無線通信深度探究：從1G到5G

電磁波

要說5G，不懂點電磁波是不行的。提問仙人掌能防電腦輻射嗎？知道答案的大盆友直接看后半篇，下面這段寫給小盆友。

日常生活中，除了原子電子之外，剩下的幾乎全是電磁波，紅外線、紫外線、太陽光、電燈光、wifi信號、手機信號、電腦輻射、核輻射，等等。只要是波，就逃不過三個參數(shù)波速、波長、振幅。電磁波的速度是恒定的光速，因此只需考慮波長（或頻率）、振幅（不考慮方向），其中頻率對于電磁波來說，尤為重要。

頻率越高，對應(yīng)著電磁波的波長越短，能量越高，衰減越快，穿透性越差，散射越少，對人體傷害越大。就著這個原則，咱從頭到尾捋一遍。

長的電磁波波長能到1億米，頻率3Hz，1秒鐘三個波，如果用來通信的話，等你一句話說完，就可以過年了。

稍微正常點的電磁波，波長幾萬米，用這通信，就一個字穩(wěn)！江河大山都擋不住，甚至能穿透幾十米深的海水（海水導(dǎo)電，是電磁波的克星）。不過就這點頻率，只能勉強攜帶點信息，發(fā)一個hello，大概需要半小時，也就比寫信稍微強點。因為超長波實在是穩(wěn)，一般用在岸臺向潛艇單向發(fā)送命令。

再短點，幾十米波長的電磁波，頻率就到了百萬赫茲MHz級別，能攜帶的信息就很可觀了，一句話至少能說利索了。而且照樣還能跑很遠(yuǎn)，幾百公里不在話下，所以收音機廣播、電報、業(yè)余無線電一般用這個頻段。

說點有用的，假如你困在荒島上，有個飛機路過，趕緊用121．5MHz呼救，這是民用緊急通信頻率，還有個軍用緊急通信頻率243MHz，這些都是不加密的公共頻率。上次解放軍和臺軍戰(zhàn)機對峙，雙方用這個頻率對話，結(jié)果被無線電愛好者錄下來放網(wǎng)上了，吃瓜群眾喜聞樂見之余，又擔(dān)心我軍通信太容易被破解，真是阿彌陀佛了。

波長再短點，到了1米～1厘米，就有意思了。一方面，雖然衰減已經(jīng)很明顯了，但一口氣還能跑個百十公里，夠用；另一方面，頻率到了GHz級別，能攜帶足夠多的信息，不但話能說利索了，還有多余功夫讓你加個密什么的。所以這個波段是通信的焦點，什么1G2G3G4G，什么衛(wèi)星通信雷達(dá)通信，全在這，統(tǒng)稱微波通信。

到了毫米級，電磁波就跑不了多遠(yuǎn)了，雖然毫米波不太發(fā)散，但很容易被周邊物質(zhì)吸收或反射，幾乎沒啥穿透性，用來通信很雞肋，不過用在導(dǎo)彈導(dǎo)引雷達(dá)或微波爐上棒棒的。但，畢竟頻率超過了30GHz，攜帶的信息量實在太饞人，要不還是試試吧！于是，5G來了。

5G同志先等等，繼續(xù)往下數(shù)，來到微米級。毫無疑問，能攜帶的信息量繼續(xù)倍增，但波長0．7微米的電磁波就已經(jīng)是可見光了?？梢姽舛家娺^吧，別說穿墻了，一張紙都夠嗆，想接著按照7G8G9G的套路肯定走不通啊。然后，就有了激光通信，發(fā)射端和接收端必須瞄得準(zhǔn)準(zhǔn)的，中間還不能有阻擋，這優(yōu)缺點自個兒體會體會。

波長到了0．3微米，也就是300納米，先別管頻率的事了，這玩意兒就是我們熟知的紫外線，終于對人體有害了。太陽光里的紫外線大約占了4％，如果你一天能曬上半小時太陽的話，那么前面提到的那些電磁波輻射基本可以無視了（不要鉆電磁共振的牛角尖，咱只說普遍情況）。

波長200納米的紫外線，在太陽光中幾乎是沒有的，所以在陽光太強時，紫外線通信就成了激光通信很好的補充，不但隱蔽性更好，還不用對得那么準(zhǔn)，在幾公里的距離上非常好用，是近些年軍事通信的研究熱點。

接下來就和通信無關(guān)了，波長到了納米級就成了X光，就是在醫(yī)院見到的那種，這么說的話，X光其實也能叫納米技術(shù)（這是玩笑）。

最后，波長短到了0．01納米以下，這就是聞之色變的伽馬射線，來自核輻射，全宇宙最強的能量形式之一！若是要毀滅一個星系，伽馬射線是不二之選。實際上，科學(xué)家一直懷疑，超新星爆炸產(chǎn)生的伽馬射線爆已經(jīng)毀滅了絕大部分的宇宙文明，好在太陽系處于比較角落的地帶，周邊恒星不多。

