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| 无线通信：从1G到5G 原创：老和山下的小学僧 日期：2019-02-15 最近有一事太邪乎，先引用一个马克思政治经济学的观点来避避邪： 生产力决定生产关系。把这个理论套用到全球来看，人类生产力发展到今天，新的生产关系正在逐渐浮现，这就是全球化。只要生产力发展是必然的，全球化趋势就是必然的。反全球化就是一群卫道士的自我安慰，就像项羽恢复分封制、袁世凯恢复帝制的结局一样。——献给正遭美帝围剿的华为5G  各位没走错片场，下面才是正文。 一、电磁波 要说5G，不懂点电磁波是不行的。提问：仙人掌能防电脑辐射吗？知道答案的大盆友直接看后半篇，下面这段写给小盆友。 日常生活中，除了原子电子之外，剩下的几乎全是电磁波，红外线、紫外线、太阳光、电灯光、wifi信号、手机信号、电脑辐射、核辐射，等等。只要是波，就逃不过三个参数：波速、波长、振幅。电磁波的速度是恒定的光速，因此只需考虑：波长(或频率)、振幅(不考虑方向)，其中频率对于电磁波来说，尤为重要。  频率越高，对应着电磁波的波长越短，能量越高，衰减越快，穿透性越差，散射越少，对人体伤害越大。就着这个原则，咱从头到尾捋一遍。 长的电磁波波长能到1亿米，频率3Hz，1秒钟三个波，如果用来通信的话，等你一句话说完，就可以过年了。 稍微正常点的电磁波，波长几万米，用这通信，就一个字：稳！江河大山都挡不住，甚至能穿透几十米深的海水(海水导电，是电磁波的克星)。不过就这点频率，只能勉强携带点信息，发一个hello，大概需要半小时，也就比写信稍微强点。因为超长波实在是稳，一般用在岸台向潜艇单向发送命令。 再短点，几十米波长的电磁波，频率就到了百万赫兹MHz级别，能携带的信息就很可观了，一句话至少能说利索了。而且照样还能跑很远，几百公里不在话下，所以收音机广播、电报、业余无线电一般用这个频段。 说点有用的，假如你困在荒岛上，有个飞机路过，赶紧用121.5MHz呼救，这是民用紧急通信频率，还有个军用紧急通信频率243MHz，这些都是不加密的公共频率。上次解放军和台军战机对峙，双方用这个频率对话，结果被无线电爱好者录下来放网上了，吃瓜群众喜闻乐见之余，又担心我军通信太容易被破解，真是阿弥陀佛了。 波长再短点，到了1米~1厘米，就有意思了。一方面，虽然衰减已经很明显了，但一口气还能跑个百十公里，够用；另一方面，频率到了GHz级别，能携带足够多的信息，不但话能说利索了，还有多余功夫让你加个密什么的。所以这个波段是通信的焦点，什么1G2G3G4G，什么卫星通信雷达通信，全在这，统称微波通信。 到了毫米级，电磁波就跑不了多远了，虽然毫米波不太发散，但很容易被周边物质吸收或反射，几乎没啥穿透性，用来通信很鸡肋，不过用在导弹导引雷达或微波炉上棒棒的。但，毕竟频率超过了30GHz，携带的信息量实在太馋人，要不还是试试吧！于是，5G来了。 5G同志先等等，继续往下数，来到微米级。毫无疑问，能携带的信息量继续倍增，但波长0.7微米的电磁波就已经是可见光了。可见光都见过吧，别说穿墙了，一张纸都够呛，想接着按照7G8G9G的套路肯定走不通啊。然后，就有了激光通信，发射端和接收端必须瞄得准准的，中间还不能有阻挡，这优缺点自个儿体会体会。 波长到了0.3微米，也就是300纳米，先别管频率的事了，这玩意儿就是我们熟知的紫外线，终于对人体有害了。