作者：（美）克里斯托弗·G.布林顿,（美）蒋濛
出版社：中信出版集团股份有限公司
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网络的力量：连接人们生活的六大原则试读：
前言
在我们最意想不到的地方。从我们在脸书（Facebook）上的朋友是谁，到我们的信息如何在几毫秒内通过互联网传播，这一切的背后都有着有趣的故事，不管那是社交网络、通信网络还是经济网络。无论是推荐电影，控制设备的功率水平，还是视频的病毒式传播，在这些功能和其他功能的内部运作中都隐藏着六条原则，它们会出现在各种各样的网络中。
本书运用通俗易懂的语言，对这些原则以及网络的力量加以说明。许多优秀的文章已经从数学和技术角度对网络进行了详细阐述，但本书和它们不一样。
与之相反，本书通过故事、图片、例子和历史逸事描述了网络的核心理念，其中还包括与谷歌的埃里克·施密特，威瑞森无线前首席执行官丹尼斯·斯特里格尔，以及“互联网之父”温顿·瑟夫和罗伯特·卡恩的对话。全书共有数百张图片，图片会对文本加以补充。我们还会将网络和日常生活的其他方面进行类比。你可能会惊讶地发现邮政系统、交通拥堵和停车标志，分别与互联网路径选择、网络拥塞和Wi–Fi（无线局域网）随机访问非常相似。
这并不是说本书不会出现任何数学知识。数字示例对理解驱动网络的方法非常有帮助。但是你在本书中看到的数学知识不会比基本的算术（数字的相加和相乘）更复杂。想要阅读本书，你只需要有学习的欲望即可。
本书的结构是什么？它分为六个部分，每个部分对应连接我们生活中的六条网络原则之一。每个部分包含两到三章，通过有趣的主题，讲述相应原则的故事。
那么，这六条原则是什么？它们简洁明了，完美总结出设计、建造和管理网络的方式。
原则一：分享很难（第一部分）。不论是用手机打电话还是用Wi–Fi上网，都需要分享网络媒介。它就像空气一样，你需要和许多其他人共享。在这种情况下，怎么才能不干扰彼此的连接呢？这就需要有效的分享和协调技术——从控制电话传输的等级到对我们所消费的数据定价。
原则二：排序很难（第二部分）。今天的许多网站都需要处理大量原始数据，以找到有效的排序方法。像谷歌这样的搜索引擎如何对呈现给我们的结果进行排序？网站如何为广告商分配空间？随着需要排序的项目越来越复杂，排序工作也变得更加困难。
原则三：大众很聪明（第三部分）。亚马逊和网飞（Netflix）等在线零售及娱乐公司拥有很多顾客。我们是否能够对大众的意见产生影响，使产品评价及推荐更加准确和有用？答案是肯定的，但我们需要对大众意见及其生成机制做一些特定的假设。
当这些假设站不住脚时，就需要原则四：大众并不那么聪明（第四部分）。为何有些视频会出现病毒式传播？因为人们可以影响彼此的行为和决策。在社交网络中，某些人是否比其他人更具影响力？是的，而且他们的影响方式并不一定很直观。本书将对此进行解释。
分而治之是第五条网络原则（第五部分）。通过这一概念，互联网的规模和功能可以有效地增加（从路径选择到数据纠错）。从地理和功能上，互联网都被巧妙地分成了很小的部分，因此每部分都可以被单独管理。
原则六：端到端（第六部分）。这是最后一条原则，它主要讨论网络如何在巨大的空间里运作。我们手中的终端设备往往不知道，也不需要知道，互联网中到底发生了什么，以实现分配给它们的各种功能，例如拥堵控制。而在网络中，执行一项任务的具体位置是一个重要的问题。
在全书中，你将看到参考补充材料的提示。补充材料可在本书的网站www.powerofnetworks.org上找到。材料按章节划分，被组织成系列问答。如果你在基本了解原则以外，想深入挖掘其中的一些例子、历史和更多的技术信息，可阅读这些材料。
除了作为大众科普读物，本书和网站上的内容也可以作为大学或高中入门课程的基本材料，可供任何专业或学科对网络感兴趣的学生使用。教学资源可以在本书的网站上获取，也可以发送电子邮件给我们（地址learnPoN@gmail.com）。事实上，2013年以来，本书中的很多材料已经被用在大规模开放网络课程（Massive Open Online Course，慕课）上，有超过100 000名学生学习过。
我们从写作本书中获得了很多乐趣，希望你也能从阅读本书中获得乐趣！第一部分分享很难
花几秒钟，坐下来想象一下，如果没有手机，你的生活将会怎样。这可能很困难，因为每次联系老板或家人，或者跟任何人远程沟通，你都只能使用固定电话。然后再往前想，回到家里有电话以前。在那个时候，信息传播的速度，仅等于你或邮递员在街道之间步行的速度、火车在城市间行驶的速度，或是货船在大陆间跨海航行的速度。虽然很难想象，但这就是在有线和无线通信出现之前，人们数千年来的生活方式。这些技术使通信速度大大加快，同时也给网络资源如何在这么多人之间实现“共享”，带来了许多有趣的挑战。
在本书第一部分，我们将探讨两种无线网络：蜂窝（第1章）和Wi–Fi（第2章）。在研究这些网络时，我们将看到两种共享通信资源（在这种情况下，是指空气中的电磁频谱）的方式，以此进行通信。控制干扰是关键：这需要使用方法，在后台分析出你进行通信的时间和音量。
网络定价（第3章）也可以是一个实现更高效资源共享的有效方式。我们将看到网络供应商使用的方法，来确定我们为消费的数据支付多少费用。第1章控制你的“音量”
