6G那些事(2)------- 频率越高了

本文主要简要介绍了无线通信中电磁波的特性以及6G对电磁波的要求。
什么是电磁波频段?6G需要什么频段?该频段的优缺点有哪些?

**电磁波(electromagnetic wave )**是指同相振荡且互相垂直的电场与磁场,在空间中以波的形式传递能量和动量,其传播方向垂直于电场与磁场的振荡方向。
在这里插入图片描述

波速、波长和频率

波的基本公式:v = λ * f

这个公式将波的三个基本性质关联起来:波速v、频率f、波长λ。这个公式其实更像是由上述三个属性的定义而推导出来的。譬如,波速v可以被定义为:单位时间内波峰前进的距离。将这个定义换一种说法即:一个周期时间内波峰前进的距离是一个波长。这里的周期时间,实际上就是频率f的倒数。

将波速的上述定义用公式表示出来就是:T * v = λ

简单转换可以得到:v = λ / T = λ * f

物理学意义上的电磁波,是指由变化的电场和磁场相互感生而产生的波,仍然是满足上述基本公式的。电磁波的波速是一个非常有名的物理学常数:光速。当然,这其实是因为可见光也是一种电磁波。光速依赖于电磁波的传输介质。通常情况下,真空和空气光速可以估计为3E+8 米/秒;光纤中的光速要慢一些,近似为2E+8米/秒。

在电磁波通信应用中,波长这个概念更容易应用一些。通常的移动通信信号,波长在分米量级。具体来说,900MHz信号的波长为0.333米,1.8GHz信号的波长为0.167米,2.6GHz信号的波长为0.115米。

如果将具体物体的大小,与电磁波的波长做比较,可以得到如下几个有趣的结论。

远大于波长:如果一个物体的大小在这个尺度上,则这个物体相当于在电磁波前进方向上的一个巨大阻挡物,会对电磁波产生反射、折射、吸收等效果。这里物体的“巨大程度”是相对于波长的倍数而言的。例如:大楼、大树的树冠,尺度在几米到几百米,都会对移动通信信号形成阻挡和损耗。

远小于波长:如果一个物体的大小在这个尺度上,那么这个物体对电磁波难以产生阻挡效果,电磁波会绕过这个物体而继续传播,这个现象即波的绕射或衍射。例如:雨滴的大小通常在毫米级别,对于通常的移动通信信号没有什么影响,但是对于毫米波(波长在毫米量级)则会产生明显的阻挡。

与波长相近:这个尺度通常是用于天线的设计,例如半波振子的长度为波长的一半,阵列天线的阵元间距也通常是波长的一半。大波长的信号必须使用大尺寸的天线,没办法使用小尺寸天线进行发送和接收。而小波长信号可以使用单个小天线,还可以将小天线组合成为超大尺寸的阵列天线,由于这个原因,长波通信不得不使用超级巨大的天线,而移动通信的天线大小通常和手机的尺寸相近。

频率越高,波长越短,穿透能力越弱,天线越小,信号可用带宽越宽,信息传输量越大。

电磁波谱

物理学意义上的电磁波,其频率跨度非常广,从很低的交流电频率到极高的高能射线。**随着电磁波频率(或波长)的数量级变化,其物理学性质也会发生很大的变化。**可以将电磁波按照其波长从大到小(相当于频率从低到高)排列,称为“电磁波谱”,如下图所示。其中,红外线以上的电磁波谱部分,是通常意义上的“无线电波”。
在这里插入图片描述

长波或更低频率,其实也很早被用于专用的通信系统中。长波可以传输很长距离,并能够贴着地球表面传播(地面波)。当然,长波的发送和接收都是很不容易的,因为天线的大小需要是波长量级的。可以通过图片搜索“长波天线”来体验其巨大。由于这个原因,长波在通常的民用通信中基本用不上。

中波频段的波长在100~1000米,这个频段的电磁波不易被建筑物遮挡。虽然中波覆盖不如长波那么远,但是也可以用于城市区域的覆盖。中波频段主要被用于收音机。例如:上海广播电视台AM990,实际上就使用调幅技术(AM)、工作在990kHz的收音机频道。这种AM收音机便于制作,伴随了很多当代人的成长过程,沿用至今。

短波频段的波长在10~100米。这个波长有个独特的性质,可以被大气电离层反射回地面,通过来回发射可以实现长距离通信(称为“天波”)。因此,短波可以用于较长距离甚至环球的通信。短波的最常见应用是各种短波收音机频道。

比短波更高频率的VHF频段,波长在1~10米,所以被称为米波,也有称为超短波。这个频段主要用于调频收音机和电视广播。例如:上海广播电视台FM93.4,就是使用调频技术(FM)、频率为93.4MHz的收音机广播。例如:我国的无线电视广播,频道DS-1的频率是48.5~56.5MHz。

不同G用的都是那些频段呢?

2G时代,GSM主要是用900MHz频段,后来引入1.8GHz。

3G时代,UMTS主要是1.8GHz和2.1GHz,TD-SCDMA主要是2.3GHz和2.6GHz。

4G时代,LTE继续沿用2G和3G的频段,此外还新引入了3.5GHz频段。

5G时代, 低频段的Sub6G (FR1:450 MHz - 6000 MHz);高频段的毫米波(FR2:24.25 GHz - 52.60 GHz)

6G时代,将使用太赫兹(THz)频段,太赫兹频段是指100GHz-10THz,是一个频率比5G高出许多的频段。

从通信1G(0.9GHz)到现在的5G,再到未来的6G,我们使用的无线电磁波的频率在不断升高。因为频率越高,允许分配的带宽范围越大,单位时间内所能传递的数据量就越大,也就是我们通常说的“网速变快了”。

不过,频段向高处发展的另一个主要原因在于,低频段的资源有限。就像一条公路,即便再宽阔,所容纳车量也是有限的。当路不够用时,车辆就会阻塞无法畅行,此时就需要考虑开发另一条路。频谱资源也是如此,随着用户数和智能设备数量的增加,有限的频谱带宽就需要服务更多的终端,这会导致每个终端的服务质量严重下降。而解决这一问题的可行的方法便是开发新的通信频段,拓展通信带宽。

相同功率条件下,高频波的传播距离小于频率低的波,且穿透能力变弱,可以理解为更接近光的直线特性。所以5G、6G需要更加密集的基站来实现通信

猜你喜欢

转载自blog.csdn.net/weixin_49716548/article/details/127589368
6g