關(guān)于頻譜的利用，不僅充滿(mǎn)了戲劇性，還閃現出了大量奇聞軼事。愛(ài)活頻譜的故事連載，將會(huì )和大家探究人類(lèi)是如何一步步從電報走向了5G時(shí)代。

 

 

頻譜是自然界存在的物理量，無(wú)法增加也不會(huì )減少，因此顯得極度珍貴。根據國際電信聯(lián)盟定義，當人類(lèi)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(gè)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(huà)——“有線(xiàn)的資源是無(wú)限的，而無(wú)線(xiàn)的資源卻是有限的。” 在特定頻段下，所能實(shí)現的傳輸速率也不是無(wú)限的，它同樣受到包括信噪比、信道帶寬等客觀(guān)物理條件的制約。就像就像城市道路上的車(chē)一樣不能想開(kāi)多快就開(kāi)多快，還受到道路寬度、其他車(chē)輛數量等因素影響。過(guò)去的百年間，整個(gè)通訊行業(yè)都在不斷挑戰極限，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。

 

 

 

和所有的物理量應用一樣，人類(lèi)在利用無(wú)線(xiàn)頻譜上也是從低往高開(kāi)始的。在國際電信聯(lián)盟的定義中，3KHz~300KHz被稱(chēng)作甚低頻和低頻，這個(gè)頻段極強的穿透力，波長(cháng)動(dòng)輒數十千米，因此可以輕易覆蓋整個(gè)地球范圍，因此最初就被用于航空、航海的導航。眾多民航客機、輪船都通過(guò)VLF頻段進(jìn)行導航和管理，在這個(gè)頻段上還有潛艇使用的聲納系統等。

 

 

對于科技玩家來(lái)說(shuō)，近年來(lái)火熱的電波對時(shí)手表所接受的電波也在此頻段內。各種電波對時(shí)手表宣稱(chēng)的6局電波，實(shí)際上就是對應中國對時(shí)電波BPC的68.5KHz頻率、日本對時(shí)電波JJY 40KHz/60KHz頻率、北美地區對時(shí)電波WWVB 60KHz頻率、歐洲對時(shí)電波MSF/DCF77 60KHz、77.5KHz頻率共6個(gè)電波對時(shí)信號發(fā)射局，所以被稱(chēng)作6局電波。所以，不要以為頻率低就沒(méi)有高科技，再低的頻率也是能派大用場(chǎng)的。

 

 

如果你經(jīng)常聽(tīng)廣播電臺，就一定會(huì )發(fā)現很多的廣播電臺都會(huì )說(shuō)中波XXX這樣的頻率，這里所謂的中波，其實(shí)就是中頻的意思。在人類(lèi)成功掌握和使用甚低頻和低頻之后，發(fā)現無(wú)線(xiàn)電波還能傳輸聲音等信息。于是中頻就成了最初區域電臺的首選頻段。我國規定中波廣播頻段為525-1605KHz，間隔9KHz，所有的中波電臺都必須符合此規定。

 

 

除了廣播，中波還用于許多導航系統。如今民航使用的進(jìn)程導航系統NDB也基于這一頻率區間。

 

 

在無(wú)線(xiàn)電廣播領(lǐng)域，把高頻稱(chēng)之為短波。由于高頻可以通過(guò)電離層反射實(shí)現超遠距離的傳輸而不需要發(fā)射站有極高攻略，所以在高頻區間人類(lèi)首次實(shí)現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(shuō)，從高頻開(kāi)始，人類(lèi)才第一次擁有全球無(wú)線(xiàn)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(gè)頻段。二戰時(shí)期眾多無(wú)線(xiàn)電加密和通訊的諜戰故事，都在高頻區間展開(kāi)。另一方面，ITU（國際電信聯(lián)盟）為了感謝無(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者的貢獻，還專(zhuān)門(mén)規劃了業(yè)余頻率供無(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者使用而不需要經(jīng)過(guò)相關(guān)機構審批和授權。

