手机和卫星（手机和它的信号）

“所以这件事情呢……喂？……喂？你还能听到吗？……喂？……你那边信号不好啊？我这边是满格的呀。”

这样的情况是不是经常发生在你身上？通常你恨它，因为它让你无法和别人进行持续有效的通话；有时你爱它，因为你能以此为借口结束某些不愉快的对话。

所以，多了解一点手机信号的知识，除了能让你在以“信号不佳”为由结束对话时不至于露出马脚，也能帮你识别对方“信号不佳”的真伪，还能让你在茶余饭后瞎显摆的时候告诉别人并不是手机信号越强辐射就越强。是不是忽然觉得知识就是力量了呢？

手机信号颠沛流离的一生

为了了解手机是如何通话的，可以先从固定电话说起。

（图片来自网络）

简单来说，一根电话线的一端接在电信公司交换机的通信接口上，另一端接在你家固定电话的通信接口上；此外，你们这栋楼里所有住户的电话也都连到了同一个交换机上。当你打电话给楼下的邻居时，你的电话会给交换机发送一个通话要求“我要和81234567 这个号码通话”，然后交换机就会把你的电话和你楼下邻居的电话连接起来，你们就可以进行通话了。

由于全国甚至全世界的人都可以相互通话，所以真正的固定电话系统比前面描述的要复杂得多，不过最基本的过程都是一样的。现实中的“公众交换电话网（public switched telephone network, PSTN）”负责处理全世界所有人的通话请求，你可以认为它就是一个巨大的交换机。

与固话不同，手机使用携带信息的电磁波，从“无线信道（相当于电话线）”来到“基站”，用“空中接口（相当于电话线两端的插头以及它配套的插座）”和基站连接，再通过基站连接到“公共陆地移动通信网络 (public land mobile network, PLMN）”。

为了和固话进行通信，PLMN 会和PSTN 连接在一起。基站是一个巨大的天线，长得有点像埃菲尔铁塔，能够发出很强的电磁波覆盖几十平方千米的范围。

当你用手机拨出女友的电话号码，按下“通话”键时，通信的要求从你手机的天线发射到自己所属的基站上，然后通过公众交换电话网到你女友的手机所属的基站，再从那个基站来到她的手机天线上，最后由震动或者铃声来提醒她接电话。接通以后，所有的语音信息都通过同样的途径来回传递，直到切断通话。

（图片来自网络）

蜂窝电话真的有蜂窝

聪明的读者应该已经发现了，前面描述的“痴心男友给女友打关怀电话”这个例子里有很多问题没解释清楚。比如，手机怎么知道自己该属于哪个基站？手机信号到达基站后，基站怎么区别这个信号到底来自这位痴心男友，还是他隔壁桌的美女同事的手机？如果在这对男女朋友通话的同时，隔壁的美女同事也在给上司打电话，那么在基站要怎样让两通电话能同时进行但又互不干扰？ PLMN 是怎么知道女友的手机属于哪个基站的？

要回答这些问题，首先要更深入地了解手机和基站组成的通信系统到底是什么样的。

前面说过，基站是一个巨大的天线，每个基站能够覆盖几十平方千米的范围；也就是说，为了能让世界各地的人们都能进行通话，每几十平方千米就需要设置一个基站（这个是在旷野上的效果。实际上在城市里，基站之间的距离更近）。

如果把一个城市里的基站所覆盖的信号范围都画出来的话……看，是不是很像蜂窝（cell）呢？手机的英文名称“cellphone”就是这么来的。

每个城市、景点、农村都会有基站信号覆盖，但城市里由于建筑物的遮蔽等问题，有很多地方是基站信号覆盖不到的，比如说电梯里，或者地下室。这时就需要在相应的空间中设置“直放站”，把室外的基站信号引导到室内、把室内的手机信号发送到室外。在电梯里经常看到的“移动/ 联通/ 电信信号已覆盖”就是指这个电梯已经安装了相应运营商的直放站了。

