1.1 移动通信概述

1.1.1 引子——移动通信改变生活

在第二次世界大战后的半个世纪以来，电子信息技术已经深刻地改变了人类文明的面貌，移动通信技术就是其中最典型的代表。说到移动通信，恐怕大家都不会陌生，它已经渗透到生活的各个方面。我敢和大家打个赌，在你翻开这本书之前的一个小时之内，你一定操作过你的手机，手机已经成为我们最重要的随身物品之一，原因很简单，随着智能手机的普及，手机已经成为我们随时随地获取信息的最重要工具。2013年3月的最新统计数据表明，我国移动通信用户数量超过11亿，而美国移动通信用户数量甚至超过了其人口数量。预测数据表明，到2018年，全球移动通信用户数量将会超过90亿。

不仅用户规模急速扩大，手机的功能也从过去单一的点对点语音通话发展到现在智能手机的视频通话、互联网浏览、应用扩展等以网络数据服务为主的功能，人们生活的习惯也随着这些新功能的出现发生微妙的变化。

对于很多人而言，生活变得越来越离不开手机，他们通过手机登录到社交网络，无论到了哪里，只需要手指轻轻一点，无论是照片、位置或者声音立马可以上传到社交网络与亲朋好友分享，我们也可以知道我们关心的人他们的状态；人们通过手机购物，享受足不出户的方便；一些人使用手机来进行导航，于是再也不用担心迷路了；更多的人用手机下载书籍、视频、音乐……过去人们是需要进行通信的时候才拿出手机，而现在，无论是在地铁上、饭桌旁、卧榻上，到处可以看到低头抱着手机不放的人们，手机从单纯的通信工具变得更像是个人数据业务和信息处理综合平台。而这一切，正是移动通信技术的飞速发展给我们的生活带来的巨大改变，究竟这一切是怎么发生的呢？就让我们一起来探寻移动通信技术背后鲜为人知的故事。

1.1.2 早期的通信——什么是信息

说到通信，不得不说一说通信到底是什么。读者不妨问一问自己，我为什么需要与别人联系？有人可能会说，通信的目的是为了获得信息，与别人联系就是一种通信，是以获取信息为目的。如果说通信的目的是为了获得信息，而信息究竟又是什么呢？我从别人那里获得的信息其本质是什么呢？

假设这样一个情景，小明离开了家乡来到遥远的城市读大学，小明的妈妈很想念小明，且小明的大学生活对于妈妈而言充满了未知，她希望知道小明的近况，于是隔三差五地给小明打电话，而小明对爸爸妈妈的生活习惯了如指掌，家里的情况对他而言没有任何神秘感，通话的热情显然不像妈妈那么高。我们简单分析一下这个例子，不难发现，通信的目的是了解更多我们感兴趣的信息。而这些信息，对于我们而言，就是那些我们在通信之前不知道或者不是很清楚的事情，这就引出了信息的概念。

1948年，香农在通信科学的奠基性文章“通信的数学理论”（The mathematical theory of communication）中给信息的定义是：“信息是人们对事物了解的不确定性的消除或减少。”（这是一个很抽象的概念，结合生活中的经验慢慢体会才能真正明白信息的含义。）香农的信息论发表以后，通信科学和信息科学从此走上了发展的快车道，信息科学的蓬勃发展还一定程度上引发了第三次科技革命，将人类社会由工业时代带入了信息时代。

其实在香农发表信息论以前，远距离通信就已经有了上千年历史。例如，古时候的人们为了抵御外敌入侵，想出了用烽火来报信的方法。烽火确实是有效的信息传递方式，能够第一时间把外敌入侵的信息传递到指挥机构，迅速做出反应。然而烽火所能传递的信息毕竟有限，只能解决外敌入侵是或否的问题，具体有多少敌人，敌人的具体方位这些更为重要的信息就不得而知了。所以为了传递给多的信息，就有了邮驿系统，我们熟悉的“六百里加急快报”，就是通过邮驿系统来传递完整的信息。

可是，古代的方法实在是太慢，而事物又是不断变化的，所以信息本身具有时效性，而信息传递的时间如果超过信息的时效，那么信息就会过时，就会变成不准确甚至错误的信息。

所以人们对提高信息传递速度的追求从未停止。到了近代，物理学的发展尤其是电磁学的研究成果为实现高速信息传递提供了可能，19世纪30年代，莫尔斯发明了电磁电报机和莫尔斯电码，他利用“点”（接通电路时间较短）、“划”（接通电路时间3 倍于“点”的时间）、“空”（断开电路）的不同组合来表示各种字母、数字和标点符号，进而表示文字。用这著名的莫尔斯电码，通过电报机来发送信息。1844年莫尔斯在华盛顿到巴尔的摩相距 64km的距离上成功地实现了电报码传送，它用电流来传递信息。这是通信史上具有里程碑意义的事件，电流的速度与传统的人力通信方式相比，速度又何止快了千倍？而且也不受天气的影响。与原始方式相比，电报通信无论在传输距离、传输速度，还是在传输可靠性和有效性方面都发生了极大变化。因此很快用于军事、商业等现代领域。电报业务的产生使得铁路调度成为可能，大幅度提高了铁路运输效率，成为推动铁路发展的重要因素之一。同样由于电报通信业务大大提高了新闻的时效性，成为新闻事业繁荣的重要因素。

