我們的手機為什么能夠打電話能夠上網(wǎng)，這個問題相信 很多人都思考過，為什么在千里之外，他可以借到我撥出的電話，我說話的聲音可以清晰地傳到他的耳中，在這小小的手機里，我們可以瀏覽天下所有的資訊。這究竟是怎么樣做到的？

這其實是得益于蜂窩移動通信網(wǎng)絡的發(fā)展。今天我們就來講講我們的手機是如何通過蜂窩移動通信網(wǎng)絡實現(xiàn)通話和上網(wǎng)的。

蜂窩移動通信網(wǎng)絡的誕生史

移動通信的發(fā)展歷史可以追溯到19 世紀。1864年，英國青年物理學家麥克斯韋在研究了當時所發(fā)現(xiàn)的電磁現(xiàn)象的基礎上，建立了麥克斯韋電磁理論，并預言了電磁波的存在；1888年，德國青年物理學家赫茲第一次用實驗證實了電磁波的存在。

1901年12月,馬可尼決定用他的發(fā)報系統(tǒng)證明無線電波不受地球表面彎曲的影響，第一次使無線電波越過了康沃爾郡的波特休和紐芬蘭省的圣約翰斯之間的大西洋，距離為2100英里。馬可尼的這次實驗讓世界從此進入了無線電通信的新時代。

1928年，美國Purdue大學學生發(fā)明了工作于2MHz的超外差式無線電接收機，并很快在底特律 的警察局投入使用，這是世界上第一種可以有效工作的移動通信系統(tǒng)，它標志著人類進入了移動通信時代。

20 世紀30 年代初，第一部調幅制式的雙向移動通信系統(tǒng)在美國新澤西的警察局投入使用，但因為調幅是用聲音的高低變?yōu)榉鹊淖兓碾娦盘?。傳輸距離較遠，但受天氣因素影響較大， 于信道衰落會使模擬調幅產(chǎn)生附加調幅，造成失真，在傳輸?shù)倪^程中也很容易被竊聽。

所以到了30年代末，第一部調頻制式的移動通信系統(tǒng)誕生，調頻是使載波的瞬時頻率按照所需傳遞信號的變化規(guī)律而變化的調制方法，調頻比調幅抗干擾能力強、傳輸距離長，但對阻礙物的穿透能力弱。

調幅和調頻的區(qū)別

1946年，貝爾實驗室在美國圣路易斯成功試驗了MTS系統(tǒng)（移動電話系統(tǒng)），最初只提供了3個信道，后來升級為32個信道，到20 世紀50 年代，歐洲部分國家相繼成功研制了移動電話系統(tǒng)，它實現(xiàn)了固定電話運營商和移動運營商的互通，電話轉接工作由接線員完成。

電話接通后，人們告訴接線員想要撥通的電話，接線員幫你轉接，通話結束后切斷電話，并手動算出費用。

除了撥打電話的過程復雜外，攜帶也十分不方便。這種電話連接系統(tǒng)有幾十公斤重，只能裝在汽車后備箱里。

電話服務的終端機

后來，美國貝爾實驗室1964年在MTS的基礎上發(fā)展出來來了改進型移動公電話系統(tǒng)。IMTS仍然屬于第0代甚高頻/超高頻無線電系統(tǒng)，采用模擬調頻調制。

IMTS初步具有了蜂窩移動通信技術概念，采用大區(qū)制，是全雙工系統(tǒng)（當數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分流,分別由兩根不同的傳輸線傳送時，通信雙方都能在同一時刻進行發(fā)送和接收操作的傳送方式），覆蓋半徑約40~ 60英里，并取消了人工接線方式，實現(xiàn)了到公眾電話網(wǎng)(PSTN)的自動撥號互聯(lián)。

