第二章 物理层

物理层
物理层定义了比特作为信号在信道上发送时相关的电气、时序和其他接口。物理层是构建网络的基础。
2.1 数据通信的理论基础
傅里叶分析：任何一个行为合理的周期为T的函数g(t)，都可以表示为

其中，是基本频率，和是n次谐波的正弦振幅和余弦振幅，c是常数。

带宽：一般情况下对导线而言，在0到某个频率（称为截止频率）的这段范围内，振幅在传输过程中不会衰减，这段在传输过程中振幅不会明显减弱的频率的宽度就称为带宽。但实际上，截至频率并没有那么尖锐，因此通常引用的带宽是指从0到使得接收能量保留一半的那个频率位置。
基带：一般将从0到某个最大频率的信号称为基带信号
通带：将被搬移并占用某个更大频率范围的信号称为通带信号。
尼奎斯特定理：
如果一个任意信号通过了带宽为B的低通滤波器，那么只要进行每秒2B次采样，就可以完全重构出被过滤的信号。
，V表示离散信号的等级
信噪比（SNR）：信号功率（S）与噪声功率（N）的比值，记为S/N。通常为了适应很大的范围，该比率表示成对数形式,单位称为分贝（dB）。
香农定理：对于一条带宽为B Hz、信噪比为S/N的有噪声信道，其最大数据速率或者容量为

2.2 引导性传输介质
2.2.1 磁介质
采用将数据刻录到磁盘等介质，然后用物理的方法运输到目标机器，再将数据读出。
2.2.2 双绞线
双绞线是由两根相互绝缘的铜线组成，铜线的直径通常大约为1毫米。两根铜线以螺旋线的方式紧紧地绞在一起。当两根线绞在一起后，会显著降低电线的辐射，信号通常以两根电线的电压差来承载，这样对外部噪声有更好的免疫力。
双绞线的带宽取决于导线的厚度（即直径）以及传输距离的远近，若是长距离传输，则必须使用中继器。
2.2.3 同轴电缆
同轴电缆由硬的铜芯和外面包上的一层绝缘材料组成。绝缘材料的外面是一层密织的网状圆柱导体，外层导体再覆盖上一层保护塑料外壳。它比非屏蔽双绞线有更好的屏蔽特性和更大的带宽，能以很高的速率运输相当长的时间。
同轴电缆的结构和屏蔽线使得它既有很高的带宽，又拥有很好的抗噪性。带宽可能取决于电缆的质量和长度。
2.2.4 电力线
没有广泛应用，书中未过多介绍。
2.2.5 光纤
光纤主要用于网络骨干的长途传输、高速局域网以及高速Internet接入。光纤传输系统由三个关键部件构成：光源、传输介质和探测器。传输介质是超薄玻璃纤维。
由于任何入射角度大于临界值的光束都会在光纤内部反射，所以许多不同的光束以不同的角度来回反射着向前传播，每一束光都有不同的模式，一根具有这样特性的光纤称为多模光纤。如果光纤的直径减小到只有几个光波波长大小的时候，光纤就如同一个波导，光只能按直线传播而不会反射，由此形成了单模光纤。
光通过玻璃的衰减取决于光的波长。光的衰减定义为输入输出信号功率的比值。现在光纤通信最常用的三个波段：0.85微米、1.30微米和1.55微米，所有三个波段都具有25000-30000GHz的宽度。
光脉冲沿光纤传播时会散开，这就是色散传播。通过将脉冲做成一种特殊的形状，几乎所有的色散效应就不会存在，因此有可能将光脉冲发送几千米而不会失真，这些脉冲称为孤波。

光纤可以按照三种不同的方式连接：第一种，用连接器终止一根光纤，然后再把它插入到光纤插座中，连接器会损失大约10%～20%的光；第二种，通过机械的手段把它们拼接起来，将两根小心切割好的光纤头放在一个特殊的套管中，然后将他们适当夹紧，大约会损失10%的光；第三种，把两根光纤融合（熔合）在一起形成一个非常结实的连接，融合后的光纤存在少量衰减。
通常用作信号源的有两种光源：发光二极管（LED）和半导体激光。

