【導(dǎo)讀】從電報到5G通訊，實際上是個關(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、電視、網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)等深刻改變?nèi)祟惿鐣l(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。
關(guān)于頻譜的利用，不僅充滿了戲劇性，還閃現(xiàn)出了大量奇聞軼事。愛活頻譜的故事連載，將會和大家探究人類是如何一步步從電報走向了5G時代。
頻譜是什么？
頻譜是自然界存在的物理量，無法增加也不會減少，因此顯得極度珍貴。根據(jù)國際電信聯(lián)盟定義，當(dāng)人類可以識別使用的電磁波頻率范圍從3kHz~300GHz。為了方便表述，3kHz~300GHz的頻段根據(jù)頻率高低被分成了VLH（甚低頻）、LF（低頻）、MF（中頻）、HF（高頻）、VHF（甚高頻）、UHF（超高頻）、EHF（極高頻）和THF（太赫茲輻射）共8個部分。
值得注意的是，在一般情況下，頻率越高穿透力越差。而頻率越低所能提供的帶寬越小。通訊領(lǐng)域有句老話——“有線的資源是無限的，而無線的資源卻是有限的。” 在特定頻段下，所能實現(xiàn)的傳輸速率也不是無限的，它同樣受到包括信噪比、信道帶寬等客觀物理條件的制約。就像就像城市道路上的車一樣不能想開多快就開多快，還受到道路寬度、其他車輛數(shù)量等因素影響。過去的百年間，整個通訊行業(yè)都在不斷挑戰(zhàn)極限，希望能在有限的頻譜資源下獲得更高的傳輸率，又或者進(jìn)一步利用更高頻率的頻譜資源。
甚低頻VLF與低頻LF（3KHz~300KHz） ——無線應(yīng)用的開端
和所有的物理量應(yīng)用一樣，人類在利用無線頻譜上也是從低往高開始的。在國際電信聯(lián)盟的定義中，3KHz~300KHz被稱作甚低頻和低頻，這個頻段極強(qiáng)的穿透力，波長動輒數(shù)十千米，因此可以輕易覆蓋整個地球范圍，因此最初就被用于航空、航海的導(dǎo)航。眾多民航客機(jī)、輪船都通過VLF頻段進(jìn)行導(dǎo)航和管理，在這個頻段上還有潛艇使用的聲納系統(tǒng)等。
對于科技玩家來說，近年來火熱的電波對時手表所接受的電波也在此頻段內(nèi)。各種電波對時手表宣稱的6局電波，實際上就是對應(yīng)中國對時電波BPC的68.5KHz頻率、日本對時電波JJY 40KHz/60KHz頻率、北美地區(qū)對時電波WWVB 60KHz頻率、歐洲對時電波MSF/DCF77 60KHz、77.5KHz頻率共6個電波對時信號發(fā)射局，所以被稱作6局電波。所以，不要以為頻率低就沒有高科技，再低的頻率也是能派大用場的。
中頻MF（300KHz~3MHz）—— 廣播電臺與無線電導(dǎo)航的命脈
如果你經(jīng)常聽廣播電臺，就一定會發(fā)現(xiàn)很多的廣播電臺都會說中波XXX這樣的頻率，這里所謂的中波，其實就是中頻的意思。在人類成功掌握和使用甚低頻和低頻之后，發(fā)現(xiàn)無線電波還能傳輸聲音等信息。于是中頻就成了最初區(qū)域電臺的首選頻段。我國規(guī)定中波廣播頻段為525-1605KHz，間隔9KHz，所有的中波電臺都必須符合此規(guī)定。
除了廣播，中波還用于許多導(dǎo)航系統(tǒng)。如今民航使用的進(jìn)程導(dǎo)航系統(tǒng)NDB也基于這一頻率區(qū)間。
高頻HF（3MHz~30MHz）—— 全球通訊的起點(diǎn)
在無線電廣播領(lǐng)域，把高頻稱之為短波。由于高頻可以通過電離層反射實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的傳輸而不需要發(fā)射站有極高攻略，所以在高頻區(qū)間人類首次實現(xiàn)了覆蓋全球的廣播電臺以及覆蓋全球的通訊電臺。毫不夸張的說，從高頻開始，人類才第一次擁有全球無線電通訊能力。
除了國際電臺等使用高頻，眾多軍事通訊保密通訊也大多使用這個頻段。二戰(zhàn)時期眾多無線電加密和通訊的諜戰(zhàn)故事，都在高頻區(qū)間展開。另一方面，ITU（國際電信聯(lián)盟）為了感謝無線電愛好者的貢獻(xiàn)，還專門規(guī)劃了業(yè)余頻率供無線電愛好者使用而不需要經(jīng)過相關(guān)機(jī)構(gòu)審批和授權(quán)。
值得一提的是，我們熟悉的RFID、NFC實際上也工作在這個頻率區(qū)間。其中NFC工作在13.56MHz，而RFID還額外使用27.12MHz。之所以選擇這樣的頻段，并非是處于增加傳輸距離考慮，更多的是為了降低接收器和發(fā)射器的設(shè)計難度和制造成本。
關(guān)于高頻，還有一個充滿神秘色彩的被稱作詭異電臺MDZhB的故事——從上世紀(jì)70年代開始，全球的無線電愛好者都在462.5KHz收聽到了一個神秘電臺。這個電臺在近40年時間里持續(xù)向外界發(fā)送單調(diào)的“嗡嗡聲”， 在某一天，刺耳的嗡嗡聲突然消失了，取而代之的是冷冰冰的人聲。“U-V-B-7-6”，一個濃重的俄羅斯口音讀出了一系列代碼。停頓了一下之后，嗡嗡聲又響了起來。到了2002年前后，該呼號改為“MDZhB”。時至今日，你依然能通過收音機(jī)接收這個神秘電臺，而關(guān)于這個電臺的具體用途和到底廣播的是什么內(nèi)容的爭論，過去40多年來從未停止。
VHF甚高頻（30MHz-300MHz）——迎接電視時代
