无线世界（四）——毫米波通信

一、七武士

    推荐一部黑泽明的电影《七武士》。这部拍摄于1954年的武士类题材电影，对之后的日本武侠电影乃至世界武侠电影，都带来的深远的影响。难以想象，战后物质极度匮乏的日本，居然可以拍出如此优秀的影片。该电影虽然是黑白，画质分辨率也不高，但是在网上被很多人称为“神作”。

    影片讲述的是战国后期，不少武士沦为打家劫舍的山贼，而一个村庄的村民，为了保护自己的财产，从城里请来了七个武士与山贼对抗的故事。

    影片中的村民是一个亦正亦邪的角色。一方面，由于长期受到山贼的欺压，大部分人性格懦弱，对比自己地位高的武士唯唯诺诺，尽显谦卑；另外一方面，对于流浪到村庄里的落魄武士，由于看中武士身上的装备，竟然也敢集体围杀武士，盗取武士的武器铠甲。一方面，村民愿意自己吃秕谷而让武士吃白米饭，以留住武士；另外一方面，却私藏了很多美酒，直到决战时才肯给武士喝一点。一方面，村民在得知山贼来的时候战战兢兢；另外一方面，在七位武士以死亡四人为代价全歼山贼后，村民载歌载舞，完全不在乎他们的守护者的死亡。

    难怪最后，活下来的武士尽管打赢了战争，却说自己输了：因为赢的是那帮村民。

    整整3个多小时的电影，有很多细节，都耐人寻味。武士的头领，岛田堪兵卫，其原型是日本的一代剑圣上泉伊势守信纲，并且影片里描述了信纲的一个秩事。另外，电影里那位武艺高超，追求武学最高境界的武士，最后却死在了火枪的子弹之下。

    当我下载这部电影的时候，由于网速的问题，下载了相当久的时间。这不禁让我想，有没有什么办法能让网速快一点，比如一分钟之内就把电影给下载完的方法？这就意味着，下载的平均网速要超过45MB/s才行（根据本系列第一篇文章的算法，通信速率需要达到360Mbps）。

文件截图

       目前来讲，是不太可能的。但是，将来如果5G技术铺开，那么这样的下载速度，是完全有可能的。为了达到这么高的速度，我们需要用可以携带更多信息的电磁波（也就是更大的带宽）才可以，毫米波就是一个非常好的选择。

二、毫米波通信

    毫米波，顾名思义，就是波长在毫米量级的波。按照“波长=速度/频率”的计算方法，由于电磁波在真空中的速度是30万公里每秒（事实上其在空气中也大概是这个数），那么要让波长到达毫米量级，频率就必须超过30GHz。

波长频率对应表

    上表描述了电磁波的频率，波长还有其对应的用途。几兆赫兹的频率（MHz）通常用于对讲机通信，以往的2G网络，3G网络使用的是大概1GHz的电磁波（不严谨，事实上还使用1.8GHz左右的电磁波）。另外，2.4GHz（表中的2~3GHz栏）的电磁波和现在的日常生活息息相关，包括4G网络，Wifi，蓝牙，甚至是微波炉加热。注意，5GHz的电磁波，和现在各大公司争相炒作的5G通信是两码事，一个是物理的概念，一个是整个通信系统的概念。更高频率的电磁波，比如太赫兹往往用于电磁成像，材料研究等领域；波长几百纳米的电磁波就是我们肉眼可见的可见光，再高频率的电磁波有紫外线，X射线，伽马射线等，用于杀菌，医疗检查等领域。

    值得一提的是，大多数电磁波频段都已经被通信公司和政府占用，作为社会的基础设施，普通人或者公司想使用这些频段，必须征得许可证或者牌照。只少部分电磁波可免费供平常人用作工业，科学，医疗等方面（即所谓ISM频段：industry, science, medicine）。2.4GHz之所以有这么多的应用背景，就是因为这个频段属于ISM频段。

    前段时间甚嚣尘上的电磁波美容仪，笔者在逛了大量类似网店之后，发现其除了雇佣大量好看小姐姐作为模特外，对仪器的发射频率却一直语焉不详。最终在小红书某推广文上了解到仪器的发射频率大概在1MHz~6MHz这个量级上，最高可达40MHz。所以女性读者如果有美容需求，建议尝试入手一些无线对讲机啊，收音机啊之类，既可听歌聊天，又可美容养颜。

    通常电磁波能够携带的信息和它的带宽有着密切联系。根据著名的香农公式：

真香！

    电磁波理论上可以携带的最大信息量仅和其带宽（W）和信噪比（S/N）有关。信噪比和设备的发射功率，环境噪声功率有关，基本没有改进空间。可以作文章的是电磁波的带宽，通常带宽和电磁波本身的频率有一定的比例关系。频率越高的电磁波，其带宽也越宽。

