11无线通信:从1G到5G
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试听18011无线通信:从1G到5G

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最近中美关系太邪乎,先引用一个马克思政治经济学的观点来辟辟邪:
那就是:生产力决定生产关系。
咱们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,他们的结局都一样。——这段话,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。


第一,来说说电磁波


说起5G,不懂点电磁波是不行的。提问:仙人掌能防电脑辐射吗?知道答案的大伙计,这里可以倍速播放,这段是写给不懂的小盆友的。


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,你能想得到的,都是电磁波。
好,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(也就是频率)、振幅以及与振幅有关的相位,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,衰减也会越快,穿透性越差,散射越少,对人体伤害就会越大,这里先不考虑大气窗口的特殊情况。就着这个原则,咱们从头到尾捋一遍。


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。


比这个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(要知道,海水是能导电的,这可是电磁波的克星)。不过就这点频率,只能勉强携带点信息,发一个hello,大概都需要半小时,也就比写信稍微强点。尽管不方便,但是因为波长长的优势,用在岸台向潜艇单向发送命令倒是挺方便的。


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121.5兆赫兹呼救,这是民用紧急通信频率,还有个军用紧急通信频率243兆赫兹,这些都是不加密的公共频率。最近几年解放军战机和台军战机经常对峙,双方就用这个频率对话,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,真是多虑了。


波长再短点,到了1米至1厘米之间,那就是GHz,也就是吉赫兹了。频率这么高,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,频率到了吉赫兹这个级别,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,这些啊 ,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同志的故事太复杂,咱们先等等,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,但一旦波长只有0.7微米的时候,电磁波就已经是可见光了。可见光大家都见过吧,别说穿墙了,一张纸都够呛,所以,想按着这个套路继续出7G8G9G,估计是行不通的。所以,到了后来就有了激光通信,发射端和接收端必须瞄得准准的,中间还不能有阻挡,虽然有这些麻烦,但是能传递的信息容量极大,这优点也实在是很明显了。


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,开始对人体有害了。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,还不用像激光那样对得那么准,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(开个玩笑)。


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!你若是要毁灭一个星系,伽马射线肯定是不二之选。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,所以我们还有闲工夫在地球上勾心斗角。


终于说完了波长频率,那振幅呢?相位呢?哈哈,大家连仙人掌能不能防辐射都不知道,在这里暂时也就没必要了解振幅和相位的含义了,今后我跟大家仔细讲讲,这里直接跳过。


//1和0


咱们回到微波通信。
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,所以先搞清楚人类是怎样用电磁波来表示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,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,优点一下就变多了。

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,这就是为什么,我们前面讲到的,频率越高能携带的信息就越多。


这样算起来,频率8MHz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?


有一位伟人说: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,所以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。


//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。


给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,使其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,你看现在手机光溜溜的好像不需要天线了,其实有的手机里面密密麻麻放了十几根天线。要知道,手机与手机是无法直接通信的,它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?这就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?这个相当复杂和枯燥,相信我,你不会感兴趣的。咱们还是老规矩,暂时这个话题先不展开,继续往下。


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必修课。
 
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,把麦克风和音响挨在一起,还要求两者能正常工作,你说难吗?因为大概率你的耳朵会聋掉。为了解决这个问题,咱们大体上分两个思路,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(这个例子里面的数字是胡诌的):


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,但没过多久,终于也架不住手机数量的海量增加,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,再揉到一起发送,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。稍微上一点点年纪的人,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,科学家都会叹息的复杂程度,想要挑战的各位还是好自为之吧!


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。
 
//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。
 
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。


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,但华为很贴心地发微博帮着解围。

就技术而言,5G就三句话:网速快、信号广、延时少。完全可以实现当年物联网吹过的牛:万物互联,把所有的设备都连上网络,在人工智能的帮助下,相互协作,人类就可以舒舒服服躺着享受生活了。


好了,今天咱们就讲到这里,咱们下次再见!

1条评论

  • 成都大长生

    讲得好,特别是从4G到5G的复杂性实在不好讲,能浓缩为数学实质问题对吃瓜群众很有启发性。
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    2021-10-25 16:06