一個人的氣質裡
有走過的路、讀過的書、愛過的人
5G 又經歷了哪些故事呢？
引子
一部高清電影秒秒鐘就能下載下來
遠程遊戲再也不會有卡頓和延遲的感覺了
依託 5G 也出現了一系列的新東西 ，比如，車聯網、自動駕駛、遠程控制等等
那 5G 從哪來的呢？
她經歷了怎樣的故事才走到如今的樣子？
本文將詳細分析無線通信的發展歷程，是如何發展到如此燃爆的 5G 的
1G
1G 這個詞離我們很久遠很久遠了，90 後的基本對其沒有什麼概念了
但在無線通信歷史上，它的確是坐了第一把交椅
聽過這樣一段話，不管在什麼行業裡混，要麼做第一個，要麼做最好的那一個
但是往往第一個大概率的不是最好的那一個
1G 也是如此，回過頭去看，再和當下的 5G 相比，第一代無線通信簡直弱爆了
到底弱到什麼程度呢？
先看看 1G 的代表人物，還是上篇中簡單介紹的那位江湖大哥——大哥大
看這派頭，看這個頭
大哥大隻有這樣派頭的大哥才能用得起
幾何時，通個話要用這麼大個頭的傢夥，立起來比腦袋都大
真對得起大哥大這個稱呼了
這傢夥發短信、上網、視頻等等都不支持，只能用來打個電話
為什麼呢？
很簡單，因為大哥的功能不支持 （這不廢話嘛）
的確是功能不支持，但是更深層的即使大哥功能支持，無線信號也不支持
為啥呢？
因為此時還是模擬信號，什麼叫模擬信號？
直接上圖吧
這個圖是聲波圖，就是你喊一嗓子，你的聲音在在空氣中的樣子
這麼亂套，這麼複雜
但是從來不缺少拼命硬幹的人，亂是亂點，不耽誤揭它
這時候歐洲又出了個老頭叫傅裡葉，說：
世界上所有的波形，不管它長得多難看都可以用很好看的模子給懟出來
這句話看似玄幻，卻是整個通信界的基礎，包括現在牛叉的 5G 在內
老頭的意思很明白：再難看的模樣，也是好看的基因摞出來的
要是這麼說，心裡就舒服多了
不是咱長的不漂亮，只是漂亮的基因位置摞偏了，把漂亮摞的不明顯了
他又說了，漂亮的波形是長這樣的
漂亮真不是蓋的，這就清楚多了
上面那張圖中帶稜的帶刺的波也是無數類似漂亮的波摞出來的
1G 的代表大哥就是受聲波的啟發造出來的吧
把說話的連續漂亮的波，調製到更高的頻率，通過大哥上面那根天線發射出去
就達到傳送信息的目的了
簡單的講，大哥大完成的就是這麼個簡單的任務
相比於狼煙烽火來說，這就夠先進的了，但是大哥也有一個致命的問題
發出去的時候是下圖漂亮波的模樣
在空氣中和樓、樹葉、牆各種東西碰撞後，就變形了，變成了上圖中帶刺的樣子了
顯然，把聲音撞的基因突變了
波形突變會有什麼影響呢？
影響就是這頭說的話，到那頭可能就聽不到、聽不清，甚至聽錯了
為了解決這個致命的問題，人們開始想辦法了
因此，2G 登場了
2G
2G 通信到目前為止，應該說是應用最廣泛的成熟的通信，沒有之一
有人可能會說了 4G 也很成熟，用的也很多
但是相比於曾經輝煌的 2G， 還是差一點火候的
2G 是基礎套餐，全世界人民都可以 hou 住
4G 是升級套餐，貧窮的地區和區域還是用不了
曾經全世界 50+ 億的人口，2G 手機達到近 40+ 億，覆蓋住了全球所有國家，不論貧窮的還是富有的
從服務的用戶數量來看，2G 很牛叉
再從通信方式來看，2G 一改模擬通信方式，開啟了數字通信之路
所以說 2G 是通信界的裡程碑一點都不過分
為什麼 2G 用戶這麼多呢？
第一，它是第一代數字通信系統，極大改善了 1G 模擬通信中容易聽不見、聽不清、聽錯了的致命問題
第二，手機個頭變小了，價格相對於大哥來說便宜了很多
兩條就足夠了
那麼，什麼叫數字通信呢？
