5G简单讲

这一切，要从一个“神奇的公式”说起。。。

 

   一个神奇的公式。。。   

 

 

 

 

就是这个公式。。。

 

 

还记得这个公式的童鞋，请骄傲地为自己鼓个掌。。。

 

 

如果不记得，或是看不懂，也没关系，小枣君解释一下。。。

 

 

就是这个超简单的公式，蕴含了我们无线通信技术的博大精深。。。

 

无论是往事随风的1G、2G、3G，还是意气风发的4G、5G，说来说去，都是在这个数学公式上做文章。。。

 

且听我慢慢道来。。。

 

 

 

 

    有线？无线？……  

 

 

 

 

 

通信技术，无论什么黑科技白科技，只分两种——有线通信和无线通信

 

我和你打电话，信息数据要么在空中传播（看不见、摸不着），要么在实物上传播（看得见、摸得着）。。。

 

 

在有线介质上传播数据，想要高速很容易。。。 

 

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。。。

 

 

而空中传播这部分，才是移动通信的瓶颈所在。。。

 

 

所以，5G重点是研究无线这部分的瓶颈突破。

 

 

 

 

  好大一个波。。。  

 

 

 

 

 

大家都知道，电波和光波都属于电磁波。。。

 

电磁波的频率资源有限，根据不同的频率特性，有不同的用途。。。

 

 

我们目前主要使用电波进行通信。。。

 

当然，光波通信也在崛起，例如可见光通信LiFi（LightFidelity）

 

▼图片来自网络

 

不偏题，回到电波先。。。

 

电波属于电磁波的一种，它的频率资源也是有限的。。。

 

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。。。

 

▼不同频率电波的用途

 

大家注意上面图中的红色字体。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”，其实就是工作频段900MHz和800MHz的意思。。。

 

目前主流的4G LTE，属于超高频和特高频。。。

 

我们国家主要使用超高频：

 

 

随着1G、2G、3G、4G的发展，使用的频率是越来越高的。。。

 

为什么呢？

 

因为频率越高，速度越快。。。

 

又为什么呢？　

 

因为频率越高，车道（频段）越宽。。。 

 

 

看懂了吧。。。车道按指数级扩大。。。

 

 

更高的频率→更大的带宽→更快的速度

 

 

5G的频段具体是多少呢？

 

上个月，我们国家工信部下发通知，明确了我国的5G初始中频频段：

3.3-3.6GHz、4.8-5GHz两个频段

 

同时，24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高频频段正在征集意见。

 

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：

 

 

好啦，这个就是5G的第一个技术特点—— 

 

 

 

 

 

毫米波

 

 

 

 

 

 

继续，继续。。。

 

既然，频率高这么好，你一定会问：“为什么以前我们不用高频率呢？”

 

原因很简单——不是不想用。。。是用不起。。。

 

电磁波的一个显著特点：频率越高（波长越短），就越趋近于直线传播（绕射能力越差）。。。

 

而且，频率越高，传播过程中的衰减也越大。。。

 

你看激光笔（波长635nm左右），射出的光是直的吧，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，就没信号了吧。。。

 

而且，卫星那口大锅，必须校准瞄着卫星的方向。。。稍微歪一点，都会有影响。。。

 

如果5G用高频段，那么它最大的问题，就是覆盖能力会大幅减弱。

 

覆盖同一个区域，需要的基站数量将大大超过4G。

 

 

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。。。

 

基站就是要花钱买的啊。。。能不玩命争取么。。。

 

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。。。

 

甚至威胁要自己研发通信设备。。。

 

 

所以，基于以上原因。。。

 

在高频率的前提下，为了减轻覆盖方面的成本压力，5G必须寻找新的出路。。。

 

首先，是微基站。 

 

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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！

 

以前都是大的基站，建一个覆盖一大片 ▼

 

 

以后更多的将是微基站，到处都装，随处可见。

 

▼微基站　看上去是不是很酷炫？

 

微基站的造型有很多种，灵活地与周围的环境相融合（伪装），不会让用户在心理上产生不适。。。

 

 

 

提醒

基站对人体健康不会造成影响。

 

 

 

 

而且，恰好相反，其实基站数量越多，辐射反而越小！ 

 

你想一下，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▼

 

基站越小巧，数量越多，覆盖就越好，速度就越快。。。

 

 

 

 

