【深度】谈谈我对于5G的理解

浅谈我对于5G的理解
一、 5G及相关概念

1. 相关基础公式：光速=波长×频率
   

2. 通信分类：有线通信和无线通信。
   下图很好的说明了这两种通信：
   
   在有线介质上传播数据，速率可以达到很高的数值，以光纤为例，在实验室中，单条光纤最大速度已达到了26Tbps，是传统网线的两万六千倍。空中传播这部分，才是移动通信的瓶颈所在。目前主流的移动通信标准，是 4G LTE，理论速率只有 150Mbps（不包括载波聚合）。这个和有线是完全没办法相比的。

3. 无线通信载体：电磁波
   电磁波的功能特性，是由它的频率决定的**。不同频率的电磁波，有不同的属性特点，从而有不同的用途**。例如，高频的 γ 射线，具有很大的杀伤力，可以用来治疗肿瘤。我们目前主要使用电波进行通信。（光波通信也在崛起，例如 LiFi。
   
   电波属于电磁波的一种，它的频率资源是有限的。为了避免干扰和冲突，我们在电波这条公路上进一步划分车道，分配给不同的对象和用途。
   
   以上红色字体即为移动通信所处频率。一直以来，我们主要是用中频~超高频进行手机通信的。
   例如经常说的**「GSM900」、「CDMA800」，**其实意思就是指，工作频段在 900MHz 的 GSM，和工作频段在 800MHz 的 CDMA。
   目前全球主流的 4G LTE 技术标准，属于特高频和超高频。
   我们国家主要使用超高频：
   
   更高 的频率→ 更多 的资源→ 更快 的速度
   而5G频率：
   

4. 5G的技术特点：
   目前，国际上主要使用 28GHz 进行试验（这个频段也有可能成为 5G 最先商用的频段）。
   如果按 28GHz 来算，根据前文我们提到的公式：
   
   这个就是 5G 的第一个技术特点——毫 米 波。对照频率的分配表可知：此毫米波属于最后一行的极高频段。而由于电磁波的显著特点：频率越高，波长越短，越趋近于直线传播（绕射能力越差）。 频率越高，在传播介质中的衰减也越大。故如果用高频的话，我们还是要付出一定代价的。举两个此类例子：激光笔（波长 635nm 左右），射出的光是直的，挡住了就过不去了。再看卫星通信和 GPS 导航（波长 1cm 左右），如果有遮挡物，就没信号了，卫星那口大锅，必须校准瞄着卫星的方向，否则哪怕稍微歪一点，都会影响信号质量。
   
   得出结论：移动通信如果用了高频段，那么它最大的问题，就是传输距离大幅缩短， 覆盖能力大幅减弱 。覆盖同一个区域，需要的 5G 基站数量，将大大超过 4G。
   
   延申：这里提到的基站数量意味着什么？就是钱、投资、成本这些现实的东西。**频率越低，网络建设就越省钱，竞争起来就越有利。**这就是为什么，这些年，电信、移动、联通为了低频段而争得头破血流。有的频段甚至被称为—— 黄金频段 。这也是为什么，5G 时代，运营商拼命怼设备商，希望基站降价。（如果真的上 5G，按以往的模式，设备商就发大财了。）

5. 5G要解决的问题
   (1) 基站问题
   基于以上所述的原因，在高频率的前提下，势必会存在网络建设方面的成本压力，5G 必须寻找新的出路。
   出路有哪些呢？首先，就是微基站。
   基站有两种，微基站和宏基站。看名字就知道，微基站很小，宏基站很大！
   宏基站：
   
   ▲ 室外常见，建一个覆盖一大片
   微基站：
   
   
   其实，微基站现在就有不少，尤其是城区和室内，经常能看到。以后，到了 5G 时代，微基站会更多，到处都会装上，几乎随处可见。
   你肯定会问，那么多基站在身边，会不会对人体造成影响？答案是：不会的。
   其实，和传统认知恰好相反，事实上，基站数量越多，辐射反而越小！
   举个形象的例子：冬天，一群人的房子里，一个大功率取暖器好，还是几个小功率取暖器好？
   大功率方案▼
   
   小功率方案▼
   
   总结：上面的图，一目了然了。基站小，功率低，对大家都好。如果只采用一个大基站，离得近，辐射大，离得远，没信号，反而不好。
   (2) 接收端天线问题
   大家有没有发现，以前大哥大都有很长的天线，早期的手机也有突出来的小天线，为什么现在我们的手机都没有天线了？
   其实，我们并不是不需要天线，而是我们的天线变小了。
   根据天线特性，天线长度应与波长成正比，大约在 1/10~1/4 之间。
   
   随着时间变化，我们手机的通信频率越来越高，波长越来越短，天线也就跟着变短啦！毫米波通信，天线也变成毫米级，这就意味着，天线完全可以塞进手机的里面，甚至可以塞很多根。
   这就是 5G 的第三大杀手锏——Ｍassive MIMO（多天线技术）
   MIMO 就是「多进多出」（Multiple-Input Multiple-Output），多根天线发送，多根天线接收。在 LTE 时代，我们就已经有 MIMO 了，但是天线数量并不算多，只能说是初级版的 MIMO。到了 5G 时代，继续把 MIMO 技术发扬光大，现在变成了加强版的 Massive　MIMO（Massive：大规模的，大量的）。
   
   手机里面都能塞好多根天线，基站同样也是。
   以前的基站，天线就那么几根：
   
   5G 时代，天线数量不是按根来算了，是按「阵」，「天线阵列」。
   
   不过，天线之间的距离也不能太近。因为天线特性要求，多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上。如果距离近了，就会互相干扰，影响信号的收发 。

