從3G到4G再到今天的 5G ，無線網(wǎng)絡(luò)的 帶寬 經(jīng)歷了數(shù)萬倍的增長。移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的視頻質(zhì)量越來越高，體驗(yàn)也越來越流暢。那么究竟什么是帶寬？帶寬的增長又是通過什么方式實(shí)現(xiàn)的呢？

當(dāng)我們提到帶寬的時(shí)候，我們究竟在談?wù)撌裁矗?/h3>

在3GPP（過去20多年推動(dòng)全球電信行業(yè)技術(shù)演進(jìn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定組織）的官方文檔中，帶寬對(duì)應(yīng)的文字表述是「Data Rate」，也就是「 信息 傳輸速率」或者說「 數(shù)據(jù) 傳輸速率」。

那么，信息/數(shù)據(jù)的本質(zhì)是什么？在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，我們到底在傳輸什么？

信息是對(duì)現(xiàn)實(shí)（或虛構(gòu)現(xiàn)實(shí)）的復(fù)刻/記錄/抽象，用于對(duì)現(xiàn)實(shí)（或虛構(gòu)現(xiàn)實(shí)）的轉(zhuǎn)述/復(fù)現(xiàn)

信息是對(duì)現(xiàn)實(shí)的抽象，是對(duì)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行指代的一組符號(hào)。這種抽象式記錄的目的，是為了在另一個(gè)時(shí)間或地點(diǎn)復(fù)述/重現(xiàn)最初「被記錄的現(xiàn)實(shí)」。以視頻觀看來說，顯示屏只是根據(jù)收到的「符號(hào)和指示」將整個(gè)屏幕上的所有像素點(diǎn)投射出來；而投射出的結(jié)果，就是我們看到的各種圖像。對(duì)于語音通訊來說也是類似的道理，聽筒/喇叭根據(jù)收到的「符號(hào)和指示」在發(fā)聲器件上安排相應(yīng)的震動(dòng)，這些震動(dòng)通過聲波傳遞給鼓膜和耳蝸，最終形成了我們對(duì)聲音的感受。

信息是對(duì)現(xiàn)實(shí)的復(fù)刻/記錄/抽象，這個(gè)抽象/記錄的方式，就是一種「編碼方式」；接收之后將這些信息復(fù)現(xiàn)為現(xiàn)實(shí)的過程就被稱為「解碼」

人類數(shù)千年前就開始了編碼活動(dòng)。發(fā)明文字的目的，是為了記錄現(xiàn)實(shí)并用于轉(zhuǎn)述或者回憶/復(fù)現(xiàn)。這本身就是一種編碼-解碼過程。確切地說，對(duì)事物進(jìn)行命名或者指代的過程，就是一種「編碼」過程；而依據(jù)相關(guān)指代關(guān)系，從文字聯(lián)想到實(shí)物的過程，就是一種「解碼」過程。

舉例而言，可以對(duì)水果進(jìn)行「命名」或者「編碼」，比如把一種紅色的薔薇科水果命名/編碼為「蘋果」或者「Apple」。

編碼是一種從具體(實(shí)物)到抽象(文字/數(shù)字/代碼)建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的過程

在編碼的過程中，不僅可以使用漢字和字母，也可以用數(shù)字。比如我們可以把蘋果命名/編碼為101，香蕉編碼為102，橙子編碼為103，把「好吃」這個(gè)屬性命名/編碼為36690，那么「香蕉好吃」這個(gè)表述，就可以用「102 36690」替代，或者說編碼為「102 36690」（此處的數(shù)字是隨機(jī)選取的，并沒有特殊含義）。

解碼是一種從抽象(文字/數(shù)字/代碼) 中聯(lián)想/復(fù)現(xiàn)實(shí)物的過程

解碼的過程與編碼相反，但遵循著相同的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，比如，從剛才提到的「102 36690」中得到「某種黃色芭蕉科植物味道不錯(cuò)」這一表述的過程，就是一種解碼的過程。

實(shí)際上，用數(shù)字替代文字，正是在電報(bào)、通訊和IT技術(shù)中心廣泛使用的編碼方式。常用漢字大約不超過1萬，意味著用一個(gè)四位的數(shù)字可以對(duì)前述漢字一一進(jìn)行命名或者編碼，比如命名為0001,0002……9999。

