5G就要來了，但是你連4G是什麼都不知道？

最新 02-08

數十萬互聯網從業者的共同關注！

來源：中信出版社

編輯：Juvae

1月25日，2018高通中國技術與合作峰會開幕，這就像一場中國手機行業的年底聚會。峰會上，高通預計於2019年推出的5G終端，將帶來一場無線產業的大變革。高通總裁克里斯蒂安諾·阿蒙說，5G將帶來兩個根本性的變化。第一，5G將滿足消費者對於無限高速數據的需求。第二，就是時延方面，在4G的時代時延一般是30毫秒，而到5G時代，時延將被降低到1毫秒，無限存儲從此將成為可能。（文末有福利）

5G即將改變我們的生活，但是這個名詞到底代表的是什麼？

5G所指的是第五代（G是英文generation的縮寫）無線通信技術。在歷史上，依次出現過0G、1G、2G、3G、4G技術。不知舊無以言新，就讓本文簡單介紹一下無線通信技術發展的歷程。

在2015年年中，全世界手機入網量超過68億。既然數量如此巨大，你也許會問，我們如何能有效地進行無線通信，而不會干擾彼此通話、收發信息及上網？20世紀40年代至80年代，移動設備尚屬奢侈品，而到了21世紀，則變成了必需品。伴隨這一趨勢，工程師們必須想出能讓人們進行無線通信的不同方式。

從電話到手機

在無線網路和手機出現之前，通信網路主要依靠有線（wireline）手段，即利用線纜進行通信，與之相對的是無線（wireless）通信。早在1876年10月9日，通過從波士頓到坎布里奇的一段2英里長的線纜，亞歷山大·格雷厄姆·貝爾撥打出了世界上第一通電話。

第二年，貝爾電話公司成立。那是第一家提供公共交換電話網路（public switched telephone network）服務的公司（我們通常稱之為「固定線路」）。

在設計電話前，貝爾正在對此前發明的電報進行實驗。利用「複式電報機」，多個發送者（transmitters，信息發出方）和接收者（receivers，信息接收方）能夠通過一條線路進行聯繫。

試想一下：我們如何能像圖1–2 那樣，讓許多人使用同一條線路呢？假如安娜和本正試圖通話，查理和達娜也是，這難道不會導致他們干擾彼此的通話嗎？

註：假設安娜正在和本打電話，查理正在和達娜打電話，兩對通話者如何能在使用同一條線路時，不互相干擾呢

其實未必。雖然他們在使用同一個空間（電話線），但我們可以在其他層面把他們分開。最直接想到的或許是時間：讓安娜和本佔用一會兒電話線，然後讓查理和達娜用一會兒，再讓安娜和本用，如此反覆。我們還可以試著用語言來區分：讓安娜和本說英語，查理和達娜說西班牙語。這樣他們就能同時通話，只需要聽自己的語言就行。即便如此，我們還是要擔心不同的說話聲會蓋住彼此。

這些層面——時間和語言，是不同多址聯（multiple access）技術的簡化例子。這些技術使多個通話者能共用同一網路媒介（如電話線和無線信號）。我們將在本文對其進行深入探討。按不同頻率進行共享

複式電報機根據不同頻率，利用頻分多址（frequency division multiple access，FDMA）將不同連接進行區分。FDMA會為每組發送者和接收者（稱為一個「鏈接」）分配一個頻道（frequency channel），使其能進行聯繫。你可以在圖1–3 中看到圖示。

註：通過頻分多址，根據通話的指定頻道對其進行區分：通話一的用戶被分到一個頻道，通話二的用戶被分到另一個頻道，以此類推。

「頻率」是什麼？對於我們能聽到的頻率，可以理解為聲音的不同音調。頻率以赫茲（hertz，Hz）為單位進行衡量，表示聲波平均每秒完成的循環次數。因此10 赫茲表示聲波每秒完成10 次循環（見圖1–4）。關於頻道的更多信息，請參見本書網站的Q1.1部分。

註：不同頻率的兩條聲波，表示平均每秒完成的循環次數。實線波頻率為1 赫茲，虛線波頻率為3 赫茲

頻率單位將在本書此部分多次被提到，但我們即將探討的頻率範圍遠遠超過一赫茲的數量級。通常提到的無線頻帶為數百萬赫茲或數十億赫茲，分別稱為兆赫（MHz）和千兆赫（GHz）。為了幫助你理解這些數字的概念，人類能聽到的最高頻率為大約20 000 赫茲。

第一代行動電話始於20 世紀二三十年代，運用了FDMA技術。它們在本質上是模擬（analog）的，也就是說，它們的信號完全以電的形式從空中穿過。1946 年，貝爾電話公司建立第一套「行動電話」網路，稱為「行動電話服務系統」。這套系統與1964 年出現的新一代系統一樣，都是FDMA系統。它們被認為是第零代技術，也叫作0G，與之相對的是我們現在使用的4G技術。