如今，手机已成为我们日常生活的一部分。图1–1显示了部分国家在2015年年中的手机渗透率（mobile penetration），即各国平均每人拥有的手机数量。请注意，最左侧5个国家的渗透率均超过100%，说明在这些国家，手机数量超过了人口数量。
此外，在2015年年中，图1–1中的13个国家均拥有超过1亿的手机入网量。同一时期，全世界手机入网量超过6 800 000 000（68亿！ ）。
既然数量如此巨大，你也许会问，我们如何能有效地进行无线通信，而不会干扰彼此通话、收发信息及上网？我们将在本书这一部分分享几种方法，本章首先介绍功率（通话音量）控制。
现代移动蜂窝（cellular）系统是几十年来技术革新的产物。20世纪40年代至80年代，移动设备尚属奢侈品，而到了21世纪，则变成了必需品。伴随这一趋势，工程师们必须想出能让人们进行无线通信的不同方式。图1–1注：图为截至2015年6月，部分国家的手机渗透率，即平均每人拥有的手机数量。其中6个国家的渗透率为100%或以上，说明这些国家的手机数量超过人口数量从电话到手机
在无线网络和手机出现之前，通信网络主要依靠有线（wireline）手段，即利用线缆进行通信，与之相对的是无线（wireless）通信。早在1876年10月9日，通过从波士顿到坎布里奇的一段2英里长的线缆，亚历山大·格雷厄姆·贝尔拨打出了世界上第一通电话。第二年，贝尔电话公司成立。那是第一家提供公共交换电话网络（public switched telephone network）服务的公司（我们通常称之为“固定线路”）。
在设计电话前，贝尔正在对此前发明的电报进行实验。利用“复式电报机”，多个发送者（transmitters，信息发出方）和接收者（receivers，信息接收方）能够通过一条线路进行联系。
试想一下：我们如何能像图1–2那样，让许多人使用同一条线路呢？假如安娜和本正试图通话，查理和达娜也是，这难道不会导致他们干扰彼此的通话吗？图1–2注：假设安娜正在和本打电话，查理正在和达娜打电话，两对通话者如何能在使用同一条线路时，不互相干扰呢
其实未必。虽然他们在使用同一个空间（电话线），但我们可以在其他层面把他们分开。最直接想到的或许是时间：让安娜和本占用一会儿电话线，然后让查理和达娜用一会儿，再让安娜和本用，如此反复。我们还可以试着用语言来区分：让安娜和本说英语，查理和达娜说西班牙语。这样他们就能同时通话，只需要听自己的语言就行。即便如此，我们还是要担心不同的说话声会盖住彼此。
这些层面——时间和语言，是不同多址联（multiple access）技术的简化例子。这些技术使多个通话者能共用同一网络媒介（如电话线和无线信号）。我们将在本章对其进行深入探讨。按不同频率进行共享
复式电报机根据不同频率，利用频分多址（frequency division multiple access，FDMA）将不同连接进行区分。FDMA会为每组发送者和接收者（称为一个“链接”）分配一个频道（frequency channel），使其能进行联系。你可以在图1–3中看到图示。图1–3注：通过频分多址，根据通话的指定频道对其进行区分：通话一的用户被分到一个频道，通话二的用户被分到另一个频道，以此类推“频率”是什么？对于我们能听到的频率，可以理解为声音的不同音调。频率以赫兹（hertz，Hz）为单位进行衡量，表示声波平均每秒完成的循环次数。因此10赫兹表示声波每秒完成10次循环（见图1–4）。关于频道的更多信息，请参见本书网站的Q1.1部分。
频率单位将在本书此部分多次被提到，但我们即将探讨的频率范围远远超过一赫兹的数量级。通常提到的无线频带为数百万赫兹或数十亿赫兹，分别称为兆赫（MHz）和千兆赫（GHz）。为了帮助你理解这些数字的概念，人类能听到的最高频率为大约20 000赫兹。图1–4注：不同频率的两条声波，表示平均每秒完成的循环次数。实线波频率为1赫兹，虚线波频率为3赫兹
第一代移动电话始于20世纪二三十年代，运用了FDMA技术。它们在本质上是模拟（analog）的，也就是说，它们的信号完全以电的形式从空中穿过。1946年，贝尔电话公司建立第一套“移动电话”网络，称为“移动电话服务系统”。这套系统与1964年出现的新一代系统一样，都是FDMA系统。它们被认为是第零代技术，也叫作0G，与之相对的是我们现在使用的4G技术。第一台手持电话
20世纪70年代，摩托罗拉公司的马丁·库珀坚信，手持电话将成为未来的潮流。1973年，他带领团队花了90天，制造出史上第一台手持电话：DynaTAC。
DynaTAC并不像今天的手机。它重达近2磅（约0.9千克），价格接近3 000美元（1973年的美元价值！ ），通话30分钟便需要充电。相比之下，2016年的一台苹果手机重量不到1/3磅（约0.15千克），价格可低至150美元（取决于具体型号和无线网络合同），并且每次充电后可供数小时通话及数据应用使用。
直到20世纪90年代中期，手持电话产业才真正开始脱离车载电话。与数字网络类似，只有当电子元件成本开始大幅下降，手掌大小的电话才变得实际。而电子元件成本下降，部分是因为需求上升。需求之所以上升，部分是因为这些技术的应用增加了。“蜂窝电话”的“蜂窝”
