关于5G，一篇讲得很透彻的文章

今天的故事，和通信界的头牌花旦“五姐（5G）”有关。

 

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，解释一下。

 

 

就是这个超简单的公式，蕴含了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？

 

一种是6GHz以下，这个和目前我们的2/3/4G差别不算太大；还有一种，就很高了，在24GHz以上。

 

目前，国际上主要使用28GHz进行试验。

 

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。 

 

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，而且能根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。。。

 

 

写着写着发现洋洋洒洒写得有点多。。。

 

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。

 

好啦，今天就到这里吧，谢谢大家的观看，再见！