有了电报以后，通信的速度是快了很多，时效性的问题算是得到了很大程度的缓解，可是电报传递信息的效率实在是不高，而且复杂的莫尔斯电码也不是每个人都能熟练掌握的，因此在那个年代实时通信是一件非常专业的工作，需要专业的报务员来进行编码和译码（编码和译码现在依然是通信的重要技术，只是人工操作早已被程控取代）。电报发送与接收，需要先拟好电报稿电文，然后再译成电码，交给报务员发送出去；对方报务员收到报文后，先把电码译成文字，然后投送给收报人。这样虽然电报机之间传送的速度很快，但是原始信息发送者到最后接收者的全过程中，由于包含较多的人工手续使得实际传递时间较长，达到几小时甚至更长时间。要得到对方的回电，还需要等更长的时间。这里我们可以看到，电报通信与面对面交流存在较大差距。

1876年电话的发明改变了这一状况。电话，只要人们对着电话机直接说话，电话机能够将话音信号转变为电信号，然后沿着导线传送到接收方，接收方的电话机再将电信号还原成话音信号，接收者就能够听到话音。这样相距很远的两个朋友就像面对面一样可以交流，十分方便。电话代表着效率上的一次飞跃，人们不必再去写信、拍电报，然后等待回音。因此在随后的几年里，电话取得了无与伦比的商业成功。今天电话机已经成为人们工作、生活中不可缺少的通信工具。在城市、城镇几乎达到家家都有，每天都少不了打电话的程度。

1.1.3 几个基本概念——信号、信源、信道和信宿

这里又引出了几个概念，信号、信源、信道和信宿。

信号其实是一个很抽象的概念，信息论教科书上对其的定义是：信号是消息的表现形式，而消息是信息的载荷者。这确实不好理解，我们不妨来分析一下，还是以烽火为例。前面我们说过，信息的定义是不确定性的消除或者减少，那么烽火消除了外敌入侵与否的不确定性，这是烽火所携带的信息。而消息呢，看到烽火的人就会反应过来“有外敌入侵啦！”这就是消息，是信息所表示的具体含义。信号呢，则是烽火冲天的火光，火光信号携带着外敌入侵的消息让远方的人们得到外敌入侵的通知，所以说信号是消息的表现形式。在现代通信系统中，电磁信号的份量举足轻重，这主要是由于电磁信号以光速传播的特性，最大限度地满足了人们对通信实时性的需求。

信源、信道和信宿，相对于信号就好理解多了。信源是信号的发出者，是产生消息的源。同样以烽火为例，第一个发现敌人并燃起烽火的烽火台就是信源。而信道则是信号传递的媒介，从信号发出到被接收中间信号经过的介质就是信道，第一个烽火台燃起的烽火被相邻的烽火台看见后，相邻烽火台也燃起烽火，通过烽火台的中继将消息传递到后方，这条接力烽火线就相当于是烽火的信道。信宿则是信息的接收者，烽火信号要一段一段的传递，最终把消息传到最高指挥官，最高指挥官就是信宿。

拓展阅读

香农与信息论

克劳德·香农（Claude Elwood Shannon）：信息论之父、20世纪最伟大的科学家之一。

香农生于1916年4月30日，在美国密歇根州加洛德小镇长大。中学时曾参加镇上的乐队吹奏中音萨克斯号，当过报童、电报生，修理过无线电赚钱买零件，制作过飞机模型、遥控轮船模型、电报机等。

1941年香农进入贝尔实验室，于1948年发表的《通信的数学理论》文章，提出了通信系统模型以及信息熵、信道容量等概念，开创了信息论的先河。这是一篇对科学和工程，乃至对人类社会发展产生了重要影响之作，是与牛顿力学相媲美的不朽之作。

香农的成就与贝尔实验室的学术氛围是分不开的。香农曾说：“这是一个非常好的场所。如果我在其他公司，就要更多地专注于特定的目标，我就不可能像在贝尔那样自由自在地工作。”正是这种自由、无拘无束的研究氛围，造就了这么多伟大的科学家。

他曾经如是说：“我总是受兴趣爱好驱动，不大关心其经济价值。”，“我花费不少时间在些完全‘无用’的事情上”。又说：“我总是喜欢去解决一些新的问题，我坚持问自己，你要做这件事吗？有可能搞一个机器来做吗？你能证明这个定理吗？”

2001年，香农先生与世长辞，但正如信息论著名学者Richard Blahut所说：“在我看来，两三百年之后，当人们回过头来看我们的时候，他们可能不会记得谁曾是美国的总统，也不会记得谁曾是影星或摇滚歌星，但是仍然会知道香农的名字，学校里仍然会教授信息论。”作为信息论之父，香农将永远存于历史年表中。