手机蜂窝网络其实很简单，让你轻松了解移动通信的奥秘
大家好我是你们的朋友，今天要和大家聊一个我们天天都在用，但可能都没太搞懂的东西——手机蜂窝网络咱们平时打电话、发微信、刷抖音，都离不开发射信号的那个网络很多人觉得这玩意儿高深莫测，其实啊，它就像咱们城市的交通系统一样，有路、有站、有规则，只要咱们花点时间了解，就会发现它其实很简单这篇文章呢，就是想用最通俗易懂的方式，带大家走进移动通信的世界，看看那些我们习以为常的技术是怎么工作的咱们不搞那些复杂的公式和图表，就靠大白话，把蜂窝网络的来龙去脉讲清楚
第一章：蜂窝网络的前世今生——从大哥大到5G的进化史
要说蜂窝网络，咱们得先从它的名字说起"蜂窝"这个词怎么来的呢想象一下蜂巢，每个蜂巢都有很多小格，格子里都有蜜蜂活动咱们这个网络也是一样，把整个服务区域划分成很多个小区，每个小区就像蜂巢的小格子，负责服务一定范围内的用户这样划分的好处是，信号不会乱窜，也不会互相干扰，还能节约资源
说起蜂窝网络的历史，那可就长了最早的时候，在1947年，一位叫马丁·库珀的工程师发明了世界上第一部移动电话，重达2.5公斤，得扛着走那时候的通话质量，嗯...怎么说呢，就像用收音机听广播一样，信号差的时候还伴随着静电噪音但这就是移动通信的起点，也是咱们今天手机网络的祖师爷
到了1970年代，摩托罗拉的工程师们开始研究更先进的移动通信技术他们提出了"蜂窝"的概念，把整个服务区域分成很多个小区，每个小区由一个基站提供服务这个想法太天才了因为这样，每个用户的信号强度都保持稳定，而且基站可以用同样的频率重复使用，大大提高了频谱利用率1979年，日本开通了世界上第一个商用蜂窝网络，使用的是NMT技术，虽然简单，但已经让移动通信迈出了关键一步
80年代，欧洲的科学家们开始研究更先进的系统他们提出了"全球移动通信系统"(G)的概念，这个系统厉害的地方在于，它有一个标准化的接口，让不同厂商的设备都能互联互通1991年，英国开通了世界上第一个G商用网络，从此移动通信开始在全球普及那时候的"老大哥"们可能还在想，这玩意儿能火多久
90年代，数字蜂窝网络开始取代模拟网络数字信号有更好的抗干扰能力，音质更好，还能传输数据1999年，欧洲的3GPP开始制定第三代移动通信(3G)标准，这个标准首次支持了移动数据传输，让咱们第一次能上网看新闻、收邮件那时候的上网速度有多慢呢下载一张图片可能要等半天
进入21世纪，移动互联网彻底改变了咱们的生活方式2012年，4络开始商用，下载速度终于快到可以看高清视频了2019年，5络开始部署，这个网络不仅快，还能连接更多设备，为物联网、自动驾驶等应用打下基础从1G到5G，咱们手机的通信能力提升了上千倍，这个过程就像坐火箭一样，嗖嗖地发展
电信历史学家保罗·约翰逊在《数字时代》一书中写道："蜂窝网络的发展不是线性的，而是爆发式的每个技术进步都建立在前人的基础上，但又远远超越了前辈的想象"这话真没错咱们现在用的5G技术，包含了无数科学家和工程师的心血，它就像一座由无数小块拼起来的大金字塔，每一块都不可或缺
第二章：蜂窝网络的"中枢"——基站的秘密
聊了这么多历史，咱们得说说蜂窝网络的"心脏"——基站基站是啥呢简单来说，就是个放在铁塔上或者电线杆上的大盒子，负责和周围用户的手机通信每个基站就像一个信号中转站，把手机发来的信号传到网络里，再把网络里的数据传给手机
一个典型的基站由几个主要部分组成：射频单元(RRU)、基带单元(BBU)和电源RRU负责处理无线电信号，BBU负责处理数字信号，电源则给整个系统供电现在的基站越来越智能，很多都是"一体化基站"，就是把RRU和BBU合在一起，还能自动调整功率，避免干扰
