(转)一文看懂无线通信:从1G到5G

  文/老和山下的小学僧

  最近太邪乎,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。

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。

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。

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。

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!

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。

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。

详情请阅读:5G技术入门介绍PDF

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