通信系列1: 电话的前世今生

作为一个通信人，讲一讲关于电话的故事和原理

这第一篇是比较通俗的，目标是每个人都看得懂。

一、在没有电话之前

   在没有电话之前，如果一个人想把声音传给远处的人，只有靠大声讲话了。

   后来，人们弄了一个方法，就是，两人拿一根竹筒，一个人在这头讲，另一个人在那头听。这样声音可以传得远些、清晰一些。

   

   从物理学角度上看，声音是空气振动产生的机械波，称声波。 竹筒的作用是让声波在传播的途中减少衰减，从而传得更远

二，贝尔发明电话

    1875年，亚历山大·格雷厄姆·贝尔 (Alexander Graham Bell，英国裔美国发明家）发明了一套技术：首先把人的声波通过话筒(麦克风)转变为电磁波，再通过电话线把电磁波传递到远方，然后通过听筒(喇叭)将电磁波转变为人听得到的声波。这个技术就是电话。1892年，纽约到芝加哥的电话线路开通，第一次实现了人类声音的长距离传输。

在这个图中，电话线就是一条管道，把双方连接。管道英文称chanel, 有时也翻译为信道。 

为了实现双向通话，打电话的人要同时拿着一个话筒和一个听筒。 像下图这样：

后来把话筒和听筒做成一个手柄，就是今天的电话机话筒的样子。

三、交换

上图实现了两个地点的之间的通话，如果是多个地点间的通话，就需要一个中间人。

上图有4个地点，分别用101,102,103,104表示， 如果101要打电话给103, 他先打给中间人，告诉中间人“我要接到103"，中间人把101的线与103的线接通，然后就可以通话了。

中间人的作用相当于一个开关(switch), 根据打电话人的要求，把某条线与另一条线接通。

主动发起通话的人称为主叫（caller)，接听电话的人称为被叫(callee)

在最开始的时侯，中间人是一个真实的人，也称话务员。 打电话的人跟他说，“我要接到103”，话务员将101的接线头拨出来，拨到103的线槽中去，就把101-103接通了。

后来，交换机技术出现了，就是用机器实现了这个中间人的角色 （交换英文称 switch, 就是 开关的意思）

理解一下交换的详细过程：

1，电话号码(number)：为了识别每一个地点的话机，这个话机要有一个编号，这个编号就是电话号码。

2，拨号(dial)： 打电话前首先要拨号。 由于交换机是一个机器，不能识别人的語音，所以要有一种方式，告诉交换机你要去哪个地方。这个方式就是拨号，就是由人按键、电话机向交换机发送一串特殊的声音。  这个声音称为拨号音，是一种特殊频率的声音。交换机可以识别这种特殊频率的声音代表的数字含义，从而知道你要连接哪个号码（即被叫号码）

每一个按键都是一个特殊的频率，有一个技术规范规定了这个音的频率，叫DTMF（dual-tone multifrequency，双音多频），参见点击打开链接。

3，交换(switching): 交换机根据收到的被叫号码，判断接到被叫的路线（称为路由,router)，然后接通那个号码的线路开关。

4，振铃(ring):  交换机通知被叫话机响铃，提醒被叫人接听电话。振铃过程中，主叫人也会听到振铃音，提示主叫人等待一下。如果振铃多次后，没人接，则交换机将不再通知被叫话机振铃，并向主叫人播放忙音，意思是“没人接听，请你挂机吧"。

5，应答(answer): 振铃过程中，被叫人提起话机接听，电话接通，开始通话。交换机在通话过程中将双方的线路持续保持接通。

6，挂机(Hangup):  无论是主叫还是被叫挂机，通话即结束。交换机将断开被叫与主叫的连接关系。

交换机与电话机之间要传递多种信号(signal, 也称信令)： 如拨号、振铃、忙音等等，这些信号在传统电话网中都是一些音频，随用户声音一起在电话线路传送。

三、交换网

电话线能把声音传多远呢？传统的铜线电话网，从电话机到交换机的实用距离大约在5公里内。超过这个距离，电磁波会有较大衰减，影响通话质量。

要再远一些，就要在中途加一个交换机，进行接续。如图：

用户较多时，多个交换机往往摆在一起，一组交换机叫做一个电话局。  

直接连接电话机的交换机，叫端局。 

把多个交换机连接在一起的交换机通常叫汇接局。

这样，一级一级连接下去， 形成了一个大的交换网，把每个地区连接起来，每个省连接起来...

