通信能力的提升让人类从原始的永恒无知中解放出来，同时又引入更深层次的荒诞，在舒适的享乐中迷失自我。
Empty your mind, be formless, shapeless, like water. And you put the water into a cup, it becomes the cup; You put water into a bottom, it becomes the bottom; you put it in the teapot, it becomes the teapot. Now water can flow, water can crash, be water, my friend. ——Bluce Lee
一、介绍
1971年， 李小龙接受加拿大记者采访时，阐述了他对武术的理解，诸如“用身体忠实的表达自己”，“像水一样”等。以上视频是关于他对水的理解的一个阐述（值得一提的是，李小龙是华盛顿大学哲学系的本科生）。
从信息传播的角度来看，声音需要从李小龙口中发出，传播至记者耳朵，记者才可能受到信息。所以信息传播的总时间为：传播时间+收听时间。
比如，李小龙说话的时间是25秒，而声音传播的时间大概是1/340=0.0029秒。1米代表记者和李小龙的距离，340表示声音在空气中的传播速度。所以记者接受信息的时间为25.0029秒。可见在人类正常交谈的过程中，声音传播的时间可以忽略不计。
由于人类语言表达的信息有限（人类的语速最快大约可以做到每分钟说300字，而现代无线通信系统每秒钟可以传输的数据可达Gbps，以2字节的Unicode编码汉字为例，大概可以传6250万个汉字），在这样的速率下，信号传播的时间就无法忽略不计了。
在现代通信理论中，将产生信息的实体叫做信源（比如说话的李小龙），将信息传播的渠道称为信道（比如传播声音的空气），将接受信息的实体叫做信宿（比如记者）。信源处可以对信息进行编码，比如李小龙说的英文或者中文，而信宿可以解码，比如学过英语的记者可以理解英文等。
本文拟从时间的角度，分析现代通信系统中信息传播的时间问题。
下文将介绍电话线路与无线局域网两种通信模式中的信号传播时间。
二、电话线路
人的声音由声带振动产生，通过空气振动传播，属于机械波，纵波。声波可以由空气压强随时间变化的波形表示。例如，一句fa♂Q的声波，如下图所示：
可以发现，这个词语的发声，主要由两部分构成（对应前后两个有明显分界的声音波形）。
在数字电话中，这种物理的波形，会被采样成离散的数字信号。由于人的听觉系统和发声系统所处理的声音大部分都小于4KHz（举例说明，小提琴的第二根琴弦空弦发出的la，频率大概是552Hz），为了保证最高频率的信号不失真，所以通常采样频率就定为8KHz。
信号的振幅大小通常用-127~127的数字表示，这是一个8位的二进制数（见无线世界系列的第3篇文章）。那么对于一个数字电话系统，记录单人说话的声音需要8KHz*8bit=64Kbps的通信速率。
目前市场上光纤的带宽可达到40Gbps，这意味这可供625人同时说话，而全中国总共有13~14亿人，而625人可能仅仅是一个中学一个年级的人，怕是不够用哦，怎么解决呢？
首先，人们打电话的时间需求是分散的，人不可能一天24小时一直在打电话，那么如果让人们在有需要的时候接通线路，而没用需要的时候断开线路，就可以更好的利用通信带宽资源。
其次，利用分层和并行的思想，利用多条光缆来满足更多人的需求。
最终生产商给出的解决方案，如下图所示，命名为TDM承载网。
如上图所示，A和B建立链接进行通信时，完全不妨碍C和D建立链接进行通信。同样的，由于需要合理利用带宽资源，AB之间的链接不是永久持续的，AB请求通话后，线路建立，当AB通信完成之后，线路会断开。这就是传统电话中，“拨打”和“挂电话”的由来。
对于TDM承载网，世界各国的通信运营商都花费了大量的成本去铺设建造，是运营商的重要财产。
为了保证通话质量，无论有无人通话，每个接入网中的数据会定时发送给上一层的网络（例如城域网）。
