259. 第一代手机蜂窝系统的发展 | 软件那些事儿

上一期讲了卫星,讲了摩托罗拉的铱星计划,铱星计划虽然很好,但是没有流行起来,流行起来的电话系统叫蜂窝技术。现在我们用的手机网络仍然是蜂窝技术,现在GSM、WCDMA/CDMA2000(3G)、LTE/LTE-A(4G)都是蜂窝技术。

为什么叫蜂窝呢?因为长的像蜂窝。在移动网络系统中,把信号覆盖区域分为一个个的小区,它可以是六边形,正方形,圆形或其它的一些形状,通常是六角蜂窝状。讲到蜂窝网络,就不得不提一个公司叫Nokia,现在这家公司已经没多少存在感了,但是当年它确实是NO 1。

关于Nokia这家公司,前面的电台里我已经讲过了,这次再简单的讲一下吧。Nokia一直以来是个默默无闻的公司,他们想转型为电信公司,就借着戈尔巴乔夫访问的机会,让他用了一下手机。这个手机叫“城市人900”,人们更喜欢另一个名字叫“戈尔巴”。

“戈尔巴”与摩托罗拉出品的第一款手机“DynaTAC 8000X”非常相似。摩托罗拉的手机是1984年上市的,Nokia的“戈尔巴”整整晚了三年。相比于摩托罗拉,Nokia的“戈尔巴”有相对比较成熟的网络NMT(北欧移动电话)。这个网络是1981年开始建设的,是第一种可以跨国使用的全自动蜂窝电话系统。很快就由瑞典和挪威扩展到了芬兰和丹麦。

在蜂窝技术之前,传统的无线电通信有非常大的问题,最难克服的问题是服务的用户数量实在是太少了,而且终端设备的造价要高的惊人。

相信大家都学过万有引力定律,万有引力的大小与距离的平方成反比。这种类型的定律被称之为平方反比率。这种符合平方反比的定律有很多,除了万有引力定律,还有库仑定律,也包括无线电波。对手机来说,距离只要增加一倍,要达到的相同的通话效果,信号的强度就要增加四倍。要增加强度,肯定要增加发射的功率,相应的就要多消耗电池。

就算是有巨大的电池,还会有一个问题,比如一个城市中如果有一个基站,那么整个城市中只能用有限的信道。信道也叫频道或波道,是信号在通信系统中传输的通道,由信号从发射端传输到接收端所经过的传输媒质所构成。比如说网线是信道,电话线、双绞线、对称电缆和同轴电缆,光纤什么的,都是信道。在空中的无线网也是信道。

这个电台不是那么严格,如果严格来讲,就没法讲了,就成了无线通信原理了。无线信道主要有以辐射无线电波为传输方式的无线电信道和在水下传播声波的水声信道等,像地波啊,天波都是无线信道,这些可能是用于收音机,用于雷达,也都是非常重要的。在这一期节目里,只讲手机信道这一个问题。

通信原理课程过于单调,一堆公式推导,考过就忘。虽然我学过通信原理,如果让我去查课本的话,我也知道频谱、频谱密度、能量谱密度和功率谱密度之间的关系,什么功率信号的频谱函数,能量信号的频谱密度,能量信号的能量谱密度,还有随机过程什么的,都能搞一搞,毕竟当年我考试还除了体育就是通信原理考的高,体育满分,通信原理62分。其它的都介于60到62之间。

之所以我不讲这些特别干的干货,是因为这些方程,如果你不会微积分可能要学至少2年,如果你会微积分,也得搞一年,比如窄带随机过程,高斯随机变量的一维概率密度函数,那公式一看就很长,靠语音肯定是讲不清楚的。如果你对通信感兴趣,这些都要自己去研究,去做题。

