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本週，美國東部任何在週二發生的 5.8 級地震後被迫疏散辦公室、住宅或學校的人很快就會注意到，手機服務時斷時續，在許多情況下甚至根本不存在。對於被趕出摩天大樓湧上街頭的紐約人來說，這是一場令人想起（當然與 9/11 恐怖襲擊不同）的通訊中斷。在這兩種情況下，行動電話使用者都無法連線到蜂窩網路與親人聯絡。
雖然 9/11 手機網路中斷是多種因素造成的，包括手機訊號塔的倒塌，但本週的問題（儘管很短暫）純粹是由於流量過大造成的。無數的手機使用者爭奪有限的訪問許可權，導致大多數人無法獲得服務。隨著颶風艾琳逼近東海岸，人們不得不質疑在面對嚴重緊急情況時行動電話的可靠性。
《大眾科學》採訪了斯坦福大學電氣工程教授和該校無線系統實驗室的研究員安德里亞·戈德史密斯，討論了為什麼行動電話使用者在緊急情況下經常無法連線，以及在最重要的時候改善蜂窩網路效能的方案。
[以下是經過編輯的採訪記錄。]
在緊急情況下，當您嘗試使用手機但無法獲得訊號時，會發生什麼？
蜂窩電話系統在任何給定基站可以支援的容量都是有限的。假設有 10 個使用者或 100 個使用者在打電話。當第 101 個使用者呼入時，沒有可供該使用者佔用的通道。這有點簡單化，但這就是實際發生的情況。當發生地震等事件，導致人們想要撥打更多電話或訪問更多網際網路時，系統就會超負荷。
自 9/11 以來，手機服務發生了哪些變化？
手機現在正迎來第四代技術，因此自 2001 年以來，我們已經經歷了兩次手機技術的演變。兩次演變之間的工作大多旨在獲得更高的資料速率，因為人們現在也使用手機訪問網際網路並交換影片和圖片。容量有所提高，但不足以跟上無線網路上湧現的巨大流量。
隨著智慧手機的推出，許多行動電話使用者可以透過蜂窩網路或 Wi-Fi 連線。這不應該在緊急情況下提供額外的容量，而這是幾年前沒有的嗎？
蜂窩網路和 Wi-Fi 都有侷限性。蜂窩網路的頻寬比 Wi-Fi 小得多，但至少蜂窩服務提供商擁有其客戶進行通訊的頻譜部分。這使得蜂窩提供商能夠保證一定的服務質量。儘管如此，他們也不容易增加容量，因為他們沒有很多頻譜可供購買。
Wi-Fi 可以訪問大量的頻寬來連線網際網路，但並不擁有該空間的獨家權利。智慧手機必須與大量的不同無線裝置共享頻譜，包括嬰兒監視器、無繩電話和藍牙裝置。使用 Wi-Fi 時，當有很多人試圖訪問網路時，沒有人能訪問。
因此，您透過蜂窩網路或 Wi-Fi 連線的能力實際上取決於您周圍的人？
是的。例如，如果您進入時代廣場的星巴克，您可能無法透過 Wi-Fi 上網。如果您在城市中蜂窩訊號塔沒有超載的部分，您可能可以正常連線。
可以採取哪些措施來改善蜂窩網路，使其在緊急情況下不太可能超載？
通常，您為平均使用設計任何系統。問題是，如果它是為平均使用而設計的，並且發生了統計上不尋常的事件，您通常會使系統的容量超負荷。一種選擇是隻建立額外的容量，一種方法是縮小蜂窩的範圍。目前，您的手機與之通訊的基站覆蓋範圍相當大。這些蜂窩訊號塔輸出約 10 瓦的功率，因此例如，它們可以覆蓋紐約市相當大的區域。如果一個大型蜂窩可以支援中城大約 1000 個使用者，並且您縮小該蜂窩的範圍，使其覆蓋幾個街區，那麼您現在可以在一個更小的區域內支援 1000 個使用者。
在縮小這些蜂窩範圍方面，這些將是公共蜂窩，還是人們會開始隨身攜帶自己的迷你蜂窩訊號塔？被稱為微微蜂窩和微蜂窩的小型蜂窩訊號塔是公共的。它們是蜂窩運營商制定的架構的一部分。毫微微蜂窩是桌面蜂窩訊號塔，公司或個人會購買它，以改善其辦公室或住宅的蜂窩訊號覆蓋範圍 [它們可以增強裝置周圍 10 到 200 米半徑範圍內的訊號]。
如果發生像地震或颶風這樣的緊急情況，如果您擁有自己的毫微微蜂窩，您是否更有可能獲得訊號？
毫微微蜂窩存在許多挑戰。早期的毫微微蜂窩沒有很好地管理它們之間的干擾，並且無法切換到室外更大的蜂窩訊號塔。因此，如果您在室內打電話並待在室內，毫微微蜂窩可能會有所幫助。問題是如何對所有微微蜂窩、微蜂窩和毫微微蜂窩進行動態最佳化，以便您不僅適應正常情況下的流量變化，而且特別是在緊急情況下也能適應。如果地震或 9/11 襲擊摧毀了一些訊號塔，就像現在配置的蜂窩訊號塔一樣，服務提供商必須手動重新路由蜂窩流量；它們無法適應流量的動態變化。
動態執行此操作的能力稱為自組織網路或 SON。將該功能與小型蜂窩相結合，具有巨大的潛力，可以提高容量和適應不可預測變化的能力。
如何將自組織網路 (SON) 實施到蜂窩網路中？
它是基站的軟體網路管理工具。它可以位於雲端，也可以位於管理所有蜂窩電話基站的移動閘道器上。
還有哪些其他選擇可以提高無線網路的效能？
顯然，如果容量是一個問題，那麼投入更多的頻譜是增加容量的一種方法。鑑於沒有太多可用頻譜，另一種選擇是認知無線電，它可以利用已經被佔用的頻譜並更智慧地使用它。這樣，與 Wi-Fi 一樣共享頻譜的使用者不會干擾頻譜的授權使用者，例如廣播公司。您必須擁有一部配備認知無線電軟體的手機，該軟體可以找到頻譜孔。例如，如果您嘗試撥打手機電話但無法獲得訊號，您的手機將切換到認知無線電模式，並掃描不僅是手機頻段，還有其他頻段，以尋找一些可以使用的頻譜。
這是一項很有前途的技術，但我懷疑在短期內它會解決容量問題，甚至在政治上可行。頻譜對廣播公司和其他頻譜頻寬所有者來說非常寶貴，他們不相信次要使用者可以在不干擾的情況下共享他們的空間。
當然，這種不信任一直是關於無線裝置使用所謂的許可頻寬之間的空白空間的爭議的重要組成部分。 4G 網路的擴充套件將對我們目前遇到的這些緊急瓶頸產生什麼影響？
較新的4G 網路在某種意義上針對資料進行了最佳化，因為它們使用與網際網路相同的網路。電話運營商可能只會將語音流量留在他們的 3G 網路上，這些網路仍然相當新，並且不會很快消失。語音所需的頻寬比資料少得多，然後資料將被推送到 4G 網路。在這種情況下，地震中的情況會更好，因為當您走到室外並嘗試撥打電話時，您不會與使用智慧手機在同一網路上傳輸資料的人競爭。