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本周，美国东部任何在周二发生的 5.8 级地震后被迫疏散办公室、住宅或学校的人很快就会注意到，手机服务时断时续，在许多情况下甚至根本不存在。对于被赶出摩天大楼涌上街头的纽约人来说，这是一场令人想起（当然与 9/11 恐怖袭击不同）的通讯中断。在这两种情况下，移动电话用户都无法连接到蜂窝网络与亲人联系。
虽然 9/11 手机网络中断是多种因素造成的，包括手机信号塔的倒塌，但本周的问题（尽管很短暂）纯粹是由于流量过大造成的。无数的手机用户争夺有限的访问权限，导致大多数人无法获得服务。随着飓风艾琳逼近东海岸，人们不得不质疑在面对严重紧急情况时移动电话的可靠性。
《大众科学》采访了斯坦福大学电气工程教授和该校无线系统实验室的研究员安德里亚·戈德史密斯，讨论了为什么移动电话用户在紧急情况下经常无法连接，以及在最重要的时候改善蜂窝网络性能的方案。
[以下是经过编辑的采访记录。]
在紧急情况下，当您尝试使用手机但无法获得信号时，会发生什么？
蜂窝电话系统在任何给定基站可以支持的容量都是有限的。假设有 10 个用户或 100 个用户在打电话。当第 101 个用户呼入时，没有可供该用户占用的信道。这有点简单化，但这就是实际发生的情况。当发生地震等事件，导致人们想要拨打更多电话或访问更多互联网时，系统就会超负荷。
自 9/11 以来，手机服务发生了哪些变化？
手机现在正迎来第四代技术，因此自 2001 年以来，我们已经经历了两次手机技术的演变。两次演变之间的工作大多旨在获得更高的数据速率，因为人们现在也使用手机访问互联网并交换视频和图片。容量有所提高，但不足以跟上无线网络上涌现的巨大流量。
随着智能手机的推出，许多移动电话用户可以通过蜂窝网络或 Wi-Fi 连接。这不应该在紧急情况下提供额外的容量，而这是几年前没有的吗？
蜂窝网络和 Wi-Fi 都有局限性。蜂窝网络的带宽比 Wi-Fi 小得多，但至少蜂窝服务提供商拥有其客户进行通信的频谱部分。这使得蜂窝提供商能够保证一定的服务质量。尽管如此，他们也不容易增加容量，因为他们没有很多频谱可供购买。
Wi-Fi 可以访问大量的带宽来连接互联网，但并不拥有该空间的独家权利。智能手机必须与大量的不同无线设备共享频谱，包括婴儿监视器、无绳电话和蓝牙设备。使用 Wi-Fi 时，当有很多人试图访问网络时，没有人能访问。
因此，您通过蜂窝网络或 Wi-Fi 连接的能力实际上取决于您周围的人？
是的。例如，如果您进入时代广场的星巴克，您可能无法通过 Wi-Fi 上网。如果您在城市中蜂窝信号塔没有超载的部分，您可能可以正常连接。
可以采取哪些措施来改善蜂窝网络，使其在紧急情况下不太可能超载？
通常，您为平均使用设计任何系统。问题是，如果它是为平均使用而设计的，并且发生了统计上不寻常的事件，您通常会使系统的容量超负荷。一种选择是只建立额外的容量，一种方法是缩小蜂窝的范围。目前，您的手机与之通信的基站覆盖范围相当大。这些蜂窝信号塔输出约 10 瓦的功率，因此例如，它们可以覆盖纽约市相当大的区域。如果一个大型蜂窝可以支持中城大约 1000 个用户，并且您缩小该蜂窝的范围，使其覆盖几个街区，那么您现在可以在一个更小的区域内支持 1000 个用户。
在缩小这些蜂窝范围方面，这些将是公共蜂窝，还是人们会开始随身携带自己的迷你蜂窝信号塔？被称为微微蜂窝和微蜂窝的小型蜂窝信号塔是公共的。它们是蜂窝运营商制定的架构的一部分。毫微微蜂窝是桌面蜂窝信号塔，公司或个人会购买它，以改善其办公室或住宅的蜂窝信号覆盖范围 [它们可以增强设备周围 10 到 200 米半径范围内的信号]。
如果发生像地震或飓风这样的紧急情况，如果您拥有自己的毫微微蜂窝，您是否更有可能获得信号？
毫微微蜂窝存在许多挑战。早期的毫微微蜂窝没有很好地管理它们之间的干扰，并且无法切换到室外更大的蜂窝信号塔。因此，如果您在室内打电话并待在室内，毫微微蜂窝可能会有所帮助。问题是如何对所有微微蜂窝、微蜂窝和毫微微蜂窝进行动态优化，以便您不仅适应正常情况下的流量变化，而且特别是在紧急情况下也能适应。如果地震或 9/11 袭击摧毁了一些信号塔，就像现在配置的蜂窝信号塔一样，服务提供商必须手动重新路由蜂窝流量；它们无法适应流量的动态变化。
动态执行此操作的能力称为自组织网络或 SON。将该功能与小型蜂窝相结合，具有巨大的潜力，可以提高容量和适应不可预测变化的能力。
如何将自组织网络 (SON) 实施到蜂窝网络中？
它是基站的软件网络管理工具。它可以位于云端，也可以位于管理所有蜂窝电话基站的移动网关上。
还有哪些其他选择可以提高无线网络的性能？
显然，如果容量是一个问题，那么投入更多的频谱是增加容量的一种方法。鉴于没有太多可用频谱，另一种选择是认知无线电，它可以利用已经被占用的频谱并更智能地使用它。这样，与 Wi-Fi 一样共享频谱的用户不会干扰频谱的授权用户，例如广播公司。您必须拥有一部配备认知无线电软件的手机，该软件可以找到频谱孔。例如，如果您尝试拨打手机电话但无法获得信号，您的手机将切换到认知无线电模式，并扫描不仅是手机频段，还有其他频段，以寻找一些可以使用的频谱。
这是一项很有前途的技术，但我怀疑在短期内它会解决容量问题，甚至在政治上可行。频谱对广播公司和其他频谱带宽所有者来说非常宝贵，他们不相信次要用户可以在不干扰的情况下共享他们的空间。
当然，这种不信任一直是关于无线设备使用所谓的许可带宽之间的空白空间的争议的重要组成部分。 4G 网络的扩展将对我们目前遇到的这些紧急瓶颈产生什么影响？
较新的4G 网络在某种意义上针对数据进行了优化，因为它们使用与互联网相同的网络。电话运营商可能只会将语音流量留在他们的 3G 网络上，这些网络仍然相当新，并且不会很快消失。语音所需的带宽比数据少得多，然后数据将被推送到 4G 网络。在这种情况下，地震中的情况会更好，因为当您走到室外并尝试拨打电话时，您不会与使用智能手机在同一网络上传输数据的人竞争。