第一次有人把 5G 講的這麼簡單明瞭

一個簡單且神奇的公式    今天的故事，從一個公式開始講起。這是一個既簡單又神奇的公式。說它簡單，是由於它一共只有 3 個字母。而說它神奇，是由於這個公式蘊含了博大精深的通訊技術奧祕，這個星球上有無數的人都在爲之魂牽夢繞。

這個公式，就是它——

我相信不少同窗都認出這個公式了，若是沒認出來，並且你又是一個理科生的話，請記得有空多給你的中學物理老師打打電話！

小棗君解釋一下，上面這個公式，這是物理學的基本公式，光速 = 波長 × 頻率。

對於這個公式，能夠這麼說：不管是 1G、2G、3G，仍是 4G、5G，萬變不離其宗，所有都是在它身上作文章，沒有跳出它的「五指山」。

且聽我慢慢道來。。。

有線？無線？

通訊技術，不管什麼黑科技白科技，歸根到底，就分爲兩種——有線通訊和無線通訊。

我和你打電話，信息數據要麼在空中傳播（看不見、摸不着），要麼在實物上傳播（看得見、摸得着）。

若是是在實體物質上傳播，就是有線通訊，基本上就是用的銅線、光纖這些線纜，統稱爲有線介質。

在有線介質上傳播數據，速率能夠達到很高的數值。

以光纖爲例，在實驗室中，單條光纖最大速度已達到了 26Tbps。。。是傳統網線的兩萬六千倍。。。

▲ 光纖

而空中傳播這部分，纔是移動通訊的瓶頸所在。

目前主流的移動通訊標準，是 4G LTE，理論速率只有 150Mbps（不包括載波聚合）。這個和有線是徹底沒辦法相比的。

因此，5G 若是要實現端到端的高速率，重點是突破無線這部分的瓶頸 。

好大一個波

你們都知道，無線通訊就是利用電磁波進行通訊。電波和光波，都屬於電磁波。

電磁波的功能特性，是由它的頻率決定的。不一樣頻率的電磁波，有不一樣的屬性特色，從而有不一樣的用途。

例如，高頻的γ射線，具備很大的殺傷力，能夠用來治療腫瘤。

▲ 電磁波的不斷頻率

咱們目前主要使用電波進行通訊。固然，光波通訊也在崛起，例如 LiFi。

▲ LiFi（Light Fidelity），可見光通訊

不偏題，回到電波先。

電波屬於電磁波的一種，它的頻率資源是有限的。

爲了不干擾和衝突，咱們在電波這條公路上進一步劃分車道 ，分配給不一樣的對象和用途。

▲ 不一樣頻率電波的用途

請你們注意上面圖中的紅色字體。一直以來，咱們主要是用中頻 ~ 超高頻進行手機通訊的。

例如常常說的「GSM900」、「CDMA800」，其實意思就是指，工做頻段在 900MHz 的 GSM，和工做頻段在 800MHz 的 CDMA。

目前全球主流的 4G LTE 技術標準，屬於特高頻和超高頻。

咱們國家主要使用超高頻：

你們能看出來，隨着 1G、2G、3G、4G 的發展，使用的電波頻率是愈來愈高的。

這是爲何呢？

這主要是由於， 頻率越高，能使用的頻率資源越豐富。頻率資源越豐富，能實現的傳輸速率就越高。

更高 的頻率→ 更多 的資源→ 更快 的速度

應該不難理解吧？頻率資源就像車箱，越高的頻率，車箱越多，相同時間內能裝載的信息就越多。

那麼，5G 使用的頻率具體是多少呢？

以下圖所示：

5G 的頻率範圍，分爲兩種：一種是 6GHz 如下，這個和目前咱們的 2/3/4G 差異不算太大。還有一種，就很高了，在 24GHz 以上。

目前，國際上主要使用 28GHz 進行試驗（這個頻段也有可能成爲 5G 最早商用的頻段）。

若是按 28GHz 來算，根據前文咱們提到的公式：

好啦，這個就是 5G 的第一個技術特色——毫 米 波。

請容許我再發一遍剛纔那個頻率對照表：

請注意看最下面一行，是否是就是「毫米波」？

繼續，繼續！

好了，既然，頻率高這麼好，你必定會問：「爲何之前咱們不用高頻率呢？」

緣由很簡單——不是不想用，是用不起。

電磁波的顯著特色：頻率越高，波長越短，越趨近於直線傳播（繞射能力越差）。 頻率越高，在傳播介質中的衰減也越大。

你看激光筆（波長 635nm 左右），射出的光是直的吧，擋住了就過不去了。

再看衛星通訊和 GPS 導航（波長 1cm 左右），若是有遮擋物，就沒信號了吧。

衛星那口大鍋，必須校準瞄着衛星的方向，不然哪怕稍微歪一點，都會影響信號質量。

移動通訊若是用了高頻段，那麼它最大的問題，就是傳輸距離大幅縮短， 覆蓋能力大幅減弱 。

覆蓋同一個區域，須要的 5G 基站數量，將大大超過 4G。

基站數量意味着什麼？錢啊！投資啊！成本啊！

頻率越低，網絡建設就越省錢，競爭起來就越有利。這就是爲何，這些年，電信、移動、聯通爲了低頻段而爭得頭破血流。

有的頻段甚至被稱爲—— 黃金頻段 。

這也是爲何，5G 時代，運營商拼命懟設備商，但願基站降價。（若是真的上 5G，按以往的模式，設備商就發大財了。）

