[转帖]从1G到5G

一文看懂无线通信：从1G到5G

投递人 itwriter 发布于 2019-02-03 15:25 评论(2) 有280人阅读 [收藏] « »

　　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。