2019-07-03 10:05:24
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信道就像城市道路，信號就像汽車。一條道路上的車流量會受到道路寬度、車輛速度等因素的制約，任何道路都不能無限增加車流量;同樣，任何信道也不可能無限增加信息的傳輸速率。那么，信號傳輸速率的上限怎么算呢?這就要用到70年前美國信息論專家香農(nóng)提出的一個公式。
5G時代已經(jīng)開啟。對于公眾來講，5G帶來的最直觀的變化，可能就是上網(wǎng)速度更快了——目前實測的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，美國的信息論專家香農(nóng)發(fā)表的劃時代論文《通信的數(shù)學(xué)理論》說起。這篇論文奠定了現(xiàn)代無線通信理論的基礎(chǔ)，而論文的關(guān)鍵，就在于一個公式：“香農(nóng)公式”。
決定網(wǎng)速的公式
無線上網(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乐袀鬏斔俾实纳舷蕖?/p>
簡單來說，信道就像城市道路，信號就像汽車。一條道路上的車流量會受到道路寬度、車輛速度等因素的制約，任何道路都不能無限增加車流量;同樣，任何信道也不可能無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”，這個公式如下：
C就是信道容量;B是信道的帶寬(赫茲)，S為信號功率(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：信道帶寬B和信噪比S/N。前者指的是能夠有效通過信道的信號的最大頻帶寬度，后者即信號功率和噪聲功率的比值。
有了這個限制，想要提高網(wǎng)速，就需要提高信道帶寬B，或者提高信噪比，或者同時提高這兩個因素的值。
香農(nóng)的這個公式給出的是理論上的網(wǎng)速的極大值。在實際應(yīng)用過程中，當(dāng)然還要考慮其他的影響因素。換句話說，香農(nóng)定理其實描述的是一個理想化的通信過程，在5G的工程實踐中，網(wǎng)速會比香農(nóng)公式算出來的值小一些。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)。但在實際的通信過程中，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，會影響手機的通信信號。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。因為無論噪聲是什么，我們總可以用一定功率(功率指的噪聲的強度，比如蒼蠅的嗡嗡聲是噪聲，飛機的呼嘯聲也是噪聲，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，所以用這個公式計算出來的網(wǎng)速與真實網(wǎng)速的差距不會太大。
當(dāng)然了，從工程上來考慮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)。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)
無線通信的背后：載波與基帶信號
無線上網(wǎng)其實是無線通信的一種形式。這里面涉及到無線通信的原理。
無線通信的關(guān)鍵點在于“無線”，這意味著通訊是在空氣中進(jìn)行的，空氣這種介質(zhì)對信號的傳輸提出了一些限制。比如我們?nèi)苏f話的時候，聲音信號也是在空氣中傳播的，這也是一種“無線”通信，但這個聲音信號傳不遠(yuǎn)，一般情況下一個人不可能與200米之外的人對話交流。
想要把人說話的信號傳遞到遠(yuǎn)方，必須減少信號在傳播過程中的衰減，這需要使用電磁波來傳遞信號。而我們想要傳遞的信號叫做基帶信號，比如人說話的聲音經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電信號，或者手機上網(wǎng)的數(shù)據(jù)信號等，它們都可以被轉(zhuǎn)換為電磁波信號在空氣中傳送。
比如，我們想要傳輸?shù)幕鶐盘柺莊(t)，這可以看成是一個幅度(f)隨時間(t)變化的電磁波。從頻率域中來看，這種基帶信號一般是低頻信號。我們怎樣把它發(fā)出去呢?這就需要借助載波了——載波的頻率一般比較高。
用載波來傳遞信息，就好像用車來運沙子一樣，如果沒有車，你不可能把沙子從一個地方運到另一個地方?；鶐盘杅(t)就可以看成是沙子，而載波相當(dāng)于卡車。一次能運送多少沙子，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信號指的就是頻率在某個范圍內(nèi)的載波。在5G無線通信中，5G的頻率其實是載波的頻率，也就是余弦函數(shù)cos(wt)中w這個參數(shù)。
無線通信發(fā)生的時候，手機起到的作用就是把基帶信號放在載波上發(fā)出去，具體而言，就是將基帶信號f(t)與載波信號cos(wt)相乘，乘積信號作為一個整體發(fā)射出去。
將基帶信號(圖中音頻信號)放在載波上的兩種方式，5G使用調(diào)頻信號;
有了前面說的香農(nóng)公式與載波的知識，我們就可以理解為什么5G的網(wǎng)速那么快了。
從理論到實際：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)。對于厘米波來說，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;對于毫米波來說，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。因為根據(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?這是由國際電信聯(lián)盟根據(jù)電磁波的實際使用情況而劃分的國際標(biāo)準(zhǔn)。為什么以前不發(fā)展5G無線通信?這是因為5G載波對硬件有更高的要求，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。
還有一個問題是，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?因為信噪比實際上取決于5G基站的信號發(fā)射功率——在一定程度上，發(fā)射功率取決于每天要花費的電費(據(jù)估算，一個5G基站每年的電費大概是30萬元，而4G基站每年的電費是10萬元)。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，導(dǎo)致成本升高，因此不劃算。
當(dāng)然了，凡事也不能太過，“過猶不及”。為什么我們不能無限提高帶寬呢?因為帶寬與我們前面說的信噪比其實是有關(guān)聯(lián)的，帶寬越大，噪聲就會越大，信噪比就會降低，所以，我們需要找到一個最合適的帶寬，才能把帶寬與信噪比匹配得最好。
總的來說，5G之所以能大幅提升網(wǎng)絡(luò)速率，主要的設(shè)計思想就是香農(nóng)公式。現(xiàn)在，你了解了嗎?