档案中的片段：20 世纪 70 年代，蜂窝技术让“旅行电话”变得更加普及

为了纪念 150 周年，我们重新回顾了科普故事（成功和失败），这些故事有助于定义科学进步、理解和创新，并增加了一些现代背景。探索整个档案系列并查看我们所有的周年报道。

在海因里希·赫兹于 1887 年发现无线电波之前，广阔而看不见的电磁波谱是一片寂静的荒野，被大自然的静电脉冲点缀着。但赫兹开启了一个新时代，用低端无线电波、中端微波和高端伽马射线（医学成像）迅速填补了这一空白。尽管无线频谱很宽，但其中一小部分（大约 500 MHz 至 3.5 GHz）已被特别划分：正如《大众科学》在 1978 年 1 月报道的那样，事实证明，这是向移动设备（如旅行电话）传播信号的最佳范围。

自从 20 世纪 40 年代美国联邦通信委员会 (FCC) 预留第一批频率以来，稀缺性一直推动着移动网络的创新。尽管手机的尺寸从 20 世纪 50 年代和 60 年代的板条箱大小缩小到 70 年代的砖块大小，但问题并不在于手机的外形尺寸，而在于频谱使用效率低下。直到 70 年代末，每个城市推出的新手机都需要自己的专用频率，就像当地广播电台需要自己的频道一样。正如约翰·梅森 (John Mason) 所报道的那样，“由于无线电频道非常有限，大多数城市都有很长的等待名单来等待手机服务。”

1974 年，为了满足被压抑的需求，FCC 发布了更多频谱，但坚持要求各公司找到更好的使用方式。正如梅森以极客般的精准解释，蜂窝技术的名称源于其设计，即部署短距离传输塔，将大片区域（如城市）划分为蜂窝状单元，从而实现频率重复使用。蜂窝技术（最早构思于 1948 年，但直到 20 世纪 70 年代才在计算上实用）为移动时代铺平了道路，这比其他任何技术都更为重要。

自 70 年代以来，FCC 一直在释放频谱。在 2021 年 11 月的拍卖会上（3.45 GHz 频段），移动设备频谱的一小部分就以超过 200 亿美元的价格售出。蜂窝网络继续瞄准更高的频谱，缩小蜂窝以克服传播限制并传输更多数据。当今的 5G 技术将能够达到 40 GHz，以实现惊人的数据传输速度。

“旅行电话——新技术扩展了移动/便携式服务” （John Mason，1978 年 1 月）

摩托罗拉未来主义风格的 Pulsar II 无线电话上有一个标有 SND 的按钮。我按下它，存储在微计算机内存中的数字开始逐位显示在红色 LED 手持机显示屏上。这款神奇的车载电话不仅能记住 10 个常用电话号码，而且只需按一下按钮即可拨打其中任何一个号码。

早些时候，在芝加哥郊外的摩托罗拉通讯集团工厂，我拿起一部便携式 Dynatac（动态自适应全区域覆盖）电话，在其按键式键盘上输入一个号码，然后打电话给我的纽约办公室。工厂的电子设备将我的电话直接接入电话网络。不需要移动/便携式电话接线员。先进的移动和便携式电话已经在全国范围内使用。摩托罗拉以 890 美元的价格销售适用于 150 MHz 和 450 MHz 系统的 Pulsar II（不含收发器）；其 Dynatac 便携式电话尚未上市，但其他紧凑型便携式电话已在销售和租赁。

然而，尽管用于移动通话的高级硬件随处可见，但承载当今大量移动/便携通话所需的无线电频率却无法获得。由于无线电频道非常有限，大多数城市都有很长的等待名单来等待移动电话服务。

据我所咨询过的通信专家称，解决这种拥塞问题的方法之一是将最新的计算机和射频技术与无线电话单元和频率复用的概念相结合。我使用的两部手机就是这种新技术的典型例子。

这个概念很简单。传统的移动电话系统使用一个高功率的中央发射器和一个灵敏的接收器，为该区域内的所有移动单元提供服务。因此，一个频率一次只能由一个移动单元使用。在蜂窝式布置中，不使用高功率的中央发射器/接收器。相反，安装了许多较小的发射器/接收器，每个发射器/接收器仅覆盖几平方英里。现在，给定的频率可以由几个不同区域或“小区”中的移动单元同时使用，而不会相互干扰。结果是：可以在给定的频带上拨打更多电话，并且许多等待便携式电话的人都可以获得服务。