光纤的接收端是一个光电二极管，当遇到光照时，光电二极管就发出一个电脉冲。光电二极管的响应时间，即把信号转换成电域所需要的时间，限制了数据传输率在100Gbps。
光纤比铜线能够处理更高的带宽，光纤具有相对较低的衰减，所以在长距离通信中，大约每50千米才需要一个中继器。另外，光纤还具有不受电源浪涌、电磁干扰或电源故障等影响的优点。
2.3 无线传输
2.3.1 无线电频谱

从香农定理，我们知道一个电磁波的信号能携带的信息量取决于接受能量，并且与带宽成正比。<br />大多数信息传输都使用相对窄的频段（即）。在有些情况下，也会使用较宽的频段，使用方式一共有三种。第一种是跳频扩频，发射器以每秒几百次的速率从一个频率跳到另一个频率；第二种方法是直接序列扩频，这种方法使用一个码片序列，并且将数据信号展开到一个很宽的频段，称为码分多址；第三种是超宽带通信（UWB），UWB发送一系列快速脉冲，这些脉冲随着通信信息而不断变化自己的位置。<br />**2.3.2 无线电传输**<br />无线电电波的特性与频率有关。在低频部分，无线电波能够很好的穿透障碍物；在高频部分，无线电波倾向于以直线传播，并且遇到障碍物会反弹回来。<br />路径损耗：随着离信号源越来越远，电磁波的能量急剧下降。在空中传播时的信号能量至少以的速度衰减（r是离信号源的距离）<br />在VLF、LF和MF波段，无线电波沿着地面传播；在HF和VHF波段，地面波会被地球表面吸收。然而，当无线电波到达电离层，电磁波就被电离层折射回地球，因此也可以使用HF和VHF波段通话。<br />**2.3.3 微波传输**<br />在100MHz以上频段，电磁波几乎按直线传播。因此它们可以被聚集成窄窄的一束，通过抛物线形状的天线，可以把所有的能力集中于一小束，从而获得极高的信噪比，但是要求发射端和接收端的天线必须精准的对齐。如果两个微波塔相距太远，地球本身就会阻挡传输路径，因此每隔一段距离就需要一个中继器，微波塔越高，微波传的距离越远，中继器之间的距离大致与塔高的平方根成反比。<br />多径衰落：有些微波会被过低的大气层折射回来，比直接波传的更远。延迟抵达的微波与直接传输的微波可能不同相，因而信号会相互抵消。<br />**2.3.4 红外传输**<br />红外传输具有方向性、便宜并且易于制造，但是它们有个很大的缺点就是不能穿透固体物体。因此其被广泛应用于短程通信。电视机、录像机和立体声音响的遥控器都采用红外线通信。<br />**2.3.5 光通信**<br />使用激光的光信号本质上是单向的，所以通信的每一段都必须有自己的激光发生器和探测器。这种方案以极低的成本提供了非常大的带宽。风和温度的变化可以扭曲激光束的形状，而且激光束无法穿透雨水或大雾，因此非引导性光学链路必须具备足够的容错工程设计。<br />**2.4 通信卫星**<br />可以把一个卫星想象成天空中的一个大型微波中继器，它包含几个转发器。每个转发器侦听频谱中的一部分，对入境信号进行放大；然后在另一个频率上将放大后的信号重新广播出去；出境信号采用不同的频率可避免与入境信号相互干扰，这种操作模式称为弯管。<br />卫星安放位置受周期和范艾伦辐射带的影响。一颗卫星的轨道周期随着轨道半径之3/2次幂而变化。<br />**2.4.1 地球同步卫星（GEO）**<br />地球静止轨道卫星（Geostationary Earth Orbit）争抢的资源有轨道槽和频率。其中轨道槽的分配工作有ITU（国际电信联盟）来完成。同时，因为下行链路的传输会干扰到原有的微波用户，因此ITU给卫星用户分配了特定的频率。

