手机为什么能够打电话上网，一文带你搞懂其原理

我们的手机为什么能够打电话能够上网，这个问题相信 很多人都思考过，为什么在千里之外，他可以借到我拨出的电话，我说话的声音可以清晰地传到他的耳中，在这小小的手机里，我们可以浏览天下所有的资讯。这究竟是怎么样做到的？

这其实是得益于蜂窝移动通信网络的发展。今天我们就来讲讲我们的手机是如何通过蜂窝移动通信网络实现通话和上网的。

 

蜂窝移动通信网络的诞生史

移动通信的发展历史可以追溯到19 世纪。1864年，英国青年物理学家麦克斯韦在研究了当时所发现的电磁现象的基础上，建立了麦克斯韦电磁理论，并预言了电磁波的存在；1888年，德国青年物理学家赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在。

 

1901年12月,马可尼决定用他的发报系统证明无线电波不受地球表面弯曲的影响，第一次使无线电波越过了康沃尔郡的波特休和纽芬兰省的圣约翰斯之间的大西洋，距离为2100英里。马可尼的这次实验让世界从此进入了无线电通信的新时代。

 

1928年，美国Purdue大学学生发明了工作于2MHz的超外差式无线电接收机，并很快在底特律的警察局投入使用，这是世界上第一种可以有效工作的移动通信系统，它标志着人类进入了移动通信时代。

20 世纪30 年代初，第一部调幅制式的双向移动通信系统在美国新泽西的警察局投入使用，但因为调幅是用声音的高低变为幅度的变化的电信号。传输距离较远，但受天气因素影响较大，于信道衰落会使模拟调幅产生附加调幅，造成失真，在传输的过程中也很容易被窃听。

所以到了30年代末，第一部调频制式的移动通信系统诞生，调频是使载波的瞬时频率按照所需传递信号的变化规律而变化的调制方法，调频比调幅抗干扰能力强、传输距离长，但对阻碍物的穿透能力弱。

 

调幅和调频的区别

1946年，贝尔实验室在美国圣路易斯成功试验了MTS系统（移动电话系统），最初只提供了3个信道，后来升级为32个信道，到20 世纪50 年代，欧洲部分国家相继成功研制了移动电话系统，它实现了固定电话运营商和移动运营商的互通，电话转接工作由接线员完成。

电话接通后，人们告诉接线员想要拨通的电话，接线员帮你转接，通话结束后切断电话，并手动算出费用。

除了拨打电话的过程复杂外，携带也十分不方便。这种电话连接系统有几十公斤重，只能装在汽车后备箱里。

 

电话服务的终端机

后来，美国贝尔实验室1964年在MTS的基础上发展出来来了改进型移动公电话系统。IMTS仍然属于第0代甚高频/超高频无线电系统，采用模拟调频调制。

IMTS初步具有了蜂窝移动通信技术概念，采用大区制，是全双工系统（当数据的发送和接收分流,分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作的传送方式），覆盖半径约40~ 60英里，并取消了人工接线方式，实现了到公众电话网(PSTN)的自动拨号互联。

 

20 世纪70 年代中期，随着民用移动通信用户数量的增加，业务范围的扩大，有限的频谱供给与可用频道数要求递增之间的矛盾日益尖锐。

由此在1978 年，美国贝尔实验室开发了先进移动电话业务（AMPS）系统，这是第一种真正意义上的具有随时随地通信能力的大容量的蜂窝移动通信系统。

 

AMPS 所采用频率复用技术，可以保证移动终端在整个服务覆盖区域内自动接入公用电话网，具有更大的容量和更好的语音质量，很好地解决了公用移动通信系统所面临的大容量要求与频谱资源限制的矛盾。

 

可以说与最早期的移动通信系统相比，第1代公众移动通信系统虽仍采用以频率调制为主的模拟调制传输方式，但已经具备了较完善的蜂窝结构和自动切换机制。

它也被称为模拟制式的频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）系统。这标志着蜂窝移动通信系统的诞生，也就是1G时代的到来，而它的诞生也孕育了世界上第一款手机的诞生。

 