　天线去哪了？　

 

 

 

 

 

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，为什么后来我们就看不到带天线的手机了？

有人说，是因为信号好了，不需要天线了。。。

 

其实不对。。。信号再好，也不能没有天线。。。

 

更主要的原因是——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。

 

频率越高，波长越短，天线也就跟着变短啦！ 

 

毫米波，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

 

 

 

 

 

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时代就已经有MIMO了，5G继续发扬光大，变成了加强版的Massive　MIMO（Massive：大规模的，大量的）。

 

 

手机都能塞好多根，基站就更不用说了。。。

 

▼以前的基站，天线就那么几根。。。

 

 

5G时代，就不是按根来算了，是按“阵”。。。“天线阵列”。。。

 

▼天线多得排成阵了。。。一眼看去一大片的节奏。。。

 

 

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。

 

不要问我为什么，去问科学家。。。

 

 

 

 

你是直的？还是弯的？

 

 

 

 

 

大家都见过灯泡发光吧？　

 

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

 

 

 

 

 

 

波束赋形

在基站上布设天线阵列，通过对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。

 

 

 

 

直的都能掰成弯的。。。还有什么是通信砖家干不出来的？

 

 

 

 

别收我钱，行不行？

 

 

 

 

 

在目前的通信网络中，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。

 

 

 

 

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。 

 

不过，如果你觉得这样就不用付钱，那你就图样图森破了。。。

 

 

控制消息还是要从基站走的，而且用着频谱资源，运营商爸爸怎么可能放过你。。。

 

 

 

后记。。。

 

 

 

 

写着写着，小枣君发现洋洋洒洒写的有点多。。。

 

能看到这的，都是真爱。。。

 

 

相信大家通过本文对5G和她背后的通信知识已经有了深刻理解，而这一切，都只是源于一个如今小学生都能看懂的数学公式。。。

 

通信技术并不神秘，5G作为通信技术皇冠上最耀眼的宝石，也不是什么遥不可及的创新革命技术，它更多是对现有通信技术的演进。

 

正如一位高人所说——

 

通信技术的极限，并不是技术工艺方面的限制，而是建立在严谨数学基础上的推论，在可以遇见的未来是基本不可能突破的。

 

如何在科学原理的范畴内，进一步发掘通信的潜力，是通信行业众多奋斗者们孜孜不倦的追求。。。

5G技术具有零延迟与大容量特性，可以使数据传输率提高到现行的100 倍，网络等待时间降低5倍，移动数据量较现在增加1，000倍，还可以使远程移动装置的电池寿命长达10年甚至更久。

爱立信针对最可能受到5G技术影响的八大产业：汽车业、公共事业、公共安全、高科技制造业、网络/数字一族、医疗保健、金融服务与媒体/游戏行业等，调查超过650名包含CIO、CTO、CMO等决策者，了解各产业对5G技术的期待。

5G的技术和标准正紧锣密鼓的发展中，包括美、日、欧、中等国都相继投入通讯标准的研发，推动5G产业在2020年迈入商业运转。

什么是5G？5G技术具有零延迟与大容量特性，可以使数据传输率提高到现行的100 倍，网络等待时间降低5倍，移动数据量较现在增加1，000倍，还可以使远程移动装置的电池寿命长达10年甚至更久。爱立信指出，这些能力会帮助各产业创造新的产品和服务，自5G所衍伸的新兴技术，也将带来新一波的产业创新机会。

爱立信北美区主管暨策略官Rima Qureshi表示：“物联网等新兴技术已成为我们经济及生活型态中不可或缺的一部分，并将推动各产业的重大改变。5G将加速此变革，并为产业及消费者创造出新的使用模式、新的营收来源，以及新的商业模式。”

爱立信针对最可能受到5G技术影响的八大产业：汽车业、公共事业、公共安全、高科技制造业、网络/数字一族、医疗保健、金融服务与媒体/游戏行业等，调查超过650名包含CIO、CTO、CMO等决策者，了解各产业对下一代移动通讯技术的期待。其中，有94％的受访者都认为，下时代移动网络对业务的策略发展至关重要。

汽车业：加强连网汽车性能

汽车业为了提高品牌忠诚度与销售量，往往需要借助新的产品和服务来吸引客户。5G对汽车业来说，提供更佳的性能、更高的安全性、以及装置对装置的通讯能力，是受访者认为真正的商业价值所在。另外，连网汽车是汽车产业的重要趋势，受访者指出，希望提高产品的性能（81％），提高安全性（75％），并且提升设备对设备的通讯能力（72％）。