 

 

值得一提的是，我們熟悉的RFID、NFC實(shí)際上也工作在這個(gè)頻率區間。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)射器的設計難度和制造成本。

 

 

關(guān)于高頻，還有一個(gè)充滿(mǎn)神秘色彩的被稱(chēng)作詭異電臺MDZhB的故事——從上世紀70年代開(kāi)始，全球的無(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者都在462.5KHz收聽(tīng)到了一個(gè)神秘電臺。這個(gè)電臺在近40年時(shí)間里持續向外界發(fā)送單調的“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(gè)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(lái)。到了2002年前后，該呼號改為“MDZhB”。時(shí)至今日，你依然能通過(guò)收音機接收這個(gè)神秘電臺，而關(guān)于這個(gè)電臺的具體用途和到底廣播的是什么內容的爭論，過(guò)去40多年來(lái)從未停止。

 

 

從低頻到高頻，我們掌握了在全球范圍內傳輸聲音和信息的方法，接下來(lái)，當然是要能實(shí)現雙向溝通，最好還能看到畫(huà)面。于是VHF甚高頻被開(kāi)發(fā)和利用。在這個(gè)頻段內，FM廣播、對講機、BP尋呼機、無(wú)繩電話(huà)，無(wú)線(xiàn)電視紛紛登場(chǎng)，讓普通民眾第一次感受到了無(wú)線(xiàn)通訊的魅力，這些產(chǎn)品的普及也深刻的影響了社會(huì )發(fā)展。

 

 

除了普通民眾熟知的廣播、電視，VHF還肩負了國際海事通訊、航空導航、航空地面ATC通訊等。

 

 

 

GSM、WCDMA、WiFI、藍牙、GPS，你所知道的絕大部分數字無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，都在此區間內。由于該頻段應用非常密集，因此世界各國都采取了授權形式嚴格規范使用。該頻段的國家授權許可很多時(shí)候以手機運營(yíng)商牌照等形式發(fā)放。你所知道的LTE Band 1234567，實(shí)際上就是該頻譜區間中每個(gè)頻段的代號，不同的國家批準使用的頻段不同，所以需要針對每個(gè)頻段進(jìn)行優(yōu)化和設計。手機調制解調器一直說(shuō)的全網(wǎng)通，實(shí)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還定義了非授權頻段——只要設備功率不超過(guò)法定規范，使用2.4GHz頻段無(wú)需國家許可?，F在你知道為啥WiFi、藍牙等都喜歡扎堆2.4GHz了吧？有意思的是，微波爐也工作在2450MHz，所以也是一個(gè)非授權頻段設備——在所有微波爐說(shuō)明書(shū)上都有關(guān)于無(wú)線(xiàn)電干擾的說(shuō)明，大致意思是不要將微波爐和WIFi路由器、電視等設備放在一起，否則可能會(huì )有干擾。

 

 

大量的無(wú)線(xiàn)通訊工作在UHF頻段導致了整個(gè)頻段非常擁擠，因此要進(jìn)一步提升傳輸速率，除了在調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(kāi)始5GHz非授權頻段就被用來(lái)實(shí)現千兆以上的WiFi速度。到了802.11ac，5GHz下更是可以實(shí)現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非授權頻段帶寬很大，因此在4G LTE演進(jìn)中，高通還提出了授權輔助接入技術(shù)（LAA），讓4G、5G網(wǎng)絡(luò )也能借助非授權頻段進(jìn)一步提升傳輸率和承載能力。

 

 

至于廣為人知的5G通訊標準，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(shí)代所制定的超高速傳輸率能得以實(shí)現。最先宣布量產(chǎn)的高通X50 Modem就能在28GHz頻段下實(shí)現5Gbps的下載速度，這個(gè)速度幾乎是現階段LTE網(wǎng)絡(luò )的10倍！

 

 

