無線通訊探究：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後半篇，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訊號、手機訊號、電腦輻射、核輻射，等等。只要是波，就逃不過三個引數：波速、波長、振幅。電磁波的速度是恆定的光速，因此只需考慮：波長(或頻率)、振幅(不考慮方向)，其中頻率對於電磁波來說，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，如果用來通訊的話，等你一句話說完，就可以過年了。
稍微正常點的電磁波，波長几萬米，用這通訊，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，是電磁波的剋星)。不過就這點頻率，只能勉強攜帶點資訊，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傳送命令。
再短點，幾十米波長的電磁波，頻率就到了百萬赫茲MHz級別，能攜帶的資訊就很可觀了，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、業餘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，這是民用緊急通訊頻率，還有個軍用緊急通訊頻率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餘，又擔心我軍通訊太容易被破解，真是阿彌陀佛了。
波長再短點，到了1米~1釐米，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，能攜帶足夠多的資訊，不但話能說利索了，還有多餘功夫讓你加個密什麼的。所以這個波段是通訊的焦點，什麼1G2G3G4G，什麼衛星通訊雷達通訊，全在這，統稱微波通訊。
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，用來通訊很雞肋，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，攜帶的資訊量實在太饞人，要不還是試試吧！於是，5G來了。
5G同志先等等，繼續往下數，來到微米級。毫無疑問，能攜帶的資訊量繼續倍增，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，別說穿牆了，一張紙都夠嗆，想接著按照7G8G9G的套路肯定走不通啊。然後，就有了鐳射通訊，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奈米，先別管頻率的事了，這玩意兒就是我們熟知的紫外線，終於對人體有害了。太陽光裡的紫外線大約佔了4%，如果你一天能晒上半小時太陽的話，那麼前面提到的那些電磁波輻射基本可以無視了(不要鑽電磁共振的牛角尖，咱只說普遍情況)。
波長200奈米的紫外線，在太陽光中幾乎是沒有的，所以在陽光太強時，紫外線通訊就成了鐳射通訊很好的補充，不但隱蔽性更好，還不用對得那麼準，在幾公里的距離上非常好用，是近些年軍事通訊的研究熱點。
接下來就和通訊無關了，波長到了奈米級就成了X光，就是在醫院見到的那種，這麼說的話，X光其實也能叫奈米技術(這是玩笑)。
最後，波長短到了0.01奈米以下，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，好在太陽系處於比較角落的地帶，周邊恆星不多。
終於說完了波長頻率，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
回到微波通訊。
為什麼頻率越高，能攜帶的資訊就越多？以數字訊號為例，資訊就是一串串的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，疏鬆的波形表示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，頻率越高能攜帶的資訊就越多。
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資料，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，通訊也是如此。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。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，最後咱還能認得這是1。
這種傻辦法只能用在民用通訊，因為特徵太明顯，很容易被破解。還記得北斗民用訊號被破解的新聞吧，原因就在此。
民用訊號只要能和其他訊號區分開就行，不會弄得太複雜，不然傳輸效率太低。按2G技術那樣，800MHz的頻率，傳輸資料大不過每秒幾十K。
軍用就兩碼事了，為了防止被破解，要用很複雜的組合來表示1和0，中間說不定還有很多無效資訊，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，軍事通訊要用掉更多的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，頂級破解技術還幹不過頂級加密技術，這裡不包括尚未成熟的量子通訊。
軍事對抗是無止境的，幹不過也不能認慫！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。
振盪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，變成各種複雜的組合，這個過程叫調製。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，這個過程叫解調。
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訊的，而是通過周邊的基站與別的手機聯絡。於是，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，怎麼辦呢？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，用那麼多天線發射同一個訊號，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釐米波，無線電傳播的物理特徵肯定不一樣，得重新建立通道模型。那通道模型怎麼建立呢？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、抗干擾等效能也是蹭蹭漲，算是5G必須課。
