PLC

无线通信从1G到5G 老和山脚下的小和尚

提高思维水平

介绍

从技术上来说,5G主要体现在三个方面:网速快、信号宽、时延低。 但科技带来的变化已经超乎想象。 5G是全信息化的基石,可以完全实现物联网当年所吹嘘的:万物互联。

本文首次发表于2019年2月2日

我最近太邪恶了,所以我先引用马克思政治经济学的一个观点来驱邪:

生产力决定生产关系。 将该理论应用到全球视野中,随着人类生产力发展的今天,新的生产关系正在逐渐出现。 这就是全球化。 只要生产力的发展不可避免,全球化的趋势就不可避免。 反全球化是一群道德捍卫者的自我安慰,就像项羽复辟封建、袁世凯复辟帝国主义的结局一样。 ——献给遭受美帝国主义围攻的华为5G

通信无线设备有哪些_无线通信_通信无线设计

你走错片场了。 以下为正文。

电磁波

说到5G,电磁波是无法理解的。 问:仙人掌可以防电脑辐射吗? 知道答案的人可以直接阅读文章后半部分。 下面这一段是写给年轻朋友的。

日常生活中,除了原子和电子之外,剩下的几乎都是电磁波、红外线、紫外线、阳光、电灯、wifi信号、手机信号、电脑辐射、核辐射等。波,它无法逃脱三个参数:波速、波长和振幅。 电磁波的速度是恒定的光速,因此只需要考虑波长(或频率)和振幅(不考虑方向)。 频率对于电磁波尤其重要。

无线通信_通信无线设计_通信无线设备有哪些

频率越高,相应电磁波的波长越短,能量越高,衰减越快,穿透性越差,散射越少,对人体的伤害越大。 基于这个原则,我们从头到尾过一遍。

长电磁波的波长为一亿米,频率为3Hz,每秒三波。 如果是用来交流的话,话一说完就可以庆祝新年了。

稍微正常的电磁波,波长有几万米。 用这种通讯方式,只有一个字:稳定! 河流和山脉都无法阻挡它,甚至可以穿透海水数十米深(海水导电,是电磁波的克星)。 然而,以这个频率,它只能勉强携带一些信息。 打个招呼大约需要半个小时,比写信稍微好一点。 由于超长波非常稳定,因此通常用于从岸站向潜艇发送单向命令。

如果再短一些,波长几十米的电磁波频率就达到了几百万兆赫的水平,它能携带的信息是非常可观的。 至少可以雄辩地说出一句话。 而且它还能传播很远的距离,更不用说数百公里了,所以无线电广播、电报、业余无线电一般都使用这个频段。

我来说说有用的事情吧。 如果您被困荒岛,有飞机经过,请迅速使用121.5MHz(民用紧急通信频率)求救。 还有军用紧急通信频率243MHz。 这些都是未加密的公共频率。 上次解放军与台湾战机对峙时,双方就是用这个频率进行通话的。 于是,广播爱好者将其录制下来并放在网上。 公众虽然乐此不疲,但也担心我军通讯太容易被破解。 这真是阿弥陀佛。

波长越短,到1米到1厘米,就会很有趣。 一方面,虽然衰减明显,但依然可以一口气跑数百公里,已经足够了; 另一方面,频率已经达到GHz级别,可以承载足够的信息。 我不但能滔滔不绝地说话,而且还能说得多余。 Kung Fu要求你加个密码什么的。 因此,这个频段是通信的重点。 1G2G3G4G,卫星通信、雷达通信,统统叫微波通信。

在毫米级,电磁波不能传播很远。 毫米波虽然发散性不是很大,但很容易被周围物质吸收或反射,几乎没有穿透性。 它们对于通信毫无用处,但它们用于导弹制导雷达或微波中。 但毕竟频率超过了30GHz,承载的信息量实在是太贪心了,何不一试呢! 所以,5G来了。

5G同志稍等一下,继续倒计时到微米级别。 毫无疑问,可承载的信息量持续翻倍,但波长0.7微米的电磁波已经是可见光了。 您已经看到了可见光,更不用说穿透墙壁了。 一张纸太大而无法通过。 如果还想继续走7G8G9G的套路,肯定不行。 然后,还有激光通信。 发射端和接收端必须瞄准准确,且中间不能有任何障碍物。 你可以亲自体验一下优点和缺点。