20 世紀70 年代中期，隨著民用移動通信用戶數(shù)量的增加，業(yè)務范圍的擴大，有限的頻譜供給與可用頻道數(shù)要求遞增之間的矛盾日益尖銳。

由此在1978 年，美國貝爾實驗室開發(fā)了先進移動電話業(yè)務（AMPS）系統(tǒng)，這是第一種真正意義上的具有隨時隨地通信能力的大容量的蜂窩移動通信系統(tǒng)。

AMPS 所采用頻率復用技術，可以保證移動終端在整個服務覆蓋區(qū)域內(nèi)自動接入公用電話網(wǎng)，具有更大的容量和更好的語音質量，很好地解決了公用移動通信系統(tǒng)所面臨的大容量要求與頻譜資源限制的矛盾。

可以說與最早期的移動通信系統(tǒng)相比，第1代公眾移動通信系統(tǒng)雖仍采用以頻率調制為主的模擬調制傳輸方式，但已經(jīng)具備了較完善的蜂窩結構和自動切換機制。

它也被稱為模擬制式的頻分雙工（Frequency Division Duplex，F(xiàn)DD）系統(tǒng)。這標志著蜂窩移動通信系統(tǒng)的誕生，也就是1G時代的到來，而它的誕生也孕育了世界上第一款手機的誕生。

摩托羅拉世界上第一款商用移動電話

這無疑是人類歷史上最偉大的發(fā)明之一，生活在21世紀的我們，已經(jīng)無法擺脫蜂窩移動通信系統(tǒng)，它已經(jīng)成為了我們生活的一部分。

蜂窩移動通信網(wǎng)絡的工作原理

我們首先可以把蜂窩移動通信網(wǎng)絡分為兩個階段，第一個階段是模擬蜂窩式移動電話通信系統(tǒng)。第二個階段就是從2G開始的數(shù)字蜂窩式移動電話通信系統(tǒng)。這里我們主要講的是數(shù)字蜂窩式移動電話通信系統(tǒng)。

我們每撥打一個電話，發(fā)一條短信，都離不開背后龐大的移動通信網(wǎng)絡支撐。這個通信網(wǎng)絡首先是由無數(shù)的基站組成，你要發(fā)送的文本、圖片、聲音、視頻，首先通過無線電波發(fā)送到離你最近的基站，然后再通過各種不同的網(wǎng)絡節(jié)點傳送到離通話對方最近的基站，并由該基站再通過無線電波發(fā)送到對方的手機上。

在基站與基站之間還有無數(shù)的通信設施，比如光纜、基站控制器、交換中心等等，所有的這些設備組成了一個龐大的通信網(wǎng)絡。

正是這一龐大的通信網(wǎng)絡將世界各地的移動用戶連接在一起。

在最早的GSM體制規(guī)范中，通常在無線網(wǎng)絡規(guī)劃中都采用4×3 頻率復用方式，即4個基站區(qū)（每個基站分為3個120°扇形小區(qū)或60°三葉草形小區(qū)），12個扇形區(qū)為一小區(qū)群，即為一簇。

由于每個小區(qū)呈正六邊形，又彼此鄰接，從整體上看，形狀酷似蜂窩，所以人們稱它為“蜂窩”網(wǎng)。所以我們將用若干蜂窩狀小區(qū)覆蓋整個服務區(qū)的大、中容量移動電話系統(tǒng)就叫做蜂窩移動電話系統(tǒng)，簡稱蜂窩移動電話。

當你在移動中撥打電話時，可能會穿越多個小區(qū)，此時，任何一個基站（或小區(qū)）覆蓋不足都會導致你的通話中斷或質差。

蜂窩網(wǎng)絡組成主要有以下三部分：移動站，基站子系統(tǒng)，網(wǎng)絡子系統(tǒng)。移動站就是我們的網(wǎng)絡終端設備，比如手機或者一些蜂窩工控設備 。

2G蜂窩網(wǎng)絡的組成部分

基站子系統(tǒng)包括我們?nèi)粘Ｒ姷降囊苿踊荆ù箬F塔）、無線收發(fā)設備、專用網(wǎng)絡（一般是光纖）、無數(shù)的數(shù)字設備等等的。

