从电报到5G 从甚低频到太赫兹 细数无线电频谱发展史

2017-08-11  by:CAE仿真在线  来源:互联网

从电报到5G通讯,实际上是个关于频谱的故事。100多年来,如何更有效率的利用频谱,如何在有限频谱中获得更高的传输率,成为无线通讯领域众多天才和企业巨头们持续攻克的目标。电话、电报、电视、网络、手机等深刻改变人类社会发展进程的发明,精确的折射出了人类掌握和使用频谱的能力。

关于频谱的利用,不仅充满了戏剧性,还闪现出了大量奇闻轶事。爱活频谱的故事连载,将会和大家探究人类是如何一步步从电报走向了5G时代。

频谱是什么?

频谱是自然界存在的物理量,无法增加也不会减少,因此显得极度珍贵。根据国际电信联盟定义,当人类可以识别使用的电磁波频率范围从3kHz~300GHz。为了方便表述,3kHz~300GHz的频段根据频率高低被分成了VLH(甚低频)、LF(低频)、MF(中频)、HF(高频)、VHF(甚高频)、UHF(超高频)、EHF(极高频)和THF(太赫兹辐射)共8个部分。

值得注意的是,在一般情况下,频率越高穿透力越差。而频率越低所能提供的带宽越小。通讯领域有句老话——“有线的资源是无限的,而无线的资源却是有限的。” 在特定频段下,所能实现的传输速率也不是无限的,它同样受到包括信噪比、信道带宽等客观物理条件的制约。就像就像城市道路上的车一样不能想开多快就开多快,还受到道路宽度、其他车辆数量等因素影响。过去的百年间,整个通讯行业都在不断挑战极限,希望能在有限的频谱资源下获得更高的传输率,又或者进一步利用更高频率的频谱资源。

甚低频VLF与低频LF(3KHz~300KHz) ——无线应用的开端

和所有的物理量应用一样,人类在利用无线频谱上也是从低往高开始的。在国际电信联盟的定义中,3KHz~300KHz被称作甚低频和低频,这个频段极强的穿透力,波长动辄数十千米,因此可以轻易覆盖整个地球范围,因此最初就被用于航空、航海的导航。众多民航客机、轮船都通过VLF频段进行导航和管理,在这个频段上还有潜艇使用的声纳系统等。

对于科技玩家来说,近年来火热的电波对时手表所接受的电波也在此频段内。各种电波对时手表宣称的6局电波,实际上就是对应中国对时电波BPC的68.5KHz频率、日本对时电波JJY 40KHz/60KHz频率、北美地区对时电波WWVB 60KHz频率、欧洲对时电波MSF/DCF77 60KHz、77.5KHz频率共6个电波对时信号发射局,所以被称作6局电波。所以,不要以为频率低就没有高科技,再低的频率也是能派大用场的。

中频MF(300KHz~3MHz)—— 广播电台与无线电导航的命脉

如果你经常听广播电台,就一定会发现很多的广播电台都会说中波XXX这样的频率,这里所谓的中波,其实就是中频的意思。在人类成功掌握和使用甚低频和低频之后,发现无线电波还能传输声音等信息。于是中频就成了最初区域电台的首选频段。我国规定中波广播频段为525-1605KHz,间隔9KHz,所有的中波电台都必须符合此规定。

除了广播,中波还用于许多导航系统。如今民航使用的进程导航系统NDB也基于这一频率区间。

高频HF(3MHz~30MHz)—— 全球通讯的起点

在无线电广播领域,把高频称之为短波。由于高频可以通过电离层反射实现超远距离的传输而不需要发射站有极高攻略,所以在高频区间人类首次实现了覆盖全球的广播电台以及覆盖全球的通讯电台。毫不夸张的说,从高频开始,人类才第一次拥有全球无线电通讯能力。

除了国际电台等使用高频,众多军事通讯保密通讯也大多使用这个频段。二战时期众多无线电加密和通讯的谍战故事,都在高频区间展开。另一方面,ITU(国际电信联盟)为了感谢无线电爱好者的贡献,还专门规划了业余频率供无线电爱好者使用而不需要经过相关机构审批和授权。

值得一提的是,我们熟悉的RFID、NFC实际上也工作在这个频率区间。其中NFC工作在13.56MHz,而RFID还额外使用27.12MHz。之所以选择这样的频段,并非是处于增加传输距离考虑,更多的是为了降低接收器和发射器的设计难度和制造成本。

