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看不见的更精彩:无线通信构筑数字世界

本文作者:編輯部       点击: 2023-05-31 12:01
前言:
从物理学角度,可见光区域只是电磁波频谱中一小段电磁波(光同时还有粒子特性)。假设我们的肉眼能够像感知光线那样,能够察觉到无线电波通信频率段的信号,那么我们眼中的无线通信将会是一个异彩纷呈的世界。
 
根据C=λf这个简单的物理学公式,人们按照频率将无线通信划分出若干区域,并随着科技的发展,将这些频段逐一运用起来,构成了今天的丰富多彩的无线通信应用。
 
注:C=λf公式简介
C:光传播速度,根据物理定义,光在真空中的传播速度为30万公里/秒,即3*108米/秒
λ:波长,光波在一个周期传播的距离
f:频率,光波震动的频率。单位是赫兹(Hz),1Hz=1次/秒,1MHz=100万次/秒
电磁波在空气中的传播略小于真空中的光速,但通常仍以真空中的光速来简化计算
 
从公式可以看出,波长(λ)和频率(f)呈反比关系,即波长越长频率越低。而且还有一个鲜明的特性,波长越长的电磁波,越障能力越强,比如我们日常使用的2.4G的wifi,在相同功率下,其越障能力比5G频段的wifi强。

无线电波信号频谱是客观存在的物理量,同土地、水、森林一样也是各国政府掌控的宝贵自燃资源。ITU的《无线电条例》(RR/Radio Regulations )中定义了约40种无线电通信服务。在某些情况下,部分无线电频谱被出售或许可给私人无线电传输服务运营商(例如,电信运营商或广播电视台)。
 
某些商用频段无线频谱非常珍贵,价格不菲,价格动辄数亿美元。 

根据国际电信联盟(ITU)定义,目前人类可以识别使用的电磁波频率范围从3kHz~3000GHz。为了方便表述,3kHz~300GHz的频段根据频率高低被分成了VLH(甚低频3-30KHz)、LF(低频30-300KHz)、MF(中频30-3000KHz)、HF(高频3-30MHz)、VHF(甚高频30-300MHz)、UHF(超高频300-3000MHz)、SHF(超高频3-30GHz)、EHF(极高频30-300GHz)和THF(太赫兹300-3000GHz)共9个部分,低于3kHz的频段另备划分为5个,因此无线电频谱目前为止共划分为14个频带。之所以用“3”来划分,是因为光速等于3*108米/秒,方便计算其他参数。
 
根据地区不同,ITU将全球分为三个区域,ITU1区,美洲为主;ITU2区,亚洲大洋洲为主;ITU3区,欧洲和非洲等。

顺便提一句:国际电信联盟(ITU:International Telecommunication Union)的前身是1865年20多个欧洲国家共同成立的“国际电报联盟”,其中一项重要工作就是负责协调无线电频谱资源,防止出现混乱。1934年“国际电报联盟”改名为国际电信联盟就是今天的ITU,第二次世界大战之后,随着联合国的成立,ITU正式成为联合十多个机构中的一个,也是其中最古老的机构,没有之一。

无线频段应用简介

VLF(3KHz~300KHz)频段:这一频段的波长能达到数十公里,具有非常好的越障能力和传播距离,可以轻易覆盖整地球表面,最初就被用于航空、航海的导航。众多民航客机、轮船都通过VLF频段进行导航和管理,在这个频段上还有潜艇使用的声纳系统等。
 
时下流行的电波钟,也是这一频段,中国对时电波BPC的68.5KHz频率、日本对时电波JJY 40KHz/60KHz频率、北美地区对时电波WWVB 60KHz频率、欧洲对时电波MSF/DCF77 60KHz、77.5KHz频率共6个电波对时信号发射局,被称作6局电波。

中频MF(300KHz~3MHz):广播电台与无线电导航,也是人类早期广播电台选用的频段,通过与音频信号的叠加,可以很好的将声音传播出去,此外同样也是民航导航系统的频率,在没有GPS的时代,普遍采用NDB定位和导航。