而移動基站最核心的就是收發(fā)臺，收發(fā)臺在基站控制器的控制下，完成基站的控制與無線信道之間的轉換，實現(xiàn)手機通信信號的收發(fā)與移動平臺之間通過空中無線傳輸及相關的控制功能。收發(fā)臺可對每個用戶的無線信號進行解碼和發(fā)送。這樣用戶就可以準確無誤地接收到對方發(fā)送過來的短信，撥打過來的電話。

整個蜂窩移動通信系統(tǒng)中，基站子系統(tǒng)是移動臺與移動中心連接的橋梁，其地位極其重要。整個覆蓋區(qū)中基站的數(shù)量、基站在蜂窩小區(qū)中的位置，基站子系統(tǒng)中相關組件的工作性能等因素決定了整個蜂窩系統(tǒng)的通信質量?；镜倪x型與建設，已成為組建現(xiàn)代移動通信網(wǎng)絡的重要一環(huán)。

而基站子系統(tǒng)則依靠傳輸才能將網(wǎng)絡中的各種設備連接起來，構建無線網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡之間的轉換器。傳輸是網(wǎng)絡的中樞，傳輸?shù)姆秶軓V，物理上包括銅線、微波、光纖和衛(wèi)星通信等等。

隨著通信技術的不斷更迭，網(wǎng)絡子系統(tǒng)我們可以簡單歸結為：接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和服務/應用網(wǎng)絡，這四個部分都有統(tǒng)一的接口，并按照國際標準化組織3GPP定義的全球統(tǒng)一標準相互連接。

接入網(wǎng)就是手機和基站組成的網(wǎng)絡，我們將手機和基站間的接口稱為空中接口（Uu），手機通過空中接口連接到基站，一個基站連接多個手機，并將來自手機的數(shù)據(jù)和語音信息匯聚，傳送到核心網(wǎng)。

2G、3G、4G無線接入網(wǎng)網(wǎng)絡結構

而核心網(wǎng)就是網(wǎng)絡的心臟，也是網(wǎng)絡最關鍵的一部分，所有數(shù)據(jù)存儲于此，計費也在這里完成。我們用智能手機打電話、上網(wǎng)、發(fā)短信、微信聊天、看視頻等等，這些都稱為服務，每一種服務都由不同的服務網(wǎng)絡提供。

所以整個流程簡單概括來說就是，我們在撥打電話的時候，基站接收到了你發(fā)射的頻率，然后它通過收發(fā)臺可對每個用戶的無線信號進行解碼和發(fā)送，而我們上網(wǎng)的時候，接入網(wǎng)會通過接入網(wǎng)匯聚到基站，然后再通過核心網(wǎng)給你提供服務。

一張完整的蜂窩移動通信網(wǎng)絡結構圖...

蜂窩移動通信網(wǎng)絡的迭代

我們用手機打電話阿、發(fā)短信、上網(wǎng)阿，這些信息都是通過無線信道來傳遞的。不同的通信技術所采用的信息編解碼技術和無線電頻率都是不同的。而從1978年，第一代蜂窩移動網(wǎng)絡系統(tǒng)提出，蜂窩移動通信網(wǎng)絡已經(jīng)經(jīng)過了40年的發(fā)展，經(jīng)過了5次的迭代升級。

比如我們剛剛說過的，1G模擬時代存在技術和體制上存在諸多局限，如沒有統(tǒng)一的標準，業(yè)務量小，質量差，交全性差，沒有加密和速度低等。

為了解決第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)存在的技術缺陷，20世紀90年代，采用數(shù)字調制技術的第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)（又稱2G系統(tǒng)）順勢出現(xiàn)。它主要利用工作在900/1800MHz頻段的GSM移動通信網(wǎng)絡及工作在800/1900MHz頻段的S-95CDMA系統(tǒng)網(wǎng)絡提供的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務。主要方案有GSM和CDMA。

