信息與通信的秘密

豌豆皮

通信網(wǎng)絡(luò)是怎樣建立起來的

通信網(wǎng)絡(luò)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是與固定電話、移動(dòng)電話和互聯(lián)網(wǎng)寬帶相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施。它既包括鐵塔、機(jī)房等場(chǎng)所，也包括信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)、移動(dòng)基站、信息管線等設(shè)備。固定電話使用公共電話網(wǎng)絡(luò);移動(dòng)電話使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)又能夠通過無線局域網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)寬帶;計(jì)算機(jī)終端使用互聯(lián)網(wǎng)寬帶。現(xiàn)代的移動(dòng)通信技術(shù)可以把這三者結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，讓每一個(gè)人都能夠通過智能手機(jī)終端與整個(gè)世界相連。

當(dāng)我們使用移動(dòng)電話的時(shí)候，我們手中的終端——智能手機(jī)連接到附近的基站。每一個(gè)基站對(duì)應(yīng)處理周圍一個(gè)正六邊形范圍內(nèi)的手機(jī)信號(hào)，無數(shù)個(gè)這樣的正六邊形緊密連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無縫覆蓋，這樣的形態(tài)與同樣由無數(shù)個(gè)六邊形構(gòu)成的蜂窩非常相似，所以移動(dòng)電信網(wǎng)絡(luò)又叫“蜂窩網(wǎng)絡(luò)”，我們有時(shí)候看到把手機(jī)叫作“蜂窩電話”的說法，就是這個(gè)原因。人們?cè)谑褂靡苿?dòng)電話的時(shí)候，往往自己還在移動(dòng)，常常從一個(gè)基站的范圍來到另一個(gè)基站的范圍，這時(shí)信號(hào)就會(huì)在基站間自動(dòng)切換，保證總是與離自己最近的基站通信。基站通過光纖與移動(dòng)交換中心相連接，如果需要呼叫的是固定電話，移動(dòng)交換中心就與公用電話網(wǎng)絡(luò)相連接。如果需要呼叫的也是移動(dòng)電話，移動(dòng)交換中心就連接到另一個(gè)基站，找到對(duì)方的手機(jī)。在這個(gè)過程中，手機(jī)發(fā)出和接收的無線信號(hào)通過基站連接到有線的光纖網(wǎng)絡(luò)，基站是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中信息傳遞的樞紐。基站的位置、數(shù)量和工作狀態(tài)，決定了移動(dòng)通信的質(zhì)量，也就是我們俗話說的“信號(hào)好”或“信號(hào)不好”。

①多普勒效應(yīng)

奧地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒提出的理論，即波在波源移向觀察者時(shí)，接收頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)接收頻率變低。當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí)也能得到同樣的結(jié)論。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)

了解無線信號(hào)

無線信號(hào)與有線信號(hào)最大的不同，就是它非常容易受到環(huán)境的影響。無線電波會(huì)隨著距離的增加而迅速衰減，會(huì)被地形和建筑物遮擋、反射，還很可能被其他信號(hào)干擾。我們有時(shí)在城市里高樓林立的地方，或者大型建筑物內(nèi)部，容易覺得信號(hào)不好。在一些基站覆蓋不夠全面的國(guó)家或地區(qū)，地鐵里沒有信號(hào)。每一臺(tái)手機(jī)使用一張sim卡，以一個(gè)獨(dú)特的頻率連接到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，如果這個(gè)頻率上有其他信號(hào)干擾，就會(huì)出現(xiàn)噪音。這些情況都是由無線通信自身的特點(diǎn)決定的。當(dāng)通話中的人們還在快速移動(dòng)的時(shí)候，由于多普勒效應(yīng)①，通話的頻率會(huì)產(chǎn)生微小的偏移，網(wǎng)絡(luò)還需要解決這種高速移動(dòng)帶來的干擾。要保證移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的通話質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速度，需要大量的通信基礎(chǔ)設(shè)施作為物質(zhì)保證?，F(xiàn)在，在我國(guó)，不管是在高鐵、地鐵還是郊區(qū)，甚至一些非常偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村地區(qū)，都能夠順暢地使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，這在全世界并不多見。

