中科院物理所
2020-12-15 14:27:11
转自公众号：娃紫
一个人的气质里，有走过的路、读过的书、爱过的人。5G又经历了哪些故事呢？
引子
一部高清电影，秒秒钟就能下载下来。远程游戏再也不会有卡顿和延迟的感觉了。依托5G也出现了一系列的新东西，比如，车联网、自动驾驶、远程控制等等。那5G从哪来的呢？她经历了怎样的故事才走到如今的样子？本文将详细分析无线通信的发展历程，是如何发展到如此燃爆的5G的。
1G这个词离我们很久远很久远了，90后的基本对其没有什么概念了。但在无线通信历史上，它的确是坐了第一把交椅。不管在什么行业里混，要么做第一个，要么做最好的那一个。但是往往第一个大概率的不是最好的那一个。1G也是如此，回过头去看，再和当下的5G相比，第一代无线通信简直弱爆了。
到底弱到什么程度呢？先看看1G的代表人物，还是上篇中简单介绍的那位江湖大哥——大哥大。
看这派头，看这个头，大哥大只有这样派头的大哥才能用得起。几何时，通个话要用这么大个头的家伙，立起来比脑袋都大，真对得起大哥大这个称呼了。这家伙发短信、上网、视频等等都不支持，只能用来打个电话。为什么呢？很简单，因为大哥的功能不支持。的确是功能不支持，但是更深层的即使大哥功能支持，无线信号也不支持。为啥呢？因为此时还是模拟信号，什么叫模拟信号？直接上图吧。
这个图是声波图，就是你喊一嗓子，你的声音在在空气中的样子。这么乱套，这么复杂。但是从来不缺少拼命硬干的人，乱是乱点，不耽误揭它。这时候欧洲又出了个老头叫傅里叶，说：世界上所有的波形，不管它长得多难看都可以用很好看的模子给怼出来。这句话看似玄幻，却是整个通信界的基础，包括现在牛叉的5G在内。老头的意思很明白：再难看的模样，也是好看的基因摞出来的。他又说了，漂亮的波形是长这样的。
漂亮真不是盖的，这就清楚多了。上面那张图中带棱的带刺的波也是无数类似漂亮的波摞出来的。1G的代表大哥就是受声波的启发造出来的吧。把说话的连续漂亮的波，调制到更高的频率，通过大哥上面那根天线发射出去，就达到传送信息的目的了。简单的讲，大哥大完成的就是这么个简单的任务。相比于狼烟烽火来说，这就够先进的了，但是大哥也有一个致命的问题。
发出去的时候是下图漂亮波的模样，在空气中和楼、树叶、墙各种东西碰撞后，就变形了，变成了上图中带刺的样子了。显然，把声音撞的基因突变了。波形突变会有什么影响呢？影响就是这头说的话，到那头可能就听不到、听不清，甚至听错了。为了解决这个致命的问题，人们开始想办法了。因此，2G登场了。
2G通信到目前为止，应该说是应用最广泛的成熟的通信，没有之一。有人可能会说了4G也很成熟，用的也很多。
但是相比于曾经辉煌的2G，还是差一点火候的。2G是基础套餐，全世界人民都可以hou住。4G是升级套餐，贫穷的地区和区域还是用不了。曾经全世界50+亿的人口，2G手机达到近40+亿，覆盖住了全球所有国家，不论贫穷的还是富有的。从服务的用户数量来看，2G很牛叉。再从通信方式来看，2G一改模拟通信方式，开启了数字通信之路。所以说2G是通信界的里程碑一点都不过分。为什么2G用户这么多呢？
第一，它是第一代数字通信系统，极大改善了1G模拟通信中容易听不见、听不清、听错了的致命问题。第二，手机个头变小了，价格相对于大哥来说便宜了很多。两条就足够了。什么叫数字通信呢？数字嘛，不外乎就是0、1、2、3。。。。。当前阶段全中国呼声很高的数字化转型往简单了说，也逃不出1、2、3的手掌心。但对计算机来说，它只认识0和1，其他的数字不熟。因为通信中处理信号的物件也是芯片，和计算机一样。
所以，数字通信系统中，信息的载体也就只有0和1了。将语音、文字用0和1来编码表示，就实现了通信的数字化转型。只用0和1能表示这么多东西吗？语音、文字、图片、视频等等。答案是肯定的，画风是下图这样式的。当然，在2G时代还无法支持到图片和视频，还只能打电话、发短信。把要说的话、要发的信息内容编码成图中0、1排列的样子。不同的内容通过0和1的不同排列表示出来。把编码后的0、1用图表示出来就是这样式的。
把一句话编码成一堆数，信号状态就只有两个，不是0就是1。而且在编码的过程中，还人为的加入了一些监督用的0，1用来纠正可能出现的将0解码成1，或者将1解码成0的情况。这就极大的降低被翻译错的概率。另外，只有0，1表示的信息不会有噪声的积累影响，不会把1叠成3。模拟信号就不一样了，在传输过程中，噪声会不断的改变波形的形状，改成什么样，谁也说不好。所以，数字通信比模拟的通信系统可靠的多了。
