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网上现金彩票平台网 5G的网速为什么那么快?这得从一个简单的公式说起

2019-07-03 10:05:24 56

  信道就像城市道路,信号就像汽车。一条道路上的车流量会受到道路宽度、车辆速度等因素的制约,任何道路都不能无限增加车流量;同样,任何信道也不可能无限增加信息的传输速率。那么,信号传输速率的上限怎么算呢?这就要用到70年前美国信息论专家香农提出的一个公式。

  

  5G时代已经开启。对于公众来讲,5G带来的最直观的变化,可能就是上网速度更快了——目前实测的5G网速基本上可以达到4G网速的20倍以上。那么,5G的网速为什么可以这么快?

  这得从70年前,美国的信息论专家香农发表的划时代论文《通信的数学理论》说起。这篇论文奠定了现代无线通信理论的基础,而论文的关键,就在于一个公式:“香农公式”。

  决定网速的公式

  无线上网的“网速”,与通信专业中的“信道容量”有关。所谓信道是指信号在通信系统中的传输通道,可以是电线、光纤,也可以是空气中的电磁波。“信道容量”即信息在该通道中传输速率的上限。

  简单来说,信道就像城市道路,信号就像汽车。一条道路上的车流量会受到道路宽度、车辆速度等因素的制约,任何道路都不能无限增加车流量;同样,任何信道也不可能无限增加信息的传输速率。

  描述信道容量的公式被称为“香农公式”,这个公式如下:

  

  C就是信道容量;B是信道的带宽(赫兹),S为信号功率(瓦),N为噪声功率(瓦)。

  从以上公式可以看出,决定网速上限的因素有两个:信道带宽B和信噪比S/N。前者指的是能够有效通过信道的信号的最大频带宽度,后者即信号功率和噪声功率的比值。

  有了这个限制,想要提高网速,就需要提高信道带宽B,或者提高信噪比,或者同时提高这两个因素的值。

  香农的这个公式给出的是理论上的网速的极大值。在实际应用过程中,当然还要考虑其他的影响因素。换句话说,香农定理其实描述的是一个理想化的通信过程,在5G的工程实践中,网速会比香农公式算出来的值小一些。其中的主要原因之一在于关于信噪比的解释。

  香农定理做了一个理想化的假设:噪声为白噪声(也就是不携带任何特征信息的噪声)。但在实际的通信过程中,噪音具有一定的特征频率,不一定是白噪声,比如家里的交流电就是一种噪声,会影响手机的通信信号。很明显,这种噪音的频率是50赫兹(这不是白噪声)。再比如,微波炉也可能影响到通信过程,其噪声就是微波炉泄露的微波的频率,固定为2450兆赫兹(也不是白噪声)。注:1兆=1,000,000

  香农定理不考虑具体的噪声到底是什么。因为无论噪声是什么,我们总可以用一定功率(功率指的噪声的强度,比如苍蝇的嗡嗡声是噪声,飞机的呼啸声也是噪声,但这些噪声的响度不同,物理上称之为具有不同的“功率”)的白噪声去近似它,所以用这个公式计算出来的网速与真实网速的差距不会太大。

  当然了,从工程上来考虑5G的网速,还必须在物理层面考虑硬件技术的进步,这一点也很重要,但本文只是从理论层面分析,并不涉及硬件的改善。

  

  香农。图片来源:网络

  无线通信的背后:载波与基带信号

  无线上网其实是无线通信的一种形式。这里面涉及到无线通信的原理。

  无线通信的关键点在于“无线”,这意味着通讯是在空气中进行的,空气这种介质对信号的传输提出了一些限制。比如我们人说话的时候,声音信号也是在空气中传播的,这也是一种“无线”通信,但这个声音信号传不远,一般情况下一个人不可能与200米之外的人对话交流。

  想要把人说话的信号传递到远方,必须减少信号在传播过程中的衰减,这需要使用电磁波来传递信号。而我们想要传递的信号叫做基带信号,比如人说话的声音经过模数转换后的电信号,或者手机上网的数据信号等,它们都可以被转换为电磁波信号在空气中传送。

  比如,我们想要传输的基带信号是f(t),这可以看成是一个幅度(f)随时间(t)变化的电磁波。从频率域中来看,这种基带信号一般是低频信号。我们怎样把它发出去呢?这就需要借助载波了——载波的频率一般比较高。

  用载波来传递信息,就好像用车来运沙子一样,如果没有车,你不可能把沙子从一个地方运到另一个地方。基带信号f(t)就可以看成是沙子,而载波相当于卡车。一次能运送多少沙子,则依赖于车的大小与道路的宽度。信道带宽相当于道路宽度,而载波频率决定了信道带宽,从而决定了道路上能够同时并行的车辆的数量。

  载波作为一种电磁波,一般情况下是一种频率固定的余弦波。5G信号指的就是频率在某个范围内的载波。在5G无线通信中,5G的频率其实是载波的频率,也就是余弦函数cos(wt)中w这个参数。

  无线通信发生的时候,手机起到的作用就是把基带信号放在载波上发出去,具体而言,就是将基带信号f(t)与载波信号cos(wt)相乘,乘积信号作为一个整体发射出去。

  

 


  将基带信号(图中音频信号)放在载波上的两种方式,5G使用调频信号;

  有了前面说的香农公式与载波的知识,我们就可以理解为什么5G的网速那么快了。

  从理论到实际:5G网速由信道带宽决定

  5G载波的工作频率分为两种。一种是在6吉赫兹以下的厘米波,另外一种是在30吉赫兹左右的毫米波(注:1吉=1,000,000,000)。对于厘米波来说,信道带宽最大可以做到100兆赫兹,这是4G的20兆赫兹最大信道带宽的5倍;对于毫米波来说,信道带宽可以达到400兆赫兹左右,是4G的带宽的20倍,所以毫米波5G网速能比4G提高大约20倍。因为根据香农公式,在相同信噪比的情况下,决定5G网速的主要因素就是信道带宽。

  为什么4G载波的最大带宽是20兆赫兹,5G载波的最大带宽为100兆赫兹甚至400兆赫兹呢?这是由国际电信联盟根据电磁波的实际使用情况而划分的国际标准。为什么以前不发展5G无线通信?这是因为5G载波对硬件有更高的要求,以前的芯片与算法尚不成熟,而现在这些技术都已经成熟了。

  还有一个问题是,根据香农公式,提高信噪比也可以提高网速,那么为什么不这样做呢?因为信噪比实际上取决于5G基站的信号发射功率——在一定程度上,发射功率取决于每天要花费的电费(据估算,一个5G基站每年的电费大概是30万元,而4G基站每年的电费是10万元)。因此,要提高信噪比,就要加大发射功率,就需要消耗更多的电能,支付更多的电费,导致成本升高,因此不划算。

  当然了,凡事也不能太过,“过犹不及”。为什么我们不能无限提高带宽呢?因为带宽与我们前面说的信噪比其实是有关联的,带宽越大,噪声就会越大,信噪比就会降低,所以,我们需要找到一个最合适的带宽,才能把带宽与信噪比匹配得最好。

  总的来说,5G之所以能大幅提升网络速率,主要的设计思想就是香农公式。现在,你了解了吗?


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