通信卫星领域的最新发展是低成本的微型站，有时也称为小孔径终端（VSAT）。直播卫星电视使用这项技术来实现单向传输。在许多VSAT系统中，微型站没有足够的功率实现相互之间的直接通信。但是可以使用一种特殊的地面站来中继VSAT之间的流量，这种站称为中继站。
卫星具备一些与地面上点到点链路有本质不同的特性。首先，卫星信号从地面到卫星的往返两程都是以光速来传播。其次，卫星本质上是一种广播介质。最后，卫星传输一条信息的成本与该信息经过的距离无关。
2.4.2 中地球轨道卫星（MEO）
只用于导航系统
2.4.3 低地球轨道卫星（LEO）
低地球轨道卫星运送速度极快，一个完整的系统需要大量的LEO卫星。另一方面，因为这些卫星与地球距离很近，地面站不需要多大的功率就能收发往来卫星的信号。
铱星计划：相聚遥远的客户之间的通信必须通过卫星进行，即卫星作为中继节点，因此必须在卫星上装备复杂的交换设备。
全球星计划：采用了传统的弯管思想，客户发出的信号首先被送回地球，然后经过地面通信网络路由到离被叫者最近的一个地面站，然后再通过一个弯管连接传递给被叫者。这种模式把大量的复杂性放在了地面。而且，使用大型地面站天线还有额外的好处，它可以发出强烈的信号并接收微弱的信号，这种特性意味着可以使用低功耗的电话。
2.4.4 卫星与光纤
卫星相比较于光纤拥有的优势：

1. 可以快速部署
2. 可以在地面基础设施不发达的地区提供通信
3. 满足广播的需要

2.5 数字调制与多路复用
比特与代表它们的信号之间的转换过程称为数字调制。
基带传输：信号的传输占有传输介质上从零到最大值之间的全部频率，而最大频率取决于信令频率。
通带传输：信号占据了以载波信号频率为中心的一段频带。这是无线和光纤信道中最常使用的调制方法，因为在这样的传输介质中只能在给定的频带中传输信号。
2.5.1 基带传输
数字调制的最直接形式是用正电压表示1，用副电压表示0。对光纤而言，可用光的存在表示1，没有光表示0.这种编码方式称为不归零（NRZ，Non-Return-to-Zero）。
采用NRZ编码，每两个比特信号可能在正负电压之间循环，这意味着我们需要至少B/2Hz的带宽才能获得B bps的比特率（根据尼奎斯特定律）。在带宽有限的情况下，想获得更高的比特率的有效手段是使用两个以上的信号级别。例如，采用4个电压级别，我们可以用单个符号一次携带两个比特，此时信号变化的速率只是比特率的一半，因而减少了所需的带宽。我们把信号改变的速率称为符号率，比特率是符号率与每个符号的比特数的乘积。
经过一段时间传输后，接收器很难区分出各个比特，比如15个0看起来很像16个0，除非有一个精确的时钟。一种策略是给接收器发送一个单独的时钟信号。更好的办法是把数据信号和时钟信号异或混合在一起，例如曼彻斯特编码，时钟在每个比特时间内产生一次跳变，所以它以两倍于比特率的速度运行。相较于NRZ编码，它需要两倍的带宽。

现在很流行用来连接计算机外设的通用串行总线（USB）采用了不归零逆转（NRZI）编码方式，1定义为信号有跳变，0定义为信号无跳变。
解决长串0的著名编码方式是4B/5B。每四个比特被映射成5个比特，这种编码方式增加了25%的带宽开销，同时由于剩下许多代码组合可用，可以使用这些非数据代码组合来表示物理层的控制信号。

