無線通信探究，從1G到5G（一）

電磁波

要說5G，不懂點電磁波是不行的。提問：仙人掌能防電腦輻射嗎？知道答案的大盆友直接看后半篇，下面這段寫給小盆友。

日常生活中，除了原子電子之外，剩下的幾乎全是電磁波，紅外線、紫外線、太陽光、電燈光、wifi信號、手機信號、電腦輻射、核輻射，等等。只要是波，就逃不過三個參數：波速、波長、振幅。電磁波的速度是恒定的光速，因此只需考慮：波長（或頻率）、振幅（不考慮方向），其中頻率對于電磁波來說，尤為重要。

頻率越高，對應著電磁波的波長越短，能量越高，衰減越快，穿透性越差，散射越少，對人體傷害越大。就著這個原則，咱從頭到尾捋一遍。

長的電磁波波長能到1億米，頻率3Hz，1秒鐘三個波，如果用來通信的話，等你一句話說完，就可以過年了。

稍微正常點的電磁波，波長幾萬米，用這通信，就一個字：穩！江河大山都擋不住，甚至能穿透幾十米深的海水（海水導電，是電磁波的克星）。不過就這點頻率，只能勉強攜帶點信息，發一個hello，大概需要半小時，也就比寫信稍微強點。因為超長波實在是穩，一般用在岸臺向潛艇單向發送命令。

再短點，幾十米波長的電磁波，頻率就到了百萬赫茲MHz級別，能攜帶的信息就很可觀了，一句話至少能說利索了。而且照樣還能跑很遠，幾百公里不在話下，所以收音機廣播、電報、業余無線電一般用這個頻段。

說點有用的，假如你困在荒島上，有個飛機路過，趕緊用121．5MHz呼救，這是民用緊急通信頻率，還有個軍用緊急通信頻率243MHz，這些都是不加密的公共頻率。上次解放軍和臺軍戰機對峙，雙方用這個頻率對話，結果被無線電愛好者錄下來放網上了，吃瓜群眾喜聞樂見之余，又擔心我軍通信太容易被破解，真是阿彌陀佛了。

波長再短點，到了1米～1厘米，就有意思了。一方面，雖然衰減已經很明顯了，但一口氣還能跑個百十公里，夠用；另一方面，頻率到了GHz級別，能攜帶足夠多的信息，不但話能說利索了，還有多余功夫讓你加個密什么的。所以這個波段是通信的焦點，什么1G2G3G4G，什么衛星通信雷達通信，全在這，統稱微波通信。

到了毫米級，電磁波就跑不了多遠了，雖然毫米波不太發散，但很容易被周邊物質吸收或反射，幾乎沒啥穿透性，用來通信很雞肋，不過用在導彈導引雷達或微波爐上棒棒的。但，畢竟頻率超過了30GHz，攜帶的信息量實在太饞人，要不還是試試吧！于是，5G來了。

5G同志先等等，繼續往下數，來到微米級。毫無疑問，能攜帶的信息量繼續倍增，但波長0．7微米的電磁波就已經是可見光了。可見光都見過吧，別說穿墻了，一張紙都夠嗆，想接著按照7G8G9G的套路肯定走不通啊。然后，就有了激光通信，發射端和接收端必須瞄得準準的，中間還不能有阻擋，這優缺點自個兒體會體會。

波長到了0．3微米，也就是300納米，先別管頻率的事了，這玩意兒就是我們熟知的紫外線，終于對人體有害了。太陽光里的紫外線大約占了4％，如果你一天能曬上半小時太陽的話，那么前面提到的那些電磁波輻射基本可以無視了（不要鉆電磁共振的牛角尖，咱只說普遍情況）。

波長200納米的紫外線，在太陽光中幾乎是沒有的，所以在陽光太強時，紫外線通信就成了激光通信很好的補充，不但隱蔽性更好，還不用對得那么準，在幾公里的距離上非常好用，是近些年軍事通信的研究熱點。

接下來就和通信無關了，波長到了納米級就成了X光，就是在醫院見到的那種，這么說的話，X光其實也能叫納米技術（這是玩笑）。

最后，波長短到了0．01納米以下，這就是聞之色變的伽馬射線，來自核輻射，全宇宙最強的能量形式之一！若是要毀滅一個星系，伽馬射線是不二之選。實際上，科學家一直懷疑，超新星爆炸產生的伽馬射線爆已經毀滅了絕大部分的宇宙文明，好在太陽系處于比較角落的地帶，周邊恒星不多。

