深度表示单元格使用的频带。相邻两个单元格没有相同的颜色，因此使用不同的频带以防止干扰

进入数字时代

随着模拟网络再次变得拥挤，美国和其他各国开始尝试另一种选择：数字（digital）系统。模拟信号将被“数字化”，转换成二进制位的序列，即1和0（见图1–7）。

数字系统在容量上拥有巨大优势，因为它们使用了另外两个我们将讨论的多址联接技术。在20世纪80年代末之前，建立这些网络所需的小规模电子设备成本还不够低。

按照时间（和频率）进行共享

从模拟到数字蜂窝的转换标志着1G技术发展到了2G。第一套2G技术标准是全球移动通信系统，简称GSM，始于年。到年，该系统容量便达到模拟系统的3倍。

数字代码使我们能将多个通话压缩到一个频段。所以，即使在一个单元里，我们也可以让很多人共用同一个频道。我们只需要添加另一个维度。最明显的额外维度选择是时间。

换句话说，多个用户可以共享同一个频道，但他们必须轮流使用。按照一套叫作时分多址（timedivisionmultipleaccess，简称TDMA）的方案，每人被分配到不同的时段。你可以在图1–8中看到TDMA的一个例子。

注：模拟信号随着时间不断变化。与之相反，数字信号是一系列的二进制位，即1和0

由于欧盟倾向于发展一套共同的标准，GSM在欧洲很多地区被迅速采纳。GSM今天仍然在世界部分地区使用，主要在MHz和MHz频段运行。这降低了手机成本，标志着手机发展进入新阶段，能提供短信、游戏，以及其他娱乐功能。

在美国，采用2G标准的历程更有趣。在了解对容量的需求增加后，美国蜂窝电信行业协会在年发布了一系列性能要求，规定通信行业应致力于达到第一套数字蜂窝标准。其中的主要要求是，容量应达到传统模拟网络的10倍。

注：利用时分多址，一定数量的通话（图中为3个）可以共享相同的频道。例如，通话A、B和C被分配到相同的频道，但在时间上是分开的

这个时候，几乎所有美国的网络运营商和设备制造商都觉得TMDA是最好的办法，但高通（Qual

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