在下一代WiFi標準802.11ad中直接選用了60GHz頻段從而實(shí)現最大7Gbps的傳輸率——不要以為802.11ad距離我們很遠，實(shí)際上在高通驍龍835的基帶中已經(jīng)加入了對802.11ad標準的支持。首款支持802.11ad標準的家用路由器Netgear Nighthawk AD7200，也已經(jīng)上市了許久。

 

 

在802.11ad問(wèn)世之前，Wireless HDMI標準通過(guò)60GHz頻段實(shí)現了HDMI信號10米內的無(wú)線(xiàn)傳輸，而曾經(jīng)熱門(mén)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(wú)線(xiàn)通訊的又一個(gè)征途。要想實(shí)現超過(guò)10Gbps的無(wú)線(xiàn)通訊，就一定要充分掌握和利用EHF極高頻。

 

 

太赫茲輻射的波長(cháng)為0.3~3THz （1THz=10^12Hz），上接EHF，下接紅外線(xiàn)。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(xiàn)一樣對物體進(jìn)行掃描，雖然成像質(zhì)量不如X射線(xiàn)，但是它對于物體并沒(méi)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被應用在了成像、安全方面。反倒是在通訊上并沒(méi)有太多的突破。在美國本土機場(chǎng)使用的全身掃描儀，就基于太赫茲輻射原理。

 

 

從莫爾斯代碼到5G通訊，實(shí)際上就是一部人類(lèi)征服更高頻段，以獲得更大帶寬的故事。在這個(gè)過(guò)程中，眾多難關(guān)被相繼克服，大量的頻譜被成功開(kāi)發(fā)利用，最終實(shí)現了今天的便利生活。

 

 

縱觀(guān)整個(gè)頻譜的故事我們不難發(fā)現，每次人類(lèi)學(xué)會(huì )利用一個(gè)新波段，都會(huì )深刻的改變當時(shí)的生活和社會(huì )結構。在我們有生之年，人類(lèi)能否掌握利用THF頻段進(jìn)行通訊？引力波是否會(huì )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(kāi)短短幾十年中，模擬信號到數字信號的通訊轉變，從中也記錄下了人類(lèi)如何走向5G時(shí)代的故事。

 

 

 

19世紀電報的發(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(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)從此應運而生，遠隔千里之外也能讓對話(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)通訊系統在芝加哥誕生，其采用模擬信號傳輸，將介于300Hz到3400Hz的語(yǔ)音轉換到高頻的載波頻率MHz上，從而實(shí)現語(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)上傳送的電信號是隨著(zhù)用戶(hù)聲音大小的變化而變化的，而這個(gè)變化的電信號無(wú)論在時(shí)間上或是在幅度上都是連續的，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(huì )遇到串號或是盜號的問(wèn)題。

 

更為重要的是，以當時(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(cháng)天線(xiàn)的影響下，大哥大丑陋的磚塊外觀(guān)不但不方便攜帶，續航和信號都不容樂(lè )觀(guān)，用戶(hù)常常需要在高處尋找信號。

 

 

雖然模擬時(shí)代的通信需要花費高額的成本，但妙不可言的通話(huà)體驗卻吸引了一大批擁躉，而別著(zhù)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)標準，甚至讓用戶(hù)手持一部終端就能在全球任意區域使用。

 

 

相比第一代模擬信號通信，GSM的數字通信信號是一種離散的、脈沖有無(wú)的組合形式，是負載數字信息的信號，因此GSM系統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)際應用中，基于數字傳輸和更高語(yǔ)音編碼的啟用，GSM時(shí)代的信號強度和通話(huà)質(zhì)量有了突飛猛進(jìn)的提高，以往拿著(zhù)手機到處尋找信號的情況一去不復返。

 

 

同時(shí)，更高的傳輸帶寬也首次為手機帶來(lái)了數據傳輸能力，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)足文字傳輸的需求，而這正是短信功能實(shí)現的基礎。

 