而被问到是什么因素促使他们采用下一代移动网络时，75％受访者表示是出于提升客户服务，71%的人认为是提高生产力，而69％的人则认为，是因为可以使产品上市（time to market）更加快速。

不过，有趣的是，虽然许多制造商都希望通过5G来加速生产自驾汽车的步伐，但是他们并没有把生产自驾汽车放在未来发展的首要位置。相反地，67％受访者认为，借助5G网络来增强GPS的性能，实现即刻更新的交通及地图显示才是最重要的使用案例。59％受访者认为，5G同样也可以用于定位服务、对碰撞事故的预防以及连网汽车技术/车载智能通讯等方面。

公共事业：远程监控与维修

对公共事业部门的管理者来说，降低成本和确保安全是两大核心重点，而 5G 技术恰好能够满足这两点。借助提供电池供电的设备更长的生命周期，以及快速可靠的通讯，运用于公共事业的5G技术能够实现大量传感器的部署（如在管在线安装检漏器），进行远程监控与维修。根据调查，提高生产力（69％）、加快新产品和新服务的上市时间（63％）以及提高经营效率（61％），是公共事业业者采用5G技术主要商业驱动力。

公共安全：提升安全性

公共安全机构主要是期待借助5G技术与物联网保障大众安全，并尽可能降低花费纳税人缴纳的税金。当问到从哪些方面可以看到下一代移动网络所带来的实际商业价值时，公共安全的高级管理人员列举了像是促进性能（79％）、提高安全性（73％）、以及提升设备对设备的通讯（71％）能力等，因为这些能力对突发事件来说非常重要的。

另外，96％受访者表示，他们正在进行投资，以充分利用5G技术，并且期望新布署的网络能提升连网装置的功能，并能通过5G网络切分（network slicing）技术，在紧急事件发生时，确保优先的通讯功能。

高科技制造业：达到生产力巅峰

绝大多数的高科技制造商，都正试图在各自的产业领域内运用5G技术。由于高度意识到新进者和新业务流程的变革危机，受访的制造业高级主管有72％希望能够通过5G技术提高生产力，69％希望提高客户体验，63％希望藉此加快新产品和新服务的上市时间。

网络原生企业：建立客户忠诚度

通过5G建立客户忠诚度，是互联网/数字原生企业最看重的效益。96％的受访者表示，他们正在进行投资，以充分运用5G技术。他们希望这些投资可以提升客户体验（76％）、向市场推出产品和服务更快速（67％）、提高生产力（58％），以及找到更多创新机会（58％）。

健康照护：实现远程诊断

大多数受访的健康照护产业高级主管表示，期待通过5G建置新的服务与产品，以提升大众的生活质量。例如，远程看诊以及远程诊断，一直是医疗业和病患的梦想。5G可以实现远程医疗护理，并且将成为该产业未来变革的推动者，94％受访者皆表示将展开大规模的业务改造，以充分运用5G网络。另外，有鉴于对医疗保健信息隐私的要求，受访者也认为，就5G的商业价值来看，安全性与效能的重要性是不相上下的。

金融服务：提升生产力及客户满意度

对金融服务业而言，5G技术推动的是实时移动交易以及高频率交易。而在金融界，安全位居第一位，84％金融服务高级主管表示，他们对5G推动更多安全交易的潜能十分感兴趣。而当询问什么是下一代移动网络的关键业务驱动力量时，受访者提出了提高经营效率（74％）、提高生产力（73％）以及提升客户体验（71％）。例如，使用5G技术，做为交易用途的网络可为不同用户或企业安全分割成不同部分；财务顾问可以与客户进行具安全性的远程会议，以增加销售机会等。

媒体与游戏产业：带来身临其境的体验

媒体与游戏行列的目标是取悦、吸引观众的注意力。5G带来的效益便是提供身历其境的新体验，例如通过5G网络的高容量，将推动媒体公司采用4K串流媒体与移动装置虚拟现实，让观众感受到音乐会、运动赛事等身历其境的活动。另外，绝大多数受访者认为，个人实时360度广播和固定式无线宽带，都是他们期望5G带来的进一步发展。