數字嘛，不外乎就是 0、1、2、3 。。。。。
當前階段全中國呼聲很高的數字化轉型往簡單了說，也逃不出 1、2、3 的手掌心
但對計算機來說，它只認識 0 和 1，其他的數字不熟
因為通信中處理信號的物件也是芯片，和計算機一樣
所以，數字通信系統中，信息的載體也就只有 0 和 1 了
將語音、文字用 0 和 1 來編碼表示，就實現了通信的數字化轉型
只用 0 和 1 能表示這麼多東西嗎？語音、文字、圖片、視頻等等
答案是肯定的，畫風是下圖這樣式的
當然，在 2G 時代還無法支持到圖片和視頻，還只能打電話、發短信
把要說的話、要發的信息內容編碼成圖中 0、1 排列的樣子
不同的內容通過 0 和 1 的不同排列表示出來
把編碼後的 0、1 用圖表示出來就是這樣式的
把一句話編碼成一堆數，信號狀態就只有兩個，不是 0 就是 1
而且在編碼的過程中，還人為的加入了一些監督用的 0，1
用來糾正可能出現的將 0 解碼成 1，或者將 1 解碼成 0 的情況
這就極大的降低被翻譯錯的概率
另外，只有 0，1 表示的信息不會有噪聲的積累影響，不會把 1 疊成 3
模擬信號就不一樣了，在傳輸過程中，噪聲會不斷的改變波形的形狀，改成什麼樣，誰也說不好
所以，數字通信比模擬的通信系統可靠的多了
再從通信資源上來看，資源不過時間、頻率、空域、碼域四個領域
此時還談不上空域，因為此時還沒有多天線的概念，在上一篇中詳細的說明瞭
碼域此時也就是基本的編碼方式，還沒有深度開發該領域，到 3G 裡才在這個域裡作大文章
主要在時域和頻域折騰著分配和調度資源
圖中，水平向右在時間上切分，水平向上是在頻率上切分
二者交叉以後，就是一個一個的小格子
上面說的那些 0 ，1 就是在這些小格子裡發送的
為每個手機分配一個小格子，自己在自己的格子裡打電話，互不影響
將 5G 比較 5 行車道 ，4G 帶寬就是單行車道
而此時的 2G 裡載波寬度只有 200kHz, 是 4G 寬度的百分之一， 那就是 5G 的五百分之一
難怪 2G 只能用來發發短信，打打電話了
另外，此時還沒有 4G、5G 的基礎性底座技術OFDM，後面 4G 中將說明
因此，為了避免幹擾，在頻域不同的波之間還要用空檔隔開
這樣又要耗費一些資源，所以 2G 時代的資源利用率較低了
而且在有效利用的資源裡也遠沒有達到高的水平
所以，2G 湊合用吧，可圈可點的就是用了數字化技術，可靠性極大的提高了
打電話聽得清楚多了，也能支持發短信了
通信發展到這，基本能滿足遠距離交流了，但是人們的慾望總是無限的
不滿足於打電話，發短信
因此，又開始了新的探索（折騰）徵程
3G 登場
3G
通信由 1G 發展到 2G，使人們漲了姿勢，也嚐到了科技發展的甜頭
因此，人們繼續探索未知世界
話說，人們從未停止對未知的探索
既然在時、頻域已經很明確的分成了一個一個的小格子
暫時在這兩個領域沒什麼突破了
至於空域，人們的視野還沒有打開，還不知道多天線的性能深度
所以，此時研究重點放在了碼域
再回到通信的本質問題: 就是把信息傳遞給想傳遞的人而已
單位時間裡傳的越多越好
這樣的話，那就只有兩個目標了：
1. 增加有效通信的資源，也就是道路的寬度
2. 降低其他信號的幹擾
3G 性能的提升也不過是從這兩個方面著手
第一，帶寬變寬，這是最直接的辦法，也是最容易想到的
想要路上能跑更多的車，最直接辦法就是把路整寬一些
到了 3G 最大的傳輸帶寬從 2G 的 200KHz 提升到 5MHz，提升了 25 倍