在如图所示的32个接入网中，尽管只有第二个接入网有用户通话，但是32路接入网都要采集声音数据，空闲接入网的数据是白噪声，但是也会作为数据包，一同打包给上层汇聚网。 这种做法被称为SDH（同步，数字化，级联——思考题：3个英文单词是什么），SDH的好处在于，可以有效保证数据的按时传输；坏处在于，由于有大量无效数据，不少带宽资源被浪费了。
针对TDM承载网的这个问题，另外一种叫做ATM（Asynchronous Transfer Mode）的技术被设计了出来，并且曾经红极一时。ATM的思想是，不要让数据按时发送，而是有什么数据就发什么数据，这种办法可以避免无效数据的传输。
ATM需要对数据进行事先的分割或者填充，以保证每一个数据包的大小一致，从而增加了硬件的负担。另外，ATM网络需要一个专门的核心软件去调度这些数据包的运输（不过这也为将来的TCP/IP协议打下了基础）。
最致命的是，随着以太网的传输速率疯狂增长（1995年以太网的速率就达到了1000Mbps，而ATM的设计速率仅仅在600Mbps），加上以太网设备便宜的要死，历史最终淘汰了ATM。
三、无线局域网
3.1 基本单位time slot
回到最初李小龙向记者论述武术的情景，假设采访室里还有一个不怀好意的神秘人（正如很多武打电影里都有的角色一样），也想对记者说话。然而记者无法在两人同时说话时听清任何一个人的话语。于是记者规定，李小龙和神秘人心里都随便想一个数，然后每隔一段时间T，就将这个数减1，谁先将这个数减到0，谁就先说话，一旦有人说话了，其他人必须要等到说话的人说完了，才可以说话。
这就是无线通信协议802.11中CSMA/CA机制的思想，此内容也在本系列第一篇中有所论述。
在无线通信情景下，任何人想要发送信号（说话），都必须等待DISF长的时间，这里的DIFS，SIFS，都是802.11协议里规范的时长，通常在微秒量级，不同版本的协议规定的时长不一样，下图是1997年最初版本的802.11协议规定的时长。
随后两个节点（即李小龙和神秘人）会各自生成一个随机数。可以看到，李小龙生成了2，神秘人生成了8，每经过一个时隙（在协议中叫做slot time），自己的随机数就会减1。在这次竞争中，由于李小龙的数字比较小，所以他先说话，而神秘人根据规则只能先沉默。
记者听完李小龙的话，经过SIFS时间之后，会向神秘人和李小龙都发送确认信号（ACK），这样双方就开始了下一轮的竞争。
值得一提的是，一个时隙 (slot time) 可以分为3个部分：信号传播时间（Propagation），信道评估（Clear Channel Assessment）和天线的接收发射模式转换（Rx/Tx Hardware Turnaround），MAC层处理时间（MAC Processing Delay）。
1微秒的传播时长理论上可供电磁波传播300米，而家用WiFi的工作距离在100米之内，基本上足够覆盖了。信道评估主要用于判断当前信道的电磁信号是否超过阈值，或者是否有合适的preamble码以表明存在一个802.11帧。天线可以接收电磁波，也可以发射电磁波，但是模式需要转换。MAC层处理用于和MAC层交换信号。
可以发现，电磁波的传播时间只占据了时隙的很小一部分。另外，在节点沉默，处于侦听模式时，也不是一直侦听的，而是在每个时隙内固定一段时间侦听信道的。时隙的概念出现在天线处于接收模式下，发送模式将在后文讲述到。
另外仍需考虑一种情况，就是尽管李小龙讲完了他的理论，但是记者由于其他原因没有听到，那么自然也无法向两人发送确认信号（ACK）了。由于SIFS的时间和ACK帧的大小是已知的，那么过了这段时间后，李小龙会知道记者并未听到他的内容，那么他就会和神秘人一起，进行下一轮竞争。
可以知道，李小龙说完话之后，等待下一次竞争的时间EIFS=SIFS+ACK+DIFS。
3.2 电波的接收
想要让天线接收到特定的电磁波，需要有以下几个条件：
1、天线处于接收状态
2、电磁波具有一定强度的功率
3、电磁波具有一定的震动模式，不仅包括频率，还要求所携带信号的序文（preamble）符合一定规律。
