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從1G到4G:無線通信原理淺析

1G——2G——2.5G——3G——4G

讓我們從壹個電磁波開始

我們知道,隨時間變化的電場產生磁場 , 隨時間變化的磁場產生電場,兩者互為因果,形成電磁場。電磁場總是以光速向四周傳播,形成電磁波。

但是有壹個問題, 傳輸距離短 ,這些電磁波往往是低頻的,發射能力很弱,所以我們需要找壹些高頻信號把這些低頻信號載到遙遠的地方。像這樣把低頻信號加載到高頻信號上去,叫做調制,他的反過程叫做解調。好,現在我們可以發射信號了

還有壹個問題, 信號衰減 ,怎麽辦?不能增加發射功率,那樣只能讓手機越做越大,要用蜂窩。每個蜂窩中有壹個基站,對信號進行放大增強。為了不沖突,相鄰的蜂窩之間不能使用相同頻段的信號(相同頻段,互相幹擾,所以在蜂窩之上進行跳頻傳輸)

有了這些理論,我們的1G網絡誕生了。1G網絡傳輸的是模擬信號,他采集到模擬信號,經過放大加強,調制之後發射出去,然後通過蜂窩進行傳輸。

簡易的振蕩發射電路,(聲音采集,放大,調制)它可以用作無線麥克,無線遙控和竊聽,1G網絡最經典的應用就是大哥大。模擬信號手機,9字頭的號碼,只能打電話,不可以互通短信。當時的大哥大設備極其昂貴,只有香港的大哥們用得起,所以江湖人稱大哥大,絕對是身份與地位的象征,在當時的上流社會,就像阿瑪尼壹樣流行。

但是大哥大有壹個特性十分令人憂傷,就是 1G網絡通話不能保密 ,只要我們用壹個振蕩電路,調到相應的頻率,就可以竊聽語音通話,商業洽談,私人聚會,情侶之間,都可以,甚至有私家偵探通過竊聽大哥大來調查婚外情。日本作家東野圭吾還以這種竊聽為原型寫了壹本懸疑書,叫做《嫌疑人X的現身》。 被人竊聽,這實在是太糟糕了。另外通話質量差,不能提供數據業務都昭示著它終將被時代所淘汰,成為歷史。

那麽怎麽保密呢, 電磁波整段傳輸十分容易被竊聽 ,壹位科學家就想,可不可以把它化整為零,切成小的數據塊在不同的頻段和時段來傳輸呢。這就的是數字通信的雛形。這位科學家沒有想到,這樣壹個簡單的想法,竟給通信領域帶來了翻天覆地的變革。

數字信號產生,很簡單,就是對模擬信號進行采樣量化, 采樣頻率是指壹秒鐘內采樣的次數。量化位數是對信號的幅度進行數字化。位數越高越接近原始的波形。

而量化采樣所帶來的問題就是 失真 ,那麽如何保真?

GSM解決了1G網絡的所有疑難雜癥,他使用13和15字頭的號碼,抗幹擾能力強,安全性高,支持低速數據業務(比如瀏覽網站,短信和彩信),但是這壹切依舊不能改變 GSM效率低下 的事實。

GSM網絡使用的是電路交換,類似於我們所使用的電話,通信雙方通過撥號連接到網絡,然後進行通信,壹旦連接建立,始終占用信道,直到停止撥號。這就是我們所俗稱的長連接。

所以GSM這種特點為他帶來了兩個極其尖銳的缺點。

1.信道利用率低,信道有限,壹旦撥號,即使什麽也不做,也會占用信道,限制了帶寬,限制了數據業務的應用,也無法實現移動的多媒體業務。造成資源的浪費。

2.短信送達不及時,當用戶發送短信的時候,短消息首先被發送到短信中心的服務器中,再由服務器轉發給接收用戶。如果用戶不在線,不能正常通信,則該條短消息進行壹定的延時後重新發送。如果接收方壹直不上網,由於服務器緩存有限,也許過上壹兩天,這條短信就丟掉了。

於是GPRS網絡應運而生了,通用無線分組業務,GPRS采用分組交換技術來提高效率,用戶只有在發送或接收數據期間才占用資源。這意味著多個用戶可高效率地***享同壹無線信道,從而提高了資源的利用率。另外GPRS使用了實時在線策略, 手機壹開機就自動附著到GPRS網絡上,采用這種附著方式連接網絡是免費的,用戶只有數據流量傳遞時,才會收取費用。以流量為依據,多用多收,少用少收。所以我們可以看到,從GPRS開始,2G網絡的性能有了極大的提高,同時也有了數據流量的概念,為之後3G時代的開啟奠定了基礎。所以說GPRS是承前啟後的壹部傑作,我們習慣上把他定義為2.5G網絡。