第二，在碼域作了較大的改動和深挖
直接上圖吧
2G 的通信分了很多小格子，每個人在自己的格子裡打電話
就好像在單間、臥室、廁所裡兩兩談話，不同房間之間互不影響
雖然彼此房間之間互不幹擾，這個問題就成了用 2G 打電話，攏共分三步
先建設多個小房間
把人分配進去
最後，把房間門關上
多麼麻煩的說，到了 3G 乾脆把小房間都幹倒了
大家有話說，就直接在大廳談吧，別跑到小屋子裡悄悄去了
那麼多人兩兩進行談話，相互之間就會幹擾，想談個悄悄話，豈不是談不了了？
怎麼辦？
搞加密黑科技，人們還是很聰明的，不同的兩兩談話的對象之間規定說不同的語言不就完了
畫風是這樣的
同在一個大廳裡談話，但是不同的組用的語言不一樣
那麼相互之間不就沒有幹擾了
這一招也很漂亮
即增大了帶寬，大廳的空間肯定是比小單間也寬敞的多了 （擴大了 25 倍）
通過用不同的語言可以減少不同的談話之間的幹擾
前面講的兩個主要的問題得到了解決或者緩解了
但是幹擾仍然是沒有完全的解決掉
想象一下，兩個人用陝西話在說悄悄話，第三個人用大喇叭在兩個人旁邊用河南話廣播
雖然語言特色都很明顯，但是悄悄話仍然是聽不清的
因此，3G 系統是一個自幹擾系統，同一個小區下的手機
功率大點的會把功率小的信號淹沒掉
另外，如果水淺大哥多，大哥之間就要搶地盤了，會相互之間一直幹擾
怎麼辦？
勵志主角該登場了：
二戰時，奧地利有一個美女叫海蒂·拉瑪，人家是地道的影星
當時盟軍的魚雷去攻擊法西斯的軍艦總是被很準確的攔截
因為阿道夫的狼群潛艇能準確捕捉到發射魚雷的指令，從而提前知道了魚雷的方向
上圖中這個美女在家練習鋼琴的時候，腦洞大開
如果指令像琴鍵一樣跳著發出，就不容易被對方追蹤了
跳著發信號，能緩解一直被幹擾/跟蹤的問題了
試了一下，還真管用，攻擊目標的成功率大大提升了
這就是在 3G 和 WiFi 裡大放異彩的跳頻技術
交叉學科容易出成果，是不是從她這開始的呢？
看看人家這開了掛的人生，不僅有漂亮的皮囊，還有漂亮的瓤
這麼多新玩意的引入的確提升了通信的性能
因此，3G 時代能支持多媒體
了
但是此時，看 NBA 比賽 還只是通過不斷的刷新網頁，看實時的結果
看個 GIF 圖片，在線刷個小說還是可以支持的
可是仍然無法和視頻的視覺衝擊力相比
於是，人們又開始了新的探索之路
熟悉的主角 4G 開始登場了
4G
通信發展到這個階段，就到了我們大家所熟悉的地界了
4G， 多麼新鮮的一個詞，2014 年才開始正式挺進人們視線裡的小鮮肉
短短幾年，到 2020 年我國 4G 用戶總數達到了 12+ 億，佔移動電話用戶總數的 80% 以上
這麼火爆，人們在它身上到底折騰出了什麼新的玩法呢？
先回顧下 3G, 所有的人在一個大廳裡談話，雖然用不同的語言，還可以跳著頻率傳播
但是，自幹擾系統自然還是幹擾系統，仍然會有硬幹擾的
因此，4G 不能繼續在 3G 的基礎上往前研究了，基本沒前途
研究來研究去，人們決定 4G 還是把 3G 推倒的小房間再蓋起來吧
於是就又回到了有小隔間的時代了
事物的發展就是這樣的規律，前進中有時候不可避免的會出現挫折
還記得提升的兩個突破口嗎？
肯定上來就又是修路，加寬
你說對了，4G 從 3G 的 5MHz 的基礎上拓寬到了最大帶寬 20MHz
道路寬了 4 倍
見識了上一篇文章的分析，動不動就 幾十倍甚至上百倍的提升，4 倍的確算不得什麼
彆著急
4G 除了開寬道路之外，還在另外一個域裡折騰了，那就是最晚登場的——空域
