我們的手機為什麼能夠打電話能夠上網，這個問題相信 很多人都思考過，為什麼在千里之外，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，在這小小的手機裡，我們可以瀏覽天下所有的資訊。這究竟是怎麼樣做到的？

這其實是得益於蜂窩移動通信網絡的發展。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絡實現通話和上網的。

蜂窩移動通信網絡的誕生史

移動通信的發展歷史可以追溯到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現的電磁現象的基礎上，建立了麥克斯韋電磁理論，並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報系統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聖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大學學生髮明瞭工作於2MHz的超外差式無線電接收機，並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，它標誌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為幅度的變化的電信號。傳輸距離較遠，但受天氣因素影響較大，於信道衰落會使模擬調幅產生附加調幅，造成失真，在傳輸的過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律而變化的調製方法，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。

調幅和調頻的區別

1946年，貝爾實驗室在美國聖路易斯成功試驗了MTS系統（移動電話系統），最初只提供了3個信道，後來升級為32個信道，到20 世紀50 年代，歐洲部分國家相繼成功研製了移動電話系統，它實現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。

電話接通後，人們告訴接線員想要撥通的電話，接線員幫你轉接，通話結束後切斷電話，並手動算出費用。

除了撥打電話的過程複雜外，攜帶也十分不方便。這種電話連接系統有幾十公斤重，只能裝在汽車後備箱裡。

電話服務的終端機

後來，美國貝爾實驗室1964年在MTS的基礎上發展出來來了改進型移動公電話系統。IMTS仍然屬於第0代甚高頻/超高頻無線電系統，採用模擬調頻調製。

IMTS初步具有了蜂窩移動通信技術概念，採用大區制，是全雙工系統（當數據的發送和接收分流,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送和接收操作的傳送方式），覆蓋半徑約40~ 60英里，並取消了人工接線方式，實現了到公眾電話網(PSTN)的自動撥號互聯。

20 世紀70 年代中期，隨著民用移動通信用戶數量的增加，業務範圍的擴大，有限的頻譜供給與可用頻道數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了先進移動電話業務（AMPS）系統，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。

AMPS 所採用頻率複用技術，可以保證移動終端在整個服務覆蓋區域內自動接入公用電話網，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相比，第1代公眾移動通信系統雖仍採用以頻率調製為主的模擬調製傳輸方式，但已經具備了較完善的蜂窩結構和自動切換機制。

它也被稱為模擬製式的頻分雙工（Frequency Division Duplex，FDD）系統。這標誌著蜂窩移動通信系統的誕生，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明之一，生活在21世紀的我們，已經無法擺脫蜂窩移動通信系統，它已經成為了我們生活的一部分。

蜂窩移動通信網絡的工作原理

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

我們每撥打一個電話，發一條短信，都離不開背後龐大的移動通信網絡支撐。這個通信網絡首先是由無數的基站組成，你要發送的文本、圖片、聲音、視頻，首先通過無線電波發送到離你最近的基站，然後再通過各種不同的網絡節點傳送到離通話對方最近的基站，並由該基站再通過無線電波發送到對方的手機上。

在基站與基站之間還有無數的通信設施，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絡。

正是這一龐大的通信網絡將世界各地的移動用戶連接在一起。

在最早的GSM體制規範中，通常在無線網絡規劃中都採用4×3 頻率複用方式，即4個基站區（每個基站分為3個120°扇形小區或60°三葉草形小區），12個扇形區為一小區群，即為一簇。

由於每個小區呈正六邊形，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。所以我們將用若干蜂窩狀小區覆蓋整個服務區的大、中容量移動電話系統就叫做蜂窩移動電話系統，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，此時，任何一個基站（或小區）覆蓋不足都會導致你的通話中斷或質差。

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

2G蜂窩網絡的組成部分

基站子系統包括我們日常見到的移動基站（大鐵塔）、無線收發設備、專用網絡（一般是光纖）、無數的數字設備等等的。

而移動基站最核心的就是收發臺，收發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，實現手機通信信號的收發與移動平臺之間通過空中無線傳輸及相關的控制功能。收發臺可對每個用戶的無線信號進行解碼和發送。這樣用戶就可以準確無誤地接收到對方發送過來的短信，撥打過來的電話。

