2019-07-03 10:05:24
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信道就像城市道路，信號(hào)就像汽車。一條道路上的車流量會(huì)受到道路寬度、車輛速度等因素的制約，任何道路都不能無(wú)限增加車流量;同樣，任何信道也不可能無(wú)限增加信息的傳輸速率。那么，信號(hào)傳輸速率的上限怎么算呢?這就要用到70年前美國(guó)信息論專家香農(nóng)提出的一個(gè)公式。
5G時(shí)代已經(jīng)開(kāi)啟。對(duì)于公眾來(lái)講，5G帶來(lái)的最直觀的變化，可能就是上網(wǎng)速度更快了——目前實(shí)測(cè)的5G網(wǎng)速基本上可以達(dá)到4G網(wǎng)速的20倍以上。那么，5G的網(wǎng)速為什么可以這么快?
這得從70年前，美國(guó)的信息論專家香農(nóng)發(fā)表的劃時(shí)代論文《通信的數(shù)學(xué)理論》說(shuō)起。這篇論文奠定了現(xiàn)代無(wú)線通信理論的基礎(chǔ)，而論文的關(guān)鍵，就在于一個(gè)公式：“香農(nóng)公式”。
決定網(wǎng)速的公式
無(wú)線上網(wǎng)的“網(wǎng)速”，與通信專業(yè)中的“信道容量”有關(guān)。所謂信道是指信號(hào)在通信系統(tǒng)中的傳輸通道，可以是電線、光纖，也可以是空氣中的電磁波?！靶诺廊萘俊奔葱畔⒃谠撏ǖ乐袀鬏斔俾实纳舷?。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，信道就像城市道路，信號(hào)就像汽車。一條道路上的車流量會(huì)受到道路寬度、車輛速度等因素的制約，任何道路都不能無(wú)限增加車流量;同樣，任何信道也不可能無(wú)限增加信息的傳輸速率。
描述信道容量的公式被稱為“香農(nóng)公式”，這個(gè)公式如下：
C就是信道容量;B是信道的帶寬(赫茲)，S為信號(hào)功率(瓦)，N為噪聲功率(瓦)。
從以上公式可以看出，決定網(wǎng)速上限的因素有兩個(gè)：信道帶寬B和信噪比S/N。前者指的是能夠有效通過(guò)信道的信號(hào)的最大頻帶寬度，后者即信號(hào)功率和噪聲功率的比值。
有了這個(gè)限制，想要提高網(wǎng)速，就需要提高信道帶寬B，或者提高信噪比，或者同時(shí)提高這兩個(gè)因素的值。
香農(nóng)的這個(gè)公式給出的是理論上的網(wǎng)速的極大值。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，當(dāng)然還要考慮其他的影響因素。換句話說(shuō)，香農(nóng)定理其實(shí)描述的是一個(gè)理想化的通信過(guò)程，在5G的工程實(shí)踐中，網(wǎng)速會(huì)比香農(nóng)公式算出來(lái)的值小一些。其中的主要原因之一在于關(guān)于信噪比的解釋。
香農(nóng)定理做了一個(gè)理想化的假設(shè)：噪聲為白噪聲(也就是不攜帶任何特征信息的噪聲)。但在實(shí)際的通信過(guò)程中，噪音具有一定的特征頻率，不一定是白噪聲，比如家里的交流電就是一種噪聲，會(huì)影響手機(jī)的通信信號(hào)。很明顯，這種噪音的頻率是50赫茲(這不是白噪聲)。再比如，微波爐也可能影響到通信過(guò)程，其噪聲就是微波爐泄露的微波的頻率，固定為2450兆赫茲(也不是白噪聲)。注：1兆=1,000,000
香農(nóng)定理不考慮具體的噪聲到底是什么。因?yàn)闊o(wú)論噪聲是什么，我們總可以用一定功率(功率指的噪聲的強(qiáng)度，比如蒼蠅的嗡嗡聲是噪聲，飛機(jī)的呼嘯聲也是噪聲，但這些噪聲的響度不同，物理上稱之為具有不同的“功率”)的白噪聲去近似它，所以用這個(gè)公式計(jì)算出來(lái)的網(wǎng)速與真實(shí)網(wǎng)速的差距不會(huì)太大。
當(dāng)然了，從工程上來(lái)考慮5G的網(wǎng)速，還必須在物理層面考慮硬件技術(shù)的進(jìn)步，這一點(diǎn)也很重要，但本文只是從理論層面分析，并不涉及硬件的改善。
香農(nóng)。圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
無(wú)線通信的背后：載波與基帶信號(hào)
無(wú)線上網(wǎng)其實(shí)是無(wú)線通信的一種形式。這里面涉及到無(wú)線通信的原理。
無(wú)線通信的關(guān)鍵點(diǎn)在于“無(wú)線”，這意味著通訊是在空氣中進(jìn)行的，空氣這種介質(zhì)對(duì)信號(hào)的傳輸提出了一些限制。比如我們?nèi)苏f(shuō)話的時(shí)候，聲音信號(hào)也是在空氣中傳播的，這也是一種“無(wú)線”通信，但這個(gè)聲音信號(hào)傳不遠(yuǎn)，一般情況下一個(gè)人不可能與200米之外的人對(duì)話交流。