基站的工作原理其实很简单：它持续广播自己的存在，手机收到信号后就知道附近有基站，就会和最近的基站建立连接基站之间也会互相通信，形成一个覆盖整个区域的网络这个过程就像城市的交通信号灯，每个信号灯都在协调，让整个交通系统运行顺畅
电信公司AT&T曾经做过一个实验，他们在纽约曼哈顿部署了数千个基站，发现当基站密度增加到一定程度时，网络容量会呈指数级增长这个实验证明了"蜂窝"设计的智慧——就像蜂巢里的蜜蜂越多，采集的花蜜就越多
基站的位置选择是个大学问基站要放在高处，比如铁塔上，这样信号覆盖范围更大但也不能太密集，否则会造成信号重叠和干扰现在很多城市都在使用小型基站，比如微基站、皮基站，这些小基站就像城市的"毛细血管"，可以弥补大基站的信号盲区
据国际电信(ITU)的数据，2020年全球有超过200万个蜂窝基站，这个数字还在不断增加这些基站就像城市的元，把信息传递到每个角落如果没有它们，咱们现在的生活会变成什么样估计就像回到1990年，打电话要占线，上网要等半天，那日子可真不好过
第三章：手机和网络"心有灵犀"——通信协议的奥秘
聊了基站，咱们得说说手机和网络怎么"对话"的这个过程就像两个人用不同的语言交流，需要一套共同的"语言规则"，也就是通信协议咱们现在用的移动通信协议，从1G到5G，一直在进化，每个代际都有不同的特点
1G时代，主要目标是让咱们能移动打电话那时候的协议很简单，就像两个人用简单的"是""否"来交流手机和基站之间只传输语音信号，没有数据传输这个时代的代表技术是AMPS(高级移动电话系统)，它使用模拟信号，就像老式收音机一样
2G时代，协议开始数字化G(全球移动通信系统)是2G的典型代表，它使用数字信号，音质更好，还能传输短信2G的协议就像两个人可以用更丰富的词汇交流了1999年，欧洲的3GPP成立，开始制定更先进的3G标准
3G时代，协议开始支持移动数据UMTS(通用移动通信系统)是3G的典型代表，它可以让咱们上网看网页、收邮件3G的协议就像两个人可以用完整的句子交流了2007年，苹果推出第一代iPhone，开启了移动互联网时代
4G时代，协议的速度更快LTE(长期演进技术)是4G的典型代表，它可以让咱们流畅地看高清视频、玩在线游戏4G的协议就像两个人可以用完整的文章交流了2013年，LTE-Advanced成为4G的增强标准，下载速度提升到几百兆每秒
5G时代，协议开始支持超高速率和海量连接NR(新无线电)是5G的标准化技术，它可以让咱们下载一部高清电影只需要几秒钟5G的协议就像两个人可以用整个图书馆的知识交流了2020年，全球第一个5G商用网络在韩国开通
每个协议的进步都离不开数学和编码学的帮助比如，3G的WCDMA技术使用了一种叫做"正交频分复用"(OFDM)的编码方式，这种编码方式就像把一条信息分成很多个小块，每块用不同的频率传输，这样既提高了传输速度，又减少了干扰麻省理工学院的教授吉迪恩·埃隆·哈伯曼在《编码理论》一书中写道："编码理论是移动通信的基石，没有它，我们不可能实现高速率的移动数据传输"
第四章：频谱资源——移动网络的"黄金地段"
聊了这么多技术，咱们得说说移动通信最宝贵的资源——频谱频谱就像无线电波的"频段"，不同的频段有不同的特点比如，低频段信号传播距离远，但带宽窄；高频段带宽宽，但信号传播距离近
频谱资源是个有限的自然资源，就像土地一样，不是越多越好通信会(FCC)曾经拍卖过5G频谱，拍卖金额高达2000亿美元，这足以说明频谱有多珍贵德国电信的CEO伯恩德·施特罗布尔在拍卖后说："频谱是移动通信的命脉，没有它，我们不可能提供5G服务"
不同的有不同的频谱分配策略比如，把低频段主要用于移动通信，而欧洲则把低频段和较高频段都用于移动通信这种差异导致了不同的网络性能据国际电信的数据，2020年，用户的平均下行速度是欧洲用户的2倍，这主要是因为有更多的低频段频谱
频谱的分配还涉及到很多和经济问题比如，2019年，
