从1G到5G,波澜壮阔的通信发展史
一个人的气质里
有走过的路、读过的书、爱过的人
5G 又经历了哪些故事呢?
引子
在上一期的5G科普 图解:什么是 5G?中详细分析了 5G 为什么那么厉害
一部高清电影 秒秒钟 就能下载下来
远程游戏再也不会有卡顿和延迟的感觉了
依托 5G 也出现了一系列的新东西 ,比如,车联网、 自动驾驶、远程控制 等等
那 5G 从哪来的呢?
她经历了怎样的故事才走到如今的样子?
本期将详细分析无线通信的发展历程,是如何发展到如此火爆的 5G 的
1G
1G 这个词离我们很久远很久远了,90 后,00 后的基本对其没有什么概念了
但在无线通信历史上,它的确是坐了第一把交椅
听过这样一段话,不管在什么行业里混,要么做第一个,要么做**的那一个
但是往往第一个大概率的不是**的那一个
1G 也是如此,回过头去看,再和当下的 5G 相比,第一代无线通信简直弱爆了
到底弱到什么程度呢?
先看看 1G 的代表人物,还是上篇中简单介绍的那位 **大哥——大哥大
看这派头,看这个头
大哥大只有这样派头的大哥才能用得起
几何时,通个话要用这么大个头的家伙,立起来比脑袋都大
真对得起 大哥大 这个称呼了
这家伙发**、上网、**等等都不支持,只能用来打个电话
为什么呢?
很简单,因为大哥的功能不支持 (这不废话嘛)
的确是功能不支持,但是更深层的即使大哥功能支持,无线信号也不支持
为啥呢?
因为此时还是模拟信号,什么叫模拟信号?
直接上图吧
这个图是声波图,就是你喊一嗓子,你的声音在在空气中的样子
这么乱套,这么复杂
但是从来不缺少拼命硬干的人,乱是乱点,不耽误揭它
这时候欧洲又出了个老头叫 傅里叶,说:
世界上所有的波形,不管它长得多难看都可以用很好看的模子给怼出来
这句话看似玄幻,却是整个通信界的基础,包括现在牛叉的 5G 在内
老头的意思很明白:再难看的模样,也是好看的基因摞出来的
要是这么说,心里就舒服多了
不是咱长的不漂亮,只是漂亮的基因位置摞偏了,把漂亮摞的不明显了
他又说了,漂亮的波形是长这样的
漂亮真不是盖的,这就清楚多了
上面那张图中带棱的带刺的波也是无数类似漂亮的波摞出来的
1G 的代表大哥就是受声波的启发造出来的吧
把说话的连续漂亮的波,调制到更高的频率,通过大哥上面那根天线发射出去
就达到传送信息的目的了
简单的讲,大哥大完成的就是这么个简单的任务
相比于狼烟烽火来说,这就够先进的了,但是大哥也有一个致命的问题
发出去的时候是下图漂亮波的模样
在空气中和楼、树叶、墙各种东西碰撞后,就变形了,变成了上图中带刺的样子了
显然,把声音撞的基因突变了
波形突变会有什么影响呢?
影响就是这头说的话,到那头可能就听不到、听不清,甚至听错了
好端端的话硬生生地给撞成**了
不能总把黄昏恋,整成黄花菜吧
为了解决这个致命的问题,人们开始想办法了
因此,2G 登场了
2G
2G 通信到目前为止,应该说是应用最广泛的成熟的通信,没有之一
有人可能会说了 4G 也很成熟,用的也很多
但是相比于曾经辉煌的 2G, 还是差一点火候的
2G 是基础套餐,全世界人民都可以 hou 住
4G 是升级套餐,贫穷的地区和区域还是用不了
曾经全世界 50+ 亿的人口,2G 手机达到近 40+ 亿,覆盖住了全球所有国家,不论贫穷的还是富有的
从服务的用户数量来看,2G 很牛叉
再从通信方式来看,2G 一改模拟通信方式,开启了数字通信之路
所以说 2G 是通信界的里程碑一点都不过分
为什么 2G 用户这么多呢?
第一,它是第一代数字通信**,极大改善了 1G 模拟通信中容易 听不见、听不清、听错了的致命问题
第二,手机个头变小了,**相对于大哥来说便宜了很多
两条就足够了
那么,什么叫数字通信呢?
