從模擬信號到5G的頻譜故事

愛活網(wǎng) 06月02日 08:12 關(guān)注 確定不再關(guān)注此人嗎 確定取消

前言：

從電報(bào)到5G通訊，實(shí)際上是個(gè)關(guān)于頻譜的故事，100多年來，如何更有效率的利用頻譜，如何在有限頻譜中獲得更高的傳輸率，成為無線通訊領(lǐng)域眾多天才和企業(yè)巨頭們持續(xù)攻克的目標(biāo)。電話、電報(bào)、電視、網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)等深刻改變?nèi)祟惿鐣?huì)發(fā)展進(jìn)程的發(fā)明，精確的折射出了人類掌握和使用頻譜的能力。

今天，我們要回歸到我們更為熟悉的領(lǐng)域，為各位揭開短短幾十年中，模擬信號到數(shù)字信號的通訊轉(zhuǎn)變，從中也記錄下了人類如何走向5G時(shí)代的故事。

模擬通訊時(shí)代：隨地通話的奇妙與哀愁

19世紀(jì)電報(bào)的發(fā)明，第一次將人類的信息傳遞速率提升至每秒30萬公里，遠(yuǎn)隔七大洲五大洋的各國民族在巴別通天塔倒下后，終于有了重新交匯的可能。但誰也不會(huì)想到，短短的二十多年后，亞歷山大貝爾在送話筒中喊出的第一句求助語句，會(huì)成為開啟全球通訊革命的起點(diǎn)，有線電話從此應(yīng)運(yùn)而生，遠(yuǎn)隔千里之外也能讓對話即時(shí)回蕩耳畔。

幾乎就在電話發(fā)明的100年之后的1986年，世界第一套商用移動(dòng)通訊系統(tǒng)在芝加哥誕生，其采用模擬信號傳輸，將介于300Hz到3400Hz的語音轉(zhuǎn)換到高頻的載波頻率MHz上，從而實(shí)現(xiàn)語音傳輸。至此，人類正式邁入即時(shí)語音通訊的時(shí)代，隨時(shí)隨地拿出拉風(fēng)的大哥大撥打電話成了那個(gè)時(shí)代的標(biāo)志。

然而模擬通信的弊端也非常明顯，由于用戶線上傳送的電信號是隨著用戶聲音大小的變化而變化的，而這個(gè)變化的電信號無論在時(shí)間上或是在幅度上都是連續(xù)的，因此模擬信號對于頻譜的利用率極低，并且容易受到外界干擾，經(jīng)常會(huì)遇到串號或是盜號的問題。

更為重要的是，以當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，大哥大所采用的天線技術(shù)和模擬信號處理技術(shù)水平直接決定了產(chǎn)品的好壞，在厚重電池和長天線的影響下，大哥大丑陋的磚塊外觀不但不方便攜帶，續(xù)航和信號都不容樂觀，用戶常常需要在高處尋找信號。

雖然模擬時(shí)代的通信需要花費(fèi)高額的成本，但妙不可言的通話體驗(yàn)卻吸引了一大批擁躉，而別著急，GSM時(shí)代即將來臨，他將正式開啟移動(dòng)通信的2G時(shí)代！

GSM一統(tǒng)天下：短信登上歷史舞臺！

GSM全名為Global System for Mobile Communications，作為第二代移動(dòng)通信技術(shù)，它最初的開發(fā)目的就是讓全球各地均可以使用同一個(gè)移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)，甚至讓用戶手持一部終端就能在全球任意區(qū)域使用。

相比第一代模擬信號通信，GSM的數(shù)字通信信號是一種離散的、脈沖有無的組合形式，是負(fù)載數(shù)字信息的信號，因此GSM系統(tǒng)擁有出色的頻譜利用率，同時(shí)每個(gè)信道的傳輸帶寬也有所增加。反映到實(shí)際應(yīng)用中，基于數(shù)字傳輸和更高語音編碼的啟用，GSM時(shí)代的信號強(qiáng)度和通話質(zhì)量有了突飛猛進(jìn)的提高，以往拿著手機(jī)到處尋找信號的情況一去不復(fù)返。

同時(shí)，更高的傳輸帶寬也首次為手機(jī)帶來了數(shù)據(jù)傳輸能力，雖然它的傳輸速率最初只有可憐的每秒9.6-14.4Kbit，但卻已經(jīng)足夠滿足文字傳輸?shù)男枨螅@正是短信功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

GSM標(biāo)準(zhǔn)所引領(lǐng)的2G時(shí)代，也是全球移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)爭奪戰(zhàn)的開始。在GSM普及后，在歐洲以諾基亞和愛立信為首的手機(jī)產(chǎn)品開始攻占美國和日本市場，它們的售價(jià)不僅變得更為低廉，體積更是小到足夠塞入口袋，因此僅僅不到10年之后，諾基亞就憑借塞班智能手機(jī)成為全球最大的手機(jī)制造商。

3G迎來無線浪潮：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)成為可能

隨著用戶對于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需求的不斷加大，原先緩慢的GSM網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不足以承載，因此第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的建立已經(jīng)箭在弦上，于是乎我們熟知的WCDMA、CDMA2000以及TD-SCDMA應(yīng)運(yùn)而生。

事實(shí)上關(guān)于3G網(wǎng)絡(luò)的誕生，還有個(gè)眾所周知的小故事。1940年，第二次世界大戰(zhàn)在歐洲戰(zhàn)場打得如火如荼，美國女演員海蒂拉瑪和她的作曲家丈夫?yàn)榱藥椭绹姺街圃斐瞿軌虻挚辜{粹德國電波干擾以及竊聽的通信技術(shù)，首次提出了擴(kuò)頻以及跳頻技術(shù)概念，并在隨后獲得了相關(guān)專利。不過隨著二戰(zhàn)的結(jié)束，海蒂拉瑪?shù)难芯恐鸩绞チ塑娛乱饬x，但她絕沒有想到，這兩項(xiàng)劃時(shí)代意義的技術(shù)成果會(huì)成為半個(gè)世紀(jì)后徹底改變整個(gè)世界。