现在你知道了，一个手机和另一个手机之间的通信，基本上是通过“手机—（直放站）—基站—PLMN- 基站—（直放站）—手机”这个结构来进行的。那么，手机怎么知道自己该属于哪个基站呢？

由基站分布图可见，任何位置上都会有一个到几个基站的信号能够覆盖到。每个基站会一直不断向外发送信号，告诉范围内的手机“我叫什么名字，在什么地方，用的哪种空中接口”等信息。手机刚开机的时候会扫描所有能收到的基站信号，然后和信号最强的基站建立连接。当你离开这个基站的覆盖范围时，出现信号变弱，手机会尝试重新扫描所有的信号并接入一个信号更强的基站。

（手机信号基站。图片来自网络）

当手机信号到达基站后，基站会对这个信号的主人进行一个身份鉴别，从而区分不同的用户。这个鉴别的根据就是客户识别模块（subscriber identity module, SIM 卡）上存储的国际移动用户识别号（international mobile subscriber identity,IMSI）。

我们在打电话的时候，通过电话号码来区分不同的用户，就像我们通过名字来区别不同的朋友一样。而每张SIM 卡上都会存储一个世界上独一无二的IMSI 号，就像是身份证号码，让电话系统来区别不同的用户。所以，就算那位女友换了一个手机，只要拿下原来的SIM 卡，装到新的手机上，痴心男友还是可以通过原来的手机号找到她。

（SIM卡。图片来自网络）

就在这对男女朋友通话的同时，隔壁的美女同时也在打电话，大家都是用电磁波传送的信号，看不见摸不着，那么基站是怎么保证两路通话同时进行但互不干扰的呢？

这个问题其实是整个移动通信系统的核心技术，两个不同的解决方案就会发展出两种截然不同的移动通信系统。简单来说，GSM 系统，也就是中国移动的2G 网络，是让不同的用户在不同的通道（无线频率）、不同的时间（在非常短的时间内轮流切换8 路通话）上进行通话来解决这个问题的。

而CDMA 系统，也就是中国电信的133 号段，所有的手机使用同样的通道，但每通电话会分配到一个锁（扩频码），发送方把信息用锁锁上，接收方用配套的钥匙（相关器）打开锁以后读取信息。由于每把钥匙只能打开相应的锁，相互之间也就不会干扰了。

（图片来自网络）

下一个问题，当你告诉PLMN“请帮我找到我女友，她的号码是133 ”后，PLMN 是怎么知道这个号码在哪个基站的覆盖范围内呢？这时，最简单的方法就是最有效的方法。你想的没错，就是用张表格记下来。

一旦手机接入某一个基站，这个基站马上会向PLMN 报告“133 这个号码现在在我这里”。如果有人要找这个号码，PLMN 就会把信号交给这个上报的基站，让基站通知这个号码。

此外，你购买的SIM 卡会有一个“号码归属地”的属性。当你通话的时候，基站会比较这个属性中的号码归属地和你手机实际所在的地点，如果信息不同就证明你在漫游，就会收取漫游费用（话说移动通信运营商还真是会赚钱啊……）。

手机信号越强，辐射越强？

看到这里，请掏出你的手机，看一眼信号强度: 现在有几格信号？

大多数人对于手机信号的了解，通常仅限于“信号格数越多，信号越好”而已。可是，5 格信号比4 格信号强多少呢？不，不是你想的4 格的信号强度是5 格的80%。

当年iPhone4 的手机信号问题闹得沸沸扬扬的时候，由于苹果声称问题的原因是手机信号条的算法有误，所以著名在线杂志Anandtech 对iPhone4 的信号进行了一次实测，图16 就是实测的结果。

要看懂这个图，首先要弄清楚两个概念: 手机信号条表示的是发射强度还是接收强度？ 这个信号强度的单位dBm（分贝毫）是什么意思？

手机信号条表示的是手机接收到的、来自基站的信号强度，所以通常都非常微弱。基站发出时的信号功率可能有20W，但手机收到的通常只有它的千亿分之一到十万分之一。这样一来，总是用“ 分之一”来表达信号强度就不太方便，于是手机信号就选了一个表示倍数的相对单位，也就是dBm 作为强度单位。