一本《史記》約有52萬字的中文書，那么這樣一本書可以被52萬*4=208萬位數(shù)字替代，或者說，整本書可以被編碼為208萬個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字；如果采用2進(jìn)制算法，基本上可以換算為800萬比特，對(duì)應(yīng)為一個(gè)容量為1MB的電腦文檔（由于實(shí)際常用字只有2000-3000個(gè)，同時(shí)考慮到二進(jìn)制與十進(jìn)制的計(jì)數(shù)差異，以及可以通過上下文的相關(guān)性進(jìn)一步提高編碼效率，整個(gè)文檔的容量可以縮減到約為300KB大小；不過這部分內(nèi)容超過了本文的范圍，暫不贅述）。

為什么需要將漢字編碼為數(shù)字，又為什么要采用二進(jìn)制（而不是十進(jìn)制或者十六進(jìn)制）來記錄呢？這很大程度上是因?yàn)椋?/strong>

第一、「二分法」是最小的分類單位——任何一種需要用到分類或者計(jì)算的場(chǎng)景，都至少具備一個(gè)以上的可能性（如果只有一個(gè)可能性/只有一種備選狀態(tài)，則沒有分類或者計(jì)數(shù)的必要），且都可以用二分法或者二分法的變種來計(jì)數(shù)或者進(jìn)行分類；也就是說，二進(jìn)制具備可分類/可編碼的普適性——幾乎所有的信息都可以轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼；

第二、大量的自然現(xiàn)象以及思維方法，都可以借用「有或無」、「高或低」、「正或反」、「長或短」、「真或假」的觀念；因而二進(jìn)制在電路、傳感器等層面具備普遍的可運(yùn)算性——基于二進(jìn)制的傳感、運(yùn)算、存儲(chǔ)和通訊傳輸具備良好且廣泛的物理基礎(chǔ)。

讓我們對(duì)這部分內(nèi)容做一個(gè)歸納

1.?所有的語言「包括數(shù)學(xué)」都是一種編解碼算法。通過語言把頭腦中的意向表達(dá)出來，實(shí)際上就是用語言將大腦中的信息進(jìn)行了一次編碼，形成了一串文字或者數(shù)字。懂得這種語言「或者說這種編碼方式」的接收方就能夠使用這種語言進(jìn)行解碼，然后獲取到里面的信息。?

2.?基于二進(jìn)制的良好屬性，可以將幾乎所有的信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制進(jìn)行編碼、運(yùn)算和傳輸。?

3.?在數(shù)字通訊系統(tǒng)中傳輸?shù)膬?nèi)容，是以二進(jìn)制形式存在的、對(duì)可直接被人類感受到的信息形式（文字、語音、圖像、視頻、氣味、觸感等）進(jìn)行的抽象/編碼。比如，一個(gè)300KB或者1MB的文檔，里面可能包含著250萬或800萬位的二進(jìn)制字符，是對(duì)一本52萬漢字的《史記》進(jìn)行編碼的結(jié)果。

信息/數(shù)據(jù)的無線傳輸原理

正如聲音的傳輸需要介質(zhì)，信息的傳輸也需要載體。

聲音傳輸?shù)慕橘|(zhì)廣泛存在，幾乎除了真空環(huán)境之外，聲音都可以進(jìn)行傳播；通訊信號(hào)的傳播也可以通過多種載體進(jìn)行，比如常見的雙絞線（雙絞線有很多的子類別，普通的家用網(wǎng)線就是其中一種）、同軸電纜（家用有線電視線也是一種同軸電纜）、光纖和無線電波。

在蜂窩網(wǎng)絡(luò)通訊中，數(shù)據(jù)傳輸速率的瓶頸往往出現(xiàn)在無線側(cè)（即手機(jī)和基站之間進(jìn)行的通訊），此處我們也主要介紹無線通訊的部分。

無線通訊的載體是無線電波

無線電波是電磁波的子集，是頻率較低的電磁波。

電磁波是由同相振蕩且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中以波的形式移動(dòng)的電磁場(chǎng)，具有波粒二象性。電磁波在真空中速率固定，速度為光速。

