3个月前 (09-25)  鲜活科学 |   抢沙发  151 
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1.早上,手机响了。

2.你醒了。

3.机器人管家来到你床边,告知你昨晚的睡眠质量、健康指数并提供相关建议。他投影出了一个全息影像,开始播报你的日程,之后呈现了你可能会感兴趣的新闻。

4.你和伴侣来到厨房,冰箱根据内存物提供了几种营养美味的菜谱。吃过饭,机器人管家建议你们可以先看一部电影, 你们今天有些想要怀旧,机器人投射出全息《泰坦尼克号》,海水涌上了你的脚面。

5.你们看完电影决定出门,站在试衣镜前,它显示了衣柜中的衣服轮番搭配到你身上的样子。选好衣服,你们乘上自动驾驶飞行器,确认目的地,随即起飞,飞行器自动将你安全送达……

停——我知道现在对你来说,这一系列场景的发生顺序是13452,不过别急,这一切并不永远都是白日做梦,等一项神奇的技术应用之后,顺序就是12345了。那这项技术是什么?为什么能让我们的生活方式升级换代?

它,就是传说中的5G技术。

5G不只是比4G多1G

5G有什么特性

5G和4G的区别可不是“啊~啊~啊~5G,你比4G多一G”那么简单,别看数字只是加了一位,带来的变化却是量级的。“G”代表“generation”,简单来说,1G时我们用手机打电话,2G时我们能互发短信、看文字信息,3G时上网看图片,而4G时我们看视频和直播,从1G到4G,不仅信号越来越好,安全性越来越高,上网也越来越快了。

那么5G会比4G牛多少?根据国际通信标准组织3GPP的定义,5G将带来三大应用场景:

eMBB大带宽:下载速率理论值将达到每秒10GB,将是当前4G上网速率的10倍。

uRLLC低延时:5G的理论延时是1ms,是4G延时的几十分之一,基本达到了准实时的水平。

mMTC广联接:5G单通信小区可以连接的物联网终端数量理论值将达到百万级别,是4G的十倍以上。

通讯技术具有基础性的特点,因此它的任何微小进步带来的影响都是巨大的。而天然具备大带宽、低延时、广联接场景特性的5G技术定将为我们的世界带来革命性的变化。

如AI技术,在5G的加持下,运算和数据传输的速率会大大提升,机器人将可以实现随时随地的与云端交互,这使得AI机器人会更广泛的应用于制造、医疗、建筑、服务、家庭等场景,真正广阔的应用于社会生产与普通人的生活。

再比如VR/AR技术与全息通信,虽然现在已经部分应用,但因为传输速率不够,体验并不好,经常出现卡顿、模糊甚至让人晕眩。但如果有了5G,速率提高,360°的画面都能够清晰而稳定的呈现,我们就能真正体会到“远隔万里却身临其境”的神奇了。

特别是自动驾驶的汽车与前文看到的自动驾驶载人飞行器,也都将有望在5G时代真正实现广泛应用。

而这背后有无数科学家、基础理论研究者、技术研究者、通信设备制造商、通信运营商等等一代代通信人的共同努力。如果说经济学的目标之一是研究“如何使有限资源得到最有效的应用”,那么无线通信技术所追求的就是“如何利用有限频谱,让更多的人,更少的成本,更好的传递更多的信息。”

这里提到的频谱指的就是一部分的无线电资源,无线电资源按照无线电磁波的频率来划分,属于国(ren)家(lei)所(gong)有(you)的。就像土地一样,任何组织和个人不能未经批准就占用,必须向国家申请。国家会将一定频率跨度的无线电资源进行分配,用于军用及民用的通信,比如在我们国家,立体声广播会占用917MHz-925MHz;民航通信会占用1785MHz-1805MHz的频率;卫星通信会占用2170MHz-2200MHz等等。

而无线电频谱总体上有一个特点,就是频率越高,允许分配的带宽范围越大,单位时间内所能传递的数据量就越大。

从通信1G(900MHz)到4G(1.8GHz以上)所应用的无线电磁波的频率越来越高,单位时间内传输的信息也就越丰富,传输速率提高了,在我们看来,就是“网速变快了”。这就有点像路越修越宽,跑在上面的车就可以越来越多,也可以越来越快。

当前我们国家分配给三大运营商的4G主力频段位于1800MHz~2700MHz之间的一部分频段,而国际电信标准组织定义的5G的主流频段是3000MHz-6000MHz之间,比4G要高出很多,所以5G的信息传输速率较4G就会产生革命性变化。

既然5G技术这么厉害,那它的原理究竟是什么?