太阳光里的紫外线大约占了4%，如果你一天能晒上半小时太阳的话，那么前面提到的那些电磁波辐射基本可以无视了(不要钻电磁共振的牛角尖，咱只说普遍情况)。 波长200纳米的紫外线，在太阳光中几乎是没有的，所以在阳光太强时，紫外线通信就成了激光通信很好的补充，不但隐蔽性更好，还不用对得那么准，在几公里的距离上非常好用，是近些年军事通信的研究热点。 接下来就和通信无关了，波长到了纳米级就成了X光，就是在医院见到的那种，这么说的话，X光其实也能叫纳米技术(这是玩笑)。 最后，波长短到了0.01纳米以下，这就是闻之色变的伽马射线，来自核辐射，全宇宙最强的能量形式之一！若是要毁灭一个星系，伽马射线是不二之选。实际上，科学家一直怀疑，超新星爆炸产生的伽马射线爆已经毁灭了绝大部分的宇宙文明，好在太阳系处于比较角落的地带，周边恒星不多。 终于说完了波长频率，那振幅呢？连仙人掌能不能防辐射都不知道，也就没必要了解振幅的含义了，直接跳过。 二、1和0 回到微波通信。 为什么频率越高，能携带的信息就越多？以数字信号为例，信息就是一串串的1和0，所以先搞清楚怎样用电磁波表示1和0。 第一种方法叫“调幅”，基本思路是调整电磁波的振幅，振幅大的表示1，振幅小的表示0，如下图。收音机的AM就是调幅，缺点颇多。  第二种方法叫“调频”，基本思路是调整频率来表示1和0，比如，用密集的波形表示1，疏松的波形表示0。收音机的FM就是调频，优点多多的。  很显然，在单位时间内，发出的波越多，能表示的1和0就越多，换句话说，频率越高能携带的信息就越多。 这样算起来，频率800MHz意味着每秒产生800万个波，都用来表示1和0的话，1秒钟可以传输100M数据，这速度很快啊！为啥我们感觉不到呢？ 古语有云，重要的事情说三遍，通信也是如此。无线电拔山涉水，弄丢几个1,0太正常了，防止走丢的土办法就是抱团。比如，用一万个连续的1表示一个1，哪怕路上走丢了两千个1，最后咱还能认得这是1。 这种傻办法只能用在民用通信，因为特征太明显，很容易被破解。还记得北斗民用信号被破解的新闻吧，原因就在此。 民用信号只要能和其他信号区分开就行，不会弄得太复杂，不然传输效率太低。按2G技术那样，800MHz的频率，传输数据大不过每秒几十K。 军用就两码事了，为了防止被破解，要用很复杂的组合来表示1和0，中间说不定还有很多无效信息，各种跳频技术扩频技术，还不停变换组合，总之越花哨越好。所以同样一句话，军事通信要用掉更多的1,0，因此为了保证传输效率，军用频率就比民用高很多。 就目前来说，顶级破解技术还干不过顶级加密技术，这里不包括尚未成熟的量子通信。 军事对抗是无止境的，干不过也不能认怂！那怎办？既然弄不清楚你的1,0，那我就索性再送你一堆1,0，把你原有的组合搞乱，让你自己人都懵逼。这就是电子对抗的环节，跑题了，还是说回5G。 三、关键技术 前面说的，都是不值钱的原理，下面看看值钱的技术。5G关键技术有一堆说法，咱给粗暴地归个类。 振荡电路插个天线就可以产生电磁波，用特定方法改变电磁波的频率或振幅，变成各种复杂的组合，这个过程叫调制。对应的，竖个天线就能收到空中的电磁波，按预定方法变回1,0，这个过程叫解调。 把电磁波发到空中，或者把空中的电磁波收下来，都需要天线，别以为现在手机光溜溜的就不需要天线了。手机与手机是无法直接通信的，而是通过周边的基站与别的手机联系。于是，问题来了，5G使用的毫米波在空气中衰减非常严重，但又不能无限制提高发射功率，怎么办呢？只能在天线上做文章了。 5G的第一个关键技术：大规模多天线阵列。