無線帶寬和頻段的相互關(guān)系和應(yīng)用

第四代蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在2008年被國際電信聯(lián)盟（ITU）指定為支持最高1 Gb/s的下行速度。但是，在現(xiàn)實(shí)中由于系統(tǒng)性的多面原因，通常最多只達(dá)到幾百兆比特，而平均只有幾十兆比特。

如今，第五代蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——5G來了。5G可使用6GHz以下的中低頻段進(jìn)行中長距離通信，短波頻率則可使用24GHz以上的毫米波進(jìn)而提供高帶寬通信服務(wù)。根據(jù)5G的預(yù)期承諾，能實(shí)現(xiàn)支持高達(dá)10 Gb/s的高吞吐量通信以及低至1~4ms的延遲。

在吸收性方面，無線信號(hào)可能會(huì)被墻壁、樹葉或空氣等吸收。而光纖電纜中的光束可能會(huì)被光纖玻璃芯中的微小缺陷吸收，當(dāng)攜帶信號(hào)的光子被這些環(huán)境中的障礙物吸收時(shí)，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)變?nèi)酢⒉环€(wěn)定的情況。

眾所周知，信息傳遞都需要媒介，而數(shù)字信號(hào)也是一系列的信息符號(hào)，在選擇信息傳輸渠道時(shí)便需要權(quán)衡取舍。模擬無線電是通過無線電波“空中”傳輸?shù)?，它可以在長距離的各個(gè)方向上承載簡單的信號(hào)?；ヂ?lián)網(wǎng)的骨干網(wǎng)在使用光纖電纜中以引導(dǎo)光波在遠(yuǎn)距離傳輸大量信息中，需要建造和安裝大量的電纜，因此其主要存在昂貴的成本問題。

由于不同的通道可以承載不同頻率的EM波，通道可以承載的頻率范圍稱為其帶寬。帶寬的計(jì)算簡單地是從最大值中減去通道可以承載的最小頻率。范圍從0到1，000 Hz的信道具有1，000 Hz的可用帶寬，而范圍從100，000到101，000 Hz的信道具有相同的帶寬。帶寬有助于確定一個(gè)信道可以發(fā)送多少信息，因此更多的帶寬也就意味著更多的信息容量。

在給定固定數(shù)量的帶寬和恒定信噪比的情況下，信道可以承載的信息吞吐量有理論上的限制。著名的香農(nóng)-哈特利定理（通常稱為香農(nóng)極限）給出了其極限定式。C是信道支持的最大速度（信道容量）；B是信道的帶寬；S是平均信號(hào)功率；N是平均噪聲功率；S/N即信噪比。

無需徹底理解數(shù)學(xué)定理，這反映的也就是：更多的帶寬意味著更多的容量，更好的信噪比也是如此。如果信道的帶寬和信號(hào)功率是固定的，那么噪聲越大意味著容量越小。香農(nóng)定理使我們可以利用某種介質(zhì)的物理特性，例如銅線或光纖，能快捷的計(jì)算出我們可能會(huì)擠出多少的容量，即使目前的手段還不能實(shí)現(xiàn)也能給出計(jì)算上的結(jié)果。

通常而言，信號(hào)傳播的距離越長，信號(hào)功率因衰減而變得越弱。根據(jù)香農(nóng)定理，這降低了SNR，并降低了信號(hào)可以攜帶的全部信息。因此，在不知道信號(hào)會(huì)走多遠(yuǎn)的情況下就不可能談?wù)撔诺赖娜萘俊?/p>

無線寬帶解決了與有線和光纖等有線技術(shù)根本不同的問題。有線技術(shù)可將服務(wù)提供到固定地點(diǎn)，例如家庭或企業(yè)端。無線技術(shù)通過空中向移動(dòng)設(shè)備提供數(shù)據(jù)服務(wù)，這是向大型公共區(qū)域提供靈活的寬帶服務(wù)的唯一方法。

在過去的二十多年中，無線和有線寬帶技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中和諧共存。但是，一些行業(yè)代表認(rèn)為，5G無線寬帶將能夠直接與有線寬帶展開全新的競(jìng)爭甚至于會(huì)完全替代有線寬帶。

無線互聯(lián)網(wǎng)的部署還受到有線系統(tǒng)不受限制的約束。低頻無線信號(hào)的應(yīng)用中，例如AM/FM廣播和廣播電視，可以不成問題地穿過樹木、建筑物和露天區(qū)域等環(huán)境。由于較高的頻帶具有更多的帶寬，通?？蓴y帶更多的信息。

但是，高頻信號(hào)也更容易被吸收和散射，從而限制了它們可以傳輸?shù)木嚯x。雖然2.4 GHz WiFi可以穿過墻壁，但5 GHz WiFi便會(huì)面臨穿透性差的問題。據(jù)悉，下一代WiFi技術(shù)稱為是WiGig，它利用高達(dá)60GHz的頻帶。在該頻率下，60GHz路由器將最適合附近的視線通信。

4G通過在700 MHz和2.6 GHz頻段之間進(jìn)行運(yùn)行，可以為距離較遠(yuǎn)的農(nóng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的設(shè)備提供服務(wù)。從技術(shù)上講，4G系統(tǒng)應(yīng)該能夠?yàn)榈鸵苿?dòng)性設(shè)備提供1 Gb/s的下載速度。但是，在現(xiàn)實(shí)世界中，大多數(shù)運(yùn)營商提供的速度實(shí)際為下行10~50 Mb/s，上行3~20 Mb/s。

5G有望在吞吐量和延遲方面比4G有所改善。對(duì)于長距離鏈路，5G將使用4G當(dāng)前使用的相同頻譜，例如介于700 MHz和4 GHz之間。天線和編碼技術(shù)的改進(jìn)將使載波能夠更好地利用相同頻譜。在吞吐量方面，長距離5G可能不是邁出的重大一步：低于6GHz 5G部署的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在最佳情況下它能夠達(dá)到數(shù)百 Mb/s的速度。

除了重新使用4G頻譜外，5G還將支持26 GHz及更高 頻率的“毫米波（mmWave）”頻率。更高頻率的頻道很有吸引力，因?yàn)樗鼈兲峁┝烁嗫捎脦?，因此可以支持更高的最大吞吐量。使用mmWave頻譜，5G發(fā)射機(jī)將能夠提供更好的傳輸速度，在最佳條件下最大可達(dá)1到10 Gb/s。

但是由于毫米波信號(hào)的頻率比傳統(tǒng)的蜂窩信號(hào)高得多，因此它們?cè)馐艿奈蘸蜕⑸湟蟮枚?。毫米波信?hào)無法穿過大多數(shù)墻壁，茂密的樹葉甚至還會(huì)受惡劣的天氣影響。此外即使在晴朗的條件下，它們的功耗也比6 GHz以下的信號(hào)快得多。這意味著mmWave不能很好地用于室外到室內(nèi)的通信。mmWave發(fā)射器將更像WiFi，可以為較小的開放區(qū)域提供服務(wù)，暫不能成為4G的現(xiàn)成替代品。

5G還有望改善4G的延遲問題。盡管國內(nèi)外運(yùn)營商都承諾會(huì)維持在1~4毫秒之間，但這些數(shù)字僅適用于mmWave頻譜。國外的一些測(cè)試發(fā)現(xiàn)，已發(fā)貨的低于6GHz的5G設(shè)備的空氣延遲在9到12毫秒之間，與4G大體相當(dāng)。

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