電磁波

要說5G，不懂點(diǎn)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(hào)、手機(jī)信號(hào)、電腦輻射、核輻射，等等。只要是波，就逃不過三個(gè)參數(shù)：波速、波長(zhǎng)、振幅。電磁波的速度是恒定的光速，因此只需考慮：波長(zhǎng)（或頻率）、振幅（不考慮方向），其中頻率對(duì)于電磁波來說，尤為重要。

頻率越高，對(duì)應(yīng)著電磁波的波長(zhǎng)越短，能量越高，衰減越快，穿透性越差，散射越少，對(duì)人體傷害越大。就著這個(gè)原則，咱從頭到尾捋一遍。

長(zhǎng)的電磁波波長(zhǎng)能到1億米，頻率3Hz，1秒鐘三個(gè)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(diǎn)的電磁波，波長(zhǎng)幾萬米，用這通信，就一個(gè)字：穩(wěn)！江河大山都擋不住，甚至能穿透幾十米深的海水（海水導(dǎo)電，是電磁波的克星）。不過就這點(diǎn)頻率，只能勉強(qiáng)攜帶點(diǎn)信息，發(fā)一個(gè)hello，大概需要半小時(shí)，也就比寫信稍微強(qiáng)點(diǎn)。因?yàn)槌�長(zhǎng)波實(shí)在是穩(wěn)，一般用在岸臺(tái)向潛艇單向發(fā)送命令。

再短點(diǎn)，幾十米波長(zhǎng)的電磁波，頻率就到了百萬赫茲MHz級(jí)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(yuǎn)，幾百公里不在話下，所以收音機(jī)廣播、電報(bào)、業(yè)余無線電一般用這個(gè)頻段。

說點(diǎn)有用的，假如你困在荒島上，有個(gè)飛機(jī)路過，趕緊用121．5MHz呼救，這是民用緊急通信頻率，還有個(gè)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(tái)軍戰(zhàn)機(jī)對(duì)峙，雙方用這個(gè)頻率對(duì)話，結(jié)果被無線電愛好者錄下來放網(wǎng)上了，吃瓜群眾喜聞樂見之余，又擔(dān)心我軍通信太容易被破解，真是阿彌陀佛了。

波長(zhǎng)再短點(diǎn)，到了1米～1厘米，就有意思了。一方面，雖然衰減已經(jīng)很明顯了，但一口氣還能跑個(gè)百十公里，夠用；另一方面，頻率到了GHz級(jí)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(gè)密什么的。所以這個(gè)波段是通信的焦點(diǎn)，什么1G2G3G4G，什么衛(wèi)星通信雷達(dá)通信，全在這，統(tǒng)稱微波通信。

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

5G同志先等等，繼續(xù)往下數(shù)，來到微米級(jí)。毫無疑問，能攜帶的信息量繼續(xù)倍增，但波長(zhǎng)0．7微米的電磁波就已經(jīng)是可見光了。可見光都見過吧，別說穿墻了，一張紙都?jí)騿�，想接著按�?G8G9G的套路肯定走不通啊。然后，就有了激光通信，發(fā)射端和接收端必須瞄得準(zhǔn)準(zhǔn)的，中間還不能有阻擋，這優(yōu)缺點(diǎn)自個(gè)兒體會(huì)體會(huì)。

波長(zhǎng)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(duì)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(shí)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(zhǎng)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(qiáng)時(shí)，紫外線通信就成了激光通信很好的補(bǔ)充，不但隱蔽性更好，還不用對(duì)得那么準(zhǔn)，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(diǎn)。

接下來就和通信無關(guān)了，波長(zhǎng)到了納米級(jí)就成了X光，就是在醫(yī)院見到的那種，這么說的話，X光其實(shí)也能叫納米技術(shù)（這是玩笑）。

最后，波長(zhǎng)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(qiáng)的能量形式之一！若是要?dú)�滅一個(gè)星系，伽馬射線是不二之選。實(shí)際上，科學(xué)家一直懷疑，超新星爆炸產(chǎn)生的伽馬射線爆已經(jīng)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(zhǎng)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(shù)字信號(hào)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(diào)幅”，基本思路是調(diào)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(jī)的AM就是調(diào)幅，缺點(diǎn)頗多。