從低頻到高頻，我們掌握了在全球范圍內(nèi)傳輸聲音和信息的方法，接下來，當(dāng)然是要能實現(xiàn)雙向溝通，最好還能看到畫面。于是VHF甚高頻被開發(fā)和利用。在這個頻段內(nèi)，F(xiàn)M廣播、對講機(jī)、BP尋呼機(jī)、無繩電話，無線電視紛紛登場，讓普通民眾第一次感受到了無線通訊的魅力，這些產(chǎn)品的普及也深刻的影響了社會發(fā)展。
除了普通民眾熟知的廣播、電視，VHF還肩負(fù)了國際海事通訊、航空導(dǎo)航、航空地面ATC通訊等。
UHF特高頻（300MHz~3GHz）——數(shù)字通訊主干道
GSM、WCDMA、WiFI、藍(lán)牙、GPS，你所知道的絕大部分?jǐn)?shù)字無線通訊技術(shù)，都在此區(qū)間內(nèi)。由于該頻段應(yīng)用非常密集，因此世界各國都采取了授權(quán)形式嚴(yán)格規(guī)范使用。該頻段的國家授權(quán)許可很多時候以手機(jī)運(yùn)營商牌照等形式發(fā)放。你所知道的LTE Band 1234567，實際上就是該頻譜區(qū)間中每個頻段的代號，不同的國家批準(zhǔn)使用的頻段不同，所以需要針對每個頻段進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計。手機(jī)調(diào)制解調(diào)器一直說的全網(wǎng)通，實際上就是指的對不同頻段、不同網(wǎng)絡(luò)制式的支持。
為啥家里WiFi不用許可？因為各國在該頻段內(nèi)還定義了非授權(quán)頻段——只要設(shè)備功率不超過法定規(guī)范，使用2.4GHz頻段無需國家許可?，F(xiàn)在你知道為啥WiFi、藍(lán)牙等都喜歡扎堆2.4GHz了吧？有意思的是，微波爐也工作在2450MHz，所以也是一個非授權(quán)頻段設(shè)備——在所有微波爐說明書上都有關(guān)于無線電干擾的說明，大致意思是不要將微波爐和WIFi路由器、電視等設(shè)備放在一起，否則可能會有干擾。
SHF超高頻（3GHz~30GHz）—— 高速傳輸標(biāo)配
大量的無線通訊工作在UHF頻段導(dǎo)致了整個頻段非常擁擠，因此要進(jìn)一步提升傳輸速率，除了在調(diào)制方法和編碼上獲得突破之外，就只用采用更高的頻段才行。從802.11n開始5GHz非授權(quán)頻段就被用來實現(xiàn)千兆以上的WiFi速度。到了802.11ac，5GHz下更是可以實現(xiàn)1700Mbps的傳輸速度以及MU-MIMO功能，大幅提升WiFI的傳輸速度和承載能力。由于5GHz非授權(quán)頻段帶寬很大，因此在4G LTE演進(jìn)中，高通還提出了授權(quán)輔助接入技術(shù)（LAA），讓4G、5G網(wǎng)絡(luò)也能借助非授權(quán)頻段進(jìn)一步提升傳輸率和承載能力。
至于廣為人知的5G通訊標(biāo)準(zhǔn)，除了5G工作在原有LTE網(wǎng)絡(luò)2.4GHz頻段之前，還加入28GHz mmWave毫米波子集，以確保5G時代所制定的超高速傳輸率能得以實現(xiàn)。最先宣布量產(chǎn)的高通X50 Modem就能在28GHz頻段下實現(xiàn)5Gbps的下載速度，這個速度幾乎是現(xiàn)階段LTE網(wǎng)絡(luò)的10倍！
EHF極高頻（30~300GHz）—— 無線新征途
在下一代WiFi標(biāo)準(zhǔn)802.11ad中直接選用了60GHz頻段從而實現(xiàn)最大7Gbps的傳輸率——不要以為802.11ad距離我們很遠(yuǎn)，實際上在高通驍龍835的基帶中已經(jīng)加入了對802.11ad標(biāo)準(zhǔn)的支持。首款支持802.11ad標(biāo)準(zhǔn)的家用路由器Netgear Nighthawk AD7200，也已經(jīng)上市了許久。
在802.11ad問世之前，Wireless HDMI標(biāo)準(zhǔn)通過60GHz頻段實現(xiàn)了HDMI信號10米內(nèi)的無線傳輸，而曾經(jīng)熱門技術(shù)Wireless USB所使用的UWB（超寬帶）也同樣在極高頻下。盡管極高頻有眾多的限制，但絕對是無線通訊的又一個征途。要想實現(xiàn)超過10Gbps的無線通訊，就一定要充分掌握和利用EHF極高頻。
THF太赫茲輻射（300GHz~3THz）—— 下一片天空
太赫茲輻射的波長為0.3~3THz （1THz=10^12Hz），上接EHF，下接紅外線。該頻段的電磁波已經(jīng)具有了光波的種種特性，以至于THF可以像射線一樣對物體進(jìn)行掃描，雖然成像質(zhì)量不如X射線，但是它對于物體并沒有放射性作用。
THF頻段與之前其他頻段截然不同的特性，讓THF被應(yīng)用在了成像、安全方面。反倒是在通訊上并沒有太多的突破。在美國本土機(jī)場使用的全身掃描儀，就基于太赫茲輻射原理。
小結(jié)：
從莫爾斯代碼到5G通訊，實際上就是一部人類征服更高頻段，以獲得更大帶寬的故事。在這個過程中，眾多難關(guān)被相繼克服，大量的頻譜被成功開發(fā)利用，最終實現(xiàn)了今天的便利生活。
縱觀整個頻譜的故事我們不難發(fā)現(xiàn)，每次人類學(xué)會利用一個新波段，都會深刻的改變當(dāng)時的生活和社會結(jié)構(gòu)。在我們有生之年，人類能否掌握利用THF頻段進(jìn)行通訊？引力波是否會讓電磁波走入歷史？我們拭目以待。