关于高频,还有一个充满神秘色彩的被称作诡异电台MDZhB的故事——从上世纪70年代开始,全球的无线电爱好者都在462.5KHz收听到了一个神秘电台。这个电台在近40年时间里持续向外界发送单调的“嗡嗡声”, 在某一天,刺耳的嗡嗡声突然消失了,取而代之的是冷冰冰的人声。“U-V-B-7-6”,一个浓重的俄罗斯口音读出了一系列代码。停顿了一下之后,嗡嗡声又响了起来。到了2002年前后,该呼号改为“MDZhB”。时至今日,你依然能通过收音机接收这个神秘电台,而关于这个电台的具体用途和到底广播的是什么内容的争论,过去40多年来从未停止。

VHF甚高频(30MHz-300MHz)——迎接电视时代

从低频到高频,我们掌握了在全球范围内传输声音和信息的方法,接下来,当然是要能实现双向沟通,最好还能看到画面。于是VHF甚高频被开发和利用。在这个频段内,FM广播、对讲机、BP寻呼机、无绳电话,无线电视纷纷登场,让普通民众第一次感受到了无线通讯的魅力,这些产品的普及也深刻的影响了社会发展。

除了普通民众熟知的广播、电视,VHF还肩负了国际海事通讯、航空导航、航空地面ATC通讯等。

UHF特高频(300MHz~3GHz)——数字通讯主干道

GSM、WCDMA、WiFI、蓝牙、GPS,你所知道的绝大部分数字无线通讯技术,都在此区间内。由于该频段应用非常密集,因此世界各国都采取了授权形式严格规范使用。该频段的国家授权许可很多时候以手机运营商牌照等形式发放。你所知道的LTE Band 1234567,实际上就是该频谱区间中每个频段的代号,不同的国家批准使用的频段不同,所以需要针对每个频段进行优化和设计。手机调制解调器一直说的全网通,实际上就是指的对不同频段、不同网络制式的支持。

为啥家里WiFi不用许可?因为各国在该频段内还定义了非授权频段——只要设备功率不超过法定规范,使用2.4GHz频段无需国家许可。现在你知道为啥WiFi、蓝牙等都喜欢扎堆2.4GHz了吧?有意思的是,微波炉也工作在2450MHz,所以也是一个非授权频段设备——在所有微波炉说明书上都有关于无线电干扰的说明,大致意思是不要将微波炉和WIFi路由器、电视等设备放在一起,否则可能会有干扰。

SHF超高频(3GHz~30GHz)—— 高速传输标配

大量的无线通讯工作在UHF频段导致了整个频段非常拥挤,因此要进一步提升传输速率,除了在调制方法和编码上获得突破之外,就只用采用更高的频段才行。从802.11n开始5GHz非授权频段就被用来实现千兆以上的WiFi速度。到了802.11ac,5GHz下更是可以实现1700Mbps的传输速度以及MU-MIMO功能,大幅提升WiFI的传输速度和承载能力。由于5GHz非授权频段带宽很大,因此在4G LTE演进中,高通还提出了授权辅助接入技术(LAA),让4G、5G网络也能借助非授权频段进一步提升传输率和承载能力。

至于广为人知的5G通讯标准,除了5G工作在原有LTE网络2.4GHz频段之前,还加入28GHz mmWave毫米波子集,以确保5G时代所制定的超高速传输率能得以实现。最先宣布量产的高通X50 Modem就能在28GHz频段下实现5Gbps的下载速度,这个速度几乎是现阶段LTE网络的10倍!

EHF极高频(30~300GHz)—— 无线新征途

在下一代WiFi标准802.11ad中直接选用了60GHz频段从而实现最大7Gbps的传输率——不要以为802.11ad距离我们很远,实际上在高通骁龙835的基带中已经加入了对802.11ad标准的支持。首款支持802.11ad标准的家用路由器Netgear Nighthawk AD7200,也已经上市了许久。

在802.11ad问世之前,Wireless HDMI标准通过60GHz频段实现了HDMI信号10米内的无线传输,而曾经热门技术Wireless USB所使用的UWB(超宽带)也同样在极高频下。尽管极高频有众多的限制,但绝对是无线通讯的又一个征途。要想实现超过10Gbps的无线通讯,就一定要充分掌握和利用EHF极高频。

