在传统电话系统中,通话需要通过电话线连接,这种模式受限于已铺设的电话网络。
而为了使人们能够在运动中、汽车内或步行时进行通话,摆脱传统电话系统的地理限制,实现随时随地的通信,人们引入了无线电话技术。
移动电话系统支持广域范围的语音和数据通信,通常被称为蜂窝电话(cell phone)。移动电话经历了多个发展阶段,包括 1G、2G、3G、4G,以及当前的 5G 技术。
蜂窝网络实际上是圆形的,但很容易用六角形作为模型,所以被模型化为六角形。
现代蜂窝系统采用较小的蜂窝,虽然蜂窝设计为相对较小,但它们之间并不是紧密相连的,而是有一些间隙,以便在同一组频率上进行通信时不发生干扰。
这种设计使得相邻蜂窝之间能够有效地避免频率冲突,提高了系统的性能和效率。举例来说,假设在一个 100 千米的范围内只有一个 IMTS 系统,每个频率只能支持一个电话呼叫。与此相反,在同样的范围内铺设了 100 个蜂窝,每个蜂窝覆盖 10 千米的范围。在这种情况下,每个频率上可以同时支持 10-15 个电话呼叫。后者的设计思想比单一系统的容量提高了一个数量级,表明蜂窝越小,系统的容量增加越多。这种优化使得移动电话系统更加灵活和高效,能够处理更多的通信需求。当用户数量增长超出了系统的负载能力,运营商可以将超载的蜂窝切成更小的微蜂窝,使更多的频率被重用。所以在举行运动比赛、音乐会和聚集大量移动用户的时候,就会利用便携式塔,建立一些临时的微蜂窝,来缓解系统压力。在移动电话系统中,每个蜂窝的中心通常是一个基站,负责管理蜂窝内的电话传输。这个基站由一台计算机和连接到一个天线上的发射器/接收器组成。在一个小规模的系统中,所有的基站都连接到一个称为移动电话交换局(MTSO)设备上,所有的 MTSO 设备都连接到一个二级的 MTSO 上,以此类推,会形成一个金字塔形式。离开蜂窝怎么办?
在电话系统中,地理区域被划分为多个蜂窝,每个蜂窝通常覆盖 10-20 千米的范围。每个蜂窝都配备一组频率,且这组频率不会与邻近蜂窝重叠使用,以确保通信的稳定性和可靠性。
每个移动电话都属于某一个特定的蜂窝,并且受到这个蜂窝基站的控制,当移动电话离开当前蜂窝时,系统会执行漫游过程以确保通话平稳切换。
移动电话持续测量连接基站信号强度,一旦信号减弱,它向周围的基站询问信号强度,并选择最强的新蜂窝。
在切换过程中,系统会迅速完成通话信道的切换,通常在300毫秒内,这过程还包括更新移动电话位置信息,以确保系统了解其当前所在的蜂窝。移动电话本身可分成手机和一个可移动的芯片两个部分。芯片具有帐号信息,称为 SIM 卡,也就是用户识别模块(Subscriber Identity Module),通过 SIM 卡可以激活手机,并包含了移动电话和网络相互识别对方、加密通话所需要的机密。手机开机后,首先进行信道扫描,寻找预先设置的信道中最强的信号,然后将自己的序列号和电话号码广播出去,当基站听到移动电话的广播信息后,它就通过「移动电话交换局」记录客户信息。当用户希望拨打电话时,通过手机输入被叫号码并按下呼叫键。手机将被叫号码和自身标识通过信道发送出去。基站收到请求后,通过「移动电话交换局」找到一条空闲的信道,并将可用信道信息返回给主叫方。移动电话会自动切换到可用信道上等待,直到被叫方接听电话。移动电话发展阶段
基于蜂窝网络的前提下,我们的移动电话经历了多个发展阶段,包括 1G、2G、3G、4G,以及当前的 5G 技术。
在第一代移动电话通信中,仅支持语音传输,该系统由贝尔实验室发明,并于1982年首次在美国部署。
基站之间的通信效率相对较低,仅支持语音传输,基本上没有数据服务,通话质量可能不稳定。
第一代移动电话是模拟信号的,只能传输语音,第二代移动电话是数字的,可以发送短信,称为数字高级移动电话系统(D-AMPS),沿用了第一代的设计理念「以蜂窝为基础,频率跨蜂窝可复用,随着用户移动而切换蜂窝」。
第二代移动电话支持语音和短信服务,通话质量更稳定,基础数据传输能力得到提升。
第三代移动电话也可以称为 3G,包含数字语音和数据,支持多媒体服务。
数据流量超过了语音流量,并且还呈几何数增长,专家预测移动设备上数据流量会主宰语音流量,而且还增加了互联网接入能力。
第四代移动电话采用了 LTE(Long Term Evolution)等技术,提供更高的数据传输速率和系统性能,4G 系统建立在了 IP 网络之上,提供更高质量的视频流和其他高带宽应用,适用于大规模的互联网访问和流媒体服务。
5G在网络架构上引入了边缘计算、网络切片等概念,以更好地满足不同应用场景的需求。
5G 引入更高频段、更高的数据传输速率、更低的延迟,支持大规模设备连接,还提供更快的下载和上传速度,更广泛的覆盖范围,支持物联网和大规模机器通信。
每一代的进步都意味着对通信能力和服务质量的不断提升,从最初的语音通信到现代的高速数据传输和多媒体服务。
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内容来源:《计算机网络》
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