5G是什么？一篇文章搞定！

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前言

前两天在得到 APP 中看到了《前沿科技之吴军讲5G》，抱着「付费之后就能毫不费力、完全搞懂5G」的心情报名了。在上下班期间听完了这个专栏，怎么说呢……听完了我还是不知道5G究竟是什么……所以想研究下5G的底层原理。

文章都是自己的理解，欢迎指正和交流。

移动通信技术发展史

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移动通信原理

电磁波

最基本也是最重要的问题：手机为什么能够上网呢？这就涉及到学生时代的物理知识：电磁波。

维基百科中对「电磁波」的定义：

电磁波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。

电磁波在真空中速度为光速，传输不需要介质。从高频到低频依次为：

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1. 伽马射线：原子衰变裂解时放出的射线之一，穿透力极强，可使生物体内的DNA断裂，应用如伽马射线立体定向放射治疗，又称为伽马刀，可用于对特定肿瘤患者的治疗。
2. X射线：X-ray，0.01纳米到10纳米之间（对应频率范围30 PHz到30EHz），可应用于医学成像。
3. 紫外线：Ultraviolet，简称为UV。波长在10nm至400nm之间的电磁波，波长比可见光短，但比X射线长。太阳光中含有部分的紫外线，电弧、水银灯、黑光灯也会发出紫外线。紫外线会损害胶原蛋白，伤害DNA，有致癌风险。
4. 可见光：Visible light，电磁波谱中人眼可以看见（感受得到）的部分，波长为390到700nm。
5. 红外线：Infrared，简称IR。波长为760nm至1mm之间，是波长比红光长的非可见光，对应频率约是在430 THz到300 GHz的范围内。室温下物体所发出的热辐射多都在此波段。
6. 微波：Microwave，波长为1mm至1米之间，具有穿透、反射、吸收三个特性。应用就是微波炉（具体原理下面会分析）。
7. 无线电波：Radio waves，频率在300 GHz到3 kHz之间。诸如WiFi、蓝牙、NFC等都工作在这个频段。

那手机是如何连接网络的呢？

当你给某人打电话时，你的语音会被手机转换为电子信号，通过无线电波传输到最近的手机信号塔。呼叫到达另一个人的电话之前，它需要通过蜂窝塔网络。其他数据如照片和视频的传输也是一样的道理。

5G 是什么？

5G 本质上是什么？

4G也就是在2G Hz频率范围更新，5G采用了超高频，甚至到毫米波，类似上面的微波。

我个人的理解，5G其实就是采用了超高频段通信而已。

5G 的频段有哪些？

国际上有2个标准：

1. FR1：450MHz-6000MHz
2. FR2（毫米波频段）：24250MHz-52600MHz

采用高频段有什么好处？

1. 单位时间振动次数多，所以能表示更多信息，传输效率高。
2. 无线通信最大信号带宽约在载波频率的5%左右，也就是说，载波频率越高，其可实现的信号带宽也就越大。即：能承载更多设备。

采用高频段有什么坏处？

1. 频率越高，波长越短，衍射（绕过物体的能力）越弱，穿透能力越强。但是毫米波这个频段，穿透不是很强，衍射也不是很强……（想想极端情况，X射线能穿透物体成像，无线电波能穿透墙壁传递信号）
2. 需要更多的基站，而且现有的基站几乎无法复用。
3. 对人体有害（未有结论支撑）。

4G 有什么不足？

1. 上网设备数量太多后，带宽不够。4G每平方公里只能支持10万个设备，这个数字看似很大，但是实际上是不够的。比如稍微在一个人群密集的演唱会会聚会场所，想拍照发个朋友圈都难。
2. IoT设备联网方式，现在都是通过通过蓝牙和手机后上网，或通过家里WiFi联网，并不能直接联网。

5G 的特点？

1. 高速
2. 低时延
3. 海量设备

对 5G 的一些看法

有些需求是被「创造」出来的，是现有的技术，然后才有的需求。就像苹果手机出现前，没有人认为大屏触控手机是必要的，诺基亚的按键手机才是主流。当时的苹果手机被认为是「伪需求」。

乔布斯曾说过：消费者并不知道自己需要什么，直到我们拿出自己的产品，他们就发现，这是我要的东西。4G 出来之前，也很少有人会想着用手机流量看视频直播，现在也都已经习惯。

个人感觉 5G 也没有网上传说的那么玄乎，从根本上来讲就是采用了极高频的频段进行通信。好处是高速、低时延、能同时容纳海量设备，但是带来的代价也是显而易见的，这就需要更多更密集的基站。不同国家间针对 5G 问题又不能达成共识，所以 5G 还需要一定的时间发展。