終于說完了波長頻率，那振幅呢？連仙人掌能不能防輻射都不知道，也就沒必要了解振幅的含義了，直接跳過。

1和0

回到微波通信。

為什么頻率越高，能攜帶的信息就越多？以數(shù)字信號為例，信息就是一串串的1和0，所以先搞清楚怎樣用電磁波表示1和0。

第一種方法叫“調(diào)幅”，基本思路是調(diào)整電磁波的振幅，振幅大的表示1，振幅小的表示0，如下圖。收音機的AM就是調(diào)幅，缺點頗多。

第二種方法叫“調(diào)頻”，基本思路是調(diào)整頻率來表示1和0，比如，用密集的波形表示1，疏松的波形表示0。收音機的FM就是調(diào)頻，優(yōu)點多多的。

很顯然，在單位時間內(nèi)，發(fā)出的波越多，能表示的1和0就越多，換句話說，頻率越高能攜帶的信息就越多。

這樣算起來，頻率800MHz意味著每秒產(chǎn)生800萬個波，都用來表示1和0的話，1秒鐘可以傳輸100M數(shù)據(jù)，這速度很快?。樯段覀兏杏X不到呢？

古語有云，重要的事情說三遍，通信也是如此。無線電拔山涉水，弄丟幾個1，0太正常了，防止走丟的土辦法就是抱團(tuán)。比如，用一萬個連續(xù)的1表示一個1，哪怕路上走丟了兩千個1，最后咱還能認(rèn)得這是1。

這種傻辦法只能用在民用通信，因為特征太明顯，很容易被破解。還記得北斗民用信號被破解的新聞吧，原因就在此。

民用信號只要能和其他信號區(qū)分開就行，不會弄得太復(fù)雜，不然傳輸效率太低。按2G技術(shù)那樣，800MHz的頻率，傳輸數(shù)據(jù)大不過每秒幾十K。

軍用就兩碼事了，為了防止被破解，要用很復(fù)雜的組合來表示1和0，中間說不定還有很多無效信息，各種跳頻技術(shù)擴頻技術(shù)，還不停變換組合，總之越花哨越好。所以同樣一句話，軍事通信要用掉更多的1，0，因此為了保證傳輸效率，軍用頻率就比民用高很多。

就目前來說，頂級破解技術(shù)還干不過頂級加密技術(shù)，這里不包括尚未成熟的量子通信。

軍事對抗是無止境的，干不過也不能認(rèn)慫！那怎辦？既然弄不清楚你的1，0，那我就索性再送你一堆1，0，把你原有的組合搞亂，讓你自己人都懵逼。這就是電子對抗的環(huán)節(jié)，跑題了，還是說回5G。

關(guān)鍵技術(shù)

前面說的，都是不值錢的原理，下面看看值錢的技術(shù)。5G關(guān)鍵技術(shù)有一堆說法，咱給粗暴地歸個類。

振蕩電路插個天線就可以產(chǎn)生電磁波，用特定方法改變電磁波的頻率或振幅，變成各種復(fù)雜的組合，這個過程叫調(diào)制。對應(yīng)的，豎個天線就能收到空中的電磁波，按預(yù)定方法變回1，0，這個過程叫解調(diào)。

把電磁波發(fā)到空中，或者把空中的電磁波收下來，都需要天線，別以為現(xiàn)在手機光溜溜的就不需要天線了。手機與手機是無法直接通信的，而是通過周邊的基站與別的手機聯(lián)系。于是，問題來了，5G使用的毫米波在空氣中衰減非常嚴(yán)重，但又不能無限制提高發(fā)射功率，怎么辦呢？只能在天線上做文章了。

5G的第一個關(guān)鍵技術(shù)大規(guī)模多天線陣列。大白話就是，增加天線的數(shù)量，不是增加一個兩個，而是幾百個。這個思路很好理解，但是呢，用那么多天線發(fā)射同一個信號，稍不留神就亂成一鍋粥。

多天線加毫米波，對比原先的少天線加厘米波，無線電傳播的物理特征肯定不一樣，得重新建立信道模型。那信道模型怎么建立呢？相信我，你不會感興趣的。

天線一多，不但能解決毫米波衰減的問題，傳輸效率、抗干擾等性能也是蹭蹭漲，算是5G必須課。

曾與華為齊名的大唐電信于2015年率先發(fā)布了256大規(guī)模天線，引爆全球通信業(yè)，一時風(fēng)光無限！可惜后來突然閃崩，淪落到賣科研大樓求生，令人唏噓！