还有一种方法，使得数据看起来很随机，这种编码方式称为扰频/倒频，在这种情况下可能会出现频繁的信号转换。扰频器的工作原理是在发送数据前，用一个伪随机序列异或该数据，然后接收器用相同的伪随机序列对于入境数据进行异或操作。扰频的方式不增加带宽，但是不能保证不会出现长期保持一种状态（电压）的情况。
在很短的时间内正电压与负电压一样多的信号称为平衡信号，这意味着它们没有直流（DC）电气分量。一种构造平衡码的简单方法是利用两个电压级别表示逻辑1，比如+1V和-1V，而用0V表示逻辑0.发送1时，发射器在+1V和-1V之间选择，使得它们总是达到信号平衡。这种方案称为双极编码。
2.5.2 通带传输
数字调制可借助通带传输完成，即针对通带内的载波信号进行调节或调制。我们可以调制载波信号的振幅、频率和相位。
幅移键控：通过两个不同的振幅分别表示0和1.
频移键控：采用两个或多个不同的频率。最简单的形式是相移键控，在每个符号的周期中，系统把载波波形偏移0°或180°，由于只有两种相位，也称为二进制相移键控。
我们可以把这些调制模式结合起来使用，以便使每个符号传输更多的比特。因为频率和相位相关，即频率是相位随时间的变化率，所以一次只能调制相位和频率中的一个。通常情况下，振幅和相位可以结合起来一起调制。

上面类型的叫做星座图。图中16QAM使用了振幅和相位的16种组合，因此每个符号传输四个比特。QAM表示正交调幅。
2.5.3 频分复用（FDM）
频分复用利用通带传输的优势使多个用户共享一个信道。它将频谱分为几个频段，每个用户完全拥有其中的一个频段来发送自己的信号。AM调幅无线电广播就是FDM的一个应用。为它分配的频谱为1MHz，从500～1500kHz，给不同的逻辑信道分配不同的频率。每个频率工作在频谱中的一部分，并且相邻信道之间的频谱间隔足够大，一边防止干扰。

图中展示了频分多路复用的例子，通常当多个信道被复用在一起时，会为每个信道多分配带宽，比语音通信所需多出来的那部分频带称为保护带。注意，即使信道之间有保护带形成的间隔，相邻信道之间仍然可能存在某种重叠。重叠的出现在于真正的滤波器达不到理想的锐利边缘。

正交频分复用波形
正交频分复用（OFDM）中，信道带宽被分成许多独立发送数据的子载波（例如QAM）。每个子载波的频率响应被设计成在相邻子载波的中心为零。因而可以在子载波的中心频率采样而不会受到它们邻居的干扰。为了正常工作，需要一个保护时间来及时重复符号信号的一部分，这种开销远远少于许多保护带所需的开销。
2.5.4 时分复用（TDM）
在这种方式下，用户以循环的方式轮流工作。每个用户周期性地获得整个带宽非常短的一个时间。这种方式要求输入流在时间上必须同步。类似于频率保护带，为了适应适中的微小变化可能要增加保护时间间隔。
2.5.5 码分复用（CDM）
码分复用是把一个窄带信号扩展到一个很宽的频带上。这种方法更能容忍干扰，而且允许来自不同用户的多个信号共享相同的频带。由于码分复用技术最常应用于第二个目的，因此它又称为码分多址（CDMA）。
CDMA允许信号可以线性叠加，其关键在于能够提取出期望的信号，同时拒绝所有其他信号。在CDMA中，每个比特时间被再细分成m个更短的时间间隔，这更短的时间间隔就称为码片。通常情况下，每个比特被分为64或者128个码片。每个站会分配唯一的m位码，称为码片序列。若要发送比特1，就发送分配给他的码片序列，若要发送比特0，他就发送其码片序列的反码。按照这种编码方式，本来每秒发送b个比特，现在变成每秒要发送mb个码片，这意味着使用CDMA的站带宽增加了m倍。如果有1MHz的频段被100个站使用，那若采用FDM，每个站将得到10kHz频段，它可以以10kbps的速率发送信息（假设每个Hz发送1个比特）。采用CDMA，每个站可以使用全部的1MHz频段，所以每个比特的码片速率为100，并且扩展到信道上站的10kbps速率中。
所有的码片序列都两两正交，这意味着任何两个不同的码片序列S和T的归一化内积（写为S·T）为0。即：

