“蜂窝电话”or“移动电话”

对大多数人来说，最常用的无线设备就是手机了。这种设备曾被叫作“蜂窝电话”或“移动电话”，在1980年代还是个稀罕物。如今，地球上半数以上的人都与它须臾不离了。蜂窝电话是本书介绍的所有主题中最值得好好讨论的一个典型，它不仅涉及硬件、软件、通信，还关乎社交、经济、政治，甚至法律。

第一代蜂窝电话是由AT&T在1980年代早期研制成功的。当时的电话机又大又笨重，而蜂窝电话的广告中则有一个人手提一个装着电池的小箱子，站在一辆携带着天线的汽车旁边。何谓“蜂窝”？因为频段和无线电的覆盖范围都是有限的，因此就要把整个地区划分为蜂窝状的许多小区。可以将每个这样的小区想象为六边形，然后中央有一个基站，相邻的小区之间通过基站相连。打电话的时候，手机会与最近的基站通信。当用户移动到另一个小区时，进行中的通话就由原来的小区移交给新小区，但这个切换用户一般觉察不到。

由于接收功率会随着距离的二次方衰减，所以位于既定频段中的频带在不相邻的小区内可以重用，而不会相互干扰。这就是可以高效利用有限频段的秘密所在。大家看下面这幅示意图，1号小区中的基站与2到7号小区中的基站不会使用相同的频率，但可以跟8到19号小区中的基站使用相同的频率，因为与它们之间的距离足以避免干扰了。“蜂窝”中小区的实际形状要取决很多因素，比如天线的辐射图形。这张图只是一种理想化的结果。

实际上，小区覆盖面积的大小并不相同，从几百米到几十公里的都有。具体取决于通信量、地形、障碍物，等等。

蜂窝手机是常规的电话网络的一部分，只不过连接这个网络不是靠电话线，而是靠基站发射无线电波。蜂窝电话的核心优势就是移动性。手机用户可以长距离（通常也是高速）旅行，中间会穿越很多小区，到了目的地也不一定会收到提醒。比如，我们坐了很长时间的飞机，当飞机降落在目的地之后再打开手机时不会觉得有任何异样。

手机使用的频段很窄，传输信息的能力有限。因为要使用电池，所以打电话时发射的都是低功率无线电波。而且根据法律规定，为了避免与其他无线设备发生干扰，它们的传输功率也受到限制。电池容量越大，待机时间越长，但手机也会更大更沉。这也是一个权衡。

手机在世界的不同地区会使用不同的频带，但一般都在900 MHz左右。每个频带被分成多个信道，每次通话时，收发信号各占用一个信道。发送呼叫信号的信道由小区中所有手机共享，在某些系统中这个信道也可以同时用于发送短信和数据。

每个手机都有唯一的识别码（可不是说手机号啊），相当于以太网的地址。启动手机后，它就会广播自己的识别码。距离最近的基站接收到手机信号后，会通过后台系统验证该识别码。随着手机移动，基站实时更新其位置信息，并不断向后台系统报告。如果有人呼叫该手机，后台系统就能通过一直与它保持联系的基站找到它。

手机与基站通信时的信号强度很高。但手机会动态调整功率，在距离基站较近时降低功率。这样不仅可以省电，也可以减少干扰。待机时的耗电量远远比不上一次通话，而这也是为什么待机时间以天为单位，而通话时间以小时为单位的原因。如果手机所在小区信号较弱或根本没有信号，那么它就会因为拼命查找基站而大量耗电。

美国使用了两种完全不同的手机通信技术。AT&T和T-Mobile使用GSM（Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统），这是一种在欧洲使用非常普遍的系统，它把频带分成很窄的信道，在每个信道内依次附加多路通话。GSM是世界上应用范围最广的系统。Verizon和Sprint使用CDMA （Code Division Multiple Access，码分多址），这是一种“扩展频段”技术，它把信号扩展到频带之外，但对不同的通话采用不同的编码模式进行调制。这就意味着，虽然所有手机都使用相同的频带，但大多数情况下通话之间不会发生干扰。

GSM和CDMA都会利用数据压缩来尽可能减少封装信号的比特量。对于通过嘈杂的无线电信道发送数据时无法避免的错误，再添加错误校验来解决问题。

手机带来了一系列难解的非技术问题，频段的分配显然是其中之一。在美国，政府限制每个频带最多只能有两家公司使用指定频率。因此频段是非常稀缺的资源。

手机信号发射塔的位置同样如此。信号发射塔作为户外建筑算不上漂亮，很多地区为此拒绝在自己的地界上搭设这种东西。当然，他们依旧希望得到高品质的手机通话服务。下面这张照片中是“弗兰肯松树”，即勉强能伪装成树的信号发射塔。

电话公司一般会获准在需要的地块搭建信号发射塔，但有时也会经过一番旷日持久的司法程序才能获批。如果它们从那些非纳税机构（比如教堂）租得了架设手机天线的空间，那么发射塔的塔尖经常会是当地最高的结构，就算不想煞风景也不行。

说到社会，手机给我们生活的方方面面带来了翻天覆地的变化。现在的青少年平均每天要发送50到100条短信（因为提供短信服务所需的成本极低，所以这已经成为电话公司利润极高的收入来源）。iPhone和Android智能手机甚至改变了人们对手机的认知。人们使用手机不再是为了打电话，而是为了其他功能。智能手机还改变了软件开发生态。如今，手机可以上网、收邮件、购物、娱乐和社交，虽然屏幕小了点，但已然成为访问互联网的一股重要力量。没错，笔记本电脑和手机之间存在交叉，因为后者越来越强大，而且便于携带。手机还集成了其他很多设备的功能，包括手表、地址簿、相机、音视频播放器、GPS导航仪，不胜枚举。

有些手机功能，比如下载电影，需要很大带宽。平板电脑也一样，它不太用于语音传输，主要用在了跟手机一样的其他功能上。随着手机和平板的日益普及，对现有通信设施的压力也会与日俱增。在美国，运营商也开始根据使用量制定阶梯价格和带宽上限，很明显是为了抑制不必要的带宽占用，特别是那些下载大电影的需求。不过这些限制并没有区分忙时闲时，因此起不到鼓励错峰下载的作用。把手机连到笔记本电脑上，让笔记本通过手机上网已经成为可能。运营商不提倡这种使用方式，为此正在谋划着加以限制和额外收费，毕竟这种方式也会占用大量带宽。

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