您的位置:首页-> 科普知识 > 无线电知识 >内容

频谱的故事:从模拟信号到3G再到如今的5G网络

日期:2017年07月10日09:23 点击数:

前言:

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。

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CMDA的新通讯技术。在2G时代,CMDA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、WCDA、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!(转载:爱活网)