第一台手持電話

20 世紀70 年代，摩托羅拉公司的馬丁·庫珀堅信，手持電話將成為未來的潮流。1973 年，他帶領團隊花了90 天，製造出史上第一台手持電話：DynaTAC。

DynaTAC並不像今天的手機。它重達近2 磅（約0.9 千克），價格接近3 000 美元（1973 年的美元價值! ），通話30 分鐘便需要充電。相比之下，2016 年的一台蘋果手機重量不到1/3 磅（約0.15千克），價格可低至150 美元（取決於具體型號和無線網路合同），並且每次充電後可供數小時通話及數據應用使用。

直到20 世紀90 年代中期，手持電話產業才真正開始脫離車載電話。與數字網路類似，只有當電子元件成本開始大幅下降，手掌大小的電話才變得實際。而電子元件成本下降，部分是因為需求上升。需求之所以上升，部分是因為這些技術的應用增加了。

「蜂窩電話」的「蜂窩」

1976 年，僅紐約市就有大約500 名手機用戶，在等待名單上的人數超過這個數字的6 倍。網路容量（capacity）急需擴大。那麼，網路運營商能做什麼呢？實際上只有兩種選擇：請求聯邦通信委員會（Federal Communications Commission，簡稱FCC）提供更多頻譜，或找出一種方法，使更多用戶能使用同一頻譜。有關FCC許可過程的更多信息，請查看本書網站的Q1.2 部分。

如何讓更多的用戶共享同一頻譜？也許可以重複使用頻道？這似乎有點兒牽強：如果有兩個鏈接緊挨著彼此，又在使用相同的頻道，肯定會產生干擾。但是，如果它們不在彼此旁邊呢？如果它們距離足夠遠，那麼可以重複使用同一個頻道嗎？

答案是肯定的。當信號通過空氣（以及通過線纜）傳播，其功率電平會衰減（attenuate）。這意味著它們會隨著距離增加而減小，如圖1–5 所示。

註：當信號通過空氣傳播，其功率電平會衰減。在安娜的手機周圍，她的手機發射功率電平是100。當信號到達本時，功率電平是50。到達查理時，是10

通常情況下，衰減被看作是一件壞事。它會導致信號減弱，使其難以遠距離傳送。但這正是我們所需要的：如果你和我相距足夠遠，我們就都可以打電話，而且也不會導致信號在空中重疊。衰減的特性使得工程師開始從地理上把移動信號區劃分為一個個蜂窩（cell），通常表示為「六邊形」。這個想法是，任何指定的蜂窩都可以被分配一組不被相鄰蜂窩使用的頻率。這樣，使用同一頻道的蜂窩將距離彼此很遠，不會產生干擾，使我們能夠更有效地使用現有的資源。

你可以在圖1–6 中看到蜂窩網路的示例。在這裡，任何具有相同顏色的六邊形將被分配相同的頻率，因為它們不相鄰。假如顏色最深的得到頻道1 至4，顏色深度居中的得到5 至8，顏色最淺的得到9 至12。羅布在深色蜂窩裡，位於頻道2。在他的蜂窩裡的其他人可能處於1、3 或4 頻道。由於蕾切爾是在另一個深色蜂窩裡，因此她也可以被分配到頻道2，因為她距離足夠遠。本在中間的蜂窩，則不能得到頻道2，因為他太接近深色蜂窩。我們為不同蜂窩指定顏色（頻率）時，經常想讓使用的顏色數量儘可能小。找到那樣的顏色組合實際上是相當困難的，特別是當圖中單元格的數目變得非常龐大時。

註：這是一張蜂窩網路圖。每個單元都是一個六邊形，包括多個移動站（MS）和基站（BS）。單元格的顏色深度表示單元格使用的頻帶。相鄰兩個單元格沒有相同的顏色，因此使用不同的頻帶以防止干擾

那麼每個蜂窩裡有什麼？有基站（base stations），也叫BS，以及移動站（mobile stations），也叫MS。每個蜂窩的基站一端連接有線核心網和互聯網，另一端連接分配給它的移動站。移動站可以是一部手機、一台平板電腦，或任何可以根據蜂窩標準發送和接收信號的設備。

單元首先在先進的行動電話系統中使用，標誌著1G技術在美國的誕生。在這個系統中，移動用戶數量猛增。到20世紀90年代，僅在美國就有2 500萬名手機用戶。這也意味著，由於高使用率和低容量，模擬信號已經無法滿足需求。

