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无线G

作者:佚名 来源: 日期:2019-7-9 16:49:51 人气:

  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。

  说点有用的,假如你困在荒岛上,有个飞机过,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。

  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,这优缺点自个儿体会体会。

  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。

  第二种方法叫“调频”,基本思是调整频率来表示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。

  古语有云,重要的事情说三遍,通信也是如此。无线太正常了,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,哪怕上走丢了两千个1,最后咱还能认得这是1。

  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。

  振荡电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,但又不能无提高发射功率,怎么办呢?只能在天线G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。

  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,全球通信业,一时风光无限!可惜后来突然闪崩,到卖科研大楼,令人唏嘘!

  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,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。

  假设手机基站用100Hz表示1,105Hz表示0,这时又接进一个新电线Hz,如果再来新电线G的思,简称FDMA。

  这样2个电线Hz就叫带宽。外行也看出来了,这子太费带宽了。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,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,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: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,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,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线G,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,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MHz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超高清4K视频。

  除了三大关键技术之外,无数用户要组成网络,华晨宇父亲华福雄事情自然少不了。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年时间才进行组网测试。再比如,能耗不能太离谱,价格不能高,诸如此类的基本要求。

  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,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!

  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,标志着首个线G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。

  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,但华为很贴心地帮着解围。

  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:三个角上的三句线G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: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:互联。

  如果非要找个参考的线G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。

  财成国际

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