虽然该系统原理简单，但实际操作起来却非常复杂。如何决定哪个移动单元在什么时候使用哪个频率？如何确保两个相邻单元不会同时使用同一频率（这种情况可能会造成干扰）？答案是一套复杂的计算机控制系统。虽然细节因系统而异，甚至在同一系统内也各不相同（稍后会详细介绍），但下面是一个典型设置的运行方式。

在摩托罗拉目前为华盛顿 - 巴尔的摩地区规划的系统中，整个地区将被分成五个六边形单元，每个单元半径为 11 英里（见图）。

服务于一些六边形小区的基站天线有六个 V 形扇区发射和接收天线，将每个区域分成六个较小的小区。

当你开车时，有人拨打你的号码，这时会发生什么？“系统首先必须找到移动单元，以便在正确的小区中分配正确的信道，”摩托罗拉集团产品经理 Andrew Daskalakis 说。

通过九台计算机可以精确定位和监控您的位置，这些计算机最终将用于华盛顿 - 巴尔的摩发展系统。

后备箱里的电脑

对于来电，特殊信号信道上的计算机数据会通过所有蜂窝发射器传送。汽车后备箱中面包盒大小的收发器内置有功能强大的微型计算机，可识别您的移动代码。然后，您的计算机会发送信号，立即告知基站计算机您所在的蜂窝。

接下来，为了确定您与蜂窝天线之间的距离，主计算机会向您的手机发送一个 6 kHz 的音调。该音调会触发一个转发器，该转发器会将该音调重新发送回基站接收器。通过比较发送和接收音调之间的相位差，可以计算出基站与您的汽车之间的距离。

使用此距离信息和计算机信号强度，基站计算机可以调高或调低移动发射器的功率输出。“它可以解决高楼中的便携式问题和高山上的移动设备问题，”达斯卡拉基斯说。在这些海拔高度移动的电话可以比正常情况下传输得更远，从而干扰其他蜂窝。

计算机之间无声的闲聊——冗余编码以防止静电或衰减导致错误——只需一瞬间。您的手机会自动调到语音频道。一旦您“连接”，主计算机就会启动您手机中的“铃声”。

接听电话后，以及开车时，主计算机会定期扫描您的手机以监控您的位置。如果您移动到其他手机收发器接收效果更好的位置，主计算机会立即切换您。当您拨打电话时，计算机之间也会发生类似的“握手”过程，就在拨号音响起之前。

上述系统将分阶段投入运行。在人口较少的地区，一个不太复杂的系统就足够了。在那里，基站的接收器部分将使用多个天线将小区分成六个饼状扇区。这些高增益接收天线可以接收低功率（一瓦）便携式电话的信号。但一个全向发射天线就可以覆盖整个小区。另一个蜂窝系统现在开始在芝加哥进行试验性运行。它由伊利诺伊贝尔公司运营，虽然原理相同，但在操作细节上与摩托罗拉系统略有不同。例如，芝加哥系统最初将有 10 个小区，每个小区的中央发射器半径为 8 英里。小区覆盖范围将覆盖芝加哥 2100 平方英里的区域。

然而，这种八英里蜂窝系统不如美国电话电报公司最初提出的设置复杂。美国电话电报公司于 1971 年向 FCC 提交的该系统规定蜂窝半径为四英里，在每个六边形蜂窝的交替角上安装定向天线（见图）。有了四英里蜂窝，相距 18 英里的蜂窝就可以实现频率重用。

在正在建设的系统中，频率复用仅在相距约 48 英里的两个小区内实现。传统移动系统的复用距离通常大于 100 英里。

负责建立新系统的贝尔实验室电话服务试验部门的詹姆斯·特洛伊 (James Troe) 表示：“我们被授权为 2500 名客户提供服务。”“我们正在调整系统和信道容量以适应这一水平，”他解释了 AT&T 为何要建立成本较低的系统。

