頻譜的故事：從模擬信號(hào)到3G再到如今的5G網(wǎng)絡(luò)
2017-06-02 15:48:07 來(lái)源：CCTIME飛象網(wǎng) 熱度:
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(lái)，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(wú)線(xiàn)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(huà)、電報(bào)、電視、網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)等深刻改變?nèi)祟?lèi)社會(huì)發(fā)展進(jìn)程的發(fā)明，精確的折射出了人類(lèi)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(kāi)短短幾十年中，模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的通訊轉(zhuǎn)變，從中也記錄下了人類(lèi)如何走向5G時(shí)代的故事。
模擬通訊時(shí)代：隨地通話(huà)的奇妙與哀愁
19世紀(jì)電報(bào)的發(fā)明，第一次將人類(lèi)的信息傳遞速率提升至每秒30萬(wàn)公里，遠(yuǎn)隔七大洲五大洋的各國(guó)民族在巴別通天塔倒下后，終于有了重新交匯的可能。但誰(shuí)也不會(huì)想到，短短的二十多年后，亞歷山大貝爾在送話(huà)筒中喊出的第一句求助語(yǔ)句，會(huì)成為開(kāi)啟全球通訊革命的起點(diǎn)，有線(xiàn)電話(huà)從此應(yīng)運(yùn)而生，遠(yuǎn)隔千里之外也能讓對(duì)話(huà)即時(shí)回蕩耳畔。
幾乎就在電話(huà)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(hào)傳輸，將介于300Hz到3400Hz的語(yǔ)音轉(zhuǎn)換到高頻的載波頻率MHz上，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音傳輸。至此，人類(lèi)正式邁入即時(shí)語(yǔ)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(huà)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(hù)線(xiàn)上傳送的電信號(hào)是隨著用戶(hù)聲音大小的變化而變化的，而這個(gè)變化的電信號(hào)無(wú)論在時(shí)間上或是在幅度上都是連續(xù)的，因此模擬信號(hào)對(duì)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(hào)或是盜號(hào)的問(wèn)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(xiàn)技術(shù)和模擬信號(hào)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(zhǎng)天線(xiàn)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(hào)都不容樂(lè)觀，用戶(hù)常常需要在高處尋找信號(hào)。
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(huà)體驗(yàn)卻吸引了一大批擁躉，而別著急，GSM時(shí)代即將來(lái)臨，他將正式開(kāi)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(tái)！
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(kāi)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(huà)標(biāo)準(zhǔn)，甚至讓用戶(hù)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(hào)通信，GSM的數(shù)字通信信號(hào)是一種離散的、脈沖有無(wú)的組合形式，是負(fù)載數(shù)字信息的信號(hào)，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(yǔ)音編碼的啟用，GSM時(shí)代的信號(hào)強(qiáng)度和通話(huà)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(hào)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(lái)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(mǎn)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(zhēng)奪戰(zhàn)的開(kāi)始。在GSM普及后，在歐洲以諾基亞和愛(ài)立信為首的手機(jī)產(chǎn)品開(kāi)始攻占美國(guó)和日本市場(chǎng)，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(lái)無(wú)線(xiàn)浪潮：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)成為可能
隨著用戶(hù)對(duì)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(chǎng)打得如火如荼，美國(guó)女演員海蒂拉瑪和她的作曲家丈夫?yàn)榱藥椭绹?guó)軍方制造出能夠抵抗納粹德國(guó)電波干擾以及竊聽(tīng)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(zhuān)利。不過(guò)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(méi)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(guó)一家名不見(jiàn)經(jīng)傳的小公司基于擴(kuò)頻以及跳頻技術(shù)開(kāi)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(jiàn)經(jīng)傳的小公司正是如今大名鼎鼎的美國(guó)高通公司。
無(wú)論是WCDMA、CDMA200還是TD-SCDMA都以高速數(shù)字通訊為賣(mài)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(kāi)啟。不過(guò)以現(xiàn)在的眼光來(lái)看，HSPA+網(wǎng)絡(luò)無(wú)疑還不足以滿(mǎn)足人類(lèi)追求高速的胃口，因此在尋求更快的道路上，人類(lèi)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(lái)臨
LTE的出現(xiàn)，足以令有線(xiàn)連接汗顏，最高100Mbps的下載速率比撥號(hào)上網(wǎng)快2000倍，也令我們以往暢想的高清視頻通話(huà)、在線(xiàn)超清視頻播放成為了可能。但4G時(shí)代，移動(dòng)通信所帶來(lái)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(lái)了一個(gè)全球漫游的時(shí)代。
這樣的成果自然離不開(kāi)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)以及技術(shù)廠商的努力，高通無(wú)疑功不可沒(méi)。在4G時(shí)代，以高通驍龍移動(dòng)平臺(tái)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(yíng)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(tái)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(huà)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?duì)非授權(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(yíng)商只調(diào)用10MHz資源便可啟動(dòng)Gbps級(jí)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(duì)于這種普通用戶(hù)而言，4G的普及大幅降低了流量?jī)r(jià)格，讓手機(jī)看視頻，視頻通話(huà)稀松平常，深刻的改變了我們的生活。
5G已經(jīng)上路
人類(lèi)對(duì)于速度的追求永無(wú)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(xiàn)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(chē)聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)帶來(lái)新的爆發(fā)點(diǎn)，萬(wàn)物互聯(lián)也將不再是一句空話(huà)。
結(jié)語(yǔ)
從貝爾打出人類(lèi)的第一個(gè)電話(huà)，到如今即將實(shí)現(xiàn)的5G時(shí)代，整個(gè)過(guò)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(kāi)始，幾乎每10年我們就會(huì)迎來(lái)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(lái)，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！
責(zé)任編輯：吳一波