5G技术的原理

前文我们已经提到,通信应用的频谱频率越来越高,就好像是路越修越宽,理论上讲,跑在上面的车就可以越跑越快,但实际情况好像不是这样。比如,只比四环多一环的北京五环,路已经非常宽了,但每天早高峰的场景还是一样的。

第一是因为车太多了,第二是因为大家早高峰的时候都在抢时间,很多情况都在无序通行,所以非常堵。单纯的一味把路修宽,并不能良好的解决出行效率的问题,而把路修宽也不是一朝一夕就能完成的事情,受很多客观条件的限制,所以还是要想办法怎么在现有的道路上提升利用率。

而频谱资源也一样,是非常非常有限的。而使用手机的人却越来越多,运营商只能在一段频谱的跨度内(带宽)让所有的用户共同使用。所以从无线通信伊始,大家就都在想办法——怎么才能在有限的频谱资源内容纳更多的用户,同时让每个用户传递更多的信息?这就涉及到无线通信中最重要的技术:复用,根据不同的特点,形成了三大主流复用技术:FDMA、TDMA、CDMA。

这仨兄弟长得好像,都快让人弄混了,所以它们到底都是啥?

让我们先从“大哥大”时代说起:第一代移动通信技术时代,也就是1G时代,那时人们接打电话用的是模拟信号,即用一段连续变化的电磁波,然后传递出去,这时候信号和传递信号的电磁波本身是同一回事。

如同使用磁带来录音,其实它们是在记录模拟信号。这种方式的优点是连续,仿真度高,能最真实的还原所记录的实际声音。但它也有个很大的缺点,就是在信息传递的过程中极易受到干扰,同时毫无安全性可言,自制一个收音机就可以窃听别人的通话,而且两个人通话时必须占有某一段范围的频谱。

想象一下早高峰时间的主路上,一辆车行驶在一条空荡荡的车道上,而其他的车辆必须等到这辆车到达目的地后才可上路。因为这种特性,1G时代模拟信号不可能承载太多的用户。

为了解决这个问题,人们就发明了数字信号,模拟信号是连续的,因此容易被干扰,而数字信号就是将一段连续的模拟信号进行切分,大概多少份呢,基本上是把1秒的信息切成几千份,然后再每隔一份或几份取出一个收集起来,传递出去,你接到信息之后再进行还原,基本和之前的信息没有差别。

这就有点像我给你递送一个拼图,这个拼图完整拼起来是一个飞机的照片,但即便我少给你几块,或者传递过程中弄丢了几块,你收到后拼起来,大致还是能看出是一个飞机,而且也能大概猜出丢掉的拼图块上的图案是什么。你可能觉得这样方式根本不靠谱,但其实如果每个拼图块被分的足够小,即便我丢掉了一半的拼图块给你,你还是可以看出是一架飞机。

比如数码相机拍出的照片也是一种数字信号,我们把相片按原尺寸看的时候很清楚,但当把它放大到一定程度,看到的就都是马赛克了。这就是因为记录影像信息的过程中“扔掉”很多很多“拼图块”,但并不影响你清楚的看到照片。

当然,这也就是数字信号的好处。“扔掉拼图块”等于信息就可以被压缩、抗干扰,可以不用按顺序传递。只要之后在接收端统一拼装组合,就能将信息还原出来,这样受到的限制就小了很多。最重要的是,这样把信息分成很多的小块,我们就可以将“信息”这种“货物”分装在不同的卡车上走不同的车道进行运输。而不像模拟信号必须将所有的“信息货物”装在一辆卡车上走一条车道进行运输,这就为频谱的“复用”打下基础。

再比如我们现在用的MP3格式,CD等都是和手机通信一样,将模拟的声音信号转化成数字信号再压缩保存的,这当然会有一定程度的失真,但你几乎是感觉不到的。

现在我们大致了解了模拟信号和数字信号,也知道了复用的基础就是数字化,就可以继续解释前文提到的FDMA、TDMA、CDMA“复用技术”三兄弟啦。

咱们还是用车道的例子来举例:

频分多址(FDMA):利用不同的频率分割成不同信道的复用技术。就好像一条划分了多个车道的大路,你可以将一段完整的信息分成很多份的数字信号,转载在不同的卡车上,每个卡车占用其中的一条车道帮你将信息运送到道路的另一端,然后在另一端将分装在不同车道卡车上的信息收集下来组装在一起,拼成完整的信息。

时分多址(TDMA):允许多个用户在不同的时间段(时隙)来使用相同的频率的复用技术,允许多用户共享同样的频率。这就像很多人共用一条高速公路,每个人有一个卡车车队运送信息,不过你可以在别人的车队中插空行驶,因为每辆卡并不是紧紧的前后贴在一起,中间都有空当。