1976年，仅纽约市就有大约500名手机用户，在等待名单上的人数超过这个数字的6倍。网络容量（capacity）急需扩大。那么，网络运营商能做什么呢？实际上只有两种选择：请求联邦通信委员会（Federal Communications Commission，简称FCC）提供更多频谱，或找出一种方法，使更多用户能使用同一频谱。
有关FCC许可过程的更多信息，请查看本书网站的Q1.2部分。如何让更多的用户共享同一频谱？也许可以重复使用频道？这似乎有点儿牵强：如果有两个链接紧挨着彼此，又在使用相同的频道，肯定会产生干扰。但是，如果它们不在彼此旁边呢？如果它们距离足够远，那么可以重复使用同一个频道吗？
答案是肯定的。当信号通过空气（以及通过线缆）传播，其功率电平会衰减（attenuate）。这意味着它们会随着距离增加而减小，如图1–5所示。图1–5注：当信号通过空气传播，其功率电平会衰减。在安娜的手机周围，她的手机发射功率电平是100。当信号到达本时，功率电平是50。到达查理时，是10
通常情况下，衰减被看作是一件坏事。它会导致信号减弱，使其难以远距离传送。但这正是我们所需要的：如果你和我相距足够远，我们就都可以打电话，而且也不会导致信号在空中重叠。
衰减的特性使得工程师开始从地理上把移动信号区划分为一个个蜂窝（cell），通常表示为“六边形”。这个想法是，任何指定的蜂窝都可以被分配一组不被相邻蜂窝使用的频率。这样，使用同一频道的蜂窝将距离彼此很远，不会产生干扰，使我们能够更有效地使用现有的资源。
你可以在图1–6中看到蜂窝网络的示例。在这里，任何具有相同颜色的六边形将被分配相同的频率，因为它们不相邻。假如颜色最深的得到频道1至4，颜色深度居中的得到5至8，颜色最浅的得到9至12。罗布在深色蜂窝里，位于频道2。在他的蜂窝里的其他人可能处于1、3或4频道。由于蕾切尔是在另一个深色蜂窝里，因此她也可以被分配到频道2，因为她距离足够远。本在中间的蜂窝，则不能得到频道2，因为他太接近深色蜂窝。我们为不同蜂窝指定颜色（频率）时，经常想让使用的颜色数量尽可能小。找到那样的颜色组合实际上是相当困难的，特别是当图中单元格的数目变得非常庞大时。图1–6注：这是一张蜂窝网络图。每个单元都是一个六边形，包括多个移动站（MS）和基站（BS）。单元格的颜色深度表示单元格使用的频带。相邻两个单元格没有相同的颜色，因此使用不同的频带以防止干扰
那么每个蜂窝里有什么？有基站（base stations），也叫BS，以及移动站（mobile stations），也叫MS。每个蜂窝的基站一端连接有线核心网和互联网，另一端连接分配给它的移动站。移动站可以是一部手机、一台平板电脑，或任何可以根据蜂窝标准发送和接收信号的设备。
单元首先在先进的移动电话系统中使用，标志着1G技术在美国的诞生。在这个系统中，移动用户数量猛增。到20世纪90年代，仅在美国就有2 500万名手机用户。这也意味着，由于高使用率和低容量，模拟信号已经无法满足需求。进入数字时代
随着模拟网络再次变得拥挤，美国和其他各国开始尝试另一种选择：数字（digital）系统。模拟信号将被“数字化”，转换成二进制位的序列，即1和0（见图1–7）。图1–7注：模拟信号随着时间不断变化。与之相反，数字信号是一系列的二进制位，即1和0
数字系统在容量上拥有巨大优势，因为它们使用了另外两个我们将讨论的多址联接技术。在20世纪80年代末之前，建立这些网络所需的小规模电子设备成本还不够低。按照时间（和频率）进行共享
从模拟到数字蜂窝的转换标志着1G技术发展到了2G。第一套2G技术标准是全球移动通信系统，简称GSM，始于1982年。到1987年，该系统容量便达到模拟系统的3倍。
数字代码使我们能将多个通话压缩到一个频段。所以，即使在一个单元里，我们也可以让很多人共用同一个频道。我们只需要添加另一个维度。最明显的额外维度选择是时间。
换句话说，多个用户可以共享同一个频道，但他们必须轮流使用。按照一套叫作时分多址（time division multiple access，简称TDMA）的方案，每人被分配到不同的时段。你可以在图1–8中看到TDMA的一个例子。图1–8注：利用时分多址，一定数量的通话（图中为3个）可以共享相同的频道。例如，通话A、B和C被分配到相同的频道，但在时间上是分开的
由于欧盟倾向于发展一套共同的标准，GSM在欧洲很多地区被迅速采纳。GSM今天仍然在世界部分地区使用，主要在900MHz和1 800MHz频段运行。这降低了手机成本，标志着手机发展进入新阶段，能提供短信、游戏，以及其他娱乐功能。按照代码进行共享
在美国，采用2G标准的历程更有趣。在了解对容量的需求增加后，美国蜂窝电信行业协会在1988年发布了一系列性能要求，规定通信行业应致力于达到第一套数字蜂窝标准。其中的主要要求是，容量应达到传统模拟网络的10倍。