当波长达到 0.3 微米(即 300 纳米)时,就不用考虑频率了。 这个东西就是我们所知道的紫外线,它最终对人体是有害的。 阳光中的紫外线约占4%。 如果每天能在阳光下晒半小时,那么上面提到的电磁波辐射基本上可以忽略不计(不要太纠结于电磁共振,我们只说一般情况)。

波长200纳米的紫外线在太阳光中几乎不存在,因此当太阳光太强时,紫外线通信成为激光通信的良好补充。 不仅更加隐蔽,而且不需要那么准确。 它非常易于远距离使用,已成为近年来军事通信领域的研究热点。

下一步与沟通无关。 当波长达到纳米级时,就变成了X射线,就是医院里看到的那种。 这样一来,X射线其实就可以称为纳米技术了(这是个笑话)。

最后,波长缩短到0.01纳米以下。 这就是变色伽马射线,它来自核辐射,是宇宙中最强的能量形式之一! 如果你想毁灭一个星系,伽马射线是最好的选择。 事实上,科学家一直怀疑超新星爆炸产生的伽马射线爆发摧毁了宇宙中的大部分文明。 幸运的是,太阳系处于一个相对角落的区域,周围的恒星并不多。

最后,我们讲完了波长和频率,那么幅度呢? 我连仙人掌能不能防辐射都不知道,所以没必要理解振幅的意思,直接跳过吧。

1 和 0

回到微波通信。

为什么频率越高,承载的信息越多? 以数字信号为例,信息就是一系列的1和0,所以首先弄清楚如何用电磁波来表示1和0。

第一种方法称为“幅度调制”。 基本思想是调节电磁波的幅度。 幅度大代表1,幅度小代表0,如下图所示。 收音机的AM是调幅,有很多缺点。

通信无线设备有哪些_通信无线设计_无线通信

第二种方法称为“频率调制”。 基本思想是调整频率来表示1和0。例如,用密集的波形来表示1,用松散的波形来表示0。收音机的FM是频率调制,它有很多优点。

无线通信_通信无线设备有哪些_通信无线设计

显然,单位时间内发出的波越多,可以表示的1和0就越多。 换句话说,频率越高,可以携带的信息就越多。

这样算下来,800MHz的频率意味着每秒产生800万个波,如果全部用来表示1和0,1秒就可以传输100M数据,速度非常快! 为什么我们感觉不到?

俗话说,重要的事情说三遍,沟通也是如此。 收音机穿越山河,丢几个1,0也很正常。 防止他们迷路的最好方法就是团结在一起。 例如,如果用连续的一万个来表示一个1,即使路上丢失了两千个,我们最终仍然可以识别它是一个1。

这种笨办法只能用在民用通信中,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吗? 这就是原因。

民用信号只要能和其他信号区分开来,就不会太复杂,否则传输效率太低。 根据2G技术,800MHz的频率只能每秒传输数十KB的数据。

军事用途则是另一回事。 为了防止被破解,使用了非常复杂的组合来表示1和0。中间可能存在很多无效信息。 跳频技术和扩频技术的应用多种多样,而且其组合也在不断变化。 简而言之,越花哨越好。 好的。 所以同一句话,军用通信用的更多的是1,0,所以为了保证传输效率,军用频率远高于民用频率。

目前来看,顶级破解技术无法击败顶级加密技术,而且这还不包括尚未成熟的量子通信。

军事对抗永无休止,做不到就不能放弃! 该怎么办? 由于我无法算出你的 1,0,所以我就简单地给你一堆 1,0 来打乱你原来的组合,让你感到困惑。 这是电子对抗的部分。 我离题了,让我们回到 5G。

关键技术

我之前所说的都是毫无价值的原则。 让我们来看看有哪些有价值的技术。 关于5G的关键技术有很多说法,我们来大致分类一下。

振荡电路可以通过插入天线来产生电磁波,并利用特定的方法将电磁波的频率或幅度改变成各种复杂的组合。 这个过程称为调制。 相应地,如果架起天线,就可以接收空气中的电磁波,并按照预定的方法将其变回1,0。 这个过程称为解调。

要将电磁波发送到空气中,或者收集空气中的电磁波,就需要天线。 别以为现在你的手机光秃秃的,就不需要天线了。 手机之间不能直接通信,而是通过周围的基站与其他手机通信。 那么,问题就出现了。 5G使用的毫米波在空气中衰减非常严重,但发射功率不可能无限增大。 我们应该做什么? 我们只能在天线上做文章了。

5G第一个关键技术:大规模多天线阵列。 说白了,增加天线的数量不是一两根,而是上百根。 这个想法很容易理解,但是如果用这么多天线来传输同一个信号,一不小心就会变得一团糟。

与原来的多天线和毫米波、少天线和厘米波的组合相比,无线电传播的物理特性肯定是不同的,必须重新建立信道模型。 渠道模型如何建立? 相信我,你不会感兴趣的。

更多的天线不仅可以解决毫米波衰减问题,还可以提高传输效率、抗干扰等性能,被认为是5G的必备条件。

曾经与华为齐名的大唐电信,在2015年率先发布256大型天线,引爆全球通信行业,名噪一时! 可惜突然倒塌,沦落为卖科研楼求生存,令人悲哀!