GSM標準所引領(lǐng)的2G時(shí)代，也是全球移動(dòng)通信標準爭奪戰的開(kāi)始。在GSM普及后，在歐洲以諾基亞和愛(ài)立信為首的手機產(chǎn)品開(kāi)始攻占美國和日本市場(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成為全球最大的手機制造商。

 

 

 

隨著(zhù)用戶(hù)對于移動(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 )標準的建立已經(jīng)箭在弦上，于是乎我們熟知的WCDMA、CDMA2000以及TD-SCDMA應運而生。

 

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，第二次世界大戰在歐洲戰場(chǎng)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(tīng)的通信技術(shù)，首次提出了擴頻以及跳頻技術(shù)概念，并在隨后獲得了相關(guān)專(zhuān)利。不過(guò)隨著(zhù)二戰的結束，海蒂拉瑪的研究逐步失去了軍事意義，但她絕沒(méi)有想到，這兩項劃時(shí)代意義的技術(shù)成果會(huì )成為半個(gè)世紀后徹底改變整個(gè)世界。

 

 

在1985年，當時(shí)美國一家名不見(jiàn)經(jīng)傳的小公司基于擴頻以及跳頻技術(shù)開(kāi)發(fā)出了一項名為CDMA的新通訊技術(shù)。在2G時(shí)代，CDMA被GSM標準壓制淪為配角，但它卻間接成為了3G技術(shù)的基礎原理，后續的三大3G標準都受惠于此。而這家當時(shí)名不見(jiàn)經(jīng)傳的小公司正是如今大名鼎鼎的美國高通公司。

 

 

無(wú)論是WCDMA、CDMA200還是TD-SCDMA都以高速數字通訊為賣(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(zhù)手機的高速網(wǎng)絡(luò )時(shí)代正式開(kāi)啟。不過(guò)以現在的眼光來(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。

 

 

LTE的出現，足以令有線(xiàn)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(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，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，因為我們終于迎來(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)標準的演進(jìn)以及技術(shù)廠(chǎng)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)平臺為硬件基礎，OEM廠(chǎng)商能夠輕松生產(chǎn)出能夠符合全球運營(yíng)商LTE標準的智能手機。比如最新高通驍龍835移動(dòng)平臺內置的X16 LTE調制解調器為例，它不僅實(shí)現了LTE-TDD、LTE-FDD、TD-SCDMA、WCDMA、GSM、CDMA在內的全模兼容，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)標準，也正迫不及待把我們導向5G時(shí)代，基于更多載波聚合的實(shí)現，如今高通X16 LTE調制解調器以及最新X20 LTE調制解調器已經(jīng)實(shí)現了最高1Gbps下行傳輸（X20 LTE為1.2Gbps），其中，驍龍X20 LTE調制解調器能做到新的頻段分配方式，主要是因為它對非授權LTE頻段的靈活利用——這是一塊支持LAA特性（授權輔助通信）的調制解調器，在已有的5x載波聚合支持提下，X20 LTE 調制解調器可以允許運營(yíng)商只調用10MHz資源便可啟動(dòng)Gbps級別的LTE服務(wù)，而且還繼續擴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(hù)而言，4G的普及大幅降低了流量?jì)r(jià)格，讓手機看視頻，視頻通話(huà)稀松平常，深刻的改變了我們的生活。

 

 

人類(lèi)對于速度的追求永無(wú)止盡，4G時(shí)代剛剛抵達千兆速率，但以數千兆速率為目標的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標準的X50調制解調器，它將采用支持自適應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)現穩定、持續的移動(dòng)寬帶通信，最高可以實(shí)現驚人的5Gbps下行速率。

 

 

同時(shí)，5G時(shí)代所呈現的低時(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)。

 

 

 

 

從貝爾打出人類(lèi)的第一個(gè)電話(huà)，到如今即將實(shí)現的5G時(shí)代，整個(gè)過(guò)程就像是工業(yè)時(shí)代轉入互聯(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！