    于是，相比于现如今广泛使用的2.4GHz的电磁波，高频率的毫米波无疑能具备更强的信息携带能力和通信速率。

    在毫米波通信中，60GHz毫米波（确切的是61.25GHz电磁波）是最让人感兴趣的。emmmmmm 因为它属于ISM波段，免费，不需要许可证。

ISM频段

三、60HGz电磁波的特点

    相比于较低频率的电磁波，高频率电磁波在空气中更加容易衰减。

不同频率电磁波在空气中的衰减特性

    上图表明了电磁波在大气中的衰减能力和其频率之间的关系。由于空气中氧气和水的固有震动频率会造成该震动频率下电磁波能量的大幅度衰减，所以一些固定频率的电磁波会呈现很明显的“衰减峰”现象。不幸的是，60GHz的电磁波正好在这个衰减峰上。

    巨大的衰减意味着，毫米波通信只能在很短的距离内进行（比如说室内）。同时，为了进一步对抗衰减，在传输该类电磁波时通常会使用到方向性天线：这种天线可以将电磁波能量汇聚到某一个固定的方向上。通常的方法是使用喇叭天线或者天线阵列。

天线波瓣

    上图的左图是一个方向性天线的方向图的示意图。天线的方向图可以表示天线向四周辐射能量的能力。如图所示，可以发现天线在其主瓣上的辐射能力是最强的，而在其第一旁瓣，第二旁瓣的辐射能力相对较弱（通常第一旁瓣的辐射能力是主瓣的十分之一以下，为了美观，方向图通常用对数坐标绘出，使用dB作为单位，这里不再展开），在其他方向上的辐射能力更加弱。正是这种不均匀的辐射方式，才可以将电磁能量汇聚在一个方向上。现实中的天线方向图如右图所示，很显然，它更加复杂。

    从天线辐射的角度，可以很容易理解天线的方向图。但同时，天线的方向图还可以理解为天线接收信号的能力。在波瓣大的角度，天线接收信号的能量也就越大。

四、802.11ad协议

4.1 数据帧

    数据通信的基本单位（也称协议基本单元：Protocol Data Unit: PDU）是帧（Frame）。但是很多人（包括笔者）常常被数据帧，数据包，数据报等字眼搞糊涂。所以在讲数据帧之前，先理清这三者关系。为了清晰起见，下表内容会给出英文单词，以供对比。

对应表

    可以发现，数据帧是专门针对数据链路层（OSI七层模型说法）或者是网络接口层（TCP/IP模型说法）的。而其他诸如数据包，是网络层的东西，至于为什么会说它丢掉了以太网首部，具体请参照本系列第一篇文章。数据报是传输层的东西，其最典型的应用就是TCP协议。

    由于毫米波的理论数据速率实在是太高了，综合通信鲁棒性，天线规模，传输高效性等各方面因素，802.11ad 协议规定了一系列的设备数据传输速度。同时，由于存在高方向性的天线阵列，设备附近可以划分成若干扇区。有关设备，天线扇区，通信速率的对应关系，可以看下表：

8扇区的例子

    另外，保证高速率传输的同时，802.11ad 还通过规定调制与编码策略（Modulation and Coding Scheme, MCS），来实现稳定但速率较低的通信方式，这种通信方式常常用于不同设备链接的建立。MCS的编码从0开始到31结束，通信速率依次递增。数据率最高的是MCS-24，可以达到6.7Gbps。

MCS

    不难发现，在802.11ad 中，载波在物理层（PHY）有4种实现方式：控制物理帧（control PHY），单载波帧（Single Carrier, CS），低功耗单载波，OFDM波（OFDM是一种调制方式，希望以后有机会细讲吧……）。他们的帧格式如下所示：

802.11ad的物理层

    这里有必要解释STF（short training field）和CEF（Channel Estimation field）的区别。STF和CEF同属于信号同步（preemble）的范畴，而STF是单纯用来同步，而CEF则有估计信道，推测信道质量的功能。可以发现，控制帧的STF长度远远长于其他类型的帧，这是出于发送控制帧时希望信道尽量稳定的目的。

    值得一提的是，发送控制帧时，使用的MCS就是通信速率最低的MCS-0，通信速率大概是27Mbps。

4.2 波束赋形

    与以往的无线通信相比，毫米波通信最大的特点就是使用了方向性的电磁波。带来高带宽，高空间复用率的同时，方向性也引出了另外一个难题：怎么才能对准电磁波？

    这个问题可以用上图来阐述。对于发射端，其天线需要使用波束1来对准接收端（天线阵列可以通过控制天线单元的相位来在短时间内实现波束的扫描和对准），而对于接收端，应该使用波束4来实现对准。但是如何让发射端和接收端意识到自己应该选择哪个波束？难道每次通信都必须有一个上帝在暗中观察，默默指挥吗?

