36氪领读 | 网络的力量:连接人们生活的六大原则

春节假期【36氪领读】栏目将继续每天筛选一些值得读的书,并提供一些书摘。祝大家新年愉快,心想事成~

控制你的“音量”

如今,手机已成为我们日常生活的一部分。图1–1显示了部分国家在2015 年年中的手机渗透率,即各国平均每人拥有的手机数量。请注意,最左侧5个国家的渗透率均超过100%,说明在这些国家,手机数量超过了人口数量。

此外,在2015年年中,图1–1中的13个国家均拥有超过1亿的手机入网量。同一时期,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?我们将在本书这一部分分享几种方法,本章首先介绍功率(通话音量)控制。现代移动蜂窝(cellular)系统是几十年来技术革新的产物。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。

注:图为截至2015 年6 月,部分国家的手机渗透率,即平均每人拥有的手机数量。其中6 个国家的渗透率为100%或以上,说明这些国家的手机数量超过人口数量

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?

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)。我们将在本章对其进行深入探讨。按不同频率进行共享

 

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

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。

“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)。

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。

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

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3000 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。

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

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。

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。

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: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

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2500万名手机用户。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。

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

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)。

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: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

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。

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。

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

这个时候,几乎所有美国的网络运营商和设备制造商都觉得TMDA是最好的办法,但高通(Qualcomm)公司例外。该公司倡导另一项技术——码分多址(code division multiple access,简称CDMA)。

如图1–9所示,在CDMA系统中,用户在“代码”维度上进行区分,在时间和频率上则不加区分。对代码最好的类比可能是语言:就像给每个链接不同的语言,然后让它们进行通话一样。每个代码都像一把钥匙。发送方锁定消息,将其发送出去,并且只给接收方发送密钥。

设计这些代码的困难在于,应该只有一把钥匙能够“解锁”任何指定信号。如果另一个接收方试图用自己的钥匙解密该消息,则应该显示为噪声。每一个代码会“取消”另一个,具有此属性的代码集合被称为一个正交码(orthogonal codes)族。

一开始有人预测,CDMA能提供的容量可以比传统模拟网络大40 倍以上。尽管如此,当时大多数工程师、制造商以及运营商都抵制CDMA。原因之一是,当时尚未有CDMA蜂窝网络原型,对其进行演示。

注:通过码分多址,通话按照“代码”维度进行区分。所有通话可以在相同的频率和时间进行,因为网络中的每个传输都会被分配到唯一的代码

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。未来4年中,需要更多的概念证明,CDMA才会得到批准。

鸡尾酒会的比喻

这里有一个易于理解的比喻,能阐明一些我们已经介绍过的技术。假设一场鸡尾酒会在一座有许多房间的大厦举行,其中有许多谈话发生。假如聚会上有很多人,如果大家都挤在同一个房间,同时说话,我们将很难听清自己的对话内容。我们让主人来确定应对这一局面的最好方式。

主人首先决定,每个房间里可以有两个人谈话。每对谈话者待在自己的房间,直到谈话结束,所以每个人都能以合适的音量说话,因为声音传到其他房间时会减弱。但如果我们把房间看成单元,这就好比每个单元每次只允许有一个连接。考虑到客人数量很可能比房间数多,这种安排将无法令许多没有分配到房间的谈话者满意。

为了处理这个容量问题,主人决定允许许多谈话者共用一个房间(即每单元多人),让每对谈话者在不同的时间交谈。因此,在任何指定房间里,第一对谈话者可能有30秒交谈,此时其他人保持沉默,然后是下一组,以此类推。同样,每个人都可以尽情地大声说话,因为声音不会盖住别人的谈话。这是TDMA的一个例子,在每个房间里,每段谈话都被分配到一个单独的时段。

如果不是分配时段,假设主人让每个房间里的每对谈话者使用一门单独的语言。那么,大家都可以同时说话,因为每对谈话者只能听到一门特定的语言。这是CDMA系统的一个例子,每种语言代表一个不同的代码(见图1–10)。但是人类语言并不是完美的代码。此外,音量控制是一个问题,因为在房间里的每个人都可以听到其他所有谈话,无论是用什么语言。我们需要一些协调,使个人根据彼此之间的距离,调整自己的音量。

控制功率电平

CDMA也有自己的问题。我们现在将探讨它的倡导者在20 世纪90 年代初必须克服的一些主要问题。

注:利用CDMA技术,每个代码就像一门独立的语言。在鸡尾酒会的比喻中,如果人们使用不同语言说话,多个谈话就可以在一个房间内进行。然后,问题就变成如何控制音量

远近问题

不同信号在同一时间传输,必然会产生干扰(interference)。当你考虑到和基站的距离时,问题会变得更复杂。一个离基站一英里远的人打电话,怎么能不被一个距离只有几米远的人干扰?这个人所在的位置不仅信号更弱,而且也可能有更多的物体(如树木)阻碍信号的路径。这就导致了不同水平的信道质量(channel quality),如图1–11所示。

我们在这里所描述的问题称为远近问题(near-far problem)。要处理该问题,我们的手机需要某种机制,以便它可以调整传输能力,以弥补信道质量的差异,使我们能够有效地共享空间。为了缓解该问题,最初提出的解决方案是传输功率控制(transmission power control,简称TPC)算法。

该算法试图平衡接收到的信号功率。基站会测量从每个发射器接收的数据,将其与所需功率进行比较,并向每台设备发送反馈消息,使其进行相应的调整。如何在接收器测量功率?功率的标准单位是瓦特(W),表示每秒发射的能量数。

所以,5W意味着每秒钟传输的能量为5个单位。在本章中,我们通常讨论的功率等级是一瓦特的若干部分,为毫瓦(mW),即千分之一瓦特,或微瓦(μW),即百万分之一瓦特。回到TPC算法。

假设塔上所需的功率电平为10毫瓦。如图1–12所示,手机A和手机B开始以此功率发送信号,基站接收到的功率分别为5毫瓦和1毫瓦。信道衰减导致A的功率减半,B的功率减少到1/10。

为了扭转这一局面,TPC要求发射器分别以目前传输功率的2倍和10倍传输信号。这意味着,A应该以2×10毫瓦=20毫瓦的功率传输,而B应该以10×10 毫瓦=100毫瓦的功率传输。

注:发射器离接收器越远,信号越弱,阻挡传输通道的物体也可能越多。在图中,A离发射塔距离近且没有被阻挡,而B离发射塔距离远且受到物体阻挡(例如树木)

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1.9~2.1GHz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。

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。

本文节选自《网络的力量》

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

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