曾與華為齊名的大唐電信於2015年率先發布了256大規模天線，引爆全球通訊業，一時風光無限！可惜後來突然閃崩，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。
一般手機的通訊天線只有一個，收發訊號交替進行，費勁的很！全雙工技術，就是把發訊號的天線和收訊號的天線分開，收發訊號同時進行，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遮蔽材料；其二，訊號處理，比如無源模擬對消等。
2016年4月華為宣佈已於成都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
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，佔用的15Hz就叫頻寬。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，資料量不大，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的頻寬就夠3個手機用，就是延時嚴重點而已。這就是2G的思路，簡稱TDMA。
再到後來，資料量越來越大，2G也玩不轉了。不過，只要有需求，就不怕沒套路：在各自的訊號前面加上序列碼，再揉成一串傳送，接收端按序列號只接受自己的訊號。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開啟各自的信。這就是3G的思路，簡稱CDMA。本僧這把年紀的人，應該都被聯通的CDMA廣告轟炸過吧？
再發展就是正交分頻多重進接技術，把2個互不干擾的正交訊號揉成一串傳送。所謂正交訊號，和量子力學的疊加態有點類似。把訊號疊在一起傳送，就是4G的思路，簡稱OFDMA。
每個終端在網路上都有一個地址，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”，這貨怎麼個“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，我承認有點雲裡霧裡了，總體思路就是疊加更多訊號或者把前面的技術混到一起，這裡涉及大量的數學知識，奉勸各位好自為之吧！
暫時就說這麼多吧，5G要實現10Gb/秒的峰值速率、1百萬的連線數密度、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。新多址接入採用濾波正交頻分複用、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頻寬下，平均吞吐量達到3.6Gb/秒；全雙工採用了無源模擬對消、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效能測試”，在200MHz頻寬下，單使用者下行吞吐率超過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基站可同時支援上百路超高清4K視訊。
2018年9月，華為完成第三階段“基於獨立組網的5G核心閘道器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，無數使用者要組成網路，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後，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。
又是晶片
可以看到，5G要處理的資料量遠大於4G，所謂資料就是1,0，但凡涉及1,0的東西，基本都用晶片。控制電磁波發射要用射頻晶片，編碼解碼要用基帶晶片，等等，這些也屬於5G核心關鍵技術。
2019年1月24日，華為釋出了全球首款5G基站核心晶片：天罡，以及，全球首款單晶片多模5G基帶晶片：巴龍5000。既然是世界首款，免不了拿下N個全球第一。
把條件放寬到調製解調晶片，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晶片，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，英特爾是哪裡都不掉隊的，臺灣聯發科據說馬上也要來了。
多說一句，華為2018年2月釋出的這款巴龍5G01晶片，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晶片麒麟和伺服器晶片鯤鵬，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，待會你看看歐萌就明白了。
5G標準第一階段的第一部分已於2018年6月完成併發布，標誌著首個真正完整意義的國際5G標準出爐，剩餘部分陸續到2020年才能完工。
這次標準釋出一共有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：
在通道編碼問題上，歐萌一直用Turbo碼，美帝高通習慣用LDPC碼，華為擅長用Polar碼。於是，第一回合歐萌就被幹掉了，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。
通道編碼分“控制通道編碼”和“資料通道編碼”，高通的方案是兩者都用LDPC碼，華為的方案是資料通道用你家的LDPC碼，控制通道用Polar碼。
然後，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，當天只確定資料通道用LDPC碼，至於控制通道擇日再議。
等擇好日，再次投票時，高通、三星、英特爾、愛立信等巨頭蒐羅了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成為控制通道編碼，高通LDPC成為資料通道編碼，大家平分秋色。
這事被翻出來後，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。後來，這三個角又改成了四個：連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連線、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、訊號廣、延時少。但技術帶來的改變卻超越了想象力，5G是全資訊化的基石，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後小盆友，可以問問身邊的80後老爺爺。
我覺著，5G與4G的差異，比得上4G和1G的差異。
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