可見光、紅外線、紫外線等都是電磁波，根據(jù)頻率的差異，可以對(duì)電磁波進(jìn)行如下分類：

無處不在的電磁波

不同頻率的電磁波廣泛地存在于我們的生活中

收音機(jī)、手機(jī)、WIFI路由器、微波爐、太陽、人、動(dòng)物甚至植物，都會(huì)發(fā)出電磁波…

頻率——即電磁波單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)，是決定電磁波性質(zhì)的重要指標(biāo)；頻率之間的差異巨大（1021倍的差距！），對(duì)應(yīng)的電磁波的屬性也差異巨大：多數(shù)情況下電磁波對(duì)人體無害，但具備放射性的高頻電磁波對(duì)人體非常危險(xiǎn)；

通常把頻率介于3KHz和300GHz（每秒震動(dòng)3000次到3000億次）之間的電磁波稱為無線電波；這部分無線電波已經(jīng)被廣泛用于廣播、移動(dòng)通訊、氣象、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航定位、海事通訊、空間和天文研究、軍事通訊等用途，相關(guān)頻譜資源也已經(jīng)被劃分/占用。下面兩張圖描繪了中美兩國的頻譜資源授權(quán)情況：

既然無線電波是無線通訊的載體，那么無線電波是如何傳輸信息的呢？

在電影中，主人公有時(shí)會(huì)有通過某種暗號(hào)，比如手電筒的明暗交替、墻上某個(gè)掛飾的有無來傳遞信息；在日常生活中，也有司機(jī)通過車燈的閃爍來發(fā)出信息（例如：閃一下大燈，提示前車前行；閃兩下大燈，是提醒對(duì)向行車切換近光燈）。

實(shí)際上，無線電波傳輸信息的方式與前面的例子本質(zhì)上是一致的；區(qū)別在于無線電波的頻率極高，在一秒鐘可以「閃爍」數(shù)十億次，因而可以在很短的時(shí)間內(nèi)傳遞大量的信息。

假如，我們定義汽車大燈閃爍1次代表漢字「一」、2次代表「二」、連續(xù)閃爍11次代表「人」、12次代表「田」……進(jìn)而把所有的漢字都對(duì)應(yīng)一個(gè)閃爍次數(shù)，那么我們也可以通過大燈的閃爍來傳遞一本《史記》；如果大燈一秒鐘可以閃爍30億次（對(duì)應(yīng)頻率3G，1G=1Trillion=10億），而傳遞一本《史記》需要閃爍的次數(shù)不超過30億次，對(duì)應(yīng)的傳輸時(shí)間就不超過1秒。

汽車大燈的例子是一個(gè)非常簡(jiǎn)化的模型；但實(shí)際的信號(hào)傳輸過程并沒有這么簡(jiǎn)單。 仍然以《史記》為例：

首先可以把這本書里面的全部52萬字轉(zhuǎn)換成（二進(jìn)制下的）數(shù)字編碼

再將這些編碼序列負(fù)載到無線電波中（這個(gè)過程叫做調(diào)制），并發(fā)射出去

接收端的天線接收相關(guān)無線電波，并將無線電波中的信息還原為二進(jìn)制的數(shù)字編碼（這個(gè)過程叫做解調(diào)）

手機(jī)/電腦將解調(diào)之后的二進(jìn)制數(shù)字編碼轉(zhuǎn)換為漢字

調(diào)制：將二進(jìn)制數(shù)字編碼嵌入/加載到無線電波中

二進(jìn)制下的數(shù)字編碼只有0，1兩種狀態(tài)，而無線電波的形態(tài)是無數(shù)的峰谷起伏，因此很容易建立起峰、谷與0、1之間的「某種」對(duì)應(yīng)關(guān)系。基于這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們可以將「1001」轉(zhuǎn)換為無線電波的「峰谷谷峰」的狀態(tài)，同時(shí)也可根據(jù)這個(gè)「峰谷谷峰」的狀態(tài)，還原出「1001」的原始數(shù)值。這只是一個(gè)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮?jiǎn)化框架，下面我們正式介紹兩種「調(diào)制」方法——AM和FM。沒錯(cuò)，這里的AM和FM就是我們?cè)谑找魴C(jī)上看到的那兩個(gè)英文字母。大約100年前，這兩種調(diào)制方法就被用于廣播。

?Amplitude Modulation（AM），振幅調(diào)制?