任何码片序列与自身的归一化内积一定是1。利用Walsh码可以产生这样的正交码片序列。
2.6 公共电话交换网络
2.6.1 电话系统结构
电话系统的三个主要部分：交换局、客户与交换局之间的线路（本地回路）、交换局之间的长距离连接（中继线）。每部电话机有两根铜线直接连接到电话公司最近的端局，端局也称本地中心局。每个电话客户的电话机与端局之间的双线连接在电话行业称为本地回路。
连接到某个端局的用户如果呼叫另一个也连接到该端局的用户，则局内的交换机制会直接建立一条电气连接。如果被叫电话连接到另一个端局，则建立连接的过程不同了。每个端局都有一些出境路线连接到一个或者多个附近的交换中心，这些交换中心称为长途局，如果它们在同一个本地地区，则称为汇接局。这些处境线路统称为长途连接中继线。
过去，整个电话系统中的传输都是模拟的，现在所有的中继线和交换设备都是数字的，只有本地回路仍然是模拟的。数字传输之所以成为优先选择，是因为它不需要像模拟传输那样经过一系列放大器之后必须精确地还原出模拟波。
2.6.2 本地回路：调制解调器、ADSL和光纤
电话调制解调器在狭窄的信道上发送数字数据，而这些信道原本是被电话网络用来进行语音通话的。ADSL重用了电话系统的本地回路，在其上把数字数据从客户端发送到端局，在那里它们被虹吸到Internet。调制解调器和ASDL必须都能处理旧本地回路的一些限制：相对窄的带宽、信号衰减和失真，以及诸如串音等电气噪声的敏感性。
电话调制解调器
要在本地回路上或任何其他物理信道上发送比特，必须把比特转换为可在信道上传输的模拟信号。执行数字比特流和模拟信号流之间转换的设备称为调制解调器。两台计算机通过一条语音级电话线发送比特要用到调制解调器，此时的线路上通常充斥着语音交换信号。但这么做存在一个主要困难，语音级电话线被限制在3100Hz内。调制解调器关注的重点在于从每个符号中能获得多少个比特，同时还要允许两个方向同时发送。随着技术的改进，数据速率得到了很大提高。较高速率需要一组更大的符号或星座。由于有太多符号，在探测幅度或相位时即使存在很少量的噪声都有可能导致一个错误。为了减少出错的机会，高速调制解调器标准采用了一些额外符号进行差错检测。这种方案称为网格编码调制。受到香农极限的限制，波特率最高为35kbps。
35kbps的限制指存在两个本地回路的情况，即每一端都有一条本地回路，这样在两端都会引入噪声。如果能去掉本地回路的一条，就能提高信噪比，将最大速率提高一倍。
数字电话线
调制解调器之所以如此慢的原因在于电话的发明是为了承载人类的语音。因此引入了数字用户线路（xDSL）。为了满足技术需求，本地回路上的1.1MHz频谱被分成256条独立的信道，每条宽4312.5Hz。在每条信道上利用OFDM编码发送数据，在ADSL中又被称作离散多音（DMT）。信道0用于简单老式电话服务，信道1～5空闲，目的是防止语音信号和数字信号互扰。原理上，剩下的每条信道都可以被用作全双工数据流，但是谐波、串音和其他影响使得实际系统的性能大大低于理论限制。大多数用户的下载数据量超过了上载数据量，一种常见的方法是32条信道用于上行数据流，其余的用于下行数据流。
ADSL的典型部署方式，客户住所必须安装一个网络接口设备（NID），靠近NID的是一个分离器，分离器是一个模拟滤波器，它将电话信号与数据信号分开。还有一种无分离器的设计，仍然使用现有的电话线。唯一区别是在每个电话与电话线之间或者ASDL调制解调器与电话线之间的电话插孔中装入一个微滤波器，电话的滤波器是低通滤波器，ADSL调制解调器的微滤波器是高通滤波器。这个系统的可靠性不如带分离器的系统。
2.6.3 中继线和多路复用
在端局，把模拟信号数字化的工作由一个称为编码解码器的设备完成。编码解码器每秒采集8000个样值（125微秒/样值），根据尼奎斯特定理，这个采样率足以捕捉一切来自4kHz电话信道带宽上的信息。这种技术就是脉冲编码调制（PCM），它构成了现代电话系统的核心。几乎电话系统内的所有时间间隔均为125微秒的倍数。
时分多路复用
北美和日本地区使用T1载波。T1载波包含24条被复用在一起的语音信道，每个信道依次将8比特的样值插入到输出流中。每帧包含248=192个比特，再加上额外一个比特用于控制，因此每125微秒产生193个比特。这样得到的数据传输率为1.544Mbps。
时分多路复用允许将多个T1载波复用到一个更高阶的载波中。4个1.544Mbps的T1流应该产生6.176Mbps，但T2实际上是6.312Mbps。这些多出来的比特用于成帧，或者当载波失去同步时的恢复。