这些枯燥的东西最有用,反而是一些看起来很潮的词过个一年半载就没用了。反而是如何求信号的频率,如何求信号的相位这些要重要的多。但是潮词说起来很有带感,比如现在的社会太内卷了,你要请专家来解释一下内卷是什么意思,物化女性,物化男性,你要解释一下物化是什么意思。但是如果我解释什么是一维概率密度函数,那肯定就没人听了。

这是一种媒体的选择过程,越是新潮的东西越容易被传播,越是陈旧的知识越不容易被传播,最后变成了一种筛选,只有新潮的东西容易被传播,不新潮的但是有用的东西,要逼近着人去学,还要考试,还学不会。有很多的同学,通信原理也学了,什么都懂,最后一毕业,老婆一怀孕,买了防辐射服。还楼上楼下的请人家把WiFi给关了。学了N年的习,最后抵抗不了朋友圈一篇防辐射的养生文。

还有一个经典的例子,网上有些闲的蛋疼的人会编辑百度百科的条目,非常的详细,但是都是自己胡说的,比如夏尔谢夫力,每个字都是真的,但是全是胡编的,又有公式,又有谁发明的,还给了论文链接。然后一些受过高等教育的人,网上一搜就引用了,实际上全是谎话。以前还有人在百度百科上编辑了牙米蝶,说这是一种蝴蝶。

这个时代最显著的特征就是普遍的专业水准底下,普遍的德不配位,普遍的人前一套,人后一套,这是时代大环境的产物,不是群体或当中任何一个人的志愿。不要对我要求太高,我教不了大家编程,我讲的故事,仅仅是打发你上下班无聊的时间,路上开车也好,骑共享单车也好,又不能刷微信。如果能引起你的一丝兴趣,你入了这个坑,比如你对通信感兴趣了,你入坑了,又不能换专业,为了及格,你只能硬着头皮学下去。你会发现,这些枯燥的公式不仅适用于1G,2G,3G,4G还适用于5G,你就不会被人像傻子一样的骗。5G再牛逼,也100%符合通信原理的那些公式。以后的6G,7G到100G,估计也符合。数学公式的生命比每个人的生命都长,几乎是永恒的。

最早以蜂巢式基地台网络与手机之间进行通信的电话网络,被称为“第一代”移动通信(1G)。这也就是在公元1980至九十年代之时,于影视作品之中经常能见到被富贵阶级的人物角色所使用的手提式电话。

在这一类移动通信系统之中有名的先驱是美国摩托罗拉公司的马丁·库珀博士。这种手机有多种制式,如NMT、AMPS、TACS,但是基本上使用频分复用方式只能进行语音通信,收讯不稳定,且保密性不足,无线频宽利用不充分。

此种手机类似于简单的无线电双工电台,通话时锁定在一定频率,所以使用可调频电台就可以窃听通话。这个时候,语音传播是模拟的,只能传输语音流量。由于受当时的电池容量限制、模拟调变技术需要庞大的天线、以及积体电路的发展状况等等制约,直到摩托罗拉推出StarTAC折叠式手机之前,这一类移动电话只能算是“可以移动”,仍无法达到“随身携带”的标准。

这种第一代手提电话在早期因为外型因素,经常被很多人称呼为“砖头”或是“黑金刚”。因为受到影视作品之中所渲染的印象所影响,这种体积巨大的老式手机在民间也素有“大哥大”之称。早期刚引进第一代移动电话网络的当时,使用“大哥大”是为一种身份象征。以香港为例:于1985年,一部“大哥大”价值为两万九千港元,至1990年代,价值仍然达到一万三千港元。

那时候大陆这边没什么好的影视作品,就看hk的电影,成龙,洪金宝什么的经常拿个大哥大在里面转悠。实际上,我从来没见过真的大哥大,我在农村长大,第一打电话是查高考成绩,还得去我们村的村委里去打。结果还是让村长给打的,不会搞。当时考了个很好的成绩,村长都觉得很高兴,觉得我很有出息。现在20多年过去了,终于知道考的好不好,对我来说并没什么卵用。