開始搞多天線了，如果一根天線傳一路數據，那麼 8 根天線就能同時傳 8 路數據， 就是這個意思吧
手機搞到了 2 根天線，往上發可以最多發 2 路數據，基站搞 8 根天線，同時傳 8 路數據
和上面的 4 倍帶寬提升，乘在一起，相比於 3G 也有了幾十倍了
另外，就是從 1G 的分頻複用—— FDM，升級成了OFDM
多天線 + OFDM 直接成了 4G 和 5G 的技術底座了
看到了吧，下面這個圖就是 FDM，上面那個就是 OFDM
不僅把不同波之間的隔斷搞沒了
不同的波之間還能重疊，重疊不會幹擾？
搞好了，還真不會有幹擾
因為這個波的最高低正好對準了重疊波的 0 的點，0 固然是對其他沒有什麼影響
因為數字通信裡只有 0 和 1，因此只要知道波的高，低就行了，不必要知道具體的數值
那是怎麼整成這樣的呢，還是上文提到的那個叫傅裡葉的歐洲老頭 ，好事做到底，找到的處理辦法
因為實現算法較複雜了，經過一些數學變換，這裡不展開了，以後另起文詳談
這樣一整，妥妥的幾十倍的性能提升就出來了
有了這幾十倍性能增長加持，4G 終於能看視頻了
當然，4G 提升了那麼多，不僅能看視頻了，移動互聯網也正是在這基礎上起飛的
微信，支付寶，單車，網約車等，現在基本上是一機在手，說走就走了
憑藉 4G 技術的移動互聯網產業每年創造的價值數以萬億計
移動通信發展到 4G，終於見到了產值的大爆發
從 1G 研究發展到 4G 經歷了 30+ 年的時間，任何事情的發展都是要經歷一個漫長的過程
一蹴而就的急功近利是反客觀規律的
從上面的回顧中可以看出，在每一代中都是研究了自己的一套東西的
不是拍腦袋，不是心血來潮的胡想，是實打實研究的
4G 發展到現在，可以滿足人們所有的生活需求了
但是，看到無線技術能創造這麼大的社會經濟價值
人們又開始將眼光瞄準了用無線通信技術去改造工業，以期創造更大的價值
5G 就這樣走進了人們的視野裡了
5G
在這裡先簡單展望一下 5G 能幹什麼
直接上圖吧
人們把 5G 能支撐的功能分成了三個大的場景
增強的移動寬帶：針對人們的生活在 4G 基礎上繼續優質化
海量機器通信：針對物聯網爆發
超高可靠低時延：針對特殊場景，比如，工業控制、車聯網、遠程控制等
針對第一條，可以達到可以秒傳高清電影，甚至更快
針對第二條，可以達到百萬/平方公裡的聯網終端
針對第三條，可以達到毫秒級的通信時延
有了 5G 加持世界基本就變成這樣的了
期待 5G 能夠真正地實現信息隨心至，萬物觸手及的萬物互聯時代
從 1G 走到時下的 5G，無線通信走過了 40+ 年的不平凡歷程
要概括，只想說三個字：不容易
但是：
凡是唾手可得的東東，往往是沒有價值的
反過來也印證了：走了這麼久、歷經坎坷的通信，註定是價值無量的
僅從手機來看，個頭是不斷變小了
但是功能確實不斷的豐富和發展了
有人說，4G 改變了社會，5G 將改變世界
讓我們一起期待 5G 時代 萬物互聯的新世界吧
結
本文詳細的分析了無線通信從 1G 經歷了無數的風風雨雨發展到現在爆棚的 5G
從分析通信發展過程中，也悟出了點其他的道理
任何事物的發展都是要經歷萌芽、成長、修正、提升一系列過程的
一蹴而就的事是不存在的，但凡是進步的都不可避免要經歷挫折和短暫倒退
須知，歷史的車輪是在泥濘中前進的，不是在高速路上前進的
所以，讓我們期待5G的未來吧！
編輯：CHANchan
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