爲什麼4G、5G又稱爲蜂窩網絡?跟蜂窩有什麼關係?

要解釋蜂窩網絡和蜂窩的關係,得先從六邊形說起。

1.神奇的六邊形

1.1自然界的六邊形

自然界中並沒有人爲的干預,但很多現象卻似乎與數學有着密不可分的關係,動物不會數學,那麼大自然卻爲何是一個數學家?那我們簡單列舉自然界中一些常見的規律現象。

例如烏龜殼的表面具有規則的多邊形圖案

 

蒼蠅的眼睛由多個 多邊形小顆粒構成

 

規則的多邊形雪花

 

等等,就不一一列舉,今天,我們就從蜂巢出發,分析蜂巢爲何是這樣的幾何結構。

從蜂巢訴說科學規律

今天就來解密蜜蜂建築的蜂巢爲何具有如此整齊的結構,它們爲什麼會一致的建成這種規則正六面體結構?當你知道其中的原因一定會讓你驚歎不已!

 

1.2 最短連線問題

 

要解釋這個現象,首先我們先來思考這樣一個數學問題:

有四座城市剛好分佈在正方形的四個角,每條邊距離100KM,城市分佈如下圖

由於城市的發展,需要在A、B、C、D四個城市之間修建馬路,馬路需要聯結四個城市,並且,爲了節省經費,需要設計一個修建總路程最短的方案。

那麼,你的第一反應是不是就建造一條上圖形狀的公路呢?如果按照正方形進行修建,也就是需要修4×100=400KM,因此,上面那種方案需要修建400KM公路。

那麼是否還有更優的解決方案呢?於是還有人提出瞭如下方案:

方案二:

那麼上圖方案二長度:100+100+100√2≈341.1KM,似乎比方案一400KM短了五十多公里,但是和下面的方案三相比還是有差距。

方案三:

上圖方案三長度:100×3=300KM,比方案二短了四十多公里。優勢非常明顯,然而卻依舊敗給第四個方案

上圖方案四長度:2×100√2=200√2≈282.8KM,比三個方案又少了二十多公里。這個方案似乎是最優的方案。然而,事實卻並非如此,有人給出了一個一個令人眼前一亮的方案:

最佳方案

上圖中需要修建的公路路程:AE+EC+BF+FD+EF≈57.735×4+42.265=273.205KM該方案比方案四又減少近10KM,因此,這個方案纔是最經濟實用的。

看到這裏,或許你已經明白了其中的道理,蜜蜂修建巢穴也是一樣,同樣條件下,蜜蜂肯定會優先選擇需要的建築材料最少的方案,這就是最具典型和代表性的蜂巢結構。因此,我們也不得不感嘆自然界生物竟是如此的聰明。

早在公元前3世紀,古希臘數學家就知道蜂房的正六棱柱的巢是最經濟的形狀,在相同條件下,這種容積是最大的。

 

2 蜂窩網絡

後來,人們從蜂巢的結構中受到啓發,建立了形似蜂窩的無線電覆蓋區域。這種覆蓋區域的有效面積最大,覆蓋同樣範圍區域所建的信號塔個數最少,有效的減少了建設投資。

 

蜂窩網絡(英語:Cellular network),又稱移動網絡(mobile network)是一種移動通信硬件架構,分爲模擬蜂窩網絡和數字蜂窩網絡。由於構成網絡覆蓋的各通信基地臺的信號覆蓋呈六邊形,從而使整個網絡像一個蜂窩而得名。

常見的蜂窩網絡類型有:GSM網絡(有些國家叫pcs-1900)、CDMA網絡、3G網絡FDMATDMAPDCTACSAMPS等。

 

蜂窩網絡被廣泛採用的原因是源於一個數學結論,即以相同半徑的圓形覆蓋平面, 當圓心處於正六邊形網格的各正六邊形中心,也就是當圓心處於正三角網格的格點時所用圓的數量最少。 雖然使用最少個結點可以覆蓋最大面積的圖形即使要求結點在一個如同晶格般有平移特性的網格上也仍是有待求解的未知問題,但在通訊中,使用圓形來表述實踐要求通常是合理的,因此出於節約設備構建成本的考慮,正三角網格或者也稱爲簡單六角網格是最好的選擇。這樣形成的網絡覆蓋在一起,形狀非常像蜂窩,因此被稱作蜂窩網絡。

從上面這個問題,讓我們認識到,人類需要向大自然學習,自然界中包含的科學哲理更需要我們去用心探索,自然界中物種進化,優勝劣汰,存在的往往就是最優的,存在即合理,其中的道理需要人們深入發掘。並且,我們人類也需要敬畏自然,人類的力量是渺小的,與大自然和諧共處纔是人類的使命。

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