THF太赫兹辐射(300GHz~3THz)—— 下一片天空

太赫兹辐射的波长为0.3~3THz (1THz=10^12Hz),上接EHF,下接红外线。该频段的电磁波已经具有了光波的种种特性,以至于THF可以像射线一样对物体进行扫描,虽然成像质量不如X射线,但是它对于物体并没有放射性作用。

THF频段与之前其他频段截然不同的特性,让THF被应用在了成像、安全方面。反倒是在通讯上并没有太多的突破。在美国本土机场使用的全身扫描仪,就基于太赫兹辐射原理。

小结:

从莫尔斯代码到5G通讯,实际上就是一部人类征服更高频段,以获得更大带宽的故事。在这个过程中,众多难关被相继克服,大量的频谱被成功开发利用,最终实现了今天的便利生活。

纵观整个频谱的故事我们不难发现,每次人类学会利用一个新波段,都会深刻的改变当时的生活和社会结构。在我们有生之年,人类能否掌握利用THF频段进行通讯?引力波是否会让电磁波走入历史?我们拭目以待。

上文的故事中,我们已经为各位讲述了从甚低频到太赫兹辐射的种种奇闻轶事,而今天,我们要回归到我们更为熟悉的领域,为各位揭开短短几十年中,模拟信号到数字信号的通讯转变,从中也记录下了人类如何走向5G时代的故事。

模拟通讯时代:随地通话的奇妙与哀愁

19世纪电报的发明,第一次将人类的信息传递速率提升至每秒30万公里,远隔七大洲五大洋的各国民族在巴别通天塔倒下后,终于有了重新交汇的可能。但谁也不会想到,短短的二十多年后,亚历山大贝尔在送话筒中喊出的第一句求助语句,会成为开启全球通讯革命的起点,有线电话从此应运而生,远隔千里之外也能让对话即时回荡耳畔。

几乎就在电话发明的100年之后的1986年,世界第一套商用移动通讯系统在芝加哥诞生,其采用模拟信号传输,将介于300Hz到3400Hz的语音转换到高频的载波频率MHz上,从而实现语音传输。至此,人类正式迈入即时语音通讯的时代,随时随地拿出拉风的大哥大拨打电话成了那个时代的标志。

然而模拟通信的弊端也非常明显,由于用户线上传送的电信号是随着用户声音大小的变化而变化的,而这个变化的电信号无论在时间上或是在幅度上都是连续的,因此模拟信号对于频谱的利用率极低,并且容易受到外界干扰,经常会遇到串号或是盗号的问题。

更为重要的是,以当时的技术水平,大哥大所采用的天线技术和模拟信号处理技术水平直接决定了产品的好坏,在厚重电池和长天线的影响下,大哥大丑陋的砖块外观不但不方便携带,续航和信号都不容乐观,用户常常需要在高处寻找信号。

虽然模拟时代的通信需要花费高额的成本,但妙不可言的通话体验却吸引了一大批拥趸,而别着急,GSM时代即将来临,他将正式开启移动通信的2G时代!

GSM一统天下:短信登上历史舞台!

GSM全名为Global System for Mobile Communications,作为第二代移动通信技术,它最初的开发目的就是让全球各地均可以使用同一个移动电话标准,甚至让用户手持一部终端就能在全球任意区域使用。

相比第一代模拟信号通信,GSM的数字通信信号是一种离散的、脉冲有无的组合形式,是负载数字信息的信号,因此GSM系统拥有出色的频谱利用率,同时每个信道的传输带宽也有所增加。反映到实际应用中,基于数字传输和更高语音编码的启用,GSM时代的信号强度和通话质量有了突飞猛进的提高,以往拿着手机到处寻找信号的情况一去不复返。

同时,更高的传输带宽也首次为手机带来了数据传输能力,虽然它的传输速率最初只有可怜的每秒9.6-14.4Kbit,但却已经足够满足文字传输的需求,而这正是短信功能实现的基础。

GSM标准所引领的2G时代,也是全球移动通信标准争夺战的开始。在GSM普及后,在欧洲以诺基亚和爱立信为首的手机产品开始攻占美国和日本市场,它们的售价不仅变得更为低廉,体积更是小到足够塞入口袋,因此仅仅不到10年之后,诺基亚就凭借塞班智能手机成为全球最大的手机制造商。