通信无线设备有哪些_无线通信_通信无线设计

现在基站天线完成了,接下来轮到终端天线了。 这个东西还有一个术语:全双工技术。

一般手机只有一根通讯天线,交替发送和接收信号,非常费力! 全双工技术将信号发送天线和信号接收天线分开,同时发送和接收信号。 优点这里就不说了。 但这很难吗?

想一想,把麦克风和扬声器放在一起,并且要求两者都能正常工作,是不是很困难? 一般来说,有两种想法。 一是物理方法,比如在两根天线之间添加屏蔽材料; 另一个是信号处理,例如无源模拟消除。

2016年4月,华为宣布在成都5G现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。 其中两个重要验证是大规模天线技术和全双工技术。

无线通信_通信无线设备有哪些_通信无线设计

天线做好了,下一步就是“新的多址技术”。 这个词听起来确实很难发音,但是不用担心,很快就会很容易的!

例如(数字都是废话):

假设手机基站用100Hz代表1,105Hz代表0,此时接到新的呼叫。 那么新手机可以用110Hz为1,115Hz为0。如果有新的通话,可以类推。 这就是1G的思想,简称FDMA。

这样,两款手机使用的频段都是从100Hz到115Hz,占用的15Hz称为带宽。 外行人也能看出这种做法消耗了太多的带宽。 好在当时的手机只是传输语音信息,数据量不大,但无法支撑手机数量的增加,很快就会不够用!

换句话说,大家都用100Hz代表1,105Hz代表0,只不过第一秒是A用的,第二秒是B用的,第三秒是C用的。只要旋转不错,5Hz带宽够三部手机用了。 ,只是延迟有点严重。 这就是2G的思想,简称TDMA。

后来数据量越来越大,2G就不能用了。 不过,只要有需求,就不用担心有套路:在每个信号前面添加一个序列码,然后将其变成字符串发送。 接收端根据序号只接受自己的信号。 就好像快递员一次性送来一堆信件,每个人都根据信封上的名字拆开自己的信件。 这就是3G的思想,简称CDMA。 我这个年纪的人肯定都被联通CDMA广告轰炸过吧?

进一步的发展是正交频分多址技术,它将两个互不干扰的正交信号组合成串并发送。 所谓正交信号有点类似于量子力学的叠加态。 将信号堆叠在一起并发送是 4G 的理念,称为 OFDMA。

每个终端在网络上都有一个地址,所以这种允许很多手机一起打电话的技术,从1G到4G,统称为:多址技术。 我们的5G很时尚,被称为“新的多址技术”。 这怎么叫“新”呢?

通信无线设计_通信无线设备有哪些_无线通信

稀疏代码多址、非正交多址、图分多址……好吧,我承认这有点令人困惑。 总体思路是叠加更多信号或者将之前的技术混合在一起。 ,这里涉及到很多数学知识,建议大家自己动手做一下!

目前为止就这样了。 要实现10Gb/s的峰值速率、100万个连接密度、1毫秒的时延,5G首先要解决这三大关键技术。

通信无线设计_通信无线设备有哪些_无线通信

2016年4月,华为第一阶段“关键技术验证”主要是验证这三项技术。 新型多址接入采用滤波正交频分复用、稀疏码多址、极化码,结合大规模天线,吞吐率提高10倍以上。 100MHz带宽下,平均吞吐量达到3.6Gb/s; 全双工采用无源模拟对消、有源模拟对消和数字对消三重对消架构,可实现113dB的自干扰对消能力,实现90%以上的吞吐量增益。

2017年6月,华为完成第二阶段“多项关键技术集成测试和单基站性能测试”。 200MHz带宽下,单用户下行吞吐量超过6Gb/s,小区峰值超过18Gb/s。 这在配套行业中尚属首例。 小型化5G测试终端,单个5G基站可同时支持数百路超高清4K视频。