这个时候，几乎所有美国的网络运营商和设备制造商都觉得TMDA是最好的办法，但高通（Qualcomm）公司例外。该公司倡导另一项技术——码分多址（code division multiple access，简称CDMA）。如图1–9所示，在CDMA系统中，用户在“代码”维度上进行区分，在时间和频率上则不加区分。对代码最好的类比可能是语言：就像给每个链接不同的语言，然后让它们进行通话一样。图1–9注：通过码分多址，通话按照“代码”维度进行区分。所有通话可以在相同的频率和时间进行，因为网络中的每个传输都会被分配到唯一的代码
每个代码都像一把钥匙。发送方锁定消息，将其发送出去，并且只给接收方发送密钥。设计这些代码的困难在于，应该只有一把钥匙能够“解锁”任何指定信号。如果另一个接收方试图用自己的钥匙解密该消息，则应该显示为噪声。每一个代码会“取消”另一个，具有此属性的代码集合被称为一个正交码（orthogonal codes）族。关于CDMA的更多信息，请参考本书网站的Q1.3部分。
一开始有人预测，CDMA能提供的容量可以比传统模拟网络大40倍以上。尽管如此，当时大多数工程师、制造商以及运营商都抵制CDMA。原因之一是，当时尚未有CDMA蜂窝网络原型，对其进行演示。
1989年，蜂窝电信行业协会投票通过，将TDMA作为美国第一个2G数字标准。未来4年中，需要更多的概念证明，CDMA才会得到批准。鸡尾酒会的比喻
这里有一个易于理解的比喻，能阐明一些我们已经介绍过的技术。假设一场鸡尾酒会在一座有许多房间的大厦举行，其中有许多谈话发生。假如聚会上有很多人，如果大家都挤在同一个房间，同时说话，我们将很难听清自己的对话内容。我们让主人来确定应对这一局面的最好方式。
主人首先决定，每个房间里可以有两个人谈话。每对谈话者待在自己的房间，直到谈话结束，所以每个人都能以合适的音量说话，因为声音传到其他房间时会减弱。但如果我们把房间看成单元，这就好比每个单元每次只允许有一个连接。考虑到客人数量很可能比房间数多，这种安排将无法令许多没有分配到房间的谈话者满意。
为了处理这个容量问题，主人决定允许许多谈话者共用一个房间（即每单元多人），让每对谈话者在不同的时间交谈。因此，在任何指定房间里，第一对谈话者可能有30秒交谈，此时其他人保持沉默，然后是下一组，以此类推。同样，每个人都可以尽情地大声说话，因为声音不会盖住别人的谈话。这是TDMA的一个例子，在每个房间里，每段谈话都被分配到一个单独的时段。
如果不是分配时段，假设主人让每个房间里的每对谈话者使用一门单独的语言。那么，大家都可以同时说话，因为每对谈话者只能听到一门特定的语言。这是CDMA系统的一个例子，每种语言代表一个不同的代码（见图1–10）。但是人类语言并不是完美的代码。此外，音量控制是一个问题，因为在房间里的每个人都可以听到其他所有谈话，无论是用什么语言。我们需要一些协调，使个人根据彼此之间的距离，调整自己的音量。图1–10注：利用CDMA技术，每个代码就像一门独立的语言。在鸡尾酒会的比喻中，如果人们使用不同语言说话，多个谈话就可以在一个房间内进行。然后，问题就变成如何控制音量控制功率电平
CDMA也有自己的问题。我们现在将探讨它的倡导者在20世纪90年代初必须克服的一些主要问题。远近问题
不同信号在同一时间传输，必然会产生干扰（interference）。当你考虑到和基站的距离时，问题会变得更复杂。一个离基站一英里远的人打电话，怎么能不被一个距离只有几米远的人干扰？这个人所在的位置不仅信号更弱，而且也可能有更多的物体（如树木）阻碍信号的路径。这就导致了不同水平的信道质量（channel quality），如图1–11所示。图1–11注：发射器离接收器越远，信号越弱，阻挡传输通道的物体也可能越多。在图中，A离发射塔距离近且没有被阻挡，而B离发射塔距离远且受到物体阻挡（例如树木）
我们在这里所描述的问题称为远近问题（near-far problem）。要处理该问题，我们的手机需要某种机制，以便它可以调整传输能力，以弥补信道质量的差异，使我们能够有效地共享空间。
为了缓解该问题，最初提出的解决方案是传输功率控制（transmi-ssion power control，简称TPC）算法。该算法试图平衡接收到的信号功率。基站会测量从每个发射器接收的数据，将其与所需功率进行比较，并向每台设备发送反馈消息，使其进行相应的调整。
如何在接收器测量功率？功率的标准单位是瓦特（W），表示每秒发射的能量数。所以，5 W意味着每秒钟传输的能量为5个单位。在本章中，我们通常讨论的功率等级是一瓦特的若干部分，为毫瓦（mW），即千分之一瓦特，或微瓦（µW），即百万分之一瓦特。
回到TPC算法。假设塔上所需的功率电平为10毫瓦。如图1–12所示，手机A和手机B开始以此功率发送信号，基站接收到的功率分别为5毫瓦和1毫瓦。信道衰减导致A的功率减半，B的功率减少到1/10。为了扭转这一局面，TPC要求发射器分别以目前传输功率的2倍和10倍传输信号。这意味着，A应该以2×10毫瓦=20毫瓦的功率传输，而B应该以10×10毫瓦=100毫瓦的功率传输。图1–12 传输功率控制算法示例
一般来说，TPC算法基于以下方程：
下次功率=“系数”×当前功率
其中“系数”等于所需功率（示例中为10毫瓦）除以所接收功率（5毫瓦和1毫瓦）。质量不只是功率
