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1月25日，2018高通中国技术与合作峰会开幕，这就像一场中国手机行业的年底聚会。峰会上，高通预计于2019年推出的5G终端，将带来一场无线产业的大变革。高通总裁克里斯蒂安诺·阿蒙说，5G将带来两个根本性的变化。第一，5G将满足消费者对于无限高速数据的需求。第二，就是时延方面，在4G的时代时延一般是30毫秒，而到5G时代，时延将被降低到1毫秒，无限存储从此将成为可能。（文末有福利） 5G即将改变我们的生活，但是这个名词到底代表的是什么？ 5G所指的是第五代（G是英文generation的缩写）无线通信技术。在历史上，依次出现过0G、1G、2G、3G、4G技术。不知旧无以言新，就让本文简单介绍一下无线通信技术发展的历程。 在2015年年中，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？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1876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（public switched telephone network）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。 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？  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 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（multiple access）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）。我们将在本文对其进行深入探讨。按不同频率进行共享 复式电报机根据不同频率，利用频分多址（frequency division multiple access，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（frequency channel），使其能进行联系。你可以在图1–3 中看到图示。  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。 “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）。关于频道的更多信息，请参见本书网站的Q1.1部分。  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 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20 000 赫兹。 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。1946 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1964 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。1973 年，他带领团队花了90 天，制造出史上第一台手持电话：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3 000 美元（1973 年的美元价值! ），通话30 分钟便需要充电。相比之下，2016 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150 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。 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” 1976 年，仅纽约市就有大约500 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（Federal Communications Commission，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。有关FCC许可过程的更多信息，请查看本书网站的Q1.2 部分。 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。  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100。当信号到达本时，功率电平是50。到达查理时，是10 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：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 那么每个蜂窝里有什么？有基站（base stations），也叫BS，以及移动站（mobile stations），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2 500万名手机用户。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。 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）。  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 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1982 年。到1987 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（time division multiple access，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：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 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900MHz 和1 800MHz 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。按照代码进行共享 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1988 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。1989 年，蜂窝电信行业协会投票通过，将TDMA作为美国第一个2G数字标准。 向上升，向前进：3G、4G 及其他 几十年来，移动入网数量剧增。仅美国，移动入网数量就从1985 年的大约340 000 增长到2015 年的327 000 000，30 年中增长了近1 000 倍。自2011 年以来，美国的移动电话渗透率已经超过了100%。 进入21 世纪，3G手机在全世界迅速普及。国际电信联盟（ITU）于2000 年发布3G技术规范，本质上就是要求手机像掌上电脑一样工作：除了打电话和发短信，手机还具备上网、视频通话、移动电视的功能。目前两大主要的3G标准分别是用在欧洲、日本和中国的UMTS（通用移动通信系统），以及用于美国和韩国的CDMA2000（码分多址）。这两种技术都基于CDMA，通常被部署在1.9~2.1 GHz 的频率范围内。 截至2015 年年初，世界上大约70%的人口被至少一个3G网络覆盖。这一数字在2012 年年初是50%。据预测， 到2020 年，世界上超过4/5（即80%以上）的人口将可以使用3G网络，这将使其几乎无处不在。有关智能手机如何出现的信息，请参考本书网站Q1.5 部分。 自从1G网络在20 世纪80 年代实现商业化以来，大约每10年就有新一代的蜂窝网络出现。按照这一速度，4G网络性能要求在2008 年被提出，与之前的3G规范相比，它提出更高的速度和能力要求。此后出现的主要标准是长期演进（long-term evolution），简称LTE。LTE没有使用CDMA技术， 而是基于正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing）技术，简称OFDM。 在美国，第一台LTE智能手机出现在2011 年年底。2015 年年初，世界上大约25%的地区覆盖了4G网络，并且预计到2020 年，4G网络覆盖率将增加到60%以上。2017 年，4G相对于3G的性能改进有望吸引10 亿用户。虽然截至2016 年，4G网络覆盖范围小于3G网络，但它正以更快的步伐部署着。 蜂窝网络的发展历程，完美诠释了多年来网络如何尽力满足消费者对性能的需求这一问题。不同的共享方法，无论是频率、时间还是基于代码的无线网，都被开发出来以实现这个目标。虽然我们并不知道这其中涉及的过程，但对于蜂窝网络的运行而言，实时更新和管理我们通话的功率是必不可少的。找到正确的共享方法很困难，但也非常重要。 分布式功率控制说明了几个在网络发展和本书中经常出现的主题：负反馈、系统平衡，以及分布式协调。它也说明了我们将反复看到的以下主要观点：允许每个用户出于自身利益做出独立的决定，可以在所有用户间累积到一种公平而有效的状态 本文节选自《网络的力量》 我们使用网络，也被网络塑造。 个人不理解网络，如何理解生活与这个时代？ 企业不理解网络，如何在急速的变革中生存？ 《网络的力量》 不口若悬河扯理念 只实实在在讲科普 想了解网络的逻辑，只需要读懂一本书。  网络的力量：连接人们生活的六大原则 [美] 克里斯托弗·G.布林顿（Christopher G. Brinton） / [美] 蒋濛（Mung Chiang） 中信出版集团2018年1月 ☞早读推荐： 「礼物说」是国内领先的礼物电商。今年春节，礼物说联合全球500个优质品牌，选出了100+种最适合春节的商务礼品。 礼物说小程序还推出「免地址送礼物」的功能，只需挑选心仪的礼物购买，微信发给好友，对方填写完地址即可坐等礼物上门啦~年末送礼对象这么多，免去一一问地址、寄快递的流程，有送礼烦恼的商务人士不妨试试吧~ 看到这里，小早又要来送福利了！在此篇文章下面留言谈谈你和网络之间的故事，早读课将免费赠送2本图书，规则是挑选留言中最用心的，复制其他人的段子将会被直接取消资格。时间截止到2月22日0点，记得查看评论。 |
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