摩托罗拉世界上第一款商用移动电话

这无疑是人类历史上最伟大的发明之一，生活在21世纪的我们，已经无法摆脱蜂窝移动通信系统，它已经成为了我们生活的一部分。

蜂窝移动通信网络的工作原理

我们首先可以把蜂窝移动通信网络分为两个阶段，第一个阶段是模拟蜂窝式移动电话通信系统。第二个阶段就是从2G开始的数字蜂窝式移动电话通信系统。这里我们主要讲的是数字蜂窝式移动电话通信系统。

 

我们每拨打一个电话，发一条短信，都离不开背后庞大的移动通信网络支撑。这个通信网络首先是由无数的基站组成，你要发送的文本、图片、声音、视频，首先通过无线电波发送到离你最近的基站，然后再通过各种不同的网络节点传送到离通话对方最近的基站，并由该基站再通过无线电波发送到对方的手机上。

在基站与基站之间还有无数的通信设施，比如光缆、基站控制器、交换中心等等，所有的这些设备组成了一个庞大的通信网络。

 

正是这一庞大的通信网络将世界各地的移动用户连接在一起。

 

在最早的GSM体制规范中，通常在无线网络规划中都采用4×3 频率复用方式，即4个基站区（每个基站分为3个120°扇形小区或60°三叶草形小区），12个扇形区为一小区群，即为一簇。

由于每个小区呈正六边形，又彼此邻接，从整体上看，形状酷似蜂窝，所以人们称它为“蜂窝”网。所以我们将用若干蜂窝状小区覆盖整个服务区的大、中容量移动电话系统就叫做蜂窝移动电话系统，简称蜂窝移动电话。

 

当你在移动中拨打电话时，可能会穿越多个小区，此时，任何一个基站（或小区）覆盖不足都会导致你的通话中断或质差。

蜂窝网络组成主要有以下三部分：移动站，基站子系统，网络子系统。移动站就是我们的网络终端设备，比如手机或者一些蜂窝工控设备 。

 

2G蜂窝网络的组成部分

基站子系统包括我们日常见到的移动基站（大铁塔）、无线收发设备、专用网络（一般是光纤）、无数的数字设备等等的。

而移动基站最核心的就是收发台，收发台在基站控制器的控制下，完成基站的控制与无线信道之间的转换，实现手机通信信号的收发与移动平台之间通过空中无线传输及相关的控制功能。收发台可对每个用户的无线信号进行解码和发送。这样用户就可以准确无误地接收到对方发送过来的短信，拨打过来的电话。

 

整个蜂窝移动通信系统中，基站子系统是移动台与移动中心连接的桥梁，其地位极其重要。整个覆盖区中基站的数量、基站在蜂窝小区中的位置，基站子系统中相关组件的工作性能等因素决定了整个蜂窝系统的通信质量。基站的选型与建设，已成为组建现代移动通信网络的重要一环。

而基站子系统则依靠传输才能将网络中的各种设备连接起来，构建无线网络与有线网络之间的转换器。传输是网络的中枢，传输的范围很广，物理上包括铜线、微波、光纤和卫星通信等等。

 

随着通信技术的不断更迭，网络子系统我们可以简单归结为：接入网、核心网和服务/应用网络，这四个部分都有统一的接口，并按照国际标准化组织3GPP定义的全球统一标准相互连接。

接入网就是手机和基站组成的网络，我们将手机和基站间的接口称为空中接口（Uu），手机通过空中接口连接到基站，一个基站连接多个手机，并将来自手机的数据和语音信息汇聚，传送到核心网。

 

2G、3G、4G无线接入网网络结构

而核心网就是网络的心脏，也是网络最关键的一部分，所有数据存储于此，计费也在这里完成。我们用智能手机打电话、上网、发短信、微信聊天、看视频等等，这些都称为服务，每一种服务都由不同的服务网络提供。

所以整个流程简单概括来说就是，我们在拨打电话的时候，基站接收到了你发射的频率，然后它通过收发台可对每个用户的无线信号进行解码和发送，而我们上网的时候，接入网会通过接入网汇聚到基站，然后再通过核心网给你提供服务。

一张完整的蜂窝移动通信网络结构图...