(3) 信号浪费问题
其实，基站发射信号的时候，就有点像灯泡发光。信号是向四周发射的，对于光，当然是照亮整个房间，如果只是想照亮某个区域或物体，那么，大部分的光都浪费了

基站也是一样，大量的能量和资源都浪费了。我们能不能找到一只无形的手，把散开的光束缚起来呢？这样既节约了能量，也保证了要照亮的区域有足够的光。
答案是：可以。这就是——波 束 赋 形

概念：波束赋形；在基站上布设天线阵列，通过射频信号相位的控制
，使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常狭窄，并指向它所提供服务的手机，而且能跟据手机的移动而转变方向。这种空间复用技术，由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务，波束之间不会干扰，在相同的空间中提供更多的通信链路，极大地提高基站的服务容量。

(4) Ｄ２Ｄ
在目前的移动通信网络中，即使是两个人面对面拨打对方的手机（或手机对传照片），信号都是通过基站进行中转的，包括控制信令和数据包。而在 5G 时代，这种情况就不一定了。5G 的第五大特点——D2D，也就是 Device to Device（设备到设备）。
Ｄ２Ｄ
5G 时代，同一基站下的两个用户，如果互相进行通信，他们的数据将不再通过基站转发，而是直接手机到手机。

这样，就节约了大量的空中资源，也减轻了基站的压力。（控制消息还是要从基站走的，你用着频谱资源，运营商还要收钱的哦）

6. 5G及相关概念总结：
   综上所述：5G传输的就是一种频率非常高的电磁波，由于频率越高，波长越短，电磁波就越趋近于直线传播、在传播介质中的衰减也越大，故5G的传输距离大幅缩短，覆盖能力大幅减弱，其所需的基站数量就大大超过原来4G的，而这些问题正是现在需要解决的。以上提到的微基站、MIMO多天线技术、波束赋形D2D就是解决这些问题的。

二、 5G的应用

1. 超速度：
   也就是我们所见证的，3G比2G速度快，4G比3G速度快，5G的速度30倍4G。轻松下载，高速传输。

2. 低延时：
   因为速度快，反应速度也快，延时就很低。实现远程控制，精准指令。引用以下几个例子理论说明：
   (1) 信号接收和下达指令：优步自动驾驶美国路测撞死行人这一案例，就是4G无法达到低时延要求的典型体现。通常自动驾驶汽车需要通过雷达扫描车距、行人、障碍等路况信息，并传到终端，经过快速计算以后，下达刹车等相关指令。但是由于4G存在时延问题，当汽车得到刹车指令时，已经为时已晚。而5G未来就可以解决这类时延问题。
   (2) 流畅的视频和画面：体验VR眼镜时，会出现头晕目眩的情况，这和视频画面出现卡顿的原因一样，就是因为不够流畅，这也是时延在作怪，运行和传输速率提高可以解决此类问题。
   (3) 智能制造领域：用铣床对零部件进行精准切割，如果接收命令的时效有延迟，铣床就会因反应不及时而又多转了几圈，无法按要求精准切割零部件。

3. 低能耗：
   现在之所以很多智能设备无法普及的原因之一是能耗大、经常要充电。手机、耳机、眼镜、手环、皮带、手表等产品可以加大智能化程度，但是由于功耗较大，需要不断充电，很多产品并没有带给人方便，也就无从推广。但在万物互联中应用５Ｇ，可以在海量连接时的实现“低能耗”功能，包括依靠快速反应和低能耗的管理模式。比如：
   (1) 城市的井盖经常损坏或被人偷走，5G时代将会在井盖里面安装一个装置，一旦有问题，它就会传出信息，我们就可以立马进行维修、替换。但是如果不是低功耗，每天都要换电池，那太不现实了。

4. 万物互联时代：
   5G时代也意味着万物互联，不仅电脑、手机，我们日常生活中的汽车、车位、路灯、眼镜、皮鞋、衣服、手表等等，都将成为智能终端，终端设备基本预测将达到100亿台。

三、 我对于5G应用的一些感悟
5G一旦发展起来，个人方面的变化是很容易理解的，比如下载速度更快了、玩游戏（特别是VR/AR类对时延要求很高的游戏）更顺畅了等。但是，我认为，在5G中，有28分一说：即20％是人和人之间的通讯，80％是物和物之间的通讯。
而在物与物通信中，首先是经典的物联网，即万物互联。有了低能耗、时延低等的特点，将使每一个设备都会成为一个终端，家里的一把风扇、一盏灯都能成为这个终端，风扇和灯把每一次开的时间和关的时间都发送到附近的云端，经过云端的服务器强大的计算和处理，就会生成一个最优解，从而更好的管理这些家居设备。而车联网也是这个道理。
这样的话，像5G远程驾驶、5G智能工厂、5G无人机物流、5G远程医疗、5G VR全景直播、5G安防、5G智慧农业、5G智慧园区、5G远程教育、5G新零售、5G气象系统等等都会成为热点。
总之，由于5G的应用场景非常多，之前的也会全部翻篇，5G将成为下一个“风口”。大浪淘沙，谁能在这个新的时代稳住脚，谁又会在谁会在5G时代赚的盆满钵满？

下一篇将阐述我对于5G这个“风口”的商业前景的思考。

参考文献：微信公众号鲜枣课堂（ID：xzclasscom），原标题为《有史以来最强的 5G 入门科普！》