码分多址(CDMA):简单的说指的就是将共享一条信道上的信息进行了不同方式的编码。我们可以理解成这次既和别人共用了高速,也和别人共用了卡车。那怎么运送信息呢?我们采用了一种方式,将不同的箱子涂上颜色,我们将自己的信号都分装在了绿色的箱子里,别人有的分装在了红的箱子里,有的分装在了黄色的箱子里,然后在高速的另一头,接受端的人将每辆车上绿色箱子里的信号检出来拼装在一起,就组成了想要的信息。别人的接受端取出相应颜色的箱子,拼出各自想要的信息。这样就实现了共用道路和卡车,大大提升了频频谱的利用率。

如果你还不明白,可以想象成一堆人在同处在一个教室,每两个人互相聊天,频分多址(FDMA)就是不同组的谈话者用不同的声调聊天,比如有的一对人声音高亢,有的一对人声音低沉,互相能听清,不受干扰;时分多址(TDMA)就是每个人都趁其他人说话的间隙说话,这样也都能听清;而码分多址(CDMA)就是大家一起说话,但每两个都用着不同的语言(英语、日语、法语、中文),这样即便在一个屋子里同时说话也能互不干扰。

FDMA、TDMA、CDMA这三兄弟大大提升了频谱利用效率,也推动了通信技术的长足发展,其实我们当前的2/3/4G的技术标准在频谱效率提升上都应用了这三项核心技术。

而5G的技术标准,按照目前的定义,叫新空口(New Radio)。这其实是2/3/4G技术的大融合,将截至目前各种技术的优势都结合在了一起,属于2/3/4G的融合升级加强版。然而,融合越多,频谱的利用率就越接近香农极限,想要进步也就越艰难。

你可能要问了,香农极限又是什么?我们再不妨提及另一位大神:克劳德·艾尔伍德·香农,他奠定了数字通信的基础。香农在1948年提出过一个著名的公式——香农定理。

5G不只是比4G多1G

香农定理

其中C为最大信息传送速率,B为信道的宽度,S为信道内所传信号的平均功率,N为信道内部的高斯噪声功率。

这是一个非常伟大的公式,因为她清晰的定义了无线通信领域理论上的传输速率由哪些因素决定以及他们之间的量化关系。对无线通信原理和技术的发展起到了巨大的推动作用,为人们如何利用有限频谱资源更快更好的传递信息指明了方向。

而这个公式另一个伟大的意义就在于可以推导出即便应用无限大的频谱带宽,传递信息的速率也是有极限的,因为噪声N会随着频谱宽度的B的扩大而扩大,使得传输速率最终达到一个极限。同时可以推导出,在给定带宽上信息传输速率所能达到的上限,并指明了达到这个上限的研究方向。这就是著名的香农极限。

这个比较抽象,如果再用道路来举例子的话,通常我们认为,假如每辆车都可以以无穷大的速度行驶,那么如果把路修的足够宽,路上的车都会以无穷大的速度行驶,但香农就证明了“即便路修的足够宽,车辆行驶速度也终究会有一个极限。同时,在有限宽的道路上,车速可以达到的上限是多少”。

而无线通信科学家们的“工作方向”,就是希望“车速”可以接近这个极限。我们前文所讲到的复用技术三兄弟(FDMA/CDMA/TDMA)以及其他一些通信编码和复用技术的研究和应用,都是为了贴近这个极限。而5G的频谱效率已经在很大程度上的接近甚至达到了香农极限。

5G的信号覆盖

如果说频谱的有效应用决定了能否让更多人传递更多的信息,那么信号覆盖则决定了我们能不能更好的传递信息。

说到信号覆盖就涉及到基站的概念了,基站就是我们通过手机连接到运营商网络的设备,连接到运营商的网络之后,我们才能实现打电话、发短信和上网。

基站与我们通过无线电信号进行连接,通常一个基站的覆盖范围是一个以基站为圆心的一个圆,在这个圆之内的手机都可以被这个基站的信号所覆盖。通常来讲,离基站近的地方信号就会好,我们上网速度就会很快,打电话也会很清楚;离基站远的地方,信号就会不好。

通常在一个基站覆盖的圆里,持有手机的人也不是均匀分布的,如果信号是均匀覆盖的,覆盖的效率就会很低,使得应该有信号的覆盖的地方信号不够强,而没有人的地方却有信号。

而在5G时代,要保证每一个基站所覆盖的用户无论距离远近,无论人们是否均匀的分布在基站覆盖的范围内,都要有大带宽和低时延的上网体验,就对信号覆盖提出了很大的技术难题,通信技术人员为了解决这些问题,进行了一些重要的技术创新:

Massive-MIMO大容量多入多出技术

目前我们手机信号连接的是运营商基站,准确的说是基站上天线,室外的天线长这样:

5G不只是比4G多1G

它们主要出没在楼顶以及信号塔上。以往一个天线可以理解成一个探照灯,通常覆盖120度角的扇面(每个基站的三个天线覆盖一个圆),被“照射”的区域就有信号,但这有一个问题:使用手机的人不会总是均匀分布在这120度角的扇面区域中,可能扎堆在一扇面中的小部分区域,这就造成了“探照灯”照射的浪费,因为它没有聚焦。

到了4G时代,我们有了“多入多出”和“波束赋形”技术,就好像将一个大的信号覆盖的天线“探照灯”变成了多个“聚光灯”,“聚光灯”可以找到这个扇形区域中手机都聚集在哪里,然后就能更为聚焦地进行信号覆盖。当前主流应用的是“4T(Transit)4R(Receive)”技术,顾名思义,就是一个天线可以有4个“聚光灯”负责向多个手机传递信号,同时有4个“聚光灯”负责接收手机上行回传到基站的信号。

而在5G阶段,由于对信号覆盖有更高的要求,当前5G全球通信设备制造商已经将5G天线的主流技术推进到了“8T8R”,但中国的华为公司已经可以做到“64T64R”(64个“聚光灯”!大概是家里有矿),远远领先于业界。

上下行解耦技术

5G应用的主流频谱是3GHz-6GHz,这个波段也被业界称为C-Band(C波段)或称黄金波段,这个波段频率很高,频率高传递的信息量就大,然而频率越高的无线电波长也越短,波越短,传递的距离就短,还容易被阻挡,衰减的非常厉害,用户体验上就会不达标。

当然,为了稳定的信号,运营商可以多多建基站。显然,这样一来工程量巨大,不仅浪费资源,多出的成本当然也会分摊到消费者头上——难道以后只有土豪用得起5G吗?

莫慌,聪明的老伙计们已经想到了迂回的解决办法。

比如华为提出的“上下行解耦”方案,可以理解为“下行5G频率,上行4G频率”。当基站向手机通信时用5G高频传输,因为基站可以加大发出的信号功率以解决信号穿透的问题。但手机的电量和功率是有限制的,所以手机向基站的上行不能通过加大信号强度解决,这时候,我们就可以让手机与基站的通信用较低的4G频段传输,4G的频段频率低,波长长,可以更好的衍射穿透障碍物。

此外,在5G上还有很多解决信号覆盖和降低建网成本的技术,比如爱立信提出的Common Platform技术,华为的Single RAN技术,以及应对室内覆盖的LampSite和DOT system技术等。

当梦想照进现实

前面我们讲到了5G的厉害之处和原理,但这些高大上的内容好像还是有些抽象,那么,5G对我们普通人来说意味着什么?

那将是——

更快的下载和上传速度。秒级下完一部高清电影。

更流畅的在线内容流。再见了,加载中的小圈圈。

更高质量的语音和视频通话。不用担心画面卡在奇怪的地方然后被对方截图了!

更多的连网设备。冰箱、空调、水表、甚至穿衣镜都能联网。

更丰富的包括自动驾驶汽车和智慧城市在内的先进技术。

……

这skr什么神仙生活呀,到底真能实现,还是科学家们为了申请经费吹出来的?

可能你还不知道,5G技术现在已经来了。

2018年2月22日在西班牙巴萨罗那,华为公司合作英国电信运营商沃达丰打通了全球5G的第一个电话。

在北京、杭州、深圳,中国三大运营商已经建成了5G的实验站点,工信部也已经完成了5G的组网测试,很快就将发布5G的频谱牌照,5G时代的来临指日可待。

人类社会建立在信息沟通的基础之上,从狼烟烽火,到邮政印刷,再到电报广播直至如今的网络通信,信息交流的领域已经覆盖全球甚至进展到了外太空。信息传输速度越快,传播的资源越丰富,我们能做到的事情就更多。我们能了解与感知的世界有多大,我们的世界就有多大,是通信技术让人类无限延伸了自己的生命。通信的发达,会带来经济效率的提高,从而从根本上改变每个人的生活。

路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。科技进步从来都是不一朝一夕,立竿见影的事情,可还是有很多人忍受着失败,误解和孤寂,历尽艰辛去寻找突破点和技术应用的方法,让我们的生活更加便捷,也让我们的时代值得被后人铭记。

当你每天用手机看头条、发微信、追美剧、刷微博、逛淘宝、扫码支付的时候,不要忘了这背后是一个个通信人的辛苦付出。

向每一位勇于探索、砥砺前行的通信人致敬!

(来源:微信公众号“果壳”;文/哪吒大魔王)

  
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