 

蜂窝移动通信网络的迭代

我们用手机打电话阿、发短信、上网阿，这些信息都是通过无线信道来传递的。不同的通信技术所采用的信息编解码技术和无线电频率都是不同的。而从1978年，第一代蜂窝移动网络系统提出，蜂窝移动通信网络已经经过了40年的发展，经过了5次的迭代升级。

比如我们刚刚说过的，1G模拟时代存在技术和体制上存在诸多局限，如没有统一的标准，业务量小，质量差，交全性差，没有加密和速度低等。

 

为了解决第一代蜂窝移动通信系统存在的技术缺陷，20世纪90年代，采用数字调制技术的第二代蜂窝移动通信系统（又称2G系统）顺势出现。它主要利用工作在900/1800MHz频段的GSM移动通信网络及工作在800/1900MHz频段的S-95CDMA系统网络提供的话音和数据业务。主要方案有GSM和CDMA。

 

随着数据业务（尤其是多媒体业务）需求的不断增长，2G系统在系统容量、频谱效率等方面的局限性也日益显现。

2000年5月，国际电信联盟正式公布第三代移动通信标准，它主要利用第三代移动通信网络提供话音、数据、视频图像等业务，并包含了第二代蜂窝移动通信系统可提供的所有的业务类型。

 

2g/3g无线接入网络架构示意图

3G是高速IP数据网络时代。从这一代开始互联网技术开始利用，各种数据通过移动互联网高速传输，音频，视频，各种多媒体文件等。移动互联网速度大幅提升，移动高速上网成为现实。主要方案有TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000。

第四代蜂窝移动通信系统又被称为4G系统，它是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视相比不相上下的技术产品，是真正意义的宽带大容量的高速蜂窝系统，支持交互多媒体业务、高质量影像、3D动画和宽带互联网接人。

 

4G时代的核心技术是OFDM，它具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，能够以lOOMb/s的速度传输，是移动电话数据传输速率的1万倍，是拨号上网的200倍，是3G移动电话速率的50倍。

 

如果说3G能为人们提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G通信就是一种不需要电缆的信息超级高速公路，这种新网络可使电话用户以无线及三维空问虚拟实境连线。 4G通信给人们带来了真正意义上的沟通自由，并彻底改变了人们的生活方式甚至社会形态。4G包括TD-LTE和FDD-LTE两大方案。

 

需要说明的是，因为现有的LTE网络不能承载语音业务 只能承载数据业务 在打电话的情况下系统会回落至2G网络 ，随着2G网络开始停止服务，运营商开始大规模推广VOLTE功能。

2017年12月21日，在国际电信标准组织3GPP RAN第78次全体会议上，5G NR首发版本正式冻结并发布。2018年6月14日，3GPP全会批准了第五代移动通信技术标准独立组网功能冻结，这标志着第一个完整版的全球5G标准正式出炉。

 

此次5G标准独立组网功能的冻结，不仅使5GNR具有独立部署的能力，也带来了全新的构架，这意味着5G已经完成了第一阶段全功能标准化工作，标志着5G技术的正式到来。

 

5G相比于4G则增加了高速率、泛在网、低功耗、低时延的特点，从而具备超大网络容量，提供千亿设备的连接能力，满足物联网通信。目前，5G时代定义了以下三大应用场景：

eMBB：增强移动宽带，顾名思义是针对的是大流量移动宽带业务；

URLLC：超高可靠超低时延通信，例如无人驾驶等业务（3G响应为500ms，4G为50ms，5G要求0.5ms）；

mMTC：大连接物联网，针对大规模物联网业务；

 

在2020年，我们的5G网络覆盖将逐渐普及到一线大城市，5G时代就在我们的眼前。

可以说，我们的手机能打电话能上网除了多亏了蜂窝移动通信网络的发明，还要感谢在背后提供24小时服务的工程师，他们在背后对整个系统进行维护修理。保障了我们平常的通话上网服务。

 

• 发表于: 2019-10-22
• 原文链接：https://kuaibao.qq.com/s/20191022A0196R00?refer=cp_1026
• 腾讯「腾讯云开发者社区」是腾讯内容开放平台帐号（企鹅号）传播渠道之一，根据《腾讯内容开放平台服务协议》转载发布内容。
• 如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。