整個蜂窩移動通信系統中，基站子系統是移動臺與移動中心連接的橋樑，其地位極其重要。整個覆蓋區中基站的數量、基站在蜂窩小區中的位置，基站子系統中相關組件的工作性能等因素決定了整個蜂窩系統的通信質量。基站的選型與建設，已成為組建現代移動通信網絡的重要一環。

而基站子系統則依靠傳輸才能將網絡中的各種設備連接起來，構建無線網絡與有線網絡之間的轉換器。傳輸是網絡的中樞，傳輸的範圍很廣，物理上包括銅線、微波、光纖和衛星通信等等。

隨著通信技術的不斷更迭，網絡子系統我們可以簡單歸結為：接入網、核心網和服務/應用網絡，這四個部分都有統一的接口，並按照國際標準化組織3GPP定義的全球統一標準相互連接。

接入網就是手機和基站組成的網絡，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，並將來自手機的數據和語音信息匯聚，傳送到核心網。

2G、3G、4G無線接入網網絡結構

而核心網就是網絡的心臟，也是網絡最關鍵的一部分，所有數據存儲於此，計費也在這裡完成。我們用智能手機打電話、上網、發短信、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，基站接收到了你發射的頻率，然後它通過收發臺可對每個用戶的無線信號進行解碼和發送，而我們上網的時候，接入網會通過接入網匯聚到基站，然後再通過核心網給你提供服務。

一張完整的蜂窩移動通信網絡結構圖...

蜂窩移動通信網絡的迭代

我們用手機打電話阿、發短信、上網阿，這些信息都是通過無線信道來傳遞的。不同的通信技術所採用的信息編解碼技術和無線電頻率都是不同的。而從1978年，第一代蜂窩移動網絡系統提出，蜂窩移動通信網絡已經經過了40年的發展，經過了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侷限，如沒有統一的標準，業務量小，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存在的技術缺陷，20世紀90年代，採用數字調製技術的第二代蜂窩移動通信系統（又稱2G系統）順勢出現。它主要利用工作在900/1800MHz頻段的GSM移動通信網絡及工作在800/1900MHz頻段的S-95CDMA系統網絡提供的話音和數據業務。主要方案有GSM和CDMA。

隨著數據業務（尤其是多媒體業務）需求的不斷增長，2G系統在系統容量、頻譜效率等方面的侷限性也日益顯現。

2000年5月，國際電信聯盟正式公佈第三代移動通信標準，它主要利用第三代移動通信網絡提供話音、數據、視頻圖像等業務，幷包含了第二代蜂窩移動通信系統可提供的所有的業務類型。

2g/3g無線接入網絡架構示意圖

3G是高速IP數據網絡時代。從這一代開始互聯網技術開始利用，各種數據通過移動互聯網高速傳輸，音頻，視頻，各種多媒體文件等。移動互聯網速度大幅提升，移動高速上網成為現實。主要方案有TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000。

第四代蜂窩移動通信系統又被稱為4G系統，它是集3G與WLAN於一體並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品，是真正意義的寬帶大容量的高速蜂窩系統，支持交互多媒體業務、高質量影像、3D動畫和寬帶互聯網接人。

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，是移動電話數據傳輸速率的1萬倍，是撥號上網的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的無線通信環境的話，那麼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，並徹底改變了人們的生活方式甚至社會形態。4G包括TD-LTE和FDD-LTE兩大方案。

需要說明的是，因為現有的LTE網絡不能承載語音業務 只能承載數據業務 在打電話的情況下系統會回落至2G網絡 ，隨著2G網絡開始停止服務，運營商開始大規模推廣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首發版本正式凍結併發布。2018年6月14日，3GPP全會批准了第五代移動通信技術標準獨立組網功能凍結，這標誌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已經完成了第一階段全功能標準化工作，標誌著5G技術的正式到來。

5G相比於4G則增加了高速率、泛在網、低功耗、低時延的特點，從而具備超大網絡容量，提供千億設備的連接能力，滿足物聯網通信。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務；

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

mMTC：大連接物聯網，針對大規模物聯網業務；

在2020年，我們的5G網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除了多虧了蜂窩移動通信網絡的發明，還要感謝在背後提供24小時服務的工程師，他們在背後對整個系統進行維護修理。保障了我們平常的通話上網服務。