交换机与交换机之间的连接线路，一般称为中继线。 开始时，中继线也是电话线（铜线）。

与连接话机的电话线不同的是，中继线要在一对铜线上同时传送多路电话，一般是30路电话/线对，这种线路叫E1.

为了提高传输效率，现代的交换网普遍采用数据通信方式，当用户话音电磁波送到第一个交换机(端局交换机)后，交换机将话音电磁波转换为IP数据包，再通过IP数据通信方式传送到对方交换机，对方交换机收到后，将数据包转变为话音电磁波送给话机。

近二十年来数据通信技术的进步，中继线已全面变成了光纤。光纤数据通信能力强，一根光纤能通上万路电话。

三、ADSL上网

通达用户家中只有一对铜线, 如何即可以打电话，同时也可以上网呢？

ADSL是一种在铜线上即能打电话，同时也能高速上网的通信技术。线路长度2公里时ADSL能达到6-8M bps的上网速率。小于500米时，ADSL能达到25-30M的上网速率。

原理是这样的：

电话网中，人的语音频率有效范围为 0-8000 Hz， 但是电话线能传送更高的频率，利用这一特点，把电话线上的电磁波频率分成两部分，低频率（8000Hz以下）传送语音，高频率(8000Hz以上)传送数据。

如图所示：

1， 从用户家到电信局，只有一对电话线

2，在用户家中，分频器把电话线上的频率分成两部分，低频部分送给电话机， 高频部分送给 Modem, 电脑通过Modem上网。

3，在电信局内，分频器把电话线送来的频率分成两部分，低频部分送给电话交换机, 实现打电话。高频部分送给DSLAM(这是电信局的数据接入设备)，直通互联网

当前，ADSL是我们主要的上网方式。

四、光纤入户、全光网络

当前，光纤已普遍用于中继线。

随着光接入技术(PON)的进步，光纤正在进入家庭、公司，取代铜线，直达用户的桌面（电话、电脑）

如图所示：

1， 从用户家到电信局，只有一条光纤（没有了电话铜线)

2，在用户家中，只需要放一个光猫，光猫输出两种接头，电话接头接话机，网络接口(网口)接电脑。

3，在电信局内，传统交换机没有了，只剩下数据交换机（路由器）

现在大约10-15%的用户光纤入户了，未来5-10年内，绝大多数的家庭将普及光纤入户。

没有了铜线，从到达用户的线，到电信局的中继线，全部是光纤，形成全光网络。

聪明的你可能会问：

1， 铜线没有了，语音去哪了，都变成IP了吗？

正确，光猫把用户的语音变成了IP数据包，从光猫开始，到电信IP网络，全部都是IP传输。

全光网络上传输的一切都是IP数据包。

2，光猫到电话机之间不是还有一条电话线吗？光猫到电脑不是还有一条网线吗？

电话接口为了兼容旧式的电话机，你完全可以采用一个IP电话机，直接接在网口上即可。

网口也是为了兼容旧式的网卡，你完全可以在电脑中采用一个光网卡，把光纤直接接到电脑中。

3，交换机去哪了？电话语音不需要交换了吗？

电话语音基于IP数据包进行交换， 话机(或光猫)与电信服务器之间采用SIP协议进行数据通信。

SIP（Session Initiation Protocol，会话初始协议）是国际组织定义的一个多媒体IP通信协议，支持语音、视频、多种信息等彼此通信。

如同 http协议是web的标准，SIP协议是电信网络通信的标准。

电信公司原有的多级传统交换机统统没有了，只剩下一个IMS服务器。

传统交换机是专用电路板组成的，IMS服务器则是一组通用的计算机服务器(x86的，和你的电脑一样)

IMS负责与用户终端进行SIP会话，寻找被叫终端，把数据转发给被叫。这就是交换（基于IP通信的交换）

通信系列的下一篇将深入讲讲SIP协议。

4，有铜线就够用了，为什么要光纤呢？

如果铜线比作一条乡村公路的话，光纤就是一条信息高速公路。

光纤的通信能力是铜线的数千倍到几十万倍。

当前，电信公司已向企业推出1G bps 速度的光纤上网服务（这个速度超过USB2.0，接近硬盘读写速度了），未来1-2年将向家庭推出1G速度。

未来给用户的一条光纤达到10-100G速度也完全不在话下（电信公司中继用的光纤的速度目前在40-100G)

未来20年是物联网(internet of things, 万物互联），每个人有20-30件物品联网，每个家有50-100个物品联网。 

五、移动电话

移动电话，即手机，是一种无线通信

（一）  最早的无线通信是广播电台。

   