在1985年，當(dāng)時(shí)美國一家名不見經(jīng)傳的小公司基于擴(kuò)頻以及跳頻技術(shù)開發(fā)出了一項(xiàng)名為CMDA的新通訊技術(shù)。在2G時(shí)代，CMDA被GSM標(biāo)準(zhǔn)壓制淪為配角，但它卻間接成為了3G技術(shù)的基礎(chǔ)原理，后續(xù)的三大3G標(biāo)準(zhǔn)都受惠于此。而這家當(dāng)時(shí)名不見經(jīng)傳的小公司正是如今大名鼎鼎的美國高通公司。

無論是WCDMA、CDMA200還是TD-SCDMA都以高速數(shù)字通訊為賣點(diǎn)，其中WCDMA演進(jìn)的HSPA+網(wǎng)絡(luò)甚至將下行速率提升至42Mbps，這意味著手機(jī)的高速網(wǎng)絡(luò)時(shí)代正式開啟。不過以現(xiàn)在的眼光來看，HSPA+網(wǎng)絡(luò)無疑還不足以滿足人類追求高速的胃口，因此在尋求更快的道路上，人類又往前前進(jìn)了一大步。

4G實(shí)現(xiàn)融合創(chuàng)新：全球漫游時(shí)代來臨

LTE的出現(xiàn)，足以令有線連接汗顏，最高100Mbps的下載速率比撥號上網(wǎng)快2000倍，也令我們以往暢想的高清視頻通話、在線超清視頻播放成為了可能。但4G時(shí)代，移動(dòng)通信所帶來的變化更在于通信全球化的實(shí)現(xiàn)，早在2G時(shí)代就提出的全球全網(wǎng)通終于不再是一句空口言，不管是TDD還是FDD已經(jīng)不再重要，因?yàn)槲覀兘K于迎來了一個(gè)全球漫游的時(shí)代。

這樣的成果自然離不開技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)以及技術(shù)廠商的努力，高通無疑功不可沒。在4G時(shí)代，以高通驍龍移動(dòng)平臺為硬件基礎(chǔ)，OEM廠商能夠輕松生產(chǎn)出能夠符合全球運(yùn)營商LTE標(biāo)準(zhǔn)的智能手機(jī)。比如最新高通驍龍835移動(dòng)平臺內(nèi)置的X16 LTE調(diào)制解調(diào)器為例，它不僅實(shí)現(xiàn)了LTE-TDD、LTE-FDD、TD-SCDMA、WCDA、GSM、CDMA在內(nèi)的全模兼容，更通吃全球所有頻段，并提供VoLTE高清通話功能。

同時(shí)，4G時(shí)代LTE作為演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，也正迫不及待把我們導(dǎo)向5G時(shí)代，基于更多載波聚合的實(shí)現(xiàn)，如今高通X16 LTE調(diào)制解調(diào)器以及最新X20 LTE調(diào)制解調(diào)器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了最高1Gbps下行傳輸（X20 LTE為1.2Gbps），其中，驍龍X20 LTE調(diào)制解調(diào)器能做到新的頻段分配方式，主要是因?yàn)樗鼘Ψ鞘跈?quán)LTE頻段的靈活利用——這是一塊支持LAA特性（授權(quán)輔助通信）的調(diào)制解調(diào)器，在已有的5x載波聚合支持提下，X20 LTE 調(diào)制解調(diào)器可以允許運(yùn)營商只調(diào)用10MHz資源便可啟動(dòng)Gbps級別的LTE服務(wù)，而且還繼續(xù)擴(kuò)大了支持頻段的范圍，讓這種資源聚合和分配的靈活性進(jìn)一步提升。

對于這種普通用戶而言，4G的普及大幅降低了流量價(jià)格，讓手機(jī)看視頻，視頻通話稀松平常，深刻的改變了我們的生活。

5G已經(jīng)上路

人類對于速度的追求永無止盡，4G時(shí)代剛剛抵達(dá)千兆速率，但以數(shù)千兆速率為目標(biāo)的5G時(shí)代也已經(jīng)上路，高通已經(jīng)先人一步宣布了5G NR，并確定將在2017年下半年正式向合作伙伴提供全球首個(gè)支持5G標(biāo)準(zhǔn)的X50調(diào)制解調(diào)器，它將采用支持自適應(yīng)波束成形和波束追蹤技術(shù)的多輸入多輸出（MIMO）天線技術(shù)，在非視距（NLOS）環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、持續(xù)的移動(dòng)寬帶通信，最高可以實(shí)現(xiàn)驚人的5Gbps下行速率。

同時(shí)，5G時(shí)代所呈現(xiàn)的低時(shí)延、高可靠、低功耗的特點(diǎn)，也將有效的為車聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)帶來新的爆發(fā)點(diǎn)，萬物互聯(lián)也將不再是一句空話。

結(jié)語

從貝爾打出人類的第一個(gè)電話，到如今即將實(shí)現(xiàn)的5G時(shí)代，整個(gè)過程就像是工業(yè)時(shí)代轉(zhuǎn)入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的縮影，從2G時(shí)代開始，幾乎每10年我們就會(huì)迎來速率提升的新浪潮，它們都徹底改變了我們的生活方式。相信在不久的將來，5G時(shí)代也將成為行業(yè)的下一個(gè)拐點(diǎn)，讓我們拭目以待！