第一二条很容易理解，记者必须处于倾听的状态，李小龙才可以说话。如果李小龙说话声音太小，记者也无法听清楚，那么信息也无法传达。声音的强度有一个阈值，超过这个阈值，记者才可以听到。
第三条是说，首先李小龙是用人类的声波频率说话，这样记者才能听到。然后，为了防止别人假冒李小龙说话，记者和他约定一个暗号：在说话前，都要说出1010 0101这8个数字，才可以确认对方身份。由于李小龙可能会忘了其中的一两个数字，或者有些数字没有说清楚，导致有些许偏差，这时候也要设定一个阈值，比如8个数字对了6个，就确认对方身份等。
802.11一共规定了4种工作模式，分别是：DSSS，FHSS，IR和OFDM。其中，DSSS是802.11b协议（也就是最初的WiFi协议，见本系列第五篇）的主要工作模式，而OFDM是802.11a和802.11g的主要工作模式。这两种模式被较多的使用，所以本文也主要介绍这两种模式。
3.2 DSSS模式下的数据发送和接收
PLCP（Packet Layer Control Protocol）在协议中表示物理层的头部。802.11b中包括前置码（144位或者72位）和包头（48位）两个部分。
前置码负责信号的辨识（参考记者和李小龙之间的暗号，即帧同步Sync，用来发现信道中有没有数据帧）和信号的对齐（SFD用来做帧起始标志），包头包含了具体的信号速率，帧大小以及CRC校验等内容。DBPSK（Differential Binary Phase Shift Key）是差分相干二进制相位调制，而DQPSK是另外一种调制方式，它们的具体机制不作展开。
为了保证数据被明确识别，通常会用多个数字来表示位数字。这种做法可以增加接收端的功率，从而更加明确的识别数字。
如上图所示，发送端和接收端都知道一个序列[-1 1 1 -1 -1]。当发送端想要发送数字1时，会总计发送1*[-1 1 1 -1 -1]=[-1 1 1 -1 -1]五个数字，给接收端，接收端会将这些数字和原先的序列作互相关运算，最终可以得到结果5，超过了阈值3，则说明发送的数字为1。
这样做的好处时，就算是在传输过程中出现了误码，比如上图中第四个数字原先是-1的，被系统识别成了1，那么互相关运算后得到的结果是3，仍然达到阈值，接收端仍然可以将发送过来的数据识别为1。这意味着，就算是有误码率的存在，通过这种“5个数字代表1个数字”的方式，就可以降低误码率带来的影响。
在通信中，我们将发送端发送的每一个数字称为1个码片，上面的例子就是5个码片代表一个二进制数字的例子。
在物理层，前置码的每一位二进制数据，都会由11个码片构成。
根据802.11b规定的调制方式，符号/码片比和数据速率等数据， 如果想要传输先前李小龙说过的那段文字（总共265个字节，即265 Byte），假设使用长的PLCP前置码和包头，前置和包头均使用DBPSK调制编码，数据使用CCK5.5M调制编码，在发送权争抢过程中保证胜利，并且假定一次传输就成功，没有重传。
则实际传输数据所花费时间占总花费时间的比例如下图：
可以发现，真实数据传输的时间仅占据了总通信时间的26~54%，发送数据需要花费1.437~2.987毫秒，根据随机回退的时间长短有所变动。但是这样的数据还仅仅是在不发生冲突，没有失败重传并且去掉了RTS/CTS机制下得到的。
DSSS的发送模式可以见上图，详细的说明在协议的第189页附近。发送过程相对较为简单，就是按照流程将前置码，头部还有数据依次发送。需要注意的是，发送过程中，发送和与MAC交换信号是同步的。
DSSS模式下数据接收的过程如上图所示，具体内容在协议195页附近。
1、首先接收端会不断的进行能量检测，当检测到环境中的电磁能量超过一定阈值之后，就会进入载波侦听状态，判断先前所说的11个码片组成的前置码中Sync序列的正确性。如果不正确，则进入信号能量检测阶段，等能量低于阈值了回到能量检测阶段。
2、确认了Sync序列的正确性之后，会搜索SFD作为帧的起始位置。如果没有找到，则进入信号能量监测阶段，找到了就开始PCLP解析。
3、解析头部时，首先进行CRC校验，如果校验失败，那么说明这个帧是没必要继续接收的，进入信号能量监测阶段；如果发现该信号的通信速率不是接收端支持的，那么就等待帧结束，如果一切顺利，则开始解析数据。