    明显不太可能。802.11ad协议自己设计了一套方法，能够让发送接收端自主的找到应该使用的波束，从而达到电磁波能量自动对准的效果。这个方法分为两步，扇区层扫描（Sector Level Sweep, SLS）和波束调整过程（Beam Refinement Process）。强行翻译最为致命！

    对于这两部，第一步可以理解为是“粗略的寻找”，第二步可以理解为是“精细的优化”。在第一步，SLS中，对于需要建立链接的两个节点，会随机选取一个作为“发起者”（initializer），另外一个作为“响应者”(responder)。发起者会扫描它的各个扇区并发送一个SLS帧，在这个帧中包含了这个扇区的编号；如果有任何一个扇区可以将信号发送至响应者，响应者就会记录下该扇区的编号。然后，响应者也会扫描自己的所有扇区并发送SLS帧，包含了对应扇区的编号，和记录下的扇区编号。这样，两个点都可以知道对方位于自己的哪个扇区。

    如上图所示，发起者会扫描扇区，位于3号扇区的响应者接收到信号后，也会扫描扇区，告诉发起者正确的位置。位于响应者2号扇区的发起者接收到信息后，意识到自己应该在3号扇区发送，之后发送消息给响应者，让他知道应该在2号扇区发送消息。

    实在看不明白也没办法，我尽力了，阿门……

    第二步的思路与第一步类似，只不过是优化某个扇区内更细的电磁波波瓣（是的，天线阵列还可以改变波瓣的宽度）。但是与第一步不同的是，到达第二步后两节点的链接已经建立，所以只需要一帧就能找到更优的波瓣，相比于第一步四面八方的扫描（穷举法），效率大大提升。

4.3 新节点的发现

    对于任何无线通信，发现周围设备永远是一个问题。以往的无线局域网，由于使用的都是全向性的电磁波，所以单纯的周期性灯塔信号（beacon）就可以保证，如果有新的设备就可以加入到网络来。但是在毫米波这种方向性电磁波下，这个beacon机制就会变的略微复杂一些。

    802.11ad 规定的搜寻时间周期图如下所示：

    协议设定beacon信号仍旧会周期性的发送，但是发送方式和SLS类似。在BTI时刻（Beacon transmission Interval），节点会扫描所有的扇区并在各个扇区内发送beacon信号。A-BFI（association beamforming training）时刻是用来训练波束的；ATI（Announcement transmission interval）时刻，各个节点（或者基站）会将自己训练波束的信息分享给其他人。BTI，A-BFI，ATI三个时期组成了802.11ad的beacon时期。在之后的数据传输时期，节点采用时分复用的方式，在自己分配到的时间段内发送数据。

    至于CBAP（contention-based access periods）和SP（service period）具体需要做什么，我也不知道……

五、毫米波通信离我们有多远

    几年来，包括华为，思科，高通在内的各大通信公司都纷纷开始宣传5G通信（甚至国内有一家手机厂商的技术人员，也告诉我说他们有专门的5G实验室，有技术预研），告诉人们5G时代即将到来。各种各样的“白皮书”纷至沓来。各类组织机构甚至政府也纷纷规划着5G部署的时间节点。学者们纷纷钻研困扰5G通信的核心技术难题，解决一个又一个的技术难关，水出一篇又一篇论文（划掉）。

    但一切似乎都是雷声大雨点小，因为目前为止没有见到一个带有5G字眼的商用产品诞生。或许有人会说，一个新的技术从开始研究到落地需要一定的时间积累。但是反观人工智能领域，兴起的时间也就这几年，但是其落地的产品却让人眼花缭乱（比如自动驾驶的蓬勃发展，再不济也还有AI拍照，AI美颜，AI炒股等等）。

    诚然，一个工业技术，从概念提出，到难点突破，再到产品化商用，要走很长一段路。况且，根据我国布局的5G时间节点，现在这个时间（本文写作日期在2018年10月21日前后）的确不太可能出现所谓的产品。

    笔者认为，决定一个新产业的迅速发展的动力，在于市场需求。例如4G网络的发展，基于人们有玩在线游戏，看视频看直播的需求，且产业规模相对较大，市场前景极其宽广。如果5G可以在将来找到其应用场景（目前人们已经设想了很多场景），找到其潜在的用户和市场需求，那么相信将来5G网络的铺开，也仅仅是时间问题。

    网间传闻，第一部5G手机，将在2019年诞生，让我们拭目以待。

是

公众号：嘉俊的扯犊子专场