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超強科普:從1G到5G

2019/6/9 19:10:55 人評論 次瀏覽 來源:蘇商會 分類:新聞

6月6日,中國5G商用牌照已經正式發放,花落四家機構。值此值得紀念的時刻,給大家分享一篇有關5G的科普文章。

來源:老和山下的小學僧


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: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!江河大山都擋不住,甚至能穿透幾十米深的海水(海水導電,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,一般用在岸臺向潛艇單向發送命令。


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,幾百公里不在話下,所以收音機廣播、電報、業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機對峙,雙方用這個頻率對話,結果被無線電愛好者錄下來放網上了,吃瓜群眾喜聞樂見之余,又擔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,什么衛星通信雷達通信,全在這,統稱微波通信。


到了毫米級,電磁波就跑不了多遠了,雖然毫米波不太發散,但很容易被周邊物質吸收或反射,幾乎沒啥穿透性,用來通信很雞肋,不過用在導彈導引雷達或微波爐上棒棒的。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,繼續往下數,來微米級毫無疑問,能攜帶的信息量繼續倍增,但波長0.7微米的電磁波就已經是可見光了。可見光都見過吧,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,發射端和接收端必須瞄得準準的,中間還不能有阻擋,這優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,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了,波長到了納米級就成了X光就是在醫院見到的那種,這么說的話,X光其實也能叫納米技術(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,科學家一直懷疑,超新星爆炸產生的伽馬射線爆已經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“調幅”,基本思路是調整電磁波的振幅,振幅大的表示1,振幅小的表示0,如下圖。收音機的AM就是調幅,缺點頗多。



第二種方法叫“調頻”,基本思路是調整頻率來表示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就是調頻,優點多多的。



很顯然,在單位時間內,發出的波越多,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意味著每秒產生800萬個波,都用來表示1和0的話,1秒鐘可以傳輸100M數據,這速度很快啊!為啥我們感覺不到呢?


古語有云,重要的事情說三遍,通信也是如此。無線電跋山涉水,弄丟幾個1,0太正常了,防止走丟的土辦法就是抱團。比如,用一萬個連續的1表示一個1,哪怕路上走丟了兩千個1,最后咱還能認得這是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分開就行,不會弄得太復雜,不然傳輸效率太低。按2G技術那樣,800MHz的頻率,傳輸數據大不過每秒幾十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,各種跳頻技術擴頻技術,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,頂級破解技術還干不過頂級加密技術,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節,跑題了,還是說回5G。


關鍵技術


前面說的,都是不值錢的原理,下面看看值錢的技術。5G關鍵技術有一堆說法,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,變成各種復雜的組合,這個過程叫調制。對應的,豎個天線就能收到空中的電磁波,按預定方法變回1,0,這個過程叫調


把電磁波發到空中,或者把空中的電磁波收下來,都需要天線,別以為現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系。于是,問題來了,5G使用的毫米波在空氣中衰減非常嚴重,但又不能無限制提高發射功率,怎么辦呢?只能在天線上做文章了。


5G的第一個關鍵技術:大規模多天線陣列。大白話就是,增加天線的數量,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年率先發布了256大規模天線,引爆全球通信業,一時風光無限!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,這貨也有術語:全雙工技術


一般手機的通信天線只有一個,收發信號交替進行,費勁的很!全雙工技術,就是把發信號的天線和收信號的天線分開,收發信號同時進行,優點就不說了。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關鍵技術驗證,測試結果完全達到預期。其中兩個重要驗證就是大規模天線技術和全雙工技術。



天線搞定了,再來就是“新多址接入技術”,這詞聽著真拗口,別急,馬上就順了!


舉個例子(數字是胡謅的):


假設手機基站用100Hz表示1,105Hz表示0,這時又接進一個新電話,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,數據量不大,但也架不住手機數量的增加,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,就是延時嚴重點而已。這就是2G的思路,簡稱TDMA


再到后來,數據量越來越大,2G也玩不轉了。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。如我這把年紀的人,應該都被聯通的CDMA廣告轟炸過吧?


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


每個終端在網絡上都有一個地址,所以這種讓很多手機一起打電話的技術,從1G到4G,統稱:多址接入技術。咱5G特別時髦,叫“新多址接入技術”,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混到一起,這里涉及大量的數學知識,奉勸各位好自為之吧!


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



2016年4月,華為的第一階段“關鍵技術驗證”,主要也是驗證這仨技術。新多址接入采用濾波正交頻分復用、稀疏碼多址接入、極化碼,結合大規模天線,吞吐率提升10倍以上,在100MHz帶寬下,平均吞吐量達到3.6Gb/秒;全雙工采用了無源模擬對消、有源模擬對消和數字對消三重對消框架,可以實現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“多種關鍵技術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,小區峰值超過18Gb/秒,配套業內首個小型化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“基于獨立組網的5G核心網關鍵技術與業務流程測試”


這三個階段測試,華為均以100%通過率順利完成。


除了三大關鍵技術之外,無數用戶要組成網絡,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,華為完成關鍵技術驗證后,又花了2年時間才進行獨立組網測試。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要處理的數據量遠大于4G,所謂數據就是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核心關鍵技術。


2019年1月24日,華為發布了全球首款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。



把條件放寬到調制解調芯片,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,華為是工藝最先進的,英特爾是哪里都不掉隊的,臺灣聯發科據說馬上也要來了。


多說一句,華為2018年2月發布的這款巴龍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器芯片鯤鵬,這進展還是不錯的!


標 準


5G涉及的技術實在太多太雜,得訂個規矩。立規矩的重要性不比技術研發低,待會你看看歐盟就明白了。


5G標準第一階段的第一部分已于2018年6月完成并發布,標志著首個真正完整意義的國際5G標準出爐,剩余部分陸續到2020年才能完工。


這次標準發布一共有50家公司參與,中國有中國電信、中國移動、中國聯通、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。


從數量上看,咱還是不錯的。從質量上看,咱應該也還是不錯的。舉個例子:


在信道編碼問題上,歐盟一直用Turbo碼,美帝高通習慣用LDPC碼,華為擅長用Polar碼。于是,第一回合歐盟就被干掉了,不但積累的Turbo技術打了水漂,還得重新學LDPC和Polar。


華為和高通繼續交鋒了兩輪。


信道編碼分“控制信道編碼”和“數據信道編碼”,高通的方案是兩者都用LDPC碼,華為的方案是數據信道用你家的LDPC碼,控制信道用Polar碼。


然后,聯想對華為的方案投了反對票……


當然,聯想的投票對結局毫無影響。因為分歧過大,當天只確定數據信道用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想在內的55家公司力爭。最終,華為Polar成為控制信道編碼,高通LDPC成為數據信道編碼,大家平分秋色。


這事被翻出來后,聯想引起眾怒,但華為很貼心地幫著解圍。



順便說個常識:行業標準都還沒全出來,5G離全面成熟應用還是有一段路的。


場景和意義


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



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,藍色小塊是應用場景,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一下吧。


就技術而言,5G就三句話:網速快、信號廣、延時少。但技術帶來的改變卻超越了想象力,5G是全信息化的基石,完全可以實現當年物聯網吹過的牛:萬物互聯


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。



怎么樣?懂了不?


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