大白话就是，增加天线的数量，不是增加一个两个，而是几百个。这个思路很好理解，但是呢，用那么多天线发射同一个信号，稍不留神就乱成一锅粥。 多天线加毫米波，对比原先的少天线加厘米波，无线电传播的物理特征肯定不一样，得重新建立信道模型。那信道模型怎么建立呢？相信我，你不会感兴趣的。 天线一多，不但能解决毫米波衰减的问题，传输效率、抗干扰等性能也是蹭蹭涨，算是5G必须课。 曾与华为齐名的大唐电信于2015年率先发布了256大规模天线，引爆全球通信业，一时风光无限！可惜后来突然闪崩，沦落到卖科研大楼求生，令人唏嘘！  基站天线搞定，下面就轮到终端机的天线了，这货也有术语：全双工技术。 一般手机的通信天线只有一个，收发信号交替进行，费劲的很！全双工技术，就是把发信号的天线和收信号的天线分开，收发信号同时进行，优点就不说了。不过，这很难吗？ 你想想，把话筒和音响挨在一起，还要求两者能正常工作，你说难吗？大体上分两个思路，其一，物理方法，比如在俩天线之间加屏蔽材料；其二，信号处理，比如无源模拟对消等。 2016年4月华为宣布已于成都5G外场率先完成第一阶段5G关键技术验证，测试结果完全达到预期。其中两个重要验证就是大规模天线技术和全双工技术。  天线搞定了，再来就是"新多址接入技术"，这词听着真拗口，别急，马上就顺了！ 举个例子(数字是胡诌的)： 假设手机基站用100Hz表示1，105Hz表示0，这时又接进一个新电话，那新电话的1可以用110Hz，0用115Hz，如果再来新电话，依次类推。这就是1G的思路，简称FDMA。 这样2个电话就用掉了从100Hz到115Hz的频段，占用的15Hz就叫带宽。外行也看出来了，这路子太费带宽了。好在那会的手机只是传个语音，数据量不大，但也架不住手机数量的增加，很快就不够用了！ 换个思路，大家都用100Hz表示1，105Hz表示0，但是第1秒给甲用，第2秒给乙用，第3秒给丙用，只要轮换的好，5Hz的带宽就够3个手机用，就是延时严重点而已。这就是2G的思路，简称TDMA。 再到后来，数据量越来越大，2G也玩不转了。不过，只要有需求，就不怕没套路：在各自的信号前面加上序列码，再揉成一串发送，接收端按序列号只接受自己的信号。就好像快递员一次性送了一叠信过来，大家按照信封上的名字打开各自的信。这就是3G的思路，简称CDMA。本僧这把年纪的人，应该都被联通的CDMA广告轰炸过吧？ 再发展就是正交频分多址技术，把2个互不干扰的正交信号揉成一串发送。所谓正交信号，和量子力学的叠加态有点类似。把信号叠在一起发送，就是4G的思路，简称OFDMA。 每个终端在网络上都有一个地址，所以这种让很多手机一起打电话的技术，从1G到4G，统称：多址接入技术。咱5G特别时髦，叫“新多址接入技术”，这货怎么个“新”法呢？  稀疏码多址接入、非正交多址接入、图分多址接入……好吧，我承认有点云里雾里了，总体思路就是叠加更多信号或者把前面的技术混到一起，这里涉及大量的数学知识，奉劝各位好自为之吧！ 暂时就说这么多吧，5G要实现10Gb/秒的峰值速率、1百万的连接数密度、1毫秒的时延，必须要先解决这三大关键技术。  2016年4月，华为的第一阶段“关键技术验证”，主要也是验证这仨技术。新多址接入采用滤波正交频分复用、稀疏码多址接入、极化码，结合大规模天线，吞吐率提升10倍以上，在100MHz带宽下，平均吞吐量达到3.6Gb/秒；全双工采用了无源模拟对消、有源模拟对消和数字对消三重对消框架，可以实现113dB的自干扰消除能力，获得了90%以上的吞吐率增益。 