基站天線搞定，下面就輪到終端機的天線了，這貨也有術(shù)語全雙工技術(shù)。

一般手機的通信天線只有一個，收發(fā)信號交替進(jìn)行，費勁的很！全雙工技術(shù)，就是把發(fā)信號的天線和收信號的天線分開，收發(fā)信號同時進(jìn)行，優(yōu)點就不說了。不過，這很難嗎？

你想想，把話筒和音響挨在一起，還要求兩者能正常工作，你說難嗎？大體上分兩個思路，其一，物理方法，比如在倆天線之間加屏蔽材料；其二，信號處理，比如無源模擬對消等。

2016年4月華為宣布已于成都5G外場率先完成第一階段5G關(guān)鍵技術(shù)驗證，測試結(jié)果完全達(dá)到預(yù)期。其中兩個重要驗證就是大規(guī)模天線技術(shù)和全雙工技術(shù)。

天線搞定了，再來就是“新多址接入技術(shù)”，這詞聽著真拗口，別急，馬上就順了！

舉個例子

假設(shè)手機基站用100Hz表示1，105Hz表示0，這時又接進(jìn)一個新電話，那新電話的1可以用110Hz，0用115Hz，如果再來新電話，依次類推。這就是1G的思路，簡稱FDMA。

這樣2個電話就用掉了從100Hz到115Hz的頻段，占用的15Hz就叫帶寬。外行也看出來了，這路子太費帶寬了。好在那會的手機只是傳個語音，數(shù)據(jù)量不大，但也架不住手機數(shù)量的增加，很快就不夠用了！

換個思路，大家都用100Hz表示1，105Hz表示0，但是第1秒給甲用，第2秒給乙用，第3秒給丙用，只要輪換的好，5Hz的帶寬就夠3個手機用，就是延時嚴(yán)重點而已。這就是2G的思路，簡稱TDMA。

再到后來，數(shù)據(jù)量越來越大，2G也玩不轉(zhuǎn)了。不過，只要有需求，就不怕沒套路在各自的信號前面加上序列碼，再揉成一串發(fā)送，接收端按序列號只接受自己的信號。就好像快遞員一次性送了一疊信過來，大家按照信封上的名字打開各自的信。這就是3G的思路，簡稱CDMA。本僧這把年紀(jì)的人，應(yīng)該都被聯(lián)通的CDMA廣告轟炸過吧？

再發(fā)展就是正交頻分多址技術(shù)，把2個互不干擾的正交信號揉成一串發(fā)送。所謂正交信號，和量子力學(xué)的疊加態(tài)有點類似。把信號疊在一起發(fā)送，就是4G的思路，簡稱OFDMA。

每個終端在網(wǎng)絡(luò)上都有一個地址，所以這種讓很多手機一起打電話的技術(shù)，從1G到4G，統(tǒng)稱多址接入技術(shù)。咱5G特別時髦，叫“新多址接入技術(shù)”，這貨怎么個“新”法呢？

稀疏碼多址接入、非正交多址接入、圖分多址接入……好吧，我承認(rèn)有點云里霧里了，總體思路就是疊加更多信號或者把前面的技術(shù)混到一起，這里涉及大量的數(shù)學(xué)知識，奉勸各位好自為之吧！

暫時就說這么多吧，5G要實現(xiàn)10Gb／秒的峰值速率、1百萬的連接數(shù)密度、1毫秒的時延，必須要先解決這三大關(guān)鍵技術(shù)。

2016年4月，華為的第一階段“關(guān)鍵技術(shù)驗證”，主要也是驗證這仨技術(shù)。新多址接入采用濾波正交頻分復(fù)用、稀疏碼多址接入、極化碼，結(jié)合大規(guī)模天線，吞吐率提升10倍以上，在100MHz帶寬下，平均吞吐量達(dá)到3．6Gb／秒；全雙工采用了無源模擬對消、有源模擬對消和數(shù)字對消三重對消框架，可以實現(xiàn)113dB的自干擾消除能力，獲得了90％以上的吞吐率增益。

2017年6月，華為完成第二階段“多種關(guān)鍵技術(shù)融合測試及單基站性能測試”，在200MHz帶寬下，單用戶下行吞吐率超過6Gb／秒，小區(qū)峰值超過18Gb／秒，配套業(yè)內(nèi)首個小型化5G測試終端，單個5G基站可同時支持上百路超高清4K視頻。

2018年9月，華為完成第三階段“基于獨立組網(wǎng)的5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與業(yè)務(wù)流程測試”。

這三個階段測試，華為均以100％通過率順利完成。

除了三大關(guān)鍵技術(shù)之外，無數(shù)用戶要組成網(wǎng)絡(luò)，事情自然少不了。比如，分配傳輸資源和指揮交通一樣讓人頭大，一條道路分配不合理，半個城市就得跟著癱瘓，所以，華為完成關(guān)鍵技術(shù)驗證后，又花了2年時間才進(jìn)行獨立組網(wǎng)測試。再比如，能耗不能太離譜，價格不能高上天，諸如此類的基本要求。