3G迎来无线浪潮:移动互联网成为可能

随着用户对于移动网络需求的不断加大,原先缓慢的GSM网络已经不足以承载,因此第三代移动通信网络标准的建立已经箭在弦上,于是乎我们熟知的WCDMA、CDMA2000以及TD-SCDMA应运而生。

事实上关于3G网络的诞生,还有个众所周知的小故事。1940年,第二次世界大战在欧洲战场打得如火如荼,美国女演员海蒂拉玛和她的作曲家丈夫为了帮助美国军方制造出能够抵抗纳粹德国电波干扰以及窃听的通信技术,首次提出了扩频以及跳频技术概念,并在随后获得了相关专利。不过随着二战的结束,海蒂拉玛的研究逐步失去了军事意义,但她绝没有想到,这两项划时代意义的技术成果会成为半个世纪后彻底改变整个世界。

在1985年,当时美国一家名不见经传的小公司基于扩频以及跳频技术开发出了一项名为CDMA的新通讯技术。在2G时代,CDMA被GSM标准压制沦为配角,但它却间接成为了3G技术的基础原理,后续的三大3G标准都受惠于此。而这家当时名不见经传的小公司正是如今大名鼎鼎的美国高通公司。

无论是WCDMA、CDMA200还是TD-SCDMA都以高速数字通讯为卖点,其中WCDMA演进的HSPA+网络甚至将下行速率提升至42Mbps,这意味着手机的高速网络时代正式开启。不过以现在的眼光来看,HSPA+网络无疑还不足以满足人类追求高速的胃口,因此在寻求更快的道路上,人类又往前前进了一大步。

4G实现融合创新:全球漫游时代来临

LTE的出现,足以令有线连接汗颜,最高100Mbps的下载速率比拨号上网快2000倍,也令我们以往畅想的高清视频通话、在线超清视频播放成为了可能。但4G时代,移动通信所带来的变化更在于通信全球化的实现,早在2G时代就提出的全球全网通终于不再是一句空口言,不管是TDD还是FDD已经不再重要,因为我们终于迎来了一个全球漫游的时代。

这样的成果自然离不开技术标准的演进以及技术厂商的努力,高通无疑功不可没。在4G时代,以高通骁龙移动平台为硬件基础,OEM厂商能够轻松生产出能够符合全球运营商LTE标准的智能手机。比如最新高通骁龙835移动平台内置的X16 LTE调制解调器为例,它不仅实现了LTE-TDD、LTE-FDD、TD-SCDMA、WCDMA、GSM、CDMA在内的全模兼容,更通吃全球所有频段,并提供VoLTE高清通话功能。

同时,4G时代LTE作为演进标准,也正迫不及待把我们导向5G时代,基于更多载波聚合的实现,如今高通X16 LTE调制解调器以及最新X20 LTE调制解调器已经实现了最高1Gbps下行传输(X20 LTE为1.2Gbps),其中,骁龙X20 LTE调制解调器能做到新的频段分配方式,主要是因为它对非授权LTE频段的灵活利用——这是一块支持LAA特性(授权辅助通信)的调制解调器,在已有的5x载波聚合支持提下,X20 LTE 调制解调器可以允许运营商只调用10MHz资源便可启动Gbps级别的LTE服务,而且还继续扩大了支持频段的范围,让这种资源聚合和分配的灵活性进一步提升。

对于这种普通用户而言,4G的普及大幅降低了流量价格,让手机看视频,视频通话稀松平常,深刻的改变了我们的生活。

5G已经上路

人类对于速度的追求永无止尽,4G时代刚刚抵达千兆速率,但以数千兆速率为目标的5G时代也已经上路,高通已经先人一步宣布了5G NR,并确定将在2017年下半年正式向合作伙伴提供全球首个支持5G标准的X50调制解调器,它将采用支持自适应波束成形和波束追踪技术的多输入多输出(MIMO)天线技术,在非视距(NLOS)环境中实现稳定、持续的移动宽带通信,最高可以实现惊人的5Gbps下行速率。

同时,5G时代所呈现的低时延、高可靠、低功耗的特点,也将有效的为车联网以及物联网行业带来新的爆发点,万物互联也将不再是一句空话。

结语

从贝尔打出人类的第一个电话,到如今即将实现的5G时代,整个过程就像是工业时代转入互联网时代的缩影,从2G时代开始,几乎每10年我们就会迎来速率提升的新浪潮,它们都彻底改变了我们的生活方式。相信在不久的将来,5G时代也将成为行业的下一个拐点,让我们拭目以待!

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