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蜂窝网络如何工作?为什么会称之为蜂窝网络?

2019-12-25

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  蜂窝网络为我们所了解和喜爱的许多事物提供了重要因素,使我们在任何地方都可以实现联网需求,比如公交车、与朋友联系、购物、观看视频等等。除了我们都熟悉的个人利益外,蜂窝网络在许多物联网应用中也起着至关重要的作用,并且在不断增长。

  在过去的一些文章中,我探讨了其他连接技术,包括WiFi、蓝牙和LPWAN。我们有这么多连接选项的原因是因为物联网应用程序可能会大不相同,这意味着要求会有所不同。

  尽管连接技术不断得到改善,但最终,在功耗,范围和带宽之间总会有一个权衡。过去,蜂窝连接一直专注于范围和带宽,却以功耗为代价,这意味着它可以在远距离发送大量数据,但会很快耗尽电池电量。这对于连接到电源或可以经常充电的设备(例如您的手机)来说是很好的选择,但是对于需要远程传感器和设备才能使用数月或数年的电池的物联网应用来说,这是不可行的。

  但是,关于蜂窝网络,这还不是全部。您可能已经听说过2G、3G和4G之类的名称,但是NB-IoT和LTE-M等新的蜂窝技术专门针对IoT应用。5G可能也将证明对物联网有利,并且具有变革性。

  蜂窝网络如何工作?

  当我们通过移动设备打电话,发送短信或访问Internet时,我们正在向附近的手机发射塔无线发送信号。这些蜂窝塔既接收我们的信号,又将信号发送回给我们。蜂窝塔是基站的一部分,基站与其他基站和互联网具有有线连接,有助于在比单个蜂窝塔的覆盖范围更大的距离内传递信息。

  像所有无线通信技术一样,蜂窝网络使用电磁波发送信息。正如您的收音机具有可以调谐到的不同频段一样(例如,调谐到101.1意味着您正在收听101.1 Mhz频率),无线通信技术也具有在其工作的特定频段。

  如果所有无线通信都尝试使用相同的频率,则对于清晰的通信将有太多的噪声和干扰。因此,FCC规定了可以由哪些人使用的频带,并且蜂窝载波各自具有允许在其内工作的特定频带。

  但是,即使拥有自己指定的频段,运营商仍然需要考虑干扰。如果运营商的两个基站相互靠近并且以相同的频率运行,则它们的信号会相互干扰,并给试图在该区域使用网络的任何人造成问题。

  该问题的解决方案也是下一个问题的答案。

  为什么称其为“蜂窝”网络?

  之所以称为蜂窝网络,是因为网络运营商将区域划分为“单元”。每个小区都有一个小区塔,其工作频率与相邻小区塔的频率不同。例如,如果使用六边形排列,则意味着您仅需要7个不同的频率即可确保相邻单元中不使用相同的频率。

  这些单元中每个单元的面积取决于使用密度。在城市中,每个小区的距离可能只有半英里,而农村地区的距离可能会高达5英里。

  当用户在小区之间移动时,其频率会自动更改以切换到新的小区信号塔(称为切换)。

  要在移动中(即“移动”)同时使用同一网络同时管理大量用户,幕后还有很多事情要做,但我将保持较高水平。

  一代是什么意思?

  即使以上所有内容对您来说都是全新的,您几乎肯定也曾经听说过诸如3G或4G之类的术语。这些分别指的是第三代和第四代。

  每一代都是由称为ITU无线电通信部门(ITU-R)的标准机构定义的一组标准和技术。该组织负责管理国际射频频谱和标准,这有助于确保频谱的有效利用。没有这样的机构和规则来控制谁可以使用什么频谱,不同的公司和组织可能会相互干扰并降低整体服务水平。

  但是,应该注意的是,即使在相同的标准下,仍然会有不同的技术。例如,UMTS(通用移动电信系统)是主要在欧洲,日本和中国使用的3G技术,而CDMA2000系统则在北美和韩国使用。

  那么1G、2G、3G和4G有什么区别?

  从1980年代初期推出的1G系统开始,此后大约每10年推出一次新一代。每一代都带来了新的频段,更高的数据速率和新的传输技术(不向后兼容)。

  因为每一代都是不同的,所以这就是为什么您的手机可能没有4G覆盖范围,但仍然拥有3G的原因(以及为什么您可能没有Internet上任何数据的数据却仍然能够拨打电话和发送短信的原因)。

  几家运营商已宣布将关闭其2G网络,以释放无线电频谱用于其他用途。任何使用2G无线电的机器都需要将其无线电替换为新一代无线电才能继续工作。

  蜂窝连接是否是物联网的好选择?

  所有这些都取决于您的特定用例。如引言中所述,蜂窝电话历来不适合许多物联网应用,因为它消耗大量电能,并且每单位成本很高。对于具有直接电源,需要发送大量数据,不涉及大量设备且位于人口稠密地区的应用程序,蜂窝连接性受到了限制。

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