在1964年,纽约推出第一代移动电话服务的时候,只有12个可用的信道,这12个信道,只能服务2000名客户。这2000名客户拿起手机,要打给话务员,话务员一看是手机用户,都是是金主,通话的时候一分钟12美元,就会排在最最优先的位置,给手动连接。这个等待时长平均是20分钟,接不通的这20分钟,手机要一直开着,收2美元一分钟,也就是说,打个电话,人还没找到,一句话也没说,先付上40美元。

我相信,在纽约,找2000个不差钱的人一点问题也没有。

但是这总归是个问题,有问题,就要解决,能多坑点不差钱的主。于是就有道格拉斯·林来提出解决方案。

为解决有限的信道数问题,贝尔实验室的工程师道格拉斯·林于1947年提出一项建议:与其使用大功率中央发射机覆盖整座城市,不如利用若干低功率基站提供高度本地化的连接。这些基站仅为蜂窝有限覆盖区域内的客户提供服务。上述方案的优点在于,即便这些基站都使用同一个频段,也可以通过整个覆盖区域内的基站之间智能分配信道来避免相邻基站共享相同的信道。由于只需较低的功率就能覆盖一个蜂窝区域,因此距离较远的基站可以复用相同的信道,不必担心在较远处同时使用同一个信道可能造成的干扰。

如果采用这种方案,那么一次可以服务的用户数量不再受限于整个覆盖区域,而仅仅与单个蜂窝有关。此外,由于覆盖范围减小,手机的最大传输功率也会相应降低,从而可以使用电池更便宜(也更轻)的小型手机。蜂窝技术巧妙解决了最大限度同时使用有限信道集这个最关键的问题,从而可以通过不断复用信道来实现全国性覆盖。

但另一个更复杂的新问题随之而来:用户离开当前连接的基站时,手机必须持续扫描附近其他可用的基站;如果发现另一个连接质量更好的蜂窝,手机将请求当前基站将正在进行的呼叫切换至该蜂窝。切换时,正在进行的呼叫必须能无缝切换至新的无线电信道,手机通过该信道连接质量更好的蜂窝,手机将请求当前基站。此外,通话需要从原基站重新路由至新基站。

为避免通话质量下降,全部过程要在0.1秒至0.2秒内完成。虽然蜂窝网络所依据的理论切实可行,但无论是基站之间的这种音频按需路由,还是手机所需的动态无线电信道切换,都无法通过20世纪50年代拥有的技术实现。然而,电子技术的进步最终使全自动化成为现实。计算机在其中发挥的作用功不可没,因为它可以处理基站和手机中必要的切换逻辑。

道格拉斯·林提出蜂窝电话技术30多年后,贝尔实验室于1978年在美国芝加哥率先大规模实施蜂窝网络。日本电话电报公司紧随其后,于1979年部署蜂窝网络。仅仅两年后,NMT系统问世,成为第一种在多个国家透明运行的网络,最初覆盖瑞典和挪威,1982年扩展到芬兰与丹麦。芬兰电信公司”诺基亚“因为拥有成熟的蜂窝技术开发经验而逐渐成长为通信巨头。

以上这一段来自图灵出版社的《无线通信简史》

第一代蜂窝系统均以模拟技术为基础,不仅容易遭到窃听,而且会浪费宝贵的频谱资源。与一次只能有一个用户传输数据的传统无线电通信不同,蜂窝网络连接具有全双工性质,必须在整个通话期间为用户分配两个信道:一个信道用于上行音频,将用户A的声音传输给用户B;另一个信道用于下行音频,将用户B的声音传输给用户A。并且相对较宽的信道才能容纳模拟语音信号。

容量问题亦随之而来,客户群迅速增长导致部分蜂窝严重拥塞。如果用户继续尝试打电话,将遇到越来越多的掉话或忙音。即使实施蜂窝复用,相对较少的可用信道总数也成为人口稠密地区的严重瓶颈。

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