SONET/SDH
同步光网络（SONET）设计有四个目标，必须使不同的运营商可以协同工作，需要统一美国、欧洲和日本数字系统的方法，必须提供一种办法来复用多条数字信道，必须支持操作、管理和维护。基本SONET帧是每隔125微秒发送长为810个字节的数据块。810字节的SONET帧最好描述成具有90列宽，9行高的矩形。因此总的数据传输率为51.84Mbps。这是基本的SONET信道，称为同步传输信号-1（STS-1）。所有的SONET中继线都是STS-1的倍数。每一帧的前三列保留，用于传输系统管理信息。其中，前三行包含段的开销，接下来的6行包含线路开销，段开销的生成和校验在每一段的开始和结束进行，而线路开销则是在每条线路开始和结束时生成和校验。SONET发送器连续地发送810个字节的帧，帧之间没有空隙，即使没有数据需要发送时也要发送。每一帧的前两个字节有一个固定的模式，接收方搜索这种模式就可以定位帧的开始。如果接收方在大量的连续帧中相同的位置发现了这种模式，则它假定自己已经与发送方同步。
波分多路复用
频分多路复用的一种形式和TDM一样，都是利用光纤信道的巨大带宽，这种形式称为波分多路复用（WDM）。

4条光纤汇合到一个光纤组合器中，每条光纤的能量位于不同的波长处。在远端，这束光又被分离到与输入端一样多的光纤。这里没有新的技术，只不过在极高的频率上的频分多路复用。
WDM得以流行的理由是单信道上的能量通常只有几个GHz宽，这是由目前电信号和光信号之间转换的最快速度所限制的。在同一根光纤上以不同的波长并行运行多个信道，聚合后的带宽随信道数量的增加而线性递增。
2.6.4 交换
电话系统中有两种不同的交换技术，电路交换和数据包交换。
电路交换：
当你或者你的计算机发出一个电话呼叫时，电话系统的交换设备就会全力以赴地寻找一条从你电话通向接收方电话的物理路径。这项技术就是所谓的电路交换。
电路交换的特点是在发送数据之前要建立一条端到端的路径。在开始传输数据之前，呼叫请求信号必须一路传向接收方，并且要被接收方确认。在电话呼叫双方之间保留路径带来的结果是：一旦完成连接的建立，那么数据传输的唯一延迟是电磁信号的传播时间。建立一条路径的另一个结果是不存在拥塞的风险。
包交换:
替换电路交换的一个方案是包交换。有了这项技术，数据包尽可能快地被发出，这里无须像电路交换那样要事先设立一条专门的路径。路由器使用存储-转发传输技术，把经过它的每个数据包发送到通往该包目的地的路径上。在数据包交换中，没有固定的路径，不同的数据包可以走不同的路径。路径的选择取决于它们被传输时的网络状况，所以他们到达接收端的秩序可能出现混乱。
包交换网络对数据包的大小规定了严格的上限。这样可确保没有任何用户可以长时间霸占任何传输线路，因此数据包交换网络可以处理交互式的网络通信。它还能减少延迟，因为在长消息的第二个数据包完全到达某个中间结点之前该消息的第一个数据包已经被转发出去了。在数据包交换中没有为传输数据预留带宽，数据包可能不得不等待一段时间才能被转发，这样就引入了排队延迟，如果许多包在同一时间被发送出去还会引入拥塞。另一方面，数据包交换不存在用户听到一个忙音并且无法使用网络的风险。
在电路交换中拥塞发生在建立电路时，而在数据包交换中拥塞发生在转发数据包时。
数据包交换不会浪费带宽，因此从整个系统角度来看数据包交换的效率更高。数据包交换比电路交换的容错性能更好。
2.7 移动电话系统
移动电话称为蜂窝电话，它的发展经历了三代，俗称1G、2G和3G。
2.7.1 模拟语音（1G）
按钮通话系统使用一个被安置在高大建筑物顶上的大型发射器，并且只有一个信道用于发送接收。为了通话，用户必须按下一个按钮以便打开发送功能并关闭接收功能。改进型移动电话系统也使用一个放置在一座小山顶上的大功率发射器，但是这次有两个频率，一个用于发送，一个用于接收。