想要把人說(shuō)話的信號(hào)傳遞到遠(yuǎn)方，必須減少信號(hào)在傳播過(guò)程中的衰減，這需要使用電磁波來(lái)傳遞信號(hào)。而我們想要傳遞的信號(hào)叫做基帶信號(hào)，比如人說(shuō)話的聲音經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)，或者手機(jī)上網(wǎng)的數(shù)據(jù)信號(hào)等，它們都可以被轉(zhuǎn)換為電磁波信號(hào)在空氣中傳送。
比如，我們想要傳輸?shù)幕鶐盘?hào)是f(t)，這可以看成是一個(gè)幅度(f)隨時(shí)間(t)變化的電磁波。從頻率域中來(lái)看，這種基帶信號(hào)一般是低頻信號(hào)。我們?cè)鯓影阉l(fā)出去呢?這就需要借助載波了——載波的頻率一般比較高。
用載波來(lái)傳遞信息，就好像用車來(lái)運(yùn)沙子一樣，如果沒(méi)有車，你不可能把沙子從一個(gè)地方運(yùn)到另一個(gè)地方。基帶信號(hào)f(t)就可以看成是沙子，而載波相當(dāng)于卡車。一次能運(yùn)送多少沙子，則依賴于車的大小與道路的寬度。信道帶寬相當(dāng)于道路寬度，而載波頻率決定了信道帶寬，從而決定了道路上能夠同時(shí)并行的車輛的數(shù)量。
載波作為一種電磁波，一般情況下是一種頻率固定的余弦波。5G信號(hào)指的就是頻率在某個(gè)范圍內(nèi)的載波。在5G無(wú)線通信中，5G的頻率其實(shí)是載波的頻率，也就是余弦函數(shù)cos(wt)中w這個(gè)參數(shù)。
無(wú)線通信發(fā)生的時(shí)候，手機(jī)起到的作用就是把基帶信號(hào)放在載波上發(fā)出去，具體而言，就是將基帶信號(hào)f(t)與載波信號(hào)cos(wt)相乘，乘積信號(hào)作為一個(gè)整體發(fā)射出去。
將基帶信號(hào)(圖中音頻信號(hào))放在載波上的兩種方式，5G使用調(diào)頻信號(hào);
有了前面說(shuō)的香農(nóng)公式與載波的知識(shí)，我們就可以理解為什么5G的網(wǎng)速那么快了。
從理論到實(shí)際：5G網(wǎng)速由信道帶寬決定
5G載波的工作頻率分為兩種。一種是在6吉赫茲以下的厘米波，另外一種是在30吉赫茲左右的毫米波(注：1吉=1,000,000,000)。對(duì)于厘米波來(lái)說(shuō)，信道帶寬最大可以做到100兆赫茲，這是4G的20兆赫茲最大信道帶寬的5倍;對(duì)于毫米波來(lái)說(shuō)，信道帶寬可以達(dá)到400兆赫茲左右，是4G的帶寬的20倍，所以毫米波5G網(wǎng)速能比4G提高大約20倍。因?yàn)楦鶕?jù)香農(nóng)公式，在相同信噪比的情況下，決定5G網(wǎng)速的主要因素就是信道帶寬。
為什么4G載波的最大帶寬是20兆赫茲，5G載波的最大帶寬為100兆赫茲甚至400兆赫茲呢?這是由國(guó)際電信聯(lián)盟根據(jù)電磁波的實(shí)際使用情況而劃分的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。為什么以前不發(fā)展5G無(wú)線通信?這是因?yàn)?G載波對(duì)硬件有更高的要求，以前的芯片與算法尚不成熟，而現(xiàn)在這些技術(shù)都已經(jīng)成熟了。
還有一個(gè)問(wèn)題是，根據(jù)香農(nóng)公式，提高信噪比也可以提高網(wǎng)速，那么為什么不這樣做呢?因?yàn)樾旁氡葘?shí)際上取決于5G基站的信號(hào)發(fā)射功率——在一定程度上，發(fā)射功率取決于每天要花費(fèi)的電費(fèi)(據(jù)估算，一個(gè)5G基站每年的電費(fèi)大概是30萬(wàn)元，而4G基站每年的電費(fèi)是10萬(wàn)元)。因此，要提高信噪比，就要加大發(fā)射功率，就需要消耗更多的電能，支付更多的電費(fèi)，導(dǎo)致成本升高，因此不劃算。
當(dāng)然了，凡事也不能太過(guò)，“過(guò)猶不及”。為什么我們不能無(wú)限提高帶寬呢?因?yàn)閹捙c我們前面說(shuō)的信噪比其實(shí)是有關(guān)聯(lián)的，帶寬越大，噪聲就會(huì)越大，信噪比就會(huì)降低，所以，我們需要找到一個(gè)最合適的帶寬，才能把帶寬與信噪比匹配得最好。
總的來(lái)說(shuō)，5G之所以能大幅提升網(wǎng)絡(luò)速率，主要的設(shè)計(jì)思想就是香農(nóng)公式?，F(xiàn)在，你了解了嗎?