播音员对话筒讲话，话筒把声波转变为电磁波，通过发射机变成无线电波发射出去。

收听人用收音机接收无线电波，收音机通过喇叭，把电磁波转变为声波，收听人就听到声音了。

电台是单向的，就是只能播音员说话，收听人接听。

如果两个人都同时有一个发射机和一个收音机，即是播音员又是收听人，则他们就可以隔空讲话了，这种方式就是对讲机。

用对话机作手机是可以的，但是有几个问题

问题一： 无线电波能传多远？ 不够远怎么办？
问题二： 对方动来动去，如何找到对方呢？
问题三： 很多人同时打电话，如何在一个频点上传多路声音呢？
问题四： 如何不让我的声音被别人偷听？

移动通信的出现就是要解决以上问题的。

（二）基站(base station)

 首先，我们建立一些基站，就是我们能经常见到的铁塔。

 手机只与最近的基站进行无线电通信，无线电波只需要传输到基站就可以了。基站与基站之间用光纤连接在一起。

这样就解决了无线电传得不够远的问题。

全国三大运营商有一百多万个基站。形成对广大地区的连续覆盖。

一个基站的覆盖范围是一个圆形。很多个基站覆盖范围彼此边缘重叠，从空中看起来，就像一个蜂窝，所以，移动网络也称为蜂窝式移动网络。

每个基站间有多远呢？  在密集城市，隔500-800米有一个基站。农村山区，可能十公里一个基站。

事实上，手机无线通信的距离只是手机到基站的距离（可能只有几百米），到基站后就下地了，成为了有线通信。

有线通信与固定电话网是一致的。

（三）HLR(host location register)

对方手机动来动去，如何才能找到对方呢？我们引进了HLR(host location register, 主位置寄存器)

HLR 是一个计算机服务器，记录着当前某一个手机在哪个基站范围内。

当一个手机开机时，它会向HLR登记自己的位置（在哪个基站内）

当一个手机移动到另一个基站内时，它向HLR登记自己的新位置（换到哪个基站了）

当一个手机要呼叫另一个手机时，就会问HLR，被叫手机在哪个基站？然后，交换机就把话路转接到那个基站，基站再找到被叫手机。

如果一个手机没有在HLR登记位置(比如说：手机关机了），则它作为被叫时，主叫将听到 ”对不起，你所拨打的电话不在服务区“

(四）编码、调制

打电话时，一个手机要完成三个工作： 一是把声波转成数据，二是对数据进行编码，三是通过无线电波发射出去。

为什么要编码呢? 
1，为了在一个频率上传多路电话 (频率复用，提高频率使用效率)
2，为了：提高数据传输速度、提高稳定性、加密 …


不同的数字化编码方式，就是不同的手机网络制式:  GSM, CDMA,  WCDMA, LTE
数字编码就好像人类的语言，只有讲相同语言的人才能沟通
采用相同制式的手机与基站才能互相通信

(五）3G （3th Generation, 第三代移动通信）

第一代手机是模拟移动电话，俗称大哥大，现在已经不用了。

第二代(2G)手机是数字式移动电话，国内有GSM, CDMA 1x两种制式。

     2G手机工作频率为800-900Mhz, 原本的设计是在这个频段传语音，采用GPRS技术也能传数据，速率约300K bps.

     后来手机上网越来越多，GPRS的信道太狭窄，传输速度很慢。看个网页还可以，下载图片、音乐太慢了。
     

     于是技术人员提出：单独设立一条频率，形成一条不走语音的宽的数据通道，上网速度提高几十倍，数据通道多人共用提高使用率。

     这就是3G技术(即，第三代移动电话)

   3G手机制式有 WCDMA, CDMA-2000 两种

    3G手机支持两个频率，数据走WCDMA，语音走GSM
    多个手机上网用户共用一条数据通道，多人同时传数据时，速率被平分

(六) 4G (4th Generation, 第四代移动通信）

移动互联网时代，为满足更高速、更大容量的上网需求，提出了4G LTE技术

4G LTE制式 ，在空中又增加了一条新的频率，形成一条新的数据通道

4G上网速率提高到140M，是3G的几十倍，2G的约一千倍

4G的下一个演进版本是 VoLTE( Voice over LTE, 就是把语音跑在LTE数据通道上）

把一切变成数据，一切变成IP。  至此 GSM语音通道可以不要了。