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務（尤其是多媒體業(yè)務）需求的不斷增長，2G系統(tǒng)在系統(tǒng)容量、頻譜效率等方面的局限性也日益顯現(xiàn)。

2000年5月，國際電信聯(lián)盟正式公布第三代移動通信標準，它主要利用第三代移動通信網(wǎng)絡提供話音、數(shù)據(jù)、視頻圖像等業(yè)務，并包含了第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)可提供的所有的業(yè)務類型。

2g/3g無線接入網(wǎng)絡架構示意圖

3G是高速IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡時代。從這一代開始互聯(lián)網(wǎng)技術開始利用，各種數(shù)據(jù)通過移動互聯(lián)網(wǎng)高速傳輸，音頻，視頻，各種多媒體文件等。移動互聯(lián)網(wǎng)速度大幅提升，移動高速上網(wǎng)成為現(xiàn)實。主要方案有TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000。

第四代蜂窩移動通信系統(tǒng)又被稱為4G系統(tǒng)，它是集3G與WLAN于一體并能夠傳輸高質量視頻圖像以及圖像傳輸質量與高清晰度電視相比不相上下的技術產(chǎn)品，是真正意義的寬帶大容量的高速蜂窩系統(tǒng)，支持交互多媒體業(yè)務、高質量影像、3D動畫和寬帶互聯(lián)網(wǎng)接人。

4G時代的核心技術是OFDM，它具有良好的抗噪聲性能和抗多信道干擾能力，能夠以lOOMb/s的速度傳輸，是移動電話數(shù)據(jù)傳輸速率的1萬倍，是撥號上網(wǎng)的200倍，是3G移動電話速率的50倍。

如果說3G能為人們提供一個高速傳輸?shù)臒o線通信環(huán)境的話，那么4G通信就是一種不需要電纜的信息超級高速公路，這種新網(wǎng)絡可使電話用戶以無線及三維空問虛擬實境連線。 4G通信給人們帶來了真正意義上的溝通自由，并徹底改變了人們的生活方式甚至社會形態(tài)。4G包括TD-LTE和FDD-LTE兩大方案。

需要說明的是，因為現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡不能承載語音業(yè)務 只能承載數(shù)據(jù)業(yè)務 在打電話的情況下系統(tǒng)會回落至2G網(wǎng)絡 ，隨著2G網(wǎng)絡開始停止服務，運營商開始大規(guī)模推廣VOLTE功能。

2017年12月21日，在國際電信標準組織3GPP RAN第78次全體會議上，5G NR首發(fā)版本正式凍結并發(fā)布。2018年6月14日，3GPP全會批準了第五代移動通信技術標準獨立組網(wǎng)功能凍結，這標志著第一個完整版的全球5G標準正式出爐。

此次5G標準獨立組網(wǎng)功能的凍結，不僅使5GNR具有獨立部署的能力，也帶來了全新的構架，這意味著5G已經(jīng)完成了第一階段全功能標準化工作，標志著5G技術的正式到來。

5G相比于4G則增加了高速率、泛在網(wǎng)、低功耗、低時延的特點，從而具備超大網(wǎng)絡容量，提供千億設備的連接能力，滿足物聯(lián)網(wǎng)通信。目前，5G時代定義了以下三大應用場景：

eMBB：增強移動寬帶，顧名思義是針對的是大流量移動寬帶業(yè)務；

URLLC：超高可靠超低時延通信，例如無人駕駛等業(yè)務（3G響應為500ms，4G為50ms，5G要求0.5ms）；

mMTC：大連接物聯(lián)網(wǎng)，針對大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務；

在2020年，我們的5G網(wǎng)絡覆蓋將逐漸普及到一線大城市，5G時代就在我們的眼前。

可以說，我們的手機能打電話能上網(wǎng)除了多虧了蜂窩移動通信網(wǎng)絡的發(fā)明，還要感謝在背后提供24小時服務的工程師，他們在背后對整個系統(tǒng)進行維護修理。保障了我們平常的通話上網(wǎng)服務。