有了TPC，就可以通过增加相应传输，来平衡接收信号功率。这是否足以保证“良好的接收”呢？不一定。接收到的信号也会受到来自其他手机的干扰。你可以在图1–13中看到演示。即使连接A的发射功率很高，如果来自其他发射器（链接B）的干扰也很高，那么A接收到的信号质量仍然可能低。这是我们第一次看到网络的影响，在这种情况下，受到影响的是使用相同通信介质的多个用户。图1–13注：理想情况下，只有同一个发射器发出的信号才会进入其接收器。但事实并非如此：图中，一些A的传输信号将被一同带入B的接收器，反之亦然
对于移动通信，我们需要平衡的通常是质量，而不是功率。那么，如何确定接收到的信号质量呢？我们可以结合三个因素来考虑：1.从目标发射器接收到的信号功率。这是接收器试图接
收的发射器。2.从非目标（即干扰）发射器接收的信号功率。这些是
接收器希望躲避的发射器。3.接收器噪声，这是所有接收器固有的问题。
衡量质量可以用积极因素（第1点）除以消极因素（第2、3点）。这被称为信号干扰比（signal-to-interference ratio，简称SIR）。避免“军备竞赛”
相比于实现目标功率，实现目标信号干扰比更复杂，因为我们不能仅靠增加发射功率来同时达到所需的信号干扰比。增加A的传输功率会增加A的信号干扰比，但也会导致其他连接的信号干扰比减少。这样我们就必须增加其他发射器的功率，以提高它们的信号干扰比，不过这将影响到其他所有人，迫使他们增加发射功率。以此类推，其结果必然是一场“军备竞赛”，最终，以最高功率传输的一方将获胜。但这不是一种非常有效的分享方式。
如果每台移动设备都确定一个理想的信号干扰比，是否有可能找到一组传输功率，能同时达到所有的目标？答案是肯定的，只要理想的信号干扰比是可行的（feasible），或彼此兼容的。换句话说，不能所有人都希望实现高得不切实际的信号干扰比。
该解决方案被称为分布式功率控制（distributed power control），简称DPC。它的工作原理是：1. 每台设备最初具有一定的初始传输功率。2. 接收器测量每台发射器的信号干扰比。3. 基于目标和测量信号干扰比的比值，每台发射器调
整其功率电平。4. 根据需要重复步骤2和3。
不同于之前讨论的、单一步骤的远近传输功率控制算法，分布式功率控制是一种迭代（iterative）算法，它是不断反复的。鉴于目标信号干扰比是可行的，事实证明，分布式功率控制算法会收敛（converge），这意味着，信号干扰比对应的功率电平将停止更新。事实上，这些收敛的功率电平也将是最佳（optimal）的，因为它们将使用最少的能量。分布式功率控制工作原理
如图1–14所示，假设在一个单元里有三台移动站：A、B和C。图中实线表示每对发射器和接收器上行连接的直接信道增益（channel gains）。信道增益衡量功率放大（amplified）多少，或者出于实际目的，表示从信号源到目的地功率增强了多少（由于它们是分数，因此所谓增强其实是衰减）。直接信道增益应该尽可能高，因为它代表了预期的通话。与此相反，虚线代表干扰信道增益，也就是由于某些因素，非预期信号将耦合到各个接收器。你可以在表1–1和表1–2中看到信道增益、目标信号干扰比和接收器噪声示例（图中数字是为了进行说明，并不代表通常在蜂窝网络中观察到的实际数字）。图1–14 三台移动站与基站之间的信道注：实线表示直接信道增益，而虚线表示干扰信道增益表1–1 分布式功率控制示例的信道增益表1–2 分布式功率控制示例的所需信号干扰比和噪声参数
让我们举例说明分布式功率控制算法的前几步计算。为了更新发送功率，分布式功率控制算法采用了一个类似于之前传输功率控制算法方程的直观方程，但它只涉及信号干扰比而不是信道质量。对于每一台发射器而言，其更新率为：
下次功率=“系数”×当前功率
其中“系数”为目标信号干扰比除以测量信号干扰比的比值。
这个更新是相当合乎逻辑的。如果测得的信号干扰比低于所需信号干扰比，那么“系数”将大于1。为了平衡它们，传输功率将增加。相反，如果测得的信号干扰比高于所需，“系数”将低于1，传输功率将降低。发射器便可以使用更少的能量，同时此举将有助于改善其他发射器的信号干扰比。最后，如果测得的信号干扰比和所需的一样，“系数”将是1，发送功率将保持不变。如果目标已经实现，则没有必要做出改变。
为什么这样的更新是有必要的？在一个单元中，每台设备对其他设备施加负外部性（negative externality），对其进行干扰。换句话说，在实现自身目标的同时，每台设备还会对网络的其余部分造成一些“损害”。此更新对设备保持控制：每当信号干扰比高于所需水平，功率电平便会下降；当信号干扰比太低时，功率电平便会提高。
基站和设备之间进行“信息传递”，以纠正这种偏差的过程，是一个负反馈（negative feedback）的例子（见图1–15）。它迫使发射器内化其负外部性（即为其造成的干扰付出代价），按照规则弥补对系统造成的附加干扰。
我们在本书中讨论不同网络时，负反馈和负外部性的概念会反复出现。更普遍的是，负反馈是一种在系统中保持平衡（equilibrium）的方式，它会对输出过程中的波动进行检查和平衡。使系统偏离平衡的正反馈也会在后面提到。图1–15注：信号塔告诉每台设备其当前接收到的信号干扰比，它将充当负反馈信号。利用该信号，每台设备可以独立更新其传输功率
