40、无线电与通信

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麦克斯韦依据他的电磁场方程组，预言了电磁波的存在，并计算了电磁波的波速，发现恰好等于光速，因此做出了光是一种电磁波的著名论断，将光学纳入了电磁学的范围。电磁波由振荡的电荷产生，并向四周辐射出去，其频率等于电荷的振荡频率。赫兹第一次通过实验观察到了电磁波，从而证实了麦克斯韦的电磁波理论。从此，电磁波登上了历史舞台，开启了属于它的时代。电磁波按照波长或频率进行排列，可以组成一个庞大的电磁波谱，其中光波只占其中一个很小的区间，即400纳米到760纳米之间。由于电磁波是一种波动，满足波的叠加原理，因此可以将信号叠加在电磁波上，通过电磁波的发射、传播和接收实现信号的无线传输。马可尼首先通过实验实现了这种设想，并申请了专利，从此，打开了一扇通往无线通信的大门。电磁波承载的无线通信会以怎样的方式发展到怎样的程度，开创一个怎样的时代，或许是麦克斯韦和赫兹无法想象的。

早期的无线通信主要是无线电报，将信息通过莫尔斯电码的形式，通过无线电波的传播和接收进行通信。随着电子管、晶体管等一系列关键性的发明解决了信号在发射和接收过程中的难题，尤其是解决了微小信号的放大问题之后，无线电技术开始了迅猛的发展。无线电台和收音机出现了，人们可以通过一个小小的收音机接收远处电台发出的无线电信息，收听新闻或音乐。无线电台的出现在普及无线通信的同时，发现了电磁波通信的一个难题，适用于通信的电磁波频谱主要分布在3kHz到300GHz之间，从无线电波延伸到微波波段，但是，相同频率的电磁波在空间中同时传播时，信号会产生严重的干扰。正是这一干扰现象，导致适合无线通信的电磁波谱成为一种珍贵的稀缺资源。对这一稀缺资源最大程度的有效利用，伴随着无线通信发展史的整个过程。

无线电报和收音机被发明出来了，可是人们很快不满足于这些应用，人们希望能够更加有效的实现通信，最好是两个人通过无线通信设备直接进行语音交流。为适应这种需求，摩托罗拉公司的对讲机出现了。但是显然，对讲机只能在比较短的距离内实现相互交流，怎样才能实现相隔遥远的两个人之间的千里传音呢？人们从无线广播电台中找到了灵感，一个无线电台就是一个基站，不同对讲设备与基站进行双向通信，从而实现多部设备之间的远距离无线通信。这样，第一部可以称之为手机的无线通信设备在摩托罗拉公司诞生了，第一代无线通信技术又称之为1G也随之诞生了，它实现了人们的无线通信需求。早期的手机非常笨重，像大块的砖头，这还能够使我们回忆起一些早期影片中的大哥大。但是手机的出现让信号之间的干扰问题变得更加棘手，当初的无线电台功率很大，可以覆盖很广的面积，因为它只需要发射信号，不需要接收信号。但是手机的双向通信及手机数量的增加让本来就有限的频谱资源更加不够分了，为了有效应用有限的频谱资源，避免信号间的干扰，人们降低了基站发射功率及覆盖面积，增加基站数量，除了对信号按频率分配外，增加了按时间段分配的新方法，于是2G诞生了，它满足了人们普遍的通话需求，手机开始加速普及。很快，人们不再满足于语音通话与发短信这样的简单应用，GPRS的出现，让手机具备了简单的上网功能，因此，又被称为2.5G。

一位名叫海蒂·拉玛的好莱坞女演员在无线通信发展史中的关键时刻登上了历史舞台。也许是从爱好的钢琴演奏中获得了灵感，她发明了CDMA（码分多址）技术。通过扩频和跳频技术，多路信号只占用一条信道，且不会相互干扰，极大的提高了带宽的使用率，同时保密性极高，3G时代也随之而来。3G拥有更高的上网速度，因此也有了更多的应用，手机的主要功能从此不再是语音通话，而是移动互联网。伴随着智能手机的普及和推动，3G很快占据了主流，拥有CDMA核心专利的高通公司也因此赚的盆满钵满。高通公司为3G筑起了高高的专利墙，人们为避免缴纳高额的专利费，在高通的专利丛林迷宫里晕头转向，始终绕不开它的专利陷阱。然而，创新是无止境的，山重水复疑无路，柳暗花明又一村。在大多数人都认为前面已经没有路的时候，以OFDM（正交频分复用）技术和MIMO（多输入多输出）技术为核心的4G横空出世。4G的下载速度达到了100Mbps，比家用宽带快了25倍，是3G速度的大约100倍。随着4G的普及，大量的互联网应用被催生出来，移动互联网时代迎来了它的爆发期。

就像百米短跑比赛中专家预言，受人的生理极限的限制，没有人能够跑进10秒。果然，多年来没人跑进10秒，但是当第一个跑进10秒的人出现后，越来越多的人都跑进了10秒，嘲笑着专家们的生理极限。4G才普及没多少年，以大规模天线阵列技术为基础的5G也开始登上历史的舞台。5G有着更高的网速，更低的时延，从而能够承担更多的应用。5G的网速可以达到4G的几百倍，可达10GB/s，而时延只有1毫秒，为4G的几十分之一。云计算、物联网、无人驾驶以及虚拟现实技术也将迎来发展的春天。有时候新生事物会以越来越快的速度发展，快的让人应接不暇，跟不上时代。5G还刚刚起步，6G就已经在计划之中了，可算的上是尚未得陇，既已望蜀，6G时代的网速将能达到1TB/s，是5G的上百倍，预计2020年开始研发，2026年实现商用。相信那时的世界，将是一个万物互联的时代，无线通信将在这些技术革命中迎来又一次飞跃。