2017年6月，华为完成第二阶段“多种关键技术融合测试及单基站性能测试”，在200MHz带宽下，单用户下行吞吐率超过6Gb/秒，小区峰值超过18Gb/秒，配套业内首个小型化5G测试终端，单个5G基站可同时支持上百路超高清4K视频。 2018年9月，华为完成第三阶段“基于独立组网的5G核心网关键技术与业务流程测试”。 这三个阶段测试，华为均以100%通过率顺利完成。 除了三大关键技术之外，无数用户要组成网络，事情自然少不了。比如，分配传输资源和指挥交通一样让人头大，一条道路分配不合理，半个城市就得跟着瘫痪，所以，华为完成关键技术验证后，又花了2年时间才进行独立组网测试。再比如，能耗不能太离谱，价格不能高上天，诸如此类的基本要求。 四、又是芯片 可以看到，5G要处理的数据量远大于4G，所谓数据就是1,0，但凡涉及1,0的东西，基本都用芯片。控制电磁波发射要用射频芯片，编码解码要用基带芯片，等等，这些也属于5G核心关键技术。 2019年1月24日，华为发布了全球首款5G基站核心芯片：天罡，以及，全球首款单芯片多模5G基带芯片：巴龙5000。既然是世界首款，免不了拿下N个全球第一。  把条件放宽到调制解调芯片，玩家就比较多了。5G的主流频率是28GHz，有能力处理这个频段的芯片，目前是4家。  高通是最早的，三星是唯一做到39GHz的，华为是工艺最先进的，英特尔是哪里都不掉队的，台湾联发科据说马上也要来了。 多说一句，华为2018年2月发布的这款巴龙5G01芯片，因块头太大无法用在手机上，2019年1月就推出了手机使用的巴龙5000，同时还没耽误手机处理器芯片麒麟和服务器芯片鲲鹏，这进展还是不错的！ 五、标准 5G涉及的技术实在太多太杂，得订个规矩。立规矩的重要性不比技术研发低，待会你看看欧萌就明白了。 5G标准第一阶段的第一部分已于2018年6月完成并发布，标志着首个真正完整意义的国际5G标准出炉，剩余部分陆续到2020年才能完工。 这次标准发布一共有50家公司参与，中国有中国电信、中国移动、中国联通、华为、中兴、大唐电信等16家，美国8家，欧洲8家，日本13家，韩国5家。 从数量上看，咱还是不错的。从质量上看，咱应该也还是不错的。举个例子： 在信道编码问题上，欧萌一直用Turbo码，美帝高通习惯用LDPC码，华为擅长用Polar码。于是，第一回合欧萌就被干掉了，不但积累的Turbo技术打了水漂，还得重新学LDPC和Polar。 华为和高通继续交锋了两轮。 信道编码分“控制信道编码”和“数据信道编码”，高通的方案是两者都用LDPC码，华为的方案是数据信道用你家的LDPC码，控制信道用Polar码。 然后，联想对华为的方案投了反对票…… 当然，联想的投票对结局毫无影响。因为分歧过大，当天只确定数据信道用LDPC码，至于控制信道择日再议。 等择好日，再次投票时，高通、三星、英特尔、爱立信等巨头搜罗了31家公司组成阵营，要求全部用LDPC码，华为则组织了包括联想在内的55家公司力争。最终，华为Polar成为控制信道编码，高通LDPC成为数据信道编码，大家平分秋色。 这事被翻出来后，联想引起众怒，但华为很贴心地帮着解围。  顺便说个常识：行业标准都还没全出来，5G离全面成熟应用还是有一段路的。 六、场景和意义 因为担心小盆友的想象力不够，所以国际电信联盟召开的ITU-RWP5D第22次会议，确定了5G的三个应用场景：  这图画得实在太差，解释一下：三个角上的三句话是5G的三大功能特点，蓝色小块是应用场景，小块越靠近哪个角就说明对这个功能的依赖越大。