回到我们的例子。在分布式功率控制方程所需的所有数量中，我们知道所需的信号干扰比值（表1–2），当前的发射功率可以设为2毫瓦，那就只剩下测量信号干扰比了。对于每个链接，我们可以这样计算：
我们如何得到“信号”、“干扰”和“噪声”的数值？从链接A开始：• 信号：从发射器A到接收器A的直接增益，乘以发射功
率。在表1–1中，它是0.9×2毫瓦= 1.8毫瓦。• 干扰：从其他发射器到接收器A的间接增益的总和，
乘以它们的传输功率。在表1–1中，我们看第一列：从B到A，
增益为0.1，从C到A是0.2。因此干扰值为0.1×2毫瓦+ 0.2×2
毫瓦= 0.6毫瓦。• 噪声：这是接收器噪声，如表1–2所示，链接A的噪声
为0.1毫瓦。
在现实中，接收器甚至不需要做乘法和加法计算，因为它可以实际测量信号干扰比。
因此，链接A的测量信号干扰比为：
链接B怎么样呢？从发射器B到接收器B，直接增益为0.8毫瓦，所以信号功率为0.8×2毫瓦=1.6毫瓦。间接增益来自发射器A和C：从A到B，增益为0.1，从C到B也是0.1。这意味着干扰功率为0.1×2毫瓦+0.1×2毫瓦= 0.4毫瓦。最后，链接B的接收器噪声为0.2毫瓦。因此，链接B的测量信号干扰比是1.6 / 0.6 = 2.67。
使用相同步骤，可以得出链接C的信号干扰比为：
让我们把这些值和所需信号干扰比进行比较。对于链接A，所需的值为1.8，所以测量信号干扰比偏高，高出2.57–1.8 = 0.77。同样，链接B的测量信号干扰比偏高，高出2.67–2.0 = 0.67，而链接C的测量信号干扰比偏低，低了2.2–1.64 = 0.56。
我们现在可以使用DPC方程计算新的功率电平。系数是多少？我们用每个链接的目标信号干扰比除以测量信号干扰比：1.8 / 2.57 = 0.70，2.0 / 2.67 = 0.75，以及2.2 / 1.64 = 1.34。正如预期的那样，链接A和B的比值小于1（测量值太高），链接C的大于1（测量值太低）。有了这些值，A、B和C的下一个功率电平分别为：0.70 × 2毫瓦 = 1.40毫瓦0.75 × 2毫瓦 = 1.50毫瓦1.34 × 2毫瓦 = 2.68毫瓦
负反馈导致A和B的功率电平降低，C的增加，正如我们预期的那样。
下一步是什么？用本书的方程来计算这些新功率电平的信号干扰比。之后呢？基于更新方程，调整功率电平。后面步骤的计算以同样的方式进行。如果你想看到更多计算过程，请参考本书网站Q1.4部分。
DPC算法的30次迭代的传输功率和信号干扰比水平都标注在图1–16中。大约10次迭代后，我们不再能看到两者数量有明显的变化，这表明DPC算法已收敛到平衡。测量信号干扰比已经达到目标值1.8、2.0和2.2，功率电平分别为1.26、1.31和1.99毫瓦。
为什么链接C的功率电平比其他两者高得多？它具有所有接收器中最高的噪声成分（0.3毫瓦），从其他链接获得的最高干扰增益（两者均为0.2），以及所有链接中最高的目标信号干扰比值（2.2）。它需要更高的传输功率来克服这些缺点。
为什么算法会收敛？由于测量信号干扰比和目标信号干扰比相等，更新方程中的“系数”将成为1，所以功率不会再改变。负反馈使网络取得平衡，使设备进行有效共享。它将保持这种状态，直到网络改变，比如当设备的干扰条件改变，一台新设备进入单元，或现有设备离开单元。图1–16注：图为算法30次迭代的发射功率（上图）和信号干扰比（SIR）水平（下图）
在一个真正的单元里，可能有上百台电话，随着通话开始和结束，以及人们从一个位置移动到另一个位置，可以想象从链接到链接的信道条件和信号干扰比值会迅速改变。其结果是，需要实现高达每秒1 500次的功率控制。DPC算法的一个好处是，每台设备不需要了解其他链接如何运行。要计算下一个功率电平，所需要的只是它的当前传输功率、目标信号干扰比和当前测量信号干扰比。这些都是其自身的参数，并且它会独立做出目前的决定（例如，设备不需要知道任何其他链接的信号干扰比）。这允许每台设备在内部执行计算，而不需要与其他设备共享信息。换句话说，DPC是一个完全分布式（distributed）的算法（见图1–17），而不是我们后面会见到的更为集中式（centralized）的算法（如第5章谷歌的网页级别）。图1–17注：分布式功率控制是一种完全分布式算法CDMA标准
提出DPC算法，是为了处理CDMA干扰问题。即使有了这样的发展，也是在现实的网络条件下，经过数次全美范围的大规模试验演示后，它才得到了各大网络运营商的支持。
最终，CDMA于1993年被批准为IS–95标准下的2G蜂窝标准，其品牌为cdmaOne。三年后，CDMA在美国的第一次大规模的商业部署由Sprint PCS完成。虽然IS–95已经基本升级为3G标准，但该标准及其直接修改版本仍然只在世界部分地区使用。向上升，向前进：3G、4G及其他
几十年来，移动入网数量剧增。仅美国，移动入网数量就从1985年的大约340 000增长到2015年的327 000 000，30年中增长了近1 000倍。自2011年以来，美国的移动电话渗透率已经超过了100%。