再从通信资源上来看，资源不过时间、频率、空域、码域四个领域。此时还谈不上空域，因为此时还没有多天线的概念，在上一篇中详细的说明了。码域此时也就是基本的编码方式，还没有深度开发该领域，到3G里才在这个域里作大文章。主要在时域和频域折腾着分配和调度资源。图中，水平向右在时间上切分，水平向上是在频率上切分。二者交叉以后，就是一个一个的小格子。上面说的那些0，1就是在这些小格子里发送的。
为每个手机分配一个小格子，自己在自己的格子里打电话，互不影响。将5G比较5行车道，4G带宽就是单行车道。而此时的2G里载波宽度只有200kHz，是4G宽度的百分之一，那就是5G的五百分之一。难怪2G只能用来发发短信，打打电话了。另外，此时还没有4G、5G的基础性底座技术OFDM，后面4G中将说明。因此，为了避免干扰，在频域不同的波之间还要用空档隔开。
这样又要耗费一些资源，所以2G时代的资源利用率较低了。而且在有效利用的资源里也远没有达到高的水平。所以，2G凑合用吧，可圈可点的就是用了数字化技术，可靠性极大的提高了。打电话听得清楚多了，也能支持发短信了。
通信发展到这，基本能满足远距离交流了，但是人们的欲望总是无限的。不满足于打电话，发短信。因此，又开始了新的探索（折腾）征程。3G登场。
通信由1G发展到2G，使人们涨了姿势，也尝到了科技发展的甜头。因此，人们继续探索未知世界。话说，人们从未停止对未知的探索。既然在时、频域已经很明确的分成了一个一个的小格子，暂时在这两个领域没什么突破了。至于空域，人们的视野还没有打开，还不知道多天线的性能深度。所以，此时研究重点放在了码域。再回到通信的本质问题：就是把信息传递给想传递的人而已。单位时间里传的越多越好。
这样的话，那就只有两个目标了：1. 增加有效通信的资源，也就是道路的宽度。2. 降低其他信号的干扰。3G性能的提升也不过是从这两个方面着手。第一，带宽变宽，这是最直接的办法，也是最容易想到的。想要路上能跑更多的车，最直接办法就是把路整宽一些。到了3G最大的传输带宽从2G的200KHz提升到5MHz，提升了25倍。第二，在码域作了较大的改动和深挖。直接上图吧。
2G的通信分了很多小格子，每个人在自己的格子里打电话。就好像在单间、卧室、厕所里两两谈话，不同房间之间互不影响。虽然彼此房间之间互不干扰，这个问题就成了用2G打电话，拢共分三步。先建设多个小房间，把人分配进去，最后，把房间门关上。多么麻烦的说，到了3G干脆把小房间都干倒了。大家有话说，就直接在大厅谈吧，别跑到小屋子里悄悄去了。那么多人两两进行谈话，相互之间就会干扰，想谈个悄悄话，岂不是谈不了了？
怎么办？搞加密黑科技，人们还是很聪明的，不同的两两谈话的对象之间规定说不同的语言不就完了。画风是这样的。同在一个大厅里谈话，但是不同的组用的语言不一样。那么相互之间不就没有干扰了。这一招也很漂亮。即增大了带宽，大厅的空间肯定是比小单间也宽敞的多了（扩大了25倍）。通过用不同的语言可以减少不同的谈话之间的干扰。前面讲的两个主要的问题得到了解决或者缓解了。但是干扰仍然是没有完全的解决掉。
想象一下，两个人用陕西话在说悄悄话，第三个人用大喇叭在两个人旁边用河南话广播。虽然语言特色都很明显，但是悄悄话仍然是听不清的。因此，3G系统是一个自干扰系统，同一个小区下的手机功率大点的会把功率小的信号淹没掉。另外，如果水浅大哥多，大哥之间就要抢地盘了，会相互之间一直干扰。怎么办？励志主角该登场了：二战时，奥地利有一个美女叫海蒂·拉玛，人家是地道的影星。
当时盟军的鱼雷去攻击法西斯的军舰总是被很准确的拦截。因为阿道夫的狼群潜艇能准确捕捉到发射鱼雷的指令，从而提前知道了鱼雷的方向。上图中这个美女在家练习钢琴的时候，脑洞大开。如果指令像琴键一样跳着发出，就不容易被对方追踪了。跳着发信号，能缓解一直被干扰/跟踪的问题了。试了一下，还真管用，攻击目标的成功率大大提升了。这就是在3G和WiFi里大放异彩的跳频技术。交叉学科容易出成果，是不是从她这开始的呢？
看看人家这开了挂的人生，不仅有漂亮的皮囊，还有漂亮的瓤。这么多新玩意的引入的确提升了通信的性能。因此，3G时代能支持多媒体了。但是此时，看NBA比赛还只是通过不断的刷新网页，看实时的结果。看个GIF图片，在线刷个小说还是可以支持的。可是仍然无法和视频的视觉冲击力相比。于是，人们又开始了新的探索之路。熟悉的主角4G开始登场了。