GPRS在獲得極大成功的同時,也為我們帶來了新的問題:數據片如何重組,如何排序,如何同步,以及如何糾錯。這些問題在經典的TCPIP中,給出了詳盡的答案,不作贅述。可以看出,當進入2.5G分組時代,所面臨的已經是網絡問題了,互聯網與通信網相融合已經初露端倪。

隨著手機上網用戶的激增,GPRS開始變得擁擠,不堪重負 ,效率低下又壹次來臨了。如何提高效率,頻率已經趨於飽和,而且已經運用了分組技術,那麽我們還能怎麽辦?

可以看出,通信技術的每壹次進步,都是對原有系統的切割細化過程。無線電波在傳輸過程中有衰減,那麽我們把傳輸距離切割,加入多個基站,形成蜂窩系統,使中遠距離通信成為可能。模擬信號在傳輸中易被竊聽,那麽我們把模擬信號進行切割,形成數字信號跳頻傳輸,使數據安全得以保障,於是有了GSM網絡。GSM是單用戶獨占信道,效率低下,我們把信道的使用權進行切割,多用戶分時***用信道,於是有了分組網絡GPRS。由於用戶激增,GPRS變得擁擠,我們為每個用戶貼上識別碼,多用戶同時***用信道,於是有了3GCDMA網絡。

三個標準***存,誰也不能保證自己能笑到最後,用窮舉法去應對不確定性才是大國戰略,所以中國並沒有竭盡全力去發展TD-SCDMA,而是讓聯通購買WCDMA使用權,電信購買CDMA2000使用權,而讓在GPRS時代大賺了壹筆的移動去開發TD-SCDMA。

WCDMA全稱為Wideband CDMA寬頻分碼多重存取,聯通2G時代的基建本身就很少很差,所以直接跳過這些2G基站,在各大城市建設了很多新的WCDMA基站。所以3G時代在城市裏,聯通的信號是最好的。機型也最多,由於WCDMA是歐洲制式,那時任何壹款水貨智能機基本上都支持WCDMA(iphone,愛立信、諾基亞、富士通、夏普,三星,谷歌)。以前諾基亞壹家獨大,他的GSM系統在全球極其完善,因此WCDMA具有先天的市場優勢。是當時世界上使用最廣泛,服務種類最豐富的3G標準,占據全球80%以上市場份額。

CDMA2000是高通的技術,其中的CDMA20003x方案是3G標準,實際上就是把三個低速的CDMA20001x信道捆綁在壹起,應用了多路載波技術,達到了提速的目的,雖然簡單,但是由於沒有采用新的通信協議,不用新建基站,所以對於走農村包圍城市路線的電信來說是不小的福音,因而從CDMA2000城市到村鎮,覆蓋面最廣。但是手機終端較貴。因為高通要收取的高額專利費。所以很多手機廠商做多模手機時,聯通+移動版和電信版往往會分開來做,而三網通手機往往會昂貴不少,那就是交的專利錢。

TD-SCDMA就很壹般了,中國的國企,執行能力非常強悍,能夠吃苦耐勞,但是因為通信技術起步較晚,技術不成熟,產業鏈不完整,導致產品遠遠落後於上述兩個標準,傳輸速度很慢,基站笨重且輻射大(由於建築物密集,壹般大城市都限制基站布設,誰也不願意這樣壹個龐然大物整天在自己頭上朝著自己輻射高頻電磁信號),而且由於技術方面的原因,移動速度超過120KM/小時,接受不到穩定的信號,這是簡直是出差族的噩夢。但由於中國人自己研發,具有知識產權,所以被大量用作軍用通信網的核心交換任務。所以TD-SCDMA的最大用戶不是中國人民,而是中國人民解放軍。

從2G時代的時分、頻分到3G時代的碼分,其實無線通信信道的效率已經被我們壓榨的差不多了,當人們還在疑惑通信速率是否已經到達瓶頸的時候,來自IT行業的降維打擊到來了。

碎碎念了這麽多,感謝妳能看到這裏,在不遠的將來,我們將會迎來5G時代,科技在進步,願我們的生活也將越加美好。

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