后来，这三个角又改成了四个：连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠…… 说晕了，还是本僧用大白话总结一下吧。 就技术而言，5G就三句话：网速快、信号广、延时少。但技术带来的改变却超越了想象力，5G是全信息化的基石，完全可以实现当年物联网吹过的牛：万物互联。 如果非要找个参考的话，可以想象一下：把2G3G4G去掉，回到大哥大时代……不认识大哥大的00后小盆友，可以问问身边的80后老爷爷。 我觉着，5G与4G的差异，比得上4G和1G的差异。 帮华为吹得差不多了，不知谁能帮我问问华为，看能不能弄点广告费？ 来源：老和山下的小学僧 作者：老和山下的小学僧 文章仅代表作者观点，转载请注明来源及作者 文章搜索: 老和山下的小学僧 老和山下的小学僧 无线通信 5G |
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精选留言
唐海峰 1. 1. 频谱和通信距离的关系不是那么简单。一个是穿透性问题，一个是大气吸收问题，第三个是绕射问题，还有一个是天线效率问题。我觉得这些要分开讲。笼统地说频率越高通信距离就越短恐怕不够严谨。例如卫星通信距离很长，但一直是用很高频率的。 2.说到频率和通信速度的关系，还有个带宽的概念逃不掉。高频率能支持高带宽，但不一定就是高带宽。还涉及到不同用户分享频道的问题。例如电视的传送速率相比于其频率很低，因为这个频段要支持很多电视频道。5G比4G在同样频率支持更多带宽，还允许把很多频道联合起来服务一个用户。所以即使不用毫米波段，它的数据速度也可以比4G高很多。 3.基站的超大天线阵和毫米波是两个分开的技术。华为和大唐的AAS技术都是在厘米波段工作的。到了毫米波段，基站和手机双方都需要天线阵。所以严格地说，毫米波段的天线技术与超大天线阵（massive MIMO）还不是一回事，尽管有很多相通的技术问题。 4. 全双工技术在单用户层次上已经研究多年了。华为演示的性能也不比文献上报告的更高（当然别人是在实验室里，华为可能有更实用的系统）。但是在移动通信应用中还要考虑相邻用户之间的干扰，还有更多的困难需要克服。目前3GPP的5G标准中还没有包括全双工的支持。 6. 你说的都是物理层的新技术。5G的愿景除了物理层以外还有很多创新，例如把各种大小蜂窝区的重叠和协调，与其他网络技术如WiFi的整合等。所以评价华为对5G的贡献也不能只限于物理层。 7. 最后一句话：“5G与4G的差异，比得上4G和1G的差异。”这个在业界是有不同看法的。5G的确提供了很多新的功能和性能。但这些新东西有多少价值，还要看应用层上的开发，例如VR，IoT，智能汽车等能走多远。从历史上看,3G相比2G的数据通信（相对于语音）功能有大大增强，但预期的移动视频应用并没有发展起来。结果美国和其它很多国家的3G发展都不赚钱（特别是开始为了竞标3G频谱花了大钱的公司）。4G很幸运，问世时正好遇上iPhone的兴起，很快成为改变生活方式的标志性技术。5G的命运如何，还待时间来考验。 另，答主能否讲讲传输介质对其的影响？ 2 虽然今天还在上班，但因为这篇更新特别高兴、快乐、幸福。 3 特别想知道作者的经历和背景，如何这么富有文采又诙谐幽默。啥时候能办个线下交流会。 4 建议分享一下，您的学习方法。 猪年大吉！继续学习！ |