AM這一調(diào)制方式于上世紀(jì)初出現(xiàn)，最初被用于語音傳輸。Amplitude意思是振幅，也就是說在這種模式下，可以通過調(diào)整載波（Carrier）的波幅（在圖形中，振幅體現(xiàn)為波形的高度，波幅越大=>高度越高）使其能夠體現(xiàn)原始信息的特征（將原始信息的圖形特征附加到載波中，以使調(diào)制后的圖形與原始信息呈現(xiàn)相似的圖形特征）；

▲?Amplitude Modulation 示意圖

（其中，第一行是原始信息，第二行是載波，第三行是調(diào)制之后的AM信號(hào)；調(diào)制后，AM信號(hào)的外廓與原始信號(hào)呈現(xiàn)相似的形態(tài)）

?Frequency Modulation（FM），頻率調(diào)制?

FM出現(xiàn)的時(shí)間比AM略晚，由一位無線電廣播愛好者發(fā)明。所謂Frequency Modulation是指可以通過調(diào)整載波（Carrier）的頻率（在圖形中，頻率體現(xiàn)為波峰波谷的密度，密度越高=>頻率越高）使其能夠體現(xiàn)原始信息的特征（將原始信息的圖形特征附加到載波中，以使調(diào)制后的圖形與原始信息呈現(xiàn)相似的圖形特征）。

與AM不同的是，在振幅調(diào)制模式下，調(diào)制后的波形與原始信息在呈現(xiàn)相似的「形狀」（如下圖中的黑色原始信息與AM轉(zhuǎn)換之后的紅色波形圖），但是在頻率調(diào)制中，調(diào)制后的圖形振幅保持不變，但在原始信息波峰的位置表現(xiàn)出更高的頻率/密度，在原始信息波谷的的位置表現(xiàn)為更低的頻率/更稀疏——這里用波形的密集和稀疏來對(duì)應(yīng)原始信息的波峰和波谷（如下圖中的黑色原始信息與FM轉(zhuǎn)換之后的藍(lán)色波形圖）。

AM和FM是離我們生活最接近，原理也較簡(jiǎn)單的調(diào)制方式。在AM和FM之后，還有非常多的調(diào)制方法被發(fā)明，但核心思想是類似的。

從3G到4G和5G，信息速率的提升靠什么？

我們已經(jīng)知道，無線電波是無線通訊的載體，那么無線通訊的速率——也就是所謂「帶寬」，究竟是由什么因素決定的呢？

之前我們提到，中國和美國的無線電頻率，都已經(jīng)被劃分給特定的用途和用戶使用。之所以需要進(jìn)行這樣的劃分，是因?yàn)轭l譜資源的使用是排他的，在特定的時(shí)空中，一個(gè)頻率如果被A用途使用，就不能同時(shí)被B用途使用，否則就會(huì)發(fā)生干擾。這種性質(zhì)，類似于高速公路上的車道，也類似于信箋紙上面的一行一行空間，在一個(gè)給定時(shí)間段/對(duì)應(yīng)一個(gè)給定位置，一條車道只能分派給一輛汽車使用，否則容易發(fā)生交通事故；一行信箋紙，在給定的位置只能寫一個(gè)字，否則兩三個(gè)字疊在一起就容易模糊看不清楚，這就是「干擾」。

因此，要完成一個(gè)通訊過程，首先我們需要對(duì)應(yīng)的頻率資源，也就是「頻段」，或者說是一條車道；而帶寬，就可以被理解為在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔?通過的車輛的多少。這樣一來，帶寬的問題就轉(zhuǎn)化為：1.?提高通行效率（提升單個(gè)汽車的載荷）；在通訊中，這被稱為頻譜效率（Spectral Efficiency，以bps/Hz來衡量）。2.?拓寬車道寬度。

更高效的調(diào)制方法可以提升頻譜效率

上面我們提到，在AM和FM之外，工程師們發(fā)明了非常多的方法，來提升無線電波中的每個(gè)「振動(dòng)」傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量/單個(gè)汽車的載重量（bps/Hz）。其中，Quadrature Amplitude Modulation（QAM正交振幅調(diào)制）技術(shù)是自3.5G以來頻譜效率提升的重要途徑，并在5G時(shí)代發(fā)揮了重要的作用。