高频HF(3MHz~30MHz):随着无线电通信技术和军事技术的发展,人类发现在更高频段的短波波段,借助电离层反射,可以将信号传递到非常远的地方,而无需巨大的发射功率。短波通信将无线通信延伸到地球的各个地方。早期的无线电爱好者也喜欢在这个频段交流,至今仍有很多开放频段的私人电台在这一频段工作。

另外,我们熟知的RFID(物流跟踪)、NFC(常见于交通卡)也在这个频段工作。其中NFC工作在13.56MHz,而RFID额外使用27.12MHz,采用这一频段主要考虑的是设计成本和难度而非传输距离。

VHF甚高频(30MHz-300MHz): 与无线电广播一样,既然能够将音频信号进行广播,那么视频信号也可以依此类推。差别就是电波中承载的内容更多。VHF甚高频断被开发和利用起来。电视信号、FM广播、对讲机、BP机、无绳电话(早期的大哥大)纷纷出现,让无线通信大放异彩,随着电视进入千家万户,移动通信的出现,人类社会也发生了巨大的变化,为数字世界的到来打下了基础。

VHF还有国际海事通讯、航空导航、航空地面ATC通讯等应用。

UHF特高频(300MHz~3GHz): 电子信息技术的额发展,手机大量普及,从功能机到智能手机。2G,3G,4G通信逐渐来到人们身边,从时事通话到时事视频,通信技术不断拉近着人与之间的距离。
 
今天的绝大部分数字无线通讯技术,都在这一区间内。由于应用密集,因此世界各国都采取了授权形式严格规范使用。手机调制解调器的作用,就是对不同授权频段、不同授权网络制式进行支持。方便用户在全球各地使用手机。
 
以WiFi为例,由于WiFi使用了非授权频段,因此,这一频段的拥挤程度非常高,相互之间的干扰频繁,因此,从802.11n开始,WiFi联盟就开辟了5G非授权频段来避开干扰问题。

EHF极高频(30~300GHz):这一频段的应用也开始丰富起来,随着电磁波频率的提升,这一频段的波长进入毫米级别。常说的毫米波通信就是在这一频段。在wifi应用中,为了进一步提升传输频率,新一代WiFi标准802.11ad直接选用了60GHz频段。在802.11ad之前,Wireless HDMI标准通过60GHz频段实现了HDMI信号10米内的无线传输,被苹果再一次推上热点的UWB(超宽带)也同样在极高频下。下一代超过10Gbps的无线通讯,将会在EHF频段出现。

THF太赫兹(300GHz~3THz):这频段能够实现100Gbps以上的通信速度,是6G以及未来通信的主要研究领域,此外,由于太赫兹电磁波接近了可见光区域,因此还能具备一定的感知能力,因此在这一频段,将是感知和通信一体化的心阶段,等待更多科技人员去探索。

通信需求驱动无线技术进步
巴特尔定律(Butter's Law)说:从一根光纤中导出的数据量,每9个月就会翻一倍,这也意味着在光纤网络中,数据传输成本每9个月的时间就会下降一半。

这反映出了海量数据需求和数据传输成本之间的“恶劣”关系,科技人员需要绞尽脑汁找到平衡点。

Edholm带宽定律(Edholm's Law of Bandwidth)则指出:人们对于无线短距离通信的带宽需求基本每隔18个月翻一番。为了满足不断增长的带宽需求,设计人员或采用更先进的调制技术提高频带利用率,或通过采用多种复用方式来增加信道容量。这是无线频谱资源在被不断开发利用和优化的写照。大量通信技术和标准在这样的需求下诞生和使用。
 
主流无线通信传输速率和传输距离示意

从传输速率和传输距离这张二维图标可以看出,除了运营商主导的移动通信之外,随着应用的不断细分,适用于不同场合的传输技术在各自领域发挥作用,除了为人们提供更多类型的无线通信服务,还在为机器之间提供通信能力,比如在LPWAN这个框图中的通信技术,主要是为IoT应用提供长距离通信服务,所有这些技术都在帮助人类构建出更加智慧的生活。

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