互动科普

弥补高频率缺点的移动通信

那么以手机为代表的移动通信，又要用到什么样的无线电波呢？移动通信要求装置小、价格便宜（①），在短时间内可以传递大量信息（②），在任何地方都可以通信（③）。

现在大多数移动通信使用的无线电波，都是300～3000兆赫之间的“特高频”（UHF： Ultra High Frequency）。由于接收无线电波所需天线的有效长度，必须是要接收无线电波波长的1/2或1/4，因此波长越长（频率越低）的无线电波，所需天线的长度也就越大。在UHF中，波长最大、频率最低的300兆赫无线电波，其波长约为1米，因此接收UHF的天线的有效长度，可以控制在25厘米以下。UHF适用于手掌大小的小型装置来收发信号。（①）

此外，UHF中频率较高的无线电波，还可以用于地上数字电视广播。该频段可以传送较大量的信息。（②）

然而，UHF并不能传递到很远的地方。频率越高的无线电波，其前进路径越像直线，也就越容易被大楼等障碍物阻挡。为了在高楼林立的都市中顺利地传播电视信号，我们经常能看到极高的电视台发射塔在众多建筑物的簇拥下“鹤立鸡群”，成为全市的制高点之一。

移动通信利用UHF，但为了弥补它无法穿越障碍物这一缺点，人们又设置了大量覆盖半径达2～5公里的无线基站，以及相关的交换机和中继机，通过接力的形式传递信息，人们在任何地点就都可以进行通信了。（③）

频率的“宽度”决定通信速度

分配用于手机通信的各频带，将其涵盖的频率细分后，再分配给不同的运营商。在这些分配中，实际用于通信的频率范围叫做“带宽”。例如，某运营商分配到的是“1.9/2吉赫带”中1940～1960兆赫这一频段，大约5兆赫的带宽用于手机通信。

与单车道的道路相比，四车道的道路可以让更多的车快速移动。同样的，带宽越宽，通信速度也就越快。随着带宽的扩大，在固定带宽中传递更多信息，让更多的人实现通信，这其实就是手机的技术进化史。

第一代（1G）就是所谓的对讲机，只能传递声音。它利用800兆赫的频段，在该频段中每25千赫分割成一个小的带宽，一个人和一个人通话时就会占有被分配的带宽（FDMA：Frequency Division Multiple Access，频分多址）。

手机开始广泛普及是在第二代（2G）。它同样使用每25千赫一个的带宽，但是信息的发送方式有了变化，即每10～20毫秒移动一次，依次发送不同的信息。此技术的产生，使得同一个带宽可以三个人共用（TDMA：时分多址，其中包括我国广泛使用的GSM技术）。此外，我们先前介绍过的调制技术，也是从第二代开始使用的。

现在，第三代技术（3G）正在快速地普及，在第二代技术中一直被使用的25千赫带宽被大幅扩展到1.25兆赫甚至5兆赫带宽。这就意味着，道路被扩展得特别宽。加上所使用的带宽不再被分割、时间也不再被分段和最多可以同时支持128人使用的编码技术（通话双方共用的密码编码），使得多人“共用”同一个带宽成为现实，这就是CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）。这就好像是在礼堂里同时有128个人在两两对话，但大家可以互不干扰一样。在3G的标准中，可细分为CDMA2000（美国）、WCDMA（欧洲）和TD-SCDMA（中国）以及WiMAX等。

高速通信“LTE”是怎么回事？

那么，现在备受热议的高速通信方式“LTE”（Long Term Evolution：意味着第3代技术的长期进化版，也被称为第4代技术之前的第3.9代技术）中，又会有什么样的革新呢？

LTE所使用的技术叫OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址），它与CDMA完全不同。OFDMA就好比是将粗水管细分成细水管使用一样，具体来说，就是将带宽分成每180千赫一份的小块。然后，加快水管整体的流速，随时改变分给细水管的水流的分配方式，以消除水流的不均。实际上，在每1毫秒内，基站都会对要使用的小块重新进行分配，分给每个人的小块的频率再被分割为每份15千赫，但是每份都承载着信息。这样一来，整体效率就会提高，通信速度也会加快。据说，LTE的通信速度最快可以达到每秒100兆比特。

有很多人都有举着手机“找”信号的经历。作为更先进的技术，LTE也克服了不同地方无线电波信号强弱不同的问题。某频率的无线电波，经过各种不同距离的路径传到我们手边时，来自不同路径的波峰与波谷的位置就错开了。这样，在不同的地方，无线电波就会相互增强或者相互抵消，于是产生了“位置不同、信号强度也不同”的现象，而且这种现象在每个频率上都会发生。而LTE技术可以将带宽分割成每180千赫一块，它可以根据使用者的位置，选择不使用可能相互抵消的频率。这就是LTE不易掉线的原因。

手机高速通信“LTE”的进化史

图为将手机的通信方式简单化的示意图。条的高度相当于带宽，数据或声音从左向右传递。不同的颜色代表着一个人一个人可以接受的数据或声音。

在第1代时，每个人占有25千赫的带宽。在第2代时，通过对一个25千赫的带宽进行时间上的分割，使3人可以共用同一个带宽。到了第3代时，带宽大幅扩展到最大5兆赫，最多可以让128人同时使用。而使用最新技术LTE的话，带宽被细分成了很多细小的区域，可以随时分配给使用者，从而使整体的通信效率提高，信息传递速度也就更快了。

未来的无线电波通信会如何发展呢？

移动通信的速度会快到什么程度呢？如前所述，频率越高，无线电波传递的信息量就越大，所以也有人考虑使用比特高频更高的频率，来实现更高速的通信。现在，手机所使用的无线电波的频段最高约为2吉赫，今后还会使用更高频率的3.4～3.6吉赫。比起LTE来说，那就是正式的“第4代”通信技术了。

专家认为，尽管如此，固定带宽的通信速度在理论上来说也是有极限的。不过，通过高效的通信技术，人们可以不断地接近这个极限。让我们期待着现有理论突破后，下一种全新的通信技术吧。

据说，手机的通信网处理的信息量以每年两倍的速度递增。看来，新技术接连登场的情况，今后也还会继续下去。

（本文发表于《科学世界》2013年第6期）