上文的故事中，我們已經(jīng)為各位講述了從甚低頻到太赫茲輻射的種種奇聞軼事，而今天，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時代的故事。
模擬通訊時代：隨地通話的奇妙與哀愁
19世紀(jì)電報的發(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，從而實現(xiàn)語音傳輸。至此，人類正式邁入即時語音通訊的時代，隨時隨地拿出拉風(fēng)的大哥大撥打電話成了那個時代的標(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，而這個變化的電信號無論在時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)常會遇到串號或是盜號的問題。
更為重要的是，以當(dāng)時的技術(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。
雖然模擬時代的通信需要花費(fèi)高額的成本，但妙不可言的通話體驗卻吸引了一大批擁躉，而別著急，GSM時代即將來臨，他將正式開啟移動通信的2G時代！
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移動電話標(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，同時每個信道的傳輸帶寬也有所增加。反映到實際應(yīng)用中，基于數(shù)字傳輸和更高語音編碼的啟用，GSM時代的信號強(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，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?，而這正是短信功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。
GSM標(biāo)準(zhǔn)所引領(lǐng)的2G時代，也是全球移動通信標(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：移動互聯(lián)網(wǎng)成為可能
隨著用戶對于移動網(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。
事實上關(guān)于3G網(wǎng)絡(luò)的誕生，還有個眾所周知的小故事。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為了幫助美國軍方制造出能夠抵抗納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，這兩項劃時代意義的技術(shù)成果會成為半個世紀(jì)后徹底改變整個世界。
在1985年，當(dāng)時美國一家名不見經(jīng)傳的小公司基于擴(kuò)頻以及跳頻技術(shù)開發(fā)出了一項名為CDMA的新通訊技術(shù)。在2G時代，CDMA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實現(xiàn)融合創(chuàng)新：全球漫游時代來臨
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時代，移動通信所帶來的變化更在于通信全球化的實現(xiàn)，早在2G時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，因為我們終于迎來了一個全球漫游的時代。
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時代，以高通驍龍移動平臺為硬件基礎(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移動平臺內(nèi)置的X16 LTE調(diào)制解調(diào)器為例，它不僅實現(xiàn)了LTE-TDD、LTE-FDD、TD-SCDMA、WCDMA、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，4G時代LTE作為演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，也正迫不及待把我們導(dǎo)向5G時代，基于更多載波聚合的實現(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，主要是因為它對非授權(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)營商只調(diào)用10MHz資源便可啟動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)境中實現(xiàn)穩(wěn)定、持續(xù)的移動寬帶通信，最高可以實現(xiàn)驚人的5Gbps下行速率。
同時，5G時代所呈現(xiàn)的低時延、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電話，到如今即將實現(xiàn)的5G時代，整個過程就像是工業(yè)時代轉(zhuǎn)入互聯(lián)網(wǎng)時代的縮影，從2G時代開始，幾乎每10年我們就會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時代也將成為行業(yè)的下一個拐點(diǎn)，讓我們拭目以待！
推薦閱讀：