由于dBm 的定义涉及一个广大人民群众深恶痛绝的公式，所以我就不把它拿出来为难大家啦。简单来说，dBm 表示的是手机当前接收到的电磁波能量强度和1mW（毫瓦）的比例关系。0dBm 表示1mW，10dBm 表示101=10mW，20dBm 表示102=100mW。

（图片来自网络）

再来看这张图，最右边信号最强的时候是－51dBm，注意这个“－”号。－51dBm 表示信号强度是1mW 的10 的负5.1 次方，略小于十二万分之一。最左边，手机判定为完全没信号的边界是－113dBm，也就是略大于两千亿分之一。

再看一下，当信号的强度降低到－91dBm, 也就是满格信号的万分之一时，显示4 格信号。第三格信号的上限则是第四格信号的十分之一，而第二格信号的上限是第三格的三分之二。之所以这么设置，是因为在手机信号满格的整个范围以内，通信质量都不会受到显著影响；但在－113dBm 到－91dBm 这个范围内，通信质量会有比较大的变化，所以才要在这一段更加细分。这只是iPhone 的操作系统对于信号强度的定义，每个厂商的具体定义都有细微的差别，不过都会遵循相同的方法。

了解了这个信号强度的概念以后，你是不是会问：那手机辐射是怎么回事啊？信号强度越强，是不是辐射越大啊？“信号强度越强，辐射越大”这句话所描述的逻辑关系本身没有问题，不过应用起来却很容易让人误会。

（图片来自网络）

首先，前面提到手机上信号条显示的信号强度是手机接收到基站信号的强度，而这个信号强度小于十万分之一毫瓦，对人体的影响完全可以忽略不计。

其次，手机接收到的信号越弱，说明“无线信道”的质量越差，那么将需要提高手机的发射功率来和基站进行有效通信。也就是说，手机上“显示”的信号强度越弱，手机“发出”的电磁辐射就越强。不过即使在信号很弱的情况下打电话也不用担心，因为正规手机在设计时都会遵循国家标准，将最大电磁辐射控制在安全的范围内。

你被雷劈，真的不是我的错

如果你又看到一些耸人听闻的报道，比如有人又在雷雨天打手机而被雷劈了，原因是手机发出的电磁波可以像避雷针一样吸引雷电云云，那你应该义正词严地辟谣：这种解释纯属胡诌。现代科学中找不到任何可以证明手机信号能够引雷的蛛丝马迹。

（图片来自网络）

避雷针之所以能“引雷”，是因为它是一个在方圆数十米内高度最高的导体，为云层底部想要通向大地的电荷提供了一条最容易的通道。手机本身可以勉强作为导体（电路、天线等都是导体，有些手机还有金属外壳），但拿着手机打电话的人高度肯定不是最高的，所以这不是被雷劈的原因。

而如果有人把原因归咎于手机发出的电磁波像导体一样将“雷”引到手机上，就是对电磁波性质完全没有任何了解的科盲了。电磁波本身并不能作为导体，不过能量非常高的电磁波可以电离空气，从而将空气变成导体。手机发出的电磁波能量很低（GSM 手机在信号最差的情况下可以发出最高2W 的电磁波），远远达不到电离空气的程度，所以这个解释也不对。

（图片来自网络）

可是，确实有个人在下雨天时打手机然后被雷劈了啊，如果前两种解释都不对，那么这种事为啥还总会发生呢？其实，这个描述本身隐含了对于问题原因的猜测。

这个人并不是在雷雨天打手机“然后”就被雷劈了，而是他不幸被雷劈的时候，正在打手机。这种现象唯一合理的解释就是这个人被雷劈的小概率事件发生了，跟是否在用手机没有关系，所以别让手机再含冤了。

（摘自《过日子要有技术含量》，作者：天蓝提琴）

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