之前我們提到調(diào)制的目標(biāo)是將原始信息（二進(jìn)制編碼）負(fù)載到無線電波，比如用無線電波的「峰谷谷峰」的狀態(tài)來代表「1001」；此處，為了提高傳輸?shù)男剩こ處焸冇酶呒?jí)的調(diào)制算法，使得一個(gè)「峰谷谷峰」的振動(dòng)周期，能夠代表更多的原始信息（意即代表更多位數(shù)的二進(jìn)制編碼，比如用一個(gè)周期來代表「0110010111010001」）

讓我們回到漢字的例子：假設(shè)最常用的漢字是1024個(gè)，那么每次傳輸過程中只要把每個(gè)漢字對(duì)應(yīng)的編碼（從1到1024）用類似汽車大燈閃爍的方式表示出來即可；當(dāng)每個(gè)信號(hào)包含16個(gè)狀態(tài)點(diǎn)（16QAM）時(shí)，最大需要64個(gè)信號(hào)才能完成一個(gè)漢字的傳輸(64*16=1024，對(duì)應(yīng)最多需要閃爍1024下)，但當(dāng)每個(gè)信號(hào)包含1024個(gè)狀態(tài)點(diǎn)（1024QAM）時(shí)，每一個(gè)信號(hào)就能代表一個(gè)漢字，因而大大提高了傳輸效率。

新技術(shù)的應(yīng)用解鎖更多頻譜資源

通過拓寬車道寬度來提升帶寬是更容易想到的辦法，但實(shí)現(xiàn)起來也是很有難度的。如頻譜劃分圖所示，現(xiàn)有的可用頻譜資源已經(jīng)被分配殆盡；未被占用的頻率，往往位于高頻區(qū)域，這部分頻譜資源類似于農(nóng)業(yè)中的鹽堿地，是利用難度更大的頻段。直觀一點(diǎn)來說，當(dāng)汽車時(shí)速越高，高速公路調(diào)度管理的難度就越大，稍有不慎就有可能造成車道偏離/出軌或者釀成交通事故。類似的，高頻頻段的使用也殊非易事。通過Beamforming（波束賦形）和Massive MIMO（Multiple Input Multiple Output，多入多出）等技術(shù)，之前無法使用的高頻波段現(xiàn)在也可用于蜂窩無線通信，新的頻譜資源隨之解鎖。在高頻的毫米波波段，單個(gè)子載波(Component Carrier)的頻寬可以達(dá)到400MHz甚至1GHz，比上一代技術(shù)有數(shù)十倍的提升。

通過同時(shí)建立多個(gè)連接提升數(shù)據(jù)傳輸速率

在拓寬車道寬度和提升車輛載荷之外，工程師們發(fā)現(xiàn)，還可以通過提高車輛層高來進(jìn)一步提升通行效率，這是MIMO的另一重性能優(yōu)勢(shì)。MIMO通過使用多個(gè)發(fā)射和接收天線在同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)數(shù)據(jù)流，相當(dāng)于為同一個(gè)終端設(shè)備（比如說手機(jī)），建立了多個(gè)通信鏈接，這自然能夠成倍地提升手機(jī)的通訊速率。2X2 MIMO意味著在基站有兩個(gè)發(fā)射天線，在手機(jī)上有兩個(gè)接收天線，理論速率翻倍；而4X4 MIMO則意味著4X理論速率。

不同蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬比較?

藍(lán)色代表理論值、綠色代表典型用戶體驗(yàn)值

讓我們最后再來劃一次重點(diǎn)

1.?信息的本質(zhì)，是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的抽象；這個(gè)抽象的結(jié)果，就體現(xiàn)為一套符號(hào)系統(tǒng)（比如語言文字，比如數(shù)字）

2.?所有的符號(hào)系統(tǒng)，都可以轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字

3.?二進(jìn)制編碼和無線電波的頻率特征結(jié)合起來，可以在短時(shí)間內(nèi)傳輸大量的信息

4.?頻譜資源和頻譜效率，是決定無線傳輸速率（帶寬）的主要因素

5.?在3G、4G和5G的發(fā)展過程中，技術(shù)的突破解鎖了更多的頻譜資源，調(diào)解方式的進(jìn)步大大提高了頻譜效率，MIMO技術(shù)為終端用戶建立了多個(gè)通道，從而使用戶側(cè)的帶寬得到了數(shù)萬倍的提升

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