第二種方法叫“調(diào)頻”，基本思路是調(diào)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(jī)的FM就是調(diào)頻，優(yōu)點(diǎn)多多的。

很顯然，在單位時(shí)間內(nèi)，發(fā)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(chǎn)生800萬個(gè)波，都用來表示1和0的話，1秒鐘可以傳輸100M數(shù)據(jù)，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(gè)1，0太正常了，防止走丟的土辦法就是抱團(tuán)。比如，用一萬個(gè)連續(xù)的1表示一個(gè)1，哪怕路上走丟了兩千個(gè)1，最后咱還能認(rèn)得這是1。

這種傻辦法只能用在民用通信，因?yàn)樘卣魈�明顯，很容易被破解。還記得北斗民用信號(hào)被破解的新聞吧，原因就在此。

民用信號(hào)只要能和其他信號(hào)區(qū)分開就行，不會(huì)弄得太復(fù)雜，不然傳輸效率太低。按2G技術(shù)那樣，800MHz的頻率，傳輸數(shù)據(jù)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(fù)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(shù)擴(kuò)頻技術(shù)，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(jí)破解技術(shù)還干不過頂級(jí)加密技術(shù)，這里不包括尚未成熟的量子通信。

軍事對(duì)抗是無止境的，干不過也不能認(rèn)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(duì)抗的環(huán)節(jié)，跑題了，還是說回5G。

關(guān)鍵技術(shù)

前面說的，都是不值錢的原理，下面看看值錢的技術(shù)。5G關(guān)鍵技術(shù)有一堆說法，咱給粗暴地歸個(gè)類。

振蕩電路插個(gè)天線就可以產(chǎn)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(fù)雜的組合，這個(gè)過程叫調(diào)制。對(duì)應(yīng)的，豎個(gè)天線就能收到空中的電磁波，按預(yù)定方法變回1，0，這個(gè)過程叫解調(diào)。

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

5G的第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：大規(guī)模多天線陣列。大白話就是，增加天線的數(shù)量，不是增加一個(gè)兩個(gè)，而是幾百個(gè)。這個(gè)思路很好理解，但是呢，用那么多天線發(fā)射同一個(gè)信號(hào)，稍不留神就亂成一鍋粥。

多天線加毫米波，對(duì)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(huì)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(fā)布了256大規(guī)模天線，引爆全球通信業(yè)，一時(shí)風(fēng)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(jī)的天線了，這貨也有術(shù)語：全雙工技術(shù)。

一般手機(jī)的通信天線只有一個(gè)，收發(fā)信號(hào)交替進(jìn)行，費(fèi)勁的很！全雙工技術(shù)，就是把發(fā)信號(hào)的天線和收信號(hào)的天線分開，收發(fā)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行，優(yōu)點(diǎn)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(gè)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(hào)處理，比如無源模擬對(duì)消等。

2016年4月華為宣布已于成都5G外場(chǎng)率先完成第一階段5G關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果完全達(dá)到預(yù)期。其中兩個(gè)重要驗(yàn)證就是大規(guī)模天線技術(shù)和全雙工技術(shù)。

天線搞定了，再來就是＂新多址接入技術(shù)＂，這詞聽著真拗口，別急，馬上就順了！

舉個(gè)例子

假設(shè)手機(jī)基站用100Hz表示1，105Hz表示0，這時(shí)又接進(jìn)一個(gè)新電話，那新電話的1可以用110Hz，0用115Hz，如果再來新電話，依次類推。這就是1G的思路，簡(jiǎn)稱FDMA。

這樣2個(gè)電話就用掉了從100Hz到115Hz的頻段，占用的15Hz就叫帶寬。外行也看出來了，這路子太費(fèi)帶寬了。好在那會(huì)的手機(jī)只是傳個(gè)語音，數(shù)據(jù)量不大，但也架不住手機(jī)數(shù)量的增加，很快就不夠用了！

