5G技术的原理

因为受到启发,最近对通讯行业的知识非常感兴趣,所以查阅了很多资料,首先就从学习5G开始。

了解一个事务,先从概念开始。5G的概念:第五代移动电话行动通信标准,也称第五代移动通信技术,外语缩写:5G。也是4G之后的延伸,正在研究中,5G网络的理论传输速度超过10Gbps(相当于下载速度1.25GB/s)。很多人知道它速度比4G快,下载一部电影可能几秒钟就完成了。那它具体究竟和前几代有什么区别呢?深入这些前先去回忆一个公式。

光速=波长×频率,即c=fλ。c指光速,它是恒定的,在真空中,理论速度达到每秒30万公里。因此,波长和频率是成反比的。对于这个公式,可以这么说:无论是1G、2G、3G,还是4G、5G,万变不离其宗的。通信技术,归根到底,就分为两种——有线通信和无线通信。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)。实物通信,基本上就是用的铜线、光纤这些线缆,统称为有线介质,在有线介质上传播数据,速率可以达到很高的数值。而空中传播这部分,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。这个和有线是完全没办法相比的。所以,5G如果要实现端到端的高速率,重点是突破无线这部分的瓶颈

无线通信就是利用电磁波进行通信。电波和光波,都属于电磁波。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。


电磁波


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。

不同频率电波的用途

注意上面图中的红色字体。一直以来,主要是用中频~超高频进行手机通信的。目前全球主流的4G LTE技术标准,属于特高频和超高频。随着1G、2G、3G、4G的发展,使用的电波频率是越来越高的。这是为什么呢?这主要是因为,频率越高,能使用的频率资源越丰富。频率资源越丰富,能实现的传输速率就越高。

更高频率-更多资源-更快速度

频率资源就像车厢,越高的频率,车厢越多,相同时间内能装载的信息就越多。5G使用的频率具体是多少呢?

5G的频率范围,分为两种:一种是6GHz以下,这个和目前的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(这个频段也有可能成为5G最先商用的频段)。如果按28GHz来算,根据前文提到的公式:

波长公式

这个就是5G的第一个技术特点—— 毫 米 波。

好了,既然,频率高这么好,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。激光笔(波长635nm左右),射出的光是直的吧,挡住了就过不去了。卫星通信和GPS导航(波长1cm左右),如果有遮挡物,就没信号了。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。

基站数量意味着什么?钱啊!投资啊!成本啊!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。

所以,基于以上原因,在高频率的前提下,为了减轻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


微基站


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。那么多基站在身边,会不会对人体造成影响?不会!和传统认知恰好相反,事实上,基站数量越多,辐射反而越小! 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:


其实5G一切都根源在于一个最基础的数学公式。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。

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