日新月異的通信技術(shù)換代

人們用1G、2G、3G和4G來描述移動(dòng)通信技術(shù)的每一次更新?lián)Q代。從第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3G）開始，移動(dòng)通信有了高速傳送數(shù)據(jù)的能力，能夠同時(shí)傳送聲音和數(shù)據(jù)信息。現(xiàn)在，我國(guó)的絕大多數(shù)移動(dòng)通信用戶使用4G網(wǎng)絡(luò)，它是真正的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，大幅度地提高了每一個(gè)“蜂窩格子”的容量，可以讓更多的人同時(shí)享用高速網(wǎng)絡(luò)而不產(chǎn)生“擁堵”。4G網(wǎng)絡(luò)像是一條信息的高速公路，由于大大拓寬了路面，可以分出更多的“車道”，讓更多的用戶并排在這條高速路上暢游。這樣的高效傳輸為人們的生活提供了許多便利，導(dǎo)航、電子商務(wù)、移動(dòng)支付和其他各種手機(jī)APP應(yīng)用成為日常生活中越來越不可或缺的一部分。目前，我國(guó)的4G用戶數(shù)已經(jīng)突破了10億，到2018年年底，移動(dòng)寬帶（包括3G和4G）的普及率達(dá)到了93.6%。正在興起的5G網(wǎng)絡(luò)擁有更寬的帶寬和更高的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到光纖般的網(wǎng)速，瞬間傳輸海量的數(shù)據(jù)，達(dá)到“萬物互聯(lián)”的效果。而且，5G使用的頻段可以覆蓋不同國(guó)家運(yùn)營(yíng)商的分配頻段，這樣就大大降低了全球漫游的難度。5G將如何深切改變我們的生活，這都是在目前還難以完全預(yù)料的事睛。

4G和5G有一個(gè)特點(diǎn)，就是信號(hào)的穿透力變?nèi)?，因此?duì)基站的密度需求越來越高。有專家估計(jì)，在熱點(diǎn)區(qū)域，5G基站的覆蓋半徑將只有100-200米，每幾百米就需要建設(shè)一個(gè)通信基站。市政規(guī)劃中，一般優(yōu)先使用行政辦公設(shè)施、地鐵站點(diǎn)、商業(yè)樓宇等公共建筑來建設(shè)基站。在居民小區(qū)，通常根據(jù)建筑物的布局和人口密度等情況，在小區(qū)外的公共區(qū)域建設(shè)基站。與此同時(shí)，有些人會(huì)擔(dān)心基站的電磁輻射會(huì)不會(huì)對(duì)自己的健康不利。

其實(shí)，我國(guó)對(duì)電磁輻射的標(biāo)準(zhǔn)是非常嚴(yán)苛的，國(guó)家環(huán)保局在《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》里要求功率密度小于40微瓦/平方厘米，是日本標(biāo)準(zhǔn)的1/11，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的1/15。按照正常標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的基站，并不會(huì)對(duì)人們的健康造成影響。如果距離基站太遠(yuǎn)，帶在身邊的手機(jī)連接不上基站，就會(huì)不斷發(fā)出信號(hào)，反而帶來更多的輻射。在信號(hào)不好的地方，手機(jī)電量消耗特別快，就是這個(gè)原因。

更廣大的通信網(wǎng)絡(luò)

除了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)之外，智能手機(jī)還能通過無線局域網(wǎng)（WLAN）與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)入內(nèi)容更寬廣的網(wǎng)絡(luò)世界。我們常常用“WiFi”來指代無線局域網(wǎng)，其實(shí)WiFi的意思是“無線保真技術(shù)”，是實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)的一種主要技術(shù)和協(xié)議，也是一個(gè)商標(biāo)。

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)把每一個(gè)智能手機(jī)終端與整個(gè)世界連接起來，這種連接的牢固程度和普遍程度是由通信基礎(chǔ)設(shè)施與設(shè)備的日常運(yùn)曹水平?jīng)Q定的。電信行業(yè)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理都需要大量人力資源，而且，由于相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，不管是設(shè)備和服務(wù)，都需要定期更新，甚至突飛猛進(jìn)地更新?lián)Q代，這又需要從業(yè)人員有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力。我們引以為豪的當(dāng)代中國(guó)“新四大發(fā)明”，也就是高鐵、掃碼支付、共享單車和網(wǎng)購(gòu)這四種深刻影響中國(guó)城市生活方式的應(yīng)用，每一件都離不開基礎(chǔ)電信服務(wù)業(yè)的強(qiáng)大支持。