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图文详解1G是怎么进化为5G的
科技杂谈 10 天前72
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
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？
本文将详细分析无线通信的发展历程，是如何发展到如此燃爆的 5G 的
1G
1G 这个词离我们很久远很久远了，90 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，要么做最好的那一个
但是往往第一个大概率的不是最好的那一个
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 江湖大哥——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
这家伙发短信、上网、视频等等都不支持，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
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系统，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，价格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 。。。。。
当前阶段全中国呼声很高的 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，数字通信系统中，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、视频等等
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视频，还只能 打电话、发短信
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 解码成 1，或者将 1 解码成 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系统可靠的多了
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，水平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
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 只能用来发发短信，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，也能支持发短信了
通信发展到这，基本能满足远距离交流了，但是人们的欲望总是无限的
不满足于打电话，发短信
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，不同房间之间互不影响
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
因此，3G 系统是一个自干扰系统，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法西斯的军舰总是被很准确的拦截
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，能缓解一直被干扰/跟踪的问题了
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
可是仍然无法和视频的视觉冲击力相比
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，自干扰系统自然还是干扰系统，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，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 终于能看视频了
当然，4G 提升了那么多，不仅能看视频了，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
在这里先简单展望一下 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
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
一蹴而就的事是不存在的，但凡是进步的都不可避免要经历挫折和短暂倒退
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
所以，让我们期待5G的未来吧！
