声音传输的介质广泛存在,几乎除了真空环境之外,声音都可以进行传播;通讯信号的传播也可以通过多种载体进行,比如常见的双绞线(双绞线有很多的子类别,普通的家用网线就是其中一种)、同轴电缆(家用有线电视线也是一种同轴电缆)、光纤和无线电波。在蜂窝网络通讯中,数据传输速率的瓶颈往往出现在无线侧(即手机和基站之间进行的通讯),此处我们也主要介绍无线通讯的部分。
无线通讯的载体是无线电波无线电波是电磁波的子集,是频率较低的电磁波。电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动的电磁场,具有波粒二象性。电磁波在真空中速率固定,速度为光速。可见光、红外线、紫外线等都是电磁波,根据频率的差异,可以对电磁波进行如下分类:无处不在的电磁波不同频率的电磁波广泛地存在于我们的生活中:▲图片来源:https://www.almaobservatory.org收音机、手机、WIFI路由器、微波炉、太阳、人、动物甚至植物,都会发出电磁波…频率——即电磁波单位时间内振动的次数,是决定电磁波性质的重要指标;频率之间的差异巨大(1021倍的差距!),对应的电磁波的属性也差异巨大:多数情况下电磁波对人体无害,但具备放射性的高频电磁波对人体非常危险;通常把频率介于3KHz和300GHz(每秒震动3000次到3000亿次)之间的电磁波称为无线电波;这部分无线电波已经被广泛用于广播、移动通讯、气象、卫星通信、导航定位、海事通讯、空间和天文研究、军事通讯等用途,相关频谱资源也已经被划分/占用。
下面两张图描绘了中美两国的频谱资源授权情况:▲中国无线电频率划分图▲美国无线电频率划分图既然无线电波是无线通讯的载体,那么无线电波是如何传输信息的呢?在电影中,主人公有时会有通过某种暗号,比如手电筒的明暗交替、墙上某个挂饰的有无来传递信息;在日常生活中,也有司机通过车灯的闪烁来发出信息(例如:闪一下大灯,提示前车前行;闪两下大灯,是提醒对向行车切换近光灯)。
实际上,无线电波传输信息的方式与前面的例子本质上是一致的;区别在于无线电波的频率极高,在一秒钟可以「闪烁」数十亿次,因而可以在很短的时间内传递大量的信息。假如,我们定义汽车大灯闪烁1次代表汉字「一」、2次代表「二」、连续闪烁11次代表「人」、12次代表「田」……进而把所有的汉字都对应一个闪烁次数,那么我们也可以通过大灯的闪烁来传递一本《史记》;如果大灯一秒钟可以闪烁30亿次(对应频率3G,1G=1Trillion=10亿),而传递一本《史记》需要闪烁的次数不超过30亿次,对应的传输时间就不超过1秒。