数字嘛,不外乎就是 0、1、2、3 。。。。。
当前阶段全我国呼声很高的 数字化转型 往简单了说,也逃不出 1、2、3 的手掌心
但对计算机来说,它只认识 0 和 1,其他的数字不熟
因为通信中处理信号的物件也是芯片,和计算机一样
所以,数字通信**中,信息的载体也就只有 0 和 1 了
将语音、文字用 0 和 1 来编码表示,就实现了通信的数字化转型
只用 0 和 1 能表示这么多东西吗?语音、文字、图片、**等等
答案是肯定的,画风是下图这样式的
当然,在 2G 时代还无法支持到图片和**,还只能 打电话、发**
把要说的话、要发的信息内容编码成图中 0、1 排列的样子
不同的内容通过 0 和 1 的不同排列表示出来
把编码后的 0、1 用图表示出来就是这样式的
把一句话编码成一堆数,信号状态就只有两个,不是 0 就是 1
而且在编码的过程中,还人为的加入了一些监督用的 0,1
用来纠正可能出现的将 0 **成 1,或者将 1 **成 0 的情况
这就极大的降低被翻译错的概率
另外,只有 0,1 表示的信息不会有噪声的积累影响,不会把 1 叠成 3
模拟信号就不一样了,在传输过程中,噪声会不断的改变波形的形状,改成什么样,谁也说不好
所以,数字通信比模拟的通信**可靠的多了
再从通信资源上来看,资源不过 时间、频率、空域、码域 四个领域
此时还谈不上空域,因为此时还没有多天线的概念,在上一篇中详细的说明了
码域此时也就是基本的编码方式,还没有深度开发该领域,到 3G 里才在这个域里作大文章
主要在时域和频域折腾着分配和调度资源
图中,水平向右在时间上切分,垂直向上是在频率上切分
二者交叉以后,就是一个一个的小格子
上面说的那些 0 ,1 就是在这些小格子里发送的
为每个手机分配一个小格子,自己在自己的格子里打电话,互不影响
在 图解:什么是 5G? 中,将 5G 比较 5 行车道 ,4G 带宽就是单行车道
而此时的 2G 里载波宽度只有 200kHz, 是 4G 宽度的 百分之一, 那就是 5G 的 五百分之一
难怪 2G 只能用来发发**,打打电话了
另外,此时还没有 4G、5G 的基础性底座技术 OFDM,后面 4G 中将说明
因此,为了避免干扰,在频域不同的波之间还要用空档隔开
这样又要耗费一些资源,所以 2G 时代的资源利用率较低了
而且在有效利用的资源里也远没有达到高的水平
所以,2G 凑合用吧,可圈可点的就是 用了数字化技术,可靠性极大的提高了
打电话听得清楚多了,也能支持发**了
重要的是黄花菜事件减少了很多,也算是**之美,做好事的典范了
通信发展到这,基本能满足远距离交流了,但是人们的**总是无限的
不满足于打电话,发**
因此,又开始了新的探索(折腾)征程
3G 登场
3G
通信由 1G 发展到 2G,使人们涨了姿势,也尝到了科技发展的甜头
因此,人们继续探索未知世界
话说,人们从未停止对未知的探索
既然在时、频域已经很明确的分成了一个一个的小格子
暂时在这两个领域没什么突破了
至于空域,人们的视野还没有打开,还不知道多天线的性能深度
所以,此时研究重点放在了码域
再回到通信的本质问题: 就是把信息传递给想传递的人而已
单位时间里传的越多越好
这样的话,那就只有两个目标了:
1. 增加有效通信的资源,也就是道路的宽度
2. 降低其他信号的干扰
3G 性能的提升也不过是从这两个方面着手
第一,带宽变宽,这是最直接的办法,也是最容易想到的
想要路上能跑更多的车,最直接办法就是把路整宽一些
到了 3G 最大的传输带宽从 2G 的 200KHz 提升到 5MHz,提升了 25 倍
第二,在码域作了较大的改动和深挖
直接上图吧
2G 的通信分了很多小格子,每个人在自己的格子里打电话
就好像在单间、卧室、厕所里两两谈话,不**间之间互不影响
虽然彼此房间之间互不干扰,这个问题就成了用 2G 打电话,拢共分三步
- 先建设多个小房间
- 把人分配进去
- 最后,把房间门关上
多么麻烦的说,到了 3G 干脆把小房间都干倒了
大家有话说,就直接在大厅谈吧,别跑到小屋子里悄悄去了
那么多人两两进行谈话,相互之间就会干扰,想谈个悄悄话,岂不是谈不了了?
