无线频谱的故事:零基础,包看懂!

2019-04-09 11:22:18 来源:无线深海

130年前,随着电火花的微光在赫兹的实验台上的闪烁,人类叩开了电磁波的大门。而随着对电磁波研究的深入,可见光这种由上帝创造的神秘物质也被揭开了面纱,不再神秘。

 

其实这些照亮我们的可见光,也不过是电磁波频谱上极窄的一小段罢了,并无太多太多特殊之处。上帝创造光的秘密逐渐被揭开了神秘的面纱。
 

电磁波就这样以正弦波的进行传播,这里要引入一个简单的公式:

C=λf

 



电磁波波长,频率及光速的关系
 

C:就是光速,光速是宇宙中的一个基本常量,光和其他电磁波都是以光速传播。

λ:就是波长,就是电磁波在一个周期内能传播的距离。
 

f:就是频率,也就是每秒能传播几个周期。单位就以赫兹为名,举例来说,1Hz的含义就是电磁波每秒传播一个周期,1000000Hz(又叫1MHz或者1兆Hz)的含义就是每秒传播一百万个周期。
 

由于光速恒定,所以波长和频率就是成反比关系,即波长越长,频率越低;反过来就是波长越短,频率越高。
 

这个简单的数学关系中,蕴藏着电磁波频谱的全部秘密。
 

 
电磁波分类及其波长,频率的类比

 

在这么长的频谱上,可用于无线通信的,仅有1MHz(兆赫兹)到100GHz(吉赫兹)这一段。可谓“弱水三千,只取一瓢”。
 


真正打开无线通信新时代大门的是一个叫马可尼的意大利人。120年前,这个年轻人在兴趣的支撑之下,潜心研究赫兹的实验结果,智慧和汗水终于凝成了结晶:世界上第一台无线电报机宣告诞生。
 


马可尼发明无线电报
 

随后马可尼把他的发明投入了商用,无线电报的发展一帆风顺。无线电台的发射半径从6公里,到16公里,急剧扩大到 3000公里。
 

在1901年,马可尼在英国东南角的一个乡村架设了越洋电报天线,人类控制的电磁波首次跨越大西洋,把信息从英国传送了加拿大。
 


马可尼的越洋电报设备及天线
 

当时的电报机十分庞大,电报机运转时,几千米以外能听到轰鸣声,夜里还能看到小屋里闪烁着的断断续续的刺眼的蓝色电弧光。
 

随着无线通信的蓬勃发展,频谱资源越来越金贵。僧多粥少,如果无线电频谱使用混乱,互相干扰的话,大家就都玩不转了。因此对全球频谱资源的统一管理和约束的需求呼之欲出。
 

1865年,法,德,俄,意,奥等20个欧洲国家的代表在巴黎签订了《国际电报公约》,“国际电报联盟”也宣告成立。
 

在之后的漫长岁月里,国际电报联盟的职权不断扩大,并于1934年改称为“国际电信联盟”(International Telecommunication Union)。
 

1947年,国际电信联盟成为联合国主管信息通信技术事务的一个专门机构。也是联合国机构中历史最长的一个国际组织。简称“国际电联”、“电联”或“ITU”。
 

 

国际电联主要负责分配和管理全球无线电频谱,制定全球电信标准,向发展中国家提供电信援助,促进全球电信发展。
 

为了统一语言,方便管理,ITU对无线电频谱进行分段,给每段都编了号,并给出了详细的定义。这样以后大家讨论起来就有了标准,不至于因理解偏差导致鸡同鸭讲。
 

无线电频谱可分为下面表中的 14 个频带,无线电频率以 Hz(赫兹)为单位,其表达方式为:

  • 3000kHz 以下(包括 3000kHz),以 kHz(千赫兹)表示;

  • 3MHz 以上至 3000MHz(包括 3000MHz),以 MHz(兆赫兹)表示;

  • 3GHz 以上至 3000GHz(包括 3000GHz),以 GHz(吉赫兹)表示。
     


无线频谱命名和编号
 

世界这么大,不同地区情况不一,不同国家国情不同,因此国际电联就把全球分为3个区域来管理,不同区域的频谱分配上有所不同。
 

显而易见,中国位于ITU二区
 

国际电联每3到4年召开一次“世界无线电通信大会(WRC)”,负责审议并修订《无线电规则》。最近一次世界无线电通信大会是2015年召开的,下一次在2019年,届时5G的全球频谱划分将完全确定。
 

国际电联发布的《无线电规则》
 

《无线电规则》涵盖世界无线电通信大会的各项决定,用于指导并规范世界各国的无线电频谱使用。然后,各国在国际电联的规范之内,结合自身情况,制定国内的无线电规则。
 

在我们中国,无线频谱当然是由工信部进行管理和分配的。
 

中国工信部


分配的结果如何?请看下图《中华人民共和国无线电频率划分图》。
 


中华人民共和国无线电频率划分图


看晕了?这只能怪无线频谱的用途太多了:包含气象,定位,导航,卫星,广播,空间研究等等,事无巨细,甚至连遥控汽车使用的频谱也有规定。
 

下面我们再次取其中的一个点,无线通信的频谱来说明。虽说无线通信在频谱上看起来不甚起眼,却让我们的生活发生的翻天覆地的变化。
 

无线通信频谱分为非授权频谱和授权频谱这两类。
 

非授权频谱:顾名思义,就是不需要经过工信部同意,只要遵守相关法规的要求,就可以直接使用。我们最熟悉的WIFI就工作在非非授权频谱上,使用2.4GHz和5.8GH这两个频段。
 

授权频谱:就是得到工信部的授权之后才能使用,在使用中也要严格遵守相关法规。2G,3G,4G以及即将到来的5G全部使用的是授权频谱。授权给谁?当然是移动、联通和电信这三大巨头了。

频谱的使用有两种方式:FDD(频分复用)和TDD(时分复用)。
 

对于FDD来说,手机的发射频率和接收发射的频率是不同的,也就是说,用频率来区分发送还是接收,发送和接收可以同时进行。
 

FDD原理

一般把基站发手机收这条路称为下行,其所使用的频率自然就是下行频率了。反之,手机发基站收这条路径称为上行,其所使用的频率称为上行频率。
 

对于TDD来说,手机的发射频率和接收发射的频率是相同的,接收和发送在不同的时间进行。这也就意味着,发送的时候不能接收,接收的时候不能发送。
 

TDD原理
 

2G主要有两种技术:GSM和CDMA,全部采用FDD模式;
 

3G主要有三种技术:WCDMA和CDMA2000采用FDD,TD-SCDMA采用TDD模式;
 

4G标准也是区分TDD和FDD的,分别交LTE FDD和LTE TDD(也叫TD-LTE)。
 

讲到了这里,经过了蜉蝣君这长达2000多字的铺垫,这下国内几大运营商的频谱分配表该能看懂了吧?
 

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