为了满足日益增长的需求，小型蜂窝将随后问世。公司可以扩展蜂窝系统，为数万甚至数十万人提供服务——只需增加更多发射器、缩小蜂窝尺寸并更频繁地重复使用频率即可。

虽然伊利诺伊贝尔系统与华盛顿-巴尔的摩系统基本兼容，但还是存在一些差异。例如，摩托罗拉 Dynatac 便携式电话无法在最初的芝加哥系统中充分发挥作用，因为该系统缺乏扇形高增益接收天线，但 Dynatac 车载电话可以。

开发高效利用稀缺无线电频谱空间的系统的动力可以追溯到 1968 年，当时 FCC 开始考虑如何应对巨大的移动电话服务需求以及满足这种需求的频率空间不足的问题。当时，移动电话在 35、150、450 MHz 频段运行。

1974年，在经过广泛的听证会和延迟之后，FCC 划出了从 806 MHz 到 947 MHz 的一段超高频频率，这个所谓的 900 MHz 频段的部分被分配给私人陆地移动公司、公共服务使用以及公用事业，例如电话公司和无线电公共承运商 (RCC)，它们现在在传统的 35-、150- 和 450 MHz 频段运营电话和袖珍寻呼机服务 [PS，77 年 7 月]。

当 FCC 将 900 MHz 频段的部分分配给移动电话使用时，它还规定有兴趣使用该频段的公司必须设计系统以满足日益增长的服务需求。

但是，尽管基本决定是在 1974 年做出的，设备也已准备就绪，但目前还没有这样的系统投入使用（芝加哥系统目前正在进行有限测试，但尚未向公众开放）。阻碍最终授权的一个主要因素是：运营该国大量无线电话和寻呼服务的 700 家小型 RCC 不想有竞争。几乎任何人都可以开展业务并为当地提供服务，只要他只需要一个中央发送和接收位置即可。但新系统需要许多基站和复杂的计算机控制网络，其成本将超过大多数 RCC 所能承受的水平。因此，RCC 一直在 FCC 听证会上强烈抗议、提起诉讼，并以其他方式阻碍行动。

贝尔目前已获得试验性执照，在芝加哥运营。摩托罗拉已与巴尔的摩 RCC（美国无线电话服务公司）签订合同，并已获得联邦通信委员会的批准，可以继续建设其拟议的华盛顿-巴尔的摩系统。

与此同时，一些专家和一些 RCC 则认为手机并不是扩展移动电话服务的最有效方式。他们推荐了几种替代概念，例如使用数字化语音信号。

其他技术

一个由三家 RCC 组成的联盟已提交申请，将在华盛顿特区试用该技术。该申请当然在 FCC 面前与摩托罗拉的申请竞争。RCC 非蜂窝概念由 Harris 公司在纸面上开发，需要一个功率极高 (375 千瓦) 的发射站。语音信号将被数字化并以数据包中的脉冲串形式发送出去；每个数据包都针对不同的移动设备进行编码。

另一个概念，即扩频，正在引起通信专家的关注。扩频信号被军方广泛使用，具有很强的抗干扰和拦截能力。想象一下，每个 FM 电台将其信号扩展到整个 FM 频段，从 88 MHz 到 108 MHz。然而，每个电台都会对其输出进行编码，以便 FM 装置中的特殊滤波器可以解码其信号。

对于移动电话通信，最近开发的半导体和电子滤波器技术可能使全国每个人都能拥有用于旅行电话的独特扩频解码电路。

虽然未来几年你可能会听说各种移动系统技术，但 AT&T 执行副总裁 Thomas Nurnberger 认为芝加哥蜂窝系统概念的扩展“将使未来几乎每个移动的人都能在汽车或临时地点使用电话。”Nurnberger 引用 CB 无线电的蓬勃发展作为证据，证明全国对双向通信的需求被压抑，而 AT&T 认为蜂窝技术可以满足这种需求。

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