进入21世纪，3G手机在全世界迅速普及。国际电信联盟（ITU）于2000年发布3G技术规范，本质上就是要求手机像掌上电脑一样工作：除了打电话和发短信，手机还具备上网、视频通话、移动电视的功能。目前两大主要的3G标准分别是用在欧洲、日本和中国的UMTS（通用移动通信系统），以及用于美国和韩国的CDMA2000（码分多址）。这两种技术都基于CDMA，通常被部署在1.9~2.1 GHz的频率范围内。
截至2015年年初，世界上大约70%的人口被至少一个3G网络覆盖。这一数字在2012年年初是50%。据预测，到2020年，世界上超过4/5（即80%以上）的人口将可以使用3G网络，这将使其几乎无处不在。有关智能手机如何出现的信息，请参考本书网站Q1.5部分。
自从1G网络在20世纪80年代实现商业化以来，大约每10年就有新一代的蜂窝网络出现。按照这一速度，4G网络性能要求在2008年被提出，与之前的3G规范相比，它提出更高的速度和能力要求。此后出现的主要标准是长期演进（long-term evolution），简称LTE。LTE没有使用CDMA技术，而是基于正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing）技术，简称OFDM。
在美国，第一台LTE智能手机出现在2011年年底。2015年年初，世界上大约25%的地区覆盖了4G网络，并且预计到2020年，4G网络覆盖率将增加到60%以上。2017年，4G相对于3G的性能改进有望吸引10亿用户。虽然截至2016年，4G网络覆盖范围小于3G网络，但它正以更快的步伐部署着。
蜂窝网络的发展历程，完美诠释了多年来网络如何尽力满足消费者对性能的需求这一问题。不同的共享方法，无论是频率、时间还是基于代码的无线网，都被开发出来以实现这个目标。虽然我们并不知道这其中涉及的过程，但对于蜂窝网络的运行而言，实时更新和管理我们通话的功率是必不可少的。找到正确的共享方法很困难，但也非常重要。
分布式功率控制说明了几个在网络发展和本书中经常出现的主题：负反馈、系统平衡，以及分布式协调。它也说明了我们将反复看到的以下主要观点：允许每个用户出于自身利益做出独立的决定，可以在所有用户间累积到一种公平而有效的状态。
在下一章，我们将转向Wi–Fi，这是另一种类型的无线网络。随之而来的是和蜂窝不同的共享模式：不同于运用严格的功率控制算法，Wi–Fi依靠随机访问管理在同一地点的用户之间的干扰。第2章“随意地”访问网络
到20世纪90年代中期，第二代蜂窝网络已经在全世界普及。两种相互竞争的技术——TDMA和CDMA，都急需网络容量有所改进。
大约在这个时候，工程师们开始思考，是否能找到一个完全不同的方法来共享空间。他们在这个方向上的努力带来了Wi–Fi技术的发明。交通信号灯与停车标志
首先，让我们做一个关于汽车交通的简单比喻，说明共享Wi–Fi如何不同于共享蜂窝网络。
假设你正在开车，开到一个十字路口，如图2–1所示。如果十字路口由交通信号灯控制，那么当绿灯亮起时，十字路口则专门对你所在的一侧开放。这类似于将时间、频率或代码分配给通话者，向其开放在蜂窝网络中的通话时间。图2–1注：蜂窝和Wi–Fi共享资源的主要区别类似交通信号灯和停车标志之间的差异。当流量很小时，停车标志（Wi–Fi）更有效，但当汽车数量（设备）增加时，它们是不可扩展的。在这些情况下，我们倾向于使用交通信号灯（蜂窝），每次只向一侧开放路口（资源），以调节交通流量
只要马路另一侧有车辆，红灯就有意义。但要是你被挡在红灯前，另一侧却没有来往车辆呢？这似乎相当浪费（而且十分令人沮丧）。你为什么不能开车通过呢？在这种情况下，停车标志会是一种调节交通的更有效的方式。当我们接近停车标志时，停下来看看两侧，如果没有人就继续前行。我们只需要一种协调方式（停下来看看），来尽量减少发生意外的概率。
有了停车标志后，就不会再让某些车辆享用专用路口，而是只要大家遵循随机访问的规则，就可以共享路口。当交通流量小而可变时，这种方法更加有效。停车标志类似于Wi–Fi的工作方式：没有专门的资源，而是让设备在传输前先“听”（即“两边看”），以防止它与其他设备发生碰撞。
但随着交通量的增加，停车标志就成为问题。当连接线路建立起来时，车辆依次“停”和“走”的性质会导致非常长的等待时间，特别是当另一侧没有停车标志时。在这种情况下，交通信号灯的专用性质可能成为首选。正如我们将看到的，Wi–Fi也有类似的问题：随着设备数量增加，其性能会大幅下降。Wi-Fi的产生和演化
如果我们可以建立小型站点，为旁边移动不快的人提供无线互联网连接呢？这种观点构成了Wi–Fi的基础，如图2–2所示。它利用了随机访问提供的优势。图2–2注：Wi–Fi为接近接入点的设备（如笔记本电脑、手机和平板电脑）提供无线连接
1985年，美国联邦通信委员会向公众开放了一些频段。不同于通信公司必须购买昂贵的许可证来经营的蜂窝频段，任何人都可以使用这些频段（只要他们遵循某些规则）。这些频段频率约为2.4GHz和5.8 GHz，被称为工业、科学和医疗频段（简称ISM）。工程师们抓住机会，使用ISM频段发展通信以及后来的Wi–Fi。他们也将其用于其他目的。事实上，如今最常见的ISM设备是微波炉，因为这些频率刚好能很好地激发水分子。