又是芯片

可以看到，5G要處理的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于4G，所謂數(shù)據(jù)就是1，0，但凡涉及1，0的東西，基本都用芯片。控制電磁波發(fā)射要用射頻芯片，編碼解碼要用基帶芯片，等等，這些也屬于5G核心關(guān)鍵技術(shù)。

2019年1月24日，華為發(fā)布了全球首款5G基站核心芯片天罡，以及，全球首款單芯片多模5G基帶芯片巴龍5000。既然是世界首款，免不了拿下N個全球第一。

把條件放寬到調(diào)制解調(diào)芯片，玩家就比較多了。5G的主流頻率是28GHz，有能力處理這個頻段的芯片，目前是4家。

高通是最早的，三星是唯一做到39GHz的，華為是工藝最先進(jìn)的，英特爾是哪里都不掉隊的，臺灣聯(lián)發(fā)科據(jù)說馬上也要來了。

多說一句，華為2018年2月發(fā)布的這款巴龍5G01芯片，因塊頭太大無法用在手機上，2019年1月就推出了手機使用的巴龍5000，同時還沒耽誤手機處理器芯片麒麟和服務(wù)器芯片鯤鵬，這進(jìn)展還是不錯的！

標(biāo)準(zhǔn)

5G涉及的技術(shù)實在太多太雜，得訂個規(guī)矩。立規(guī)矩的重要性不比技術(shù)研發(fā)低，待會你看看歐萌就明白了。

5G標(biāo)準(zhǔn)第一階段的第一部分已于2018年6月完成并發(fā)布，標(biāo)志著首個真正完整意義的國際5G標(biāo)準(zhǔn)出爐，剩余部分陸續(xù)到2020年才能完工。

這次標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布一共有50家公司參與，中國有中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、華為、中興、大唐電信等16家，美國8家，歐洲8家，日本13家，韓國5家。

從數(shù)量上看，咱還是不錯的。從質(zhì)量上看，咱應(yīng)該也還是不錯的。舉個例子

在信道編碼問題上，歐萌一直用Turbo碼，美帝高通習(xí)慣用LDPC碼，華為擅長用Polar碼。于是，第一回合歐萌就被干掉了，不但積累的Turbo技術(shù)打了水漂，還得重新學(xué)LDPC和Polar。

華為和高通繼續(xù)交鋒了兩輪。

信道編碼分“控制信道編碼”和“數(shù)據(jù)信道編碼”，高通的方案是兩者都用LDPC碼，華為的方案是數(shù)據(jù)信道用你家的LDPC碼，控制信道用Polar碼。

然后，聯(lián)想對華為的方案投了反對票……

當(dāng)然，聯(lián)想的投票對結(jié)局毫無影響。因為分歧過大，當(dāng)天只確定數(shù)據(jù)信道用LDPC碼，至于控制信道擇日再議。

等擇好日，再次投票時，高通、三星、英特爾、愛立信等巨頭搜羅了31家公司組成陣營，要求全部用LDPC碼，華為則組織了包括聯(lián)想在內(nèi)的55家公司力爭。最終，華為Polar成為控制信道編碼，高通LDPC成為數(shù)據(jù)信道編碼，大家平分秋色。

這事被翻出來后，聯(lián)想引起眾怒，但華為很貼心地幫著解圍。

順便說個常識行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都還沒全出來，5G離全面成熟應(yīng)用還是有一段路的。

場景和意義

因為擔(dān)心小盆友的想象力不夠，所以國際電信聯(lián)盟召開的ITU－RWP5D第22次會議，確定了5G的三個應(yīng)用場景

這圖畫得實在太差，解釋一下三個角上的三句話是5G的三大功能特點，藍(lán)色小塊是應(yīng)用場景，小塊越靠近哪個角就說明對這個功能的依賴越大。后來，這三個角又改成了四個連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接、低時延高可靠……

說暈了，還是本僧用大白話總結(jié)一下吧。

就技術(shù)而言，5G就三句話網(wǎng)速快、信號廣、延時少。但技術(shù)帶來的改變卻超越了想象力，5G是全信息化的基石，完全可以實現(xiàn)當(dāng)年物聯(lián)網(wǎng)吹過的牛萬物互聯(lián)。

如果非要找個參考的話，可以想象一下把2G3G4G去掉，回到大哥大時代……不認(rèn)識大哥大的00后小盆友，可以問問身邊的80后老爺爺。

我覺著，5G與4G的差異，比得上4G和1G的差異。

作者老和山下的小學(xué)僧