換個(gè)思路，大家都用100Hz表示1，105Hz表示0，但是第1秒給甲用，第2秒給乙用，第3秒給丙用，只要輪換的好，5Hz的帶寬就夠3個(gè)手機(jī)用，就是延時(shí)嚴(yán)重點(diǎn)而已。這就是2G的思路，簡(jiǎn)稱TDMA。

再到后來，數(shù)據(jù)量越來越大，2G也玩不轉(zhuǎn)了。不過，只要有需求，就不怕沒套路：在各自的信號(hào)前面加上序列碼，再揉成一串發(fā)送，接收端按序列號(hào)只接受自己的信號(hào)。就好像快遞員一次性送了一疊信過來，大家按照信封上的名字打開各自的信。這就是3G的思路，簡(jiǎn)稱CDMA。本僧這把年紀(jì)的人，應(yīng)該都被聯(lián)通的CDMA廣告轟炸過吧？

再發(fā)展就是正交頻分多址技術(shù)，把2個(gè)互不干擾的正交信號(hào)揉成一串發(fā)送。所謂正交信號(hào)，和量子力學(xué)的疊加態(tài)有點(diǎn)類似。把信號(hào)疊在一起發(fā)送，就是4G的思路，簡(jiǎn)稱OFDMA。

每個(gè)終端在網(wǎng)絡(luò)上都有一個(gè)地址，所以這種讓很多手機(jī)一起打電話的技術(shù)，從1G到4G，統(tǒng)稱：多址接入技術(shù)。咱5G特別時(shí)髦，叫“新多址接入技術(shù)”，這貨怎么個(gè)“新”法呢？

稀疏碼多址接入、非正交多址接入、圖分多址接入……好吧，我承認(rèn)有點(diǎn)云里霧里了，總體思路就是疊加更多信號(hào)或者把前面的技術(shù)混到一起，這里涉及大量的數(shù)學(xué)知識(shí)，奉勸各位好自為之吧！

暫時(shí)就說這么多吧，5G要實(shí)現(xiàn)10Gb／秒的峰值速率、1百萬的連接數(shù)密度、1毫秒的時(shí)延，必須要先解決這三大關(guān)鍵技術(shù)。

2016年4月，華為的第一階段“關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證”，主要也是驗(yàn)證這仨技術(shù)。新多址接入采用濾波正交頻分復(fù)用、稀疏碼多址接入、極化碼，結(jié)合大規(guī)模天線，吞吐率提升10倍以上，在100MHz帶寬下，平均吞吐量達(dá)到3．6Gb／秒；全雙工采用了無源模擬對(duì)消、有源模擬對(duì)消和數(shù)字對(duì)消三重對(duì)消框架，可以實(shí)現(xiàn)113dB的自干擾消除能力，獲得了90％以上的吞吐率增益。

2017年6月，華為完成第二階段“多種關(guān)鍵技術(shù)融合測(cè)試及單基站性能測(cè)試”，在200MHz帶寬下，單用戶下行吞吐率超過6Gb／秒，小區(qū)峰值超過18Gb／秒，配套業(yè)內(nèi)首個(gè)小型化5G測(cè)試終端，單個(gè)5G基站可同時(shí)支持上百路超高清4K視頻。

2018年9月，華為完成第三階段“基于獨(dú)立組網(wǎng)的5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與業(yè)務(wù)流程測(cè)試”。

這三個(gè)階段測(cè)試，華為均以100％通過率順利完成。

除了三大關(guān)鍵技術(shù)之外，無數(shù)用戶要組成網(wǎng)絡(luò)，事情自然少不了。比如，分配傳輸資源和指揮交通一樣讓人頭大，一條道路分配不合理，半個(gè)城市就得跟著癱瘓，所以，華為完成關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證后，又花了2年時(shí)間才進(jìn)行獨(dú)立組網(wǎng)測(cè)試。再比如，能耗不能太離譜，價(jià)格不能高上天，諸如此類的基本要求。