高级移动电话系统（AMPS）
在所有模拟电话中，一个地理区域被分为许多个蜂窝。在AMPS中，每个蜂窝通常为10～20千米的跨度。每个蜂窝使用一组频率，这组频率不会被它的任何一个邻居所使用。蜂窝越小，增加的容量越多。对于每组频率，都有一个两蜂窝宽的缓冲带，在缓冲带该频率组不会被重用，从而保证了良好的隔离性和较低的干扰。移动运营商可通过降低功率和将超载的蜂窝切分成更小的微蜂窝，使得更多的频率被重用。
在每个蜂窝的中心是一个基站，负责蜂窝中的所有电话传输。基站是由一台计算机和连接到一个天线上的发射器/接收器组成。在一个小规模的系统中，所有基站都连接到一个称为移动电话交换局（MTSO）或者移动交换中心（MSC）的设备上。MTSO类似于电话交换系统中的端局。
每个移动电话逻辑上属于某个特定的蜂窝，并且受该蜂窝基站的控制。若一个移动电话在物理上离开了一个蜂窝时，它的基站会注意到该电话的信号越来越弱，于是会将控制权转移到获得最强信号的蜂窝。当时如果正在通话，它会被要求切换到一个新的信道（因为老的信道无法在相邻蜂窝重用），这个过程称为切换。
AMPS使用FDM来划分信道。系统使用了832个全双工信道，每个信道由一对单工信道组成。这样的一种安排称为频分双工（FDD）。832个信道分为4类。控制信道（从基站到移动电话）用于管理系统；寻呼信道（从基站到移动电话）用于提醒移动用户有呼叫来到；接入信道（双向）用于呼叫的建立和信道分配；数据信道（双向）承载语音、传真或数据。
2.7.2 数字语言（2G）
第二代移动电话是数字的。从模拟切换到数字有几个优点，首先通过将语音信号数字化处理和压缩带来了容量上的收益；其次通过对语音和控制信号实行加密改进了安全性。
全球移动通信系统（GSM）
保留了1G的设计理念，以蜂窝为基础、频率可跨蜂窝复用，并随着用户的移动而切换蜂窝。GSM系统将移动电话分成手机和一个可移动芯片两部分。芯片具有用户和账户信息，称为SIM卡，即用户识别模块的简称。移动电话通过空中接口与蜂窝基站通话。每个蜂窝基站都连接到一个基站控制器（BSC），该控制器控制蜂窝的无线资源分配并处理切换事务。BSC又被连接到一个移动交换中心（MSC），由MSC负责电话呼叫的路由并和公共交换电话网相连。
为了能够路由呼叫，MSC需要知道目前在哪里可以找到手机。它维护着一个称为访问位置寄存器（VLR）的数据库，该数据库包括所有附近的移动电话，这些移动电话都与它所管理的蜂窝关联。移动网络中还有另外一个数据库，记录了每个电话的最后一个已知位置。这就是所谓的归属位置寄存器（HLR）。这个数据库用来把入境信号呼叫路由到正确位置。这两个数据库必须在移动电话从一个蜂窝到另一个蜂窝时及时更新。
GSM也是一种频分双工蜂窝系统。GSM的一对频率按照时分多路复用又被细分成多个时间槽。这样多个电话可以共享这一对频率。
为了处理多个移动电话，GSM信道比AMPS信道宽了很多。运行在900MHz频域的GSM系统有124对单工信道。每个单工信道宽200kHz。采用时分复用技术可支持8个的单独的连接。理论上讲，每个蜂窝可支持992个信道，但是为了避免与临近蜂窝的频率冲突，有很多信道是不能用的。每个TDM时间槽是一个特定的结构，一组TDM时间槽组合起来形成多帧结构，多帧也有特定的结构形式。帧的层次结构的一个简化版本，从这里我们可以看到，每个TDM时间槽包含一个148比特的数据帧，它占用信道577微秒（包括每个时间槽之后的30微秒保护时间）。每个数据帧的开始和结束都有3个比特0，用于帧的分界；还包含2个57比特的Information字段。每个Information字段都有一个控制比特，指出随后的Information字段包含的是语音还是数据。