怎么办?
搞加密黑科技,人们还是很聪明的,不同的两两谈话的对象之间规定说不同的语言不就完了
画风是这样的
同在一个大厅里谈话,但是不同的组用的语言不一样
那么相互之间不就没有干扰了
这一招也很漂亮
即增大了带宽,大厅的空间肯定是比小单间也宽敞的多了 (扩大了 25 倍)
通过用不同的语言可以减少不同的谈话之间的干扰
前面讲的两个主要的问题得到了解决或者缓解了
但是干扰仍然是没有完全的解决掉
想象一下,两个人用陕西话在说悄悄话,第三个人用大喇叭在两个人旁边用河南话广播
虽然语言特色都很明显,但是悄悄话仍然是听不清的
又掉入了整黄花菜的坑里了
因此,3G **是一个自干扰**,同一个小区下的手机
功率大点的会把功率小的信号淹没掉
另外,如果水浅大哥多,大哥之间就要抢地盘了,会相互之间一直干扰
怎么办?
励志主角该登场了:
二战时,奥地利有一个美女叫 海蒂·拉玛,人家是地道的影星
当时盟军的鱼雷去攻击***的军舰总是被很准确的**
因为阿道夫的狼群潜艇能准确捕捉到发射鱼雷的指令,从而提前知道了鱼雷的方向
上图中这个美女在家练习钢琴的时候,脑洞大开
如果指令像琴键一样跳着发出,就不容易被对方追踪了
跳着发信号,能缓解一直**扰/**的问题了
试了一下,还真管用,攻击目标的成功率大大提升了
这就是在 3G 和 WiFi 里大放异彩的 跳频技术
交叉学科容易出成果,是不是从她这开始的呢?
看看人家这开了挂的人生,不仅有漂亮的皮囊,还有漂亮的瓤
这么多新玩意的引入的确提升了通信的性能
因此,3G 时代能支持 多媒体了
但是此时,看 NBA 比赛 还只是通过不断的刷新网页,看实时的结果
看个 GIF 图片,在线刷个小说还是可以支持的
可是仍然无法和**的视觉冲击力相比
于是,人们又开始了新的探索之路
熟悉的主角 4G 开始登场了
4G
通信发展到这个阶段,就到了我们大家所熟悉的地界了
4G, 多么新鲜的一个词,2014 年才开始正式挺进人们视线里的小鲜肉
短短几年,到 2020 年我国 4G 用户总数达到了 12+ 亿,占移动电话用户总数的 80% 以上
这么火爆,人们在它身上到底折腾出了什么新的玩法呢?
先回顾下 3G, 所有的人在一个大厅里谈话,虽然用不同的语言,还可以跳着频率传播
但是,自干扰**自然还是干扰**,仍然会有硬干扰的
因此,4G 不能继续在 3G 的基础上往前研究了,基本没前途
研究来研究去,人们决定 4G 还是把 3G 推倒的小房间再盖起来吧
于是就又回到了有小隔间的时代了
事物的发展就是这样的规律,前进中有时候不可避免的会出现挫折
还记得提升的两个突破口吗?
肯定上来就又是修路,加宽
你说对了,4G 从 3G 的 5MHz 的基础上拓宽到了最大带宽 20MHz
道路宽了 4 倍
见识了上一篇文章的分析,动不动就 几十倍甚至上百倍的提升,4 倍的确算不得什么
别着急
4G 除了开宽道路之外,还在另外一个域里折腾了,那就是最晚登场的——空域
开始搞多天线了,在 图解:什么是 5G? 中详细分析了,如果一根天线传一路数据
那么 8 根天线就能同时传 8 路数据, 就是这个意思吧
手机搞到了 2 根天线,往上发可以最多发 2 路数据,基站搞 8 根天线,同时传 8 路数据
和上面的 4 倍带宽提升,乘在一起,相比于 3G 也有了几十倍了
另外,就是从 1G 的分频复用—— FDM,升级成了 OFDM
多天线 + OFDM 直接成了 4G 和 5G 的技术底座了
看到了吧,下面这个图就是 FDM,上面那个就是 OFDM
不仅把不同波之间的隔断搞没了
不同的波之间还能重叠,重叠不会干扰?