2018年9月,华为完成第三阶段“基于独立组网的5G核心网关键技术及业务流程测试”。

华为顺利完成了这三个阶段的测试,通过率100%。

除了三大关键技术之外,无数的用户还要组成一个网络,物联网是必然的。 例如,分配传输资源和引导流量一样麻烦。 道路分配不合理,可以瘫痪半个城市。 因此,华为在完成关键技术验证后,又用了两年时间进行独立网络测试。 再比如,能源消耗不能太离谱,物价不能天高,等等基本要求。

再次芯片

可见5G要处理的数据量远大于4G。 所谓数据就是1,0,凡是涉及1,0的东西基本都用芯片。 需要射频芯片来控制电磁波发射,基带芯片用于编码和解码等,这些也是5G的核心关键技术。

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。既然是全球第一,那么胜出是必然的。 N世界第一。

无线通信_通信无线设备有哪些_通信无线设计

如果对调制解调器芯片的条件放宽,将会有更多的玩家。 5G的主流频率是28GHz,目前有四款芯片能够处理该频段。

通信无线设备有哪些_无线通信_通信无线设计

高通第一,三星唯一能做到39GHz,华为拥有最先进的技术,英特尔也不落后,台湾联发科据说也快来了。

还有一件事,华为2018年2月发布的Balong 5G01芯片太大,无法用在手机上。 2019年1月,毫不迟疑地推出了手机用巴龙5000手机处理器芯片。 麒麟和服务器芯片鲲鹏,这个进步还是不错的!

标准

5G涉及的技术太多、太复杂,所以必须制定规则。 制定规则的重要性并不亚于技术研发。 以后看欧萌你就明白了。

5G标准第一阶段第一部分于2018年6月完成并发布,标志着第一个真正完整的国际5G标准的发布。 其余部分要到2020年才能完成。

共有50家企业参与了本次标准发布,其中中国电信、中国移动、中国联通、华为、中兴、大唐电信等中国16家企业,美国8家企业,欧洲8家企业,日本13家企业,以及韩国的 5 家公司。

从数量上来看,我们还是相当不错的。 从质量上来说,我们应该还是不错的。 例如:

在信道编码问题上,欧萌一直使用Turbo码,美国高通习惯使用LDPC码,华为擅长使用Polar码。 结果,欧蒙第一回合就被杀了。 不仅自己积累的Turbo技能白费了,还得重新学习LDPC和Polar。

华为与高通继续展开两回合较量。

信道编码分为“控制信道编码”和“数据信道编码”。 高通的解决方案是对两者都使用 LDPC 码。 华为的解决方案是数据通道使用LDPC码,控制通道使用Polar码。

随后,联想投票反对华为的计划……

当然,联想的投票对结果没有影响。 由于差异太大,当天才确定数据通道使用LDPC码,控制通道改天再讨论。

当日再次投票时,高通、三星、英特尔、爱立信等巨头聚集了31家公司组成阵营,要求全部使用LDPC码。 华为组织联想等55家企业应战。 最终华为Polar成为控制通道编码,高通LDPC成为数据通道编码,大家平分秋色。

此事曝光后,联想引起众怒,但华为非常体贴地帮助解决了此事。

通信无线设备有哪些_无线通信_通信无线设计

顺便说一下常识:行业标准尚未完全发布,5G距离全面成熟应用还有一段距离。

场景和意义

因为担心孩子想象力不够,国际电信联盟举办的第22届ITU-RWP5D会议确定了5G的三个应用场景:

通信无线设备有哪些_通信无线设计_无线通信

这图实在是太差了。 请解释一下:三个角上的三个句子是5G的三大功能特点。 蓝色小块是应用场景。 小块离哪个角越近,对这个功能的依赖就越大。 后来这三个角变成了四个:连续广域覆盖、热点大容量、低功耗大连接、低时延高可靠……

我很困惑,让我用简单的英语总结一下。

从技术上来说,5G主要体现在三个方面:网速快、信号宽、时延低。 但科技带来的变化已经超乎想象。 5G是全信息化的基石,可以完全实现物联网当年所吹嘘的:万物互联。

如果一定要找参考的话,你可以这样想象:去掉2G3G4G,回到老大哥时代……2000后不认识老大哥的可以问问身边的80后老人。

我认为5G和4G之间的差异相当于4G和1G之间的差异。

通信无线设计_无线通信_通信无线设备有哪些

我已经快完成对华为的帮助了。 不知道有没有人可以帮我向华为索取一些广告费?