发送一个数据帧需要547微秒，但在每4.615毫秒以内，一个发射器只允许发送一个数据帧，因为它与其他7个站共享同一个信道。
除了图中显示的具有26个时间槽的多帧结构外，GSM还使用了51个时间槽的多帧结构。这些时间槽有一些被用于几个控制信道，GSM通过这些控制信道来管理系统。广播控制信道从基站输出一个连续流，其中包含了该基站的标识和信道的状态。专用控制信道用于移动用户的位置更新、注册和呼叫的建立。公共控制信道被分成3个逻辑子信道。第一个子信道是寻呼信道，基站用它通告有关入境呼叫的信号。第二个子信道是随机接入信道，它允许用户在专用控制信道上请求一个时间槽。第三个子信道是接入授予信道，用于宣布分配获得的专用控制信道的时间槽。
最后，GSM不同于AMPS之处还在于如何处理切换。在AMPS中，MSC完全负责切换而无须移动设备的协作。GSM中空闲的时间槽给了移动设备测量到附近其他基站的信号质量的好机会。它把测量获得的信息发送给BSC。BSC用这些信息来确定移动电话是否正离开一个蜂窝进入到另一个蜂窝，从而决定是否执行切换。这种设计称为移动辅助切换。
*数字语音和数据（3G）
三代移动电话的重点是如何在蜂窝网络中使用CDMA。移动电话的保持同步传输很困难，我们希望码片序列在一切可能的信号偏移量内保持正交，而不是简单的在开始时就保持一致。长伪随机序列接近于完全正交的码片序列，它们在所有偏移量内互相关性非常低的概率相当高。这就是说，一个序列乘以另一个序列的内积和很小。除了在偏移量为0的那点外，伪随机序列的自相关性很小的概率也相当高。伪随机序列的应用使基站能接收来自非同步移动电话的CDMA消息。移动电话的发射功率必须加以控制，才能最小化竞争信号之间的干扰。正是这种干扰限制了CDMA的容量。基站接收到的能量级别取决于发射器离基站的远近以及他们的发送功率。一种好的启发式均衡接收功率的方法是对每个移动电话，其发往基站的功率与它从基站接收到的功率强度相反。
使用CDMA有三个好处，一是可提升容量，二是每个蜂窝可使用相同的频率，三是CDMA采用了软切换的技术，移动电话在与老基站完全中断之前就已被新基站接管。如此一来，不会丢失连接的连贯性。