搞好了,还真不会有干扰
因为这个波的最高低正好对准了重叠波的 0 的点,0 固然是对其他没有什么影响
因为数字通信里只有 0 和 1,因此只要知道波的高,低就行了,不必要知道具体的数值
那是怎么整成这样的呢,还是上文提到的那个叫 傅里叶 的欧洲老头 ,好事做到底,找到的处理办法
因为实现算法较复杂了,经过一些数学变换,这里不展开了,以后另起文详谈
这样一整,妥妥的几十倍的性能提升就出来了
有了这几十倍性能增长加持,4G 终于能看**了
当然,4G 提升了那么多,不仅能看**了,移动互联网也正是在这基础上起飞的
微信,支付宝,单车,网约车等,现在基本上是 一机在手,说走就走了
凭借 4G 技术的移动互联网产业每年创造的价值数以 万亿计
移动通信发展到 4G,终于见到了产值的大爆发
从 1G 研究发展到 4G 经历了 30+ 年的时间,任何事情的发展都是要经历一个漫长的过程
一蹴而就的急功近利是反客观规律的
从上面的回顾中可以看出,在每一代中都是研究了自己的一套东西的
不是拍脑袋,不是心血来潮的胡想,是实打实研究的
4G 发展到现在,可以满足人们所有的生活需求了
但是,看到无线技术能创造这么大的社会经济价值
人们又开始将眼光瞄准了用无线通信技术去改造工业,以期创造更大的价值
5G 就这样走进了人们的视野里了
5G
在 图解:什么是 5G? 中, 已经详细的分析了 5G 为什么那么牛叉
这篇就先简单展望一下 5G 能干什么
直接上图吧
人们把 5G 能支撑的功能分成了三个大的场景
- 增强的移动宽带:针对人们的生活在 4G 基础上继续优质化
- 海量机器通信:针对物联网爆发
- 超高可靠低时延:针对特殊场景,比如,工业控制、车联网、远程控制等
针对第一条,可以达到 可以秒传高清电影,甚至更快
针对第二条,可以达到 百万/平方公里 的联网终端
针对第三条,可以达到 毫秒级 的通信时延
有了 5G 加持世界基本就变成这样的了
期待 5G 能够真正地实现 信息随心至,万物触手及 的万物互联时代
从 1G 走到时下的 5G,无线通信走过了 40+ 年的不平凡历程
要概括,只想说三个字:不容易
但是:
凡是唾手可得的东东,往往是没有价值的
反过来也印证了:走了这么久、历经坎坷的通信,注定是价值无量的
仅从手机来看,个头是不断变小了
但是功能确实不断的丰富和发展了
有人说,4G 改变了社会,5G 将改变世界
让我们一起期待5G 时代 万物互联的新世界吧
结尾
本文详细的分析了无线通信从 1G 经历了无数的风风雨雨发展到现在爆棚的 5G
从分析通信发展过程中,也悟出了点其他的道理
任何事物的发展都是要经历 萌芽、成长、修正、提升 一系列过程的
符合 马克思哲学 的事物发展规律
任何新事物的发展都不会是一帆风顺,都要经历
发展——挫折——改进——前进
这就是马哲学的三大支柱之一的 否定之否定 规律
在否定之否定中,不断的更新换代以精进
一蹴而就的事是不存在的,但凡是进步的都不可避免的要经历挫折和短暂**的
须知,历史的车轮是在泥泞中前进的,不是在高速路上前进的
因此,有它固有的节奏和韧性
人生何尝不是呢?
要有节奏的规划人生,急不得
要有韧性的做事,躁不得
《大傻大闹宝莱坞》中兰彻说,脚踏实地的去做,成功随带着就会来了
我国也有 你若盛开,蝴蝶自来
都是有几分道理的
还是踏实的精进才是王道,可能不会有近利,但是终会有大益
好了,这期到这,朋友们下期见
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