進入數字時代

隨著模擬網路再次變得擁擠，美國和其他各國開始嘗試另一種選擇：數字（digital）系統。模擬信號將被「數字化」，轉換成二進位位的序列，即1 和0（見圖1–7）。

註：模擬信號隨著時間不斷變化。與之相反，數字信號是一系列的二進位位，即1 和0

數字系統在容量上擁有巨大優勢，因為它們使用了另外兩個我們將討論的多址聯接技術。在20 世紀80 年代末之前，建立這些網路所需的小規模電子設備成本還不夠低。

按照時間（和頻率）進行共享

從模擬到數字蜂窩的轉換標誌著1G技術發展到了2G。第一套2G技術標準是全球移動通信系統，簡稱GSM，始於1982 年。到1987 年，該系統容量便達到模擬系統的3 倍。

數字代碼使我們能將多個通話壓縮到一個頻段。所以，即使在一個單元里，我們也可以讓很多人共用同一個頻道。我們只需要添加另一個維度。最明顯的額外維度選擇是時間。換句話說，多個用戶可以共享同一個頻道，但他們必須輪流使用。按照一套叫作時分多址（time division multiple access，簡稱TDMA）的方案，每人被分配到不同的時段。你可以在圖1–8 中看到TDMA的一個例子。

註：利用時分多址，一定數量的通話（圖中為3 個）可以共享相同的頻道。例如，通話A、B和C被分配到相同的頻道，但在時間上是分開的

由於歐盟傾向於發展一套共同的標準，GSM在歐洲很多地區被迅速採納。GSM今天仍然在世界部分地區使用，主要在900MHz 和1 800MHz 頻段運行。這降低了手機成本，標誌著手機發展進入新階段，能提供簡訊、遊戲，以及其他娛樂功能。按照代碼進行共享

在美國，採用2G標準的歷程更有趣。在了解對容量的需求增加後，美國蜂窩電信行業協會在1988 年發布了一系列性能要求，規定通信行業應致力於達到第一套數字蜂窩標準。其中的主要要求是，容量應達到傳統模擬網路的10 倍。1989 年，蜂窩電信行業協會投票通過，將TDMA作為美國第一個2G數字標準。

向上升，向前進：3G、4G 及其他

幾十年來，移動入網數量劇增。僅美國，移動入網數量就從1985 年的大約340 000 增長到2015 年的327 000 000，30 年中增長了近1 000 倍。自2011 年以來，美國的行動電話滲透率已經超過了100%。

進入21 世紀，3G手機在全世界迅速普及。國際電信聯盟（ITU）於2000 年發布3G技術規範，本質上就是要求手機像掌上電腦一樣工作：除了打電話和發簡訊，手機還具備上網、視頻通話、移動電視的功能。目前兩大主要的3G標準分別是用在歐洲、日本和中國的UMTS（通用移動通信系統），以及用於美國和韓國的CDMA2000（碼分多址）。這兩種技術都基於CDMA，通常被部署在1.9~2.1 GHz 的頻率範圍內。

截至2015 年年初，世界上大約70%的人口被至少一個3G網路覆蓋。這一數字在2012 年年初是50%。據預測，到2020 年，世界上超過4/5（即80%以上）的人口將可以使用3G網路，這將使其幾乎無處不在。有關智能手機如何出現的信息，請參考本書網站Q1.5 部分。

自從1G網路在20 世紀80 年代實現商業化以來，大約每10年就有新一代的蜂窩網路出現。按照這一速度，4G網路性能要求在2008 年被提出，與之前的3G規範相比，它提出更高的速度和能力要求。此後出現的主要標準是長期演進（long-term evolution），簡稱LTE。LTE沒有使用CDMA技術，而是基於正交頻分復用（orthogonal frequency division multiplexing）技術，簡稱OFDM。

在美國，第一台LTE智能手機出現在2011 年年底。2015 年年初，世界上大約25%的地區覆蓋了4G網路，並且預計到2020 年，4G網路覆蓋率將增加到60%以上。2017 年，4G相對於3G的性能改進有望吸引10 億用戶。雖然截至2016 年，4G網路覆蓋範圍小於3G網路，但它正以更快的步伐部署著。

蜂窩網路的發展歷程，完美詮釋了多年來網路如何儘力滿足消費者對性能的需求這一問題。不同的共享方法，無論是頻率、時間還是基於代碼的無線網，都被開發出來以實現這個目標。雖然我們並不知道這其中涉及的過程，但對於蜂窩網路的運行而言，實時更新和管理我們通話的功率是必不可少的。找到正確的共享方法很困難，但也非常重要。

分散式功率控制說明了幾個在網路發展和本書中經常出現的主題：負反饋、系統平衡，以及分散式協調。它也說明了我們將反覆看到的以下主要觀點：允許每個用戶出於自身利益做出獨立的決定，可以在所有用戶間累積到一種公平而有效的狀態

本文節選自《網路的力量》

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