因此，基於以上緣由，在高頻率的前提下，爲了減輕網絡建設方面的成本壓力，5G 必須尋找新的出路。

出路有哪些呢？

首先，就是微基站。

微 基 站

基站有兩種，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：

▲ 室外常見，建一個覆蓋一大片

微基站：

▲ 看上去是否是很酷炫？

▲ 還有更小的，巴掌那麼大

其實，微基站如今就有很多，尤爲是城區和室內，常常能看到。

之後，到了 5G 時代，微基站會更多，處處都會裝上，幾乎隨處可見。

你確定會問，那麼多基站在身邊，會不會對人體形成影響？

個人回答是——不會。

其實，和傳統認知剛好相反，事實上，基站數量越多，輻射反而越小！

你想一下，冬天，一羣人的房子裏，一個大功率取暖器好，仍是幾個小功率取暖器好？

大功率方案▼

小功率方案▼

上面的圖，一目瞭然了。基站小，功率低，對你們都好。若是隻採用一個大基站，離得近，輻射大，離得遠，沒信號，反而很差。

天線去哪了？

你們有沒有發現，之前大哥大都有很長的天線，早期的手機也有突出來的小天線，爲何如今咱們的手機都沒有天線了？

其實，咱們並非不須要天線，而是咱們的天線變小了。

根據天線特性，天線長度應與波長成正比，大約在 1/10~1/4 之間。

隨着時間變化，咱們手機的通訊頻率愈來愈高，波長愈來愈短，天線也就跟着變短啦！

毫米波通訊，天線也變成毫米級。。。

這就意味着，天線徹底能夠塞進手機的裏面，甚至能夠塞不少根。。。

這就是 5G 的第三大殺手鐗——Ｍassive MIMO（多天線技術）

MIMO 就是「多進多出」（Multiple-Input Multiple-Output），多根天線發送，多根天線接收。

在 LTE 時代，咱們就已經有 MIMO 了，可是天線數量並不算多，只能說是初級版的 MIMO。

到了 5G 時代，繼續把 MIMO 技術發揚光大，如今變成了增強版的 Massive　MIMO（Massive：大規模的，大量的）。

手機裏面都能塞好多根天線，基站就更不用說了。

之前的基站，天線就那麼幾根：

5G 時代，天線數量不是按根來算了，是按「陣」。。。「天線陣列」。。。一眼看去，要得密集恐懼症的節奏。。。

不過，天線之間的距離也不能太近。

由於天線特性要求，多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個波長以上。若是距離近了，就會互相干擾，影響信號的收發 。

你是直的？仍是彎的？

你們都見過燈泡發光吧？

其實，基站發射信號的時候，就有點像燈泡發光。

信號是向四周發射的，對於光，固然是照亮整個房間，若是隻是想照亮某個區域或物體，那麼，大部分的光都浪費了。。。

基站也是同樣，大量的能量和資源都浪費了。

咱們能不能找到一隻無形的手，把散開的光束縛起來呢？

這樣既節約了能量，也保證了要照亮的區域有足夠的光。

答案是：能夠。

這就是——波 束 賦 形

波束賦形；在基站上佈設天線陣列，經過射頻信號相位的控制 ，使得相互做用後的電磁波的波瓣變得很是狹窄，並指向它所提供服務的手機，並且能跟據手機的移動而轉變方向。這種空間複用技術，由全向的信號覆蓋變爲了精準指向性服務，波束之間不會干擾，在相同的空間中提供更多的通訊鏈路，極大地提升基站的服務容量。

直的都能掰成彎的。。。還有什麼是通訊磚家幹不出來的？

 

別收我錢，行不行？

在目前的移動通訊網絡中，即便是兩我的面對面撥打對方的手機（或手機對傳照片），信號都是經過基站進行中轉的，包括控制信令和數據包。。。

而在 5G 時代，這種狀況就不必定了。

5G 的第五大特色——D2D，也就是 Device to Device（設備到設備）。

Ｄ２Ｄ

5G 時代，同一基站下的兩個用戶，若是互相進行通訊，他們的數據將再也不經過基站轉發，而是直接手機到手機。。。

這樣，就節約了大量的空中資源，也減輕了基站的壓力。

不過，若是你以爲這樣就不用付錢，那你就圖樣圖森破了。

控制消息仍是要從基站走的，你用着頻譜資源，運營商爸爸怎麼可能放過你。。。

後記

寫着寫着，小棗君發現洋洋灑灑寫的有點多。。。

能看到這的，都是真愛啊。。。

相信你們經過本文，對 5G 和她背後的通訊知識已經有了深入的理解。而這一切，都只是源於一個小學生都能看懂的數學公式。不是麼？

通訊技術並不神祕，5G 做爲通訊技術皇冠上最耀眼的寶石，也不是什麼高不可攀的創新革命技術，它更可能是對現有通訊技術的演進。

正如一位高人所說——

通訊技術的極限，並非技術工藝方面的限制，而是創建在嚴謹數學基礎上的推論，在能夠碰見的將來是基本不可能突破的。

如何在科學原理的範疇內，進一步發掘通訊的潛力，是通訊行業衆多奮鬥者們孜孜不倦的追求。