通信发展到这个阶段，就到了我们大家所熟悉的地界了。
4G，多么新鲜的一个词，2014年才开始正式挺进人们视线里的小鲜肉。短短几年，到2020年我国4G用户总数达到了12+亿，占移动电话用户总数的80%以上。这么火爆，人们在它身上到底折腾出了什么新的玩法呢？先回顾下3G，所有的人在一个大厅里谈话，虽然用不同的语言，还可以跳着频率传播。但是，自干扰系统自然还是干扰系统，仍然会有硬干扰的。因此，4G不能继续在3G的基础上往前研究了，基本没前途。
研究来研究去，人们决定4G还是把3G推倒的小房间再盖起来吧。于是就又回到了有小隔间的时代了。事物的发展就是这样的规律，前进中有时候不可避免的会出现挫折。还记得提升的两个突破口吗？肯定上来就又是修路，加宽。你说对了，4G从3G的5MHz的基础上拓宽到了最大带宽20MHz。道路宽了4倍。见识了上一篇文章的分析，动不动就几十倍甚至上百倍的提升，4倍的确算不得什么。别着急。
4G除了开宽道路之外，还在另外一个域里折腾了，那就是最晚登场的——空域。开始搞多天线了，如果一根天线传一路数据，那么8根天线就能同时传8路数据，就是这个意思吧。手机搞到了2根天线，往上发可以最多发2路数据，基站搞8根天线，同时传8路数据。和上面的4倍带宽提升，乘在一起，相比于3G也有了几十倍了。另外，就是从1G的分频复用——FDM，升级成了OFDM。多天线+OFDM直接成了4G和5G的技术底座了。
看到了吧，下面这个图就是FDM，上面那个就是OFDM。不仅把不同波之间的隔断搞没了，不同的波之间还能重叠，重叠不会干扰？搞好了，还真不会有干扰。因为这个波的最高低正好对准了重叠波的0的点，0固然是对其他没有什么影响。因为数字通信里只有0和1，因此只要知道波的高，低就行了，不必要知道具体的数值。那是怎么整成这样的呢，还是上文提到的那个叫傅里叶的欧洲老头，好事做到底，找到的处理办法。
因为实现算法较复杂了，经过一些数学变换，这里不展开了，以后另起文详谈。这样一整，妥妥的几十倍的性能提升就出来了。有了这几十倍性能增长加持，4G终于能看视频了。当然，4G提升了那么多，不仅能看视频了，移动互联网也正是在这基础上起飞的。微信，支付宝，单车，网约车等，现在基本上是一机在手，说走就走了。凭借4G技术的移动互联网产业每年创造的价值数以万亿计。移动通信发展到4G，终于见到了产值的大爆发。
从1G研究发展到4G经历了30+年的时间，任何事情的发展都是要经历一个漫长的过程。一蹴而就的急功近利是反客观规律的。从上面的回顾中可以看出，在每一代中都是研究了自己的一套东西的。不是拍脑袋，不是心血来潮的胡想，是实打实研究的。4G发展到现在，可以满足人们所有的生活需求了。但是，看到无线技术能创造这么大的社会经济价值。人们又开始将眼光瞄准了用无线通信技术去改造工业，以期创造更大的价值。
5G就这样走进了人们的视野里了。
在这里先简单展望一下5G能干什么。直接上图吧。人们把5G能支撑的功能分成了三个大的场景。增强的移动宽带：针对人们的生活在4G基础上继续优质化。海量机器通信：针对物联网爆发。超高可靠低时延：针对特殊场景，比如，工业控制、车联网、远程控制等。针对第一条，可以达到可以秒传高清电影，甚至更快。针对第二条，可以达到百万/平方公里的联网终端。
针对第三条，可以达到毫秒级的通信时延。有了5G加持世界基本就变成这样的了。期待5G能够真正地实现信息随心至，万物触手及的万物互联时代。从1G走到时下的5G，无线通信走过了40+年的不平凡历程。要概括，只想说三个字：不容易。但是：凡是唾手可得的东东，往往是没有价值的。反过来也印证了：走了这么久、历经坎坷的通信，注定是价值无量的。仅从手机来看，个头是不断变小了，但是功能确实不断的丰富和发展了。
有人说，4G改变了社会，5G将改变世界。让我们一起期待5G时代万物互联的新世界吧。
结
本文详细的分析了无线通信从1G经历了无数的风风雨雨发展到现在爆棚的5G。从分析通信发展过程中，也悟出了点其他的道理。任何事物的发展都是要经历萌芽、成长、修正、提升一系列过程的。一蹴而就的事是不存在的，但凡是进步的都不可避免要经历挫折和短暂倒退。须知，历史的车轮是在泥泞中前进的，不是在高速路上前进的。所以，让我们期待5G的未来吧！