3.3 OFDM模式下的数据发送和接收
快速傅里叶变化警告：此部分会涉及快速傅里叶变换（fft）及其反变换（ifft），由于篇幅问题本文不予赘述。
众所周知，不同频率的正弦波，他们的互相关函数的值，在共有周期内为0，这就意味着，不同频率的正弦波是“正交”的（另外，同频率的sin函数和cos函数也是正交的）。
OFDM的技术，是利用64个相互正交的电磁波进行通信的技术。每一个电磁波都代表一个或多个具体的二进制数字，这64个电磁波，被称为子载波（Subcarrier）。这64个子载波有11个用来作保护，4个导频，1个不用，剩下的48个用来传播数据。
电磁波需要一定的时间才能展现去它的频率特性，这段时间内这64个子载波的电磁信号所代表的数据，就被称为OFDM符号（OFDM Symbol）。通常一个OFDM符号的持续时间是4微秒。
子载波和OFDM符号是OFDM中最重要的两个概念，分别对应频域和时域。
如果信道带宽固定（例如划分为20MHz），由于子载波数量也是固定的，那么OFDM符号大小也是固定的了。发送端会每隔1/20MHz=0.05微秒发送一个样本点（真实的情况是经过数模转换器，电磁波以模拟形式发送出去），由于总共有64个样本点，则需要花费3.2微秒，由于傅里叶变换的需要，通常会将最后面16个样本点（循环前缀）的数据粘贴到前面，所以总共有80个样本点，也就是4微秒的时间。
OFDM回答了一个很重要的问题，那就是一个样本点究竟能携带多少数据。因为一个正常的正弦波形往往需要若干个样本点，这就意味着往往需要若干个样本点才能表示一个二进制数据。而OFDM的方法却可以让一个样本点表示一个甚至多个二进制数据（表示多个二进制的方法是采用虚数）。
一个1*64的频域信号（如下右图所示表示数据）可以通过逆快速傅里叶变换（ifft）变成1*64的时域信号。接收端接收到时域信号之后，将其进行快速傅里叶变换（fft）就可以还原得到频域的1*64个数据信号，从而获得数据。
OFDM模式下的物理层报头和DSSS有许多不同（如下图所示）。它由一个短训练字段（STF）和长训练字段（LTF）还有信号字段（SIGNAL）组成。这种方式极大的缩小了物理层同步所带来的时间开销问题（相比于DSSS的上百微秒，OFDM仅仅需要20微秒）。
如图，在STF中接收端负责信号检测和频率同步，LTF中则开始进行信道估算，一切都确定后，通过SIGNAL解码出帧的长度以及通信速率。
STF细分为10个重复的小阶段t1~t10，在每个阶段，都是一个固定的频率数据进行了ifft之后，取时域的前16位传输，所以持续时长为16*0.05=0.8微秒。总共有10个，所以STF阶段的持续时长为8微秒。接收端会采用自相关的方式来确认STF帧的正确性。
LTF中，GI是保护间隔，用来防止码间串扰，T1和T2是两个完整的包含64子载波数据的时域信号，用来评估信道。
根据802.11g规定的参数，假设使用长slot time，数据编码使用16QAM，没有重传，争抢也保证成功，那么传播Bluce Lee的话语所需要的时间如下所示：
可以发现，传输李小龙话语的总计时长变为了0.214~0.834毫秒，相比于DSSS减少了一倍有余。但是真实数据传输时间占总时间的比例为11~41%，比原先的更加低了。
不过比起最开始人类语言传播所花费的25秒多的时间，无论是DSSS还是OFDM，它们毫秒级的时间量级都远好于人类语言。
四、总结
纵观历史，人类的通信能力，无论从量的角度，便捷的角度，还是从距离的角度，都得到了质的提升。强大的信息交换能力，使得人类铺建了规模巨大的互联网络。互联网打破了原有的信息壁垒，将人类从原始的永恒无知中解放出来，却也将人带入更深层次的荒诞，让人在享乐中迷失自己。
技术本身非正非邪，它既是资源信息的整合之地，亦是声色犬马的汇集之所。它的面貌由人决定。
人类面对的哲学迷思并未随着技术的进步而有些许改变，所有的矛盾都引向一点：认识你自己。
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