由于美国电气及电子工程师学会（IEEE）想以其标准的方案来命名，所以Wi–Fi的官方名称被定为IEEE 802.11。“802”针对局域网，表示它是短距离的，“.11”表示无线局域网。更为吸引人的名字Wi–Fi，是“无线保真”（wireless fidelity）的简称，它从被发明后一直沿用至今。
由于不同机构都在发展Wi–Fi技术，在声称使用Wi–Fi的产品之间，需要一个方法来确保其互操作性。出于这一目的，Wi–Fi联盟于1999年成立，在符合IEEE 802.11标准的设备上张贴Wi–Fi标识。一碗字母汤
像蜂窝技术一样，Wi–Fi在短时间内得到显著改进。各种升级大大提升了用户的连接速度。如何测量速度？以每秒的比特数（bps）为单位。今天，无线上网速度一般计为数百万bps，即Mbps。
第一套Wi–Fi标准于1997年颁布，提供2 Mbps的速度，在2.4 GHz的频率范围运行。使命名规则更加混乱的是，每次Wi–Fi标准升级都在802.11后增加一个字母，但并未按时间顺序进行：• 1999年，802.11b标准颁布，使用2.4 GHz频段，最高
传输速度为11 Mbps。同年，802.11a标准颁布，可以在5
GHz频段中达到54 Mbps的传输速度。• 2003年，802.11g标准将2.4 GHz频段的最高速度提高
到54 Mbps。• 2009年，802.11n标准将最高传输速度提高到超过100
Mbps，可以在2.4 GHz和5 GHz频段运行。• 最近，802.11ac标准于2013年发布，预计能在5 GHz
频段达到超过1 Gbps（1 000 Mbps）的峰值速度。
你可以在表2–1中看到此进展的概要。不过，最大额定速度只能在理论上达到。在现实条件下，能超过宣传中的理想速度的一小部分就很幸运了。表2–1 随着时间推移，Wi–Fi标准的发展及其部分特征注：表中还有其他的变化版本没有列出
随着传输速度提高，人们对Wi–Fi服务的需求持续增加。截至2011年，全世界已经有超过10亿台无线设备被使用，并且每年会增加数亿台。到2014年，这个数字已经达到40亿，预计到2016年年底，它将达到70亿。Wi-Fi如何部署
如前所述，Wi–Fi“共享空间”的方法和蜂窝技术的完全不同，但实际上它们的部署方式非常相似。• Wi–Fi网络中的用户位于一个基本服务集（basic
service set），简称BSS（或扩展服务集extended service
set），而不是单元内。• 在每个服务集中，用户直接通过接入点（access
point，简称AP）通信，而不是基站。
你可以在图2–3中看到Wi–Fi的网络布局。当设备搜索Wi–Fi连接时，它会发送消息，发现传输范围内的接入点。之后，你可以在屏幕上看到供选择的网络名称列表。每一个容易识别的名称都代表一个服务集，通常被称为服务集标识符（service set identifiers），简称SSID。也许你曾经一次次失望地看到，一个具有良好信号强度的SSID旁有一把锁：如果网络受到密码保护，你必须使用密码验证身份，设备才可以访问接入点。图2–3 一个典型的无线网络部署示意图
每个接入点通常会连接到回程（backhaul）。回程是有线网部署，通常为以太网（Ethernet），这是另一个（也老得多的）IEEE 802“家族成员”。由此，以太网连接到接入网络，并最终提供Wi–Fi部署与互联网其余部分之间的连接。
为了通过Wi–Fi网络发送和接收，设备需要做到以下几点。它需要选择在其范围内的接入点，并选择使用正确的频道。当设备连接时，也需要在设置其传输速度时监听接入点，正因如此，传输速度可能根据信道条件产生很大变化。
如果你对这些过程的更多信息感兴趣，请参考本书网站的Q2.1~Q2.3部分。在那里，你也可以找到Wi–Fi网络部署的更多细节（Q2.4~Q2.6）。在本章的其余部分，我们将讨论在设备做到其他事情后要完成的剩余任务之一：管理干扰。这是共享的一个重要部分，Wi–Fi的方法和蜂窝技术完全不同。随机访问的方法
当两台发射器处于彼此干扰的范围内，又在相近的时间发送信号，它们的信号就会碰撞。更确切地说，我们所说的是帧碰撞，其中一帧是一个数字数据传输（更多信息见第11章）。
帧碰撞有三种可能的结果。第一种是最坏的情况：两者都丢失。这意味着每个帧的接收器不能正确地解码。第二种是捕捉（capture），这意味着两者中更强的那个被接收（见图2–4）。“强”在这里指的是信号干扰比，是我们在第1章谈到的信号质量衡量标准。第三种是双重捕获（double capture），这是最好的情况：两者都被恰当地接收。图2–4注：当两个Wi–Fi移动站彼此接近，并大约在同一时间发送一个帧时，帧将会碰撞。由于A比B具有较高的信号干扰比，A仍然有更大的机会被接收
那么，哪一个结果会占上风呢？这在很大程度上取决于几个因素。我们采取保守的方法，假设最坏的情况：每次发生碰撞，这两帧总是会丢失。
我们在第1章中看到3G蜂窝如何管理干扰：给每个信号不同的代码，并使用功率控制调整其强度。也许我们也可以在这里使用这种方法？不完全如此。Wi–Fi具有一些性质，它们使功率控制无法成为一
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