終于說完了波長頻率，那振幅呢？連仙人掌能不能防輻射都不知道，也就沒必要了解振幅的含義了，直接跳過。

1和0

回到微波通信。

為什么頻率越高，能攜帶的信息就越多？以數字信號為例，信息就是一串串的1和0，所以先搞清楚怎樣用電磁波表示1和0。

第一種方法叫“調幅”，基本思路是調整電磁波的振幅，振幅大的表示1，振幅小的表示0，如下圖。收音機的AM就是調幅，缺點頗多。

第二種方法叫“調頻”，基本思路是調整頻率來表示1和0，比如，用密集的波形表示1，疏松的波形表示0。收音機的FM就是調頻，優點多多的。

很顯然，在單位時間內，發出的波越多，能表示的1和0就越多，換句話說，頻率越高能攜帶的信息就越多。

這樣算起來，頻率800MHz意味著每秒產生800萬個波，都用來表示1和0的話，1秒鐘可以傳輸100M數據，這速度很快啊！為啥我們感覺不到呢？

古語有云，重要的事情說三遍，通信也是如此。無線電拔山涉水，弄丟幾個1，0太正常了，防止走丟的土辦法就是抱團。比如，用一萬個連續的1表示一個1，哪怕路上走丟了兩千個1，最后咱還能認得這是1。

這種傻辦法只能用在民用通信，因為特征太明顯，很容易被破解。還記得北斗民用信號被破解的新聞吧，原因就在此。

民用信號只要能和其他信號區分開就行，不會弄得太復雜，不然傳輸效率太低。按2G技術那樣，800MHz的頻率，傳輸數據大不過每秒幾十K。

軍用就兩碼事了，為了防止被破解，要用很復雜的組合來表示1和0，中間說不定還有很多無效信息，各種跳頻技術擴頻技術，還不停變換組合，總之越花哨越好。所以同樣一句話，軍事通信要用掉更多的1，0，因此為了保證傳輸效率，軍用頻率就比民用高很多。

就目前來說，頂級破解技術還干不過頂級加密技術，這里不包括尚未成熟的量子通信。

軍事對抗是無止境的，干不過也不能認慫！那怎辦？既然弄不清楚你的1，0，那我就索性再送你一堆1，0，把你原有的組合搞亂，讓你自己人都懵逼。這就是電子對抗的環節，跑題了，還是說回5G。

關鍵技術

前面說的，都是不值錢的原理，下面看看值錢的技術。5G關鍵技術有一堆說法，咱給粗暴地歸個類。

振蕩電路插個天線就可以產生電磁波，用特定方法改變電磁波的頻率或振幅，變成各種復雜的組合，這個過程叫調制。對應的，豎個天線就能收到空中的電磁波，按預定方法變回1，0，這個過程叫解調。

把電磁波發到空中，或者把空中的電磁波收下來，都需要天線，別以為現在手機光溜溜的就不需要天線了。手機與手機是無法直接通信的，而是通過周邊的基站與別的手機聯系。于是，問題來了，5G使用的毫米波在空氣中衰減非常嚴重，但又不能無限制提高發射功率，怎么辦呢？只能在天線上做文章了。

5G的第一個關鍵技術：大規模多天線陣列。大白話就是，增加天線的數量，不是增加一個兩個，而是幾百個。這個思路很好理解，但是呢，用那么多天線發射同一個信號，稍不留神就亂成一鍋粥。

多天線加毫米波，對比原先的少天線加厘米波，無線電傳播的物理特征肯定不一樣，得重新建立信道模型。那信道模型怎么建立呢？相信我，你不會感興趣的。

天線一多，不但能解決毫米波衰減的問題，傳輸效率、抗干擾等性能也是蹭蹭漲，算是5G必須課。

曾與華為齊名的大唐電信于2015年率先發布了256大規模天線，引爆全球通信業，一時風光無限！可惜后來突然閃崩，淪落到賣科研大樓求生，令人唏噓！

基站天線搞定，下面就輪到終端機的天線了，這貨也有術語：全雙工技術。

一般手機的通信天線只有一個，收發信號交替進行，費勁的很！全雙工技術，就是把發信號的天線和收信號的天線分開，收發信號同時進行，優點就不說了。不過，這很難嗎？

你想想，把話筒和音響挨在一起，還要求兩者能正常工作，你說難嗎？大體上分兩個思路，其一，物理方法，比如在倆天線之間加屏蔽材料；其二，信號處理，比如無源模擬對消等。

2016年4月華為宣布已于成都5G外場率先完成第一階段5G關鍵技術驗證，測試結果完全達到預期。其中兩個重要驗證就是大規模天線技術和全雙工技術。

天線搞定了，再來就是＂新多址接入技術＂，這詞聽著真拗口，別急，馬上就順了！