史上最强!5G入门科普

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5G和4G的区别可不是“啊~啊~啊~5G,你比4G多一G”那么简单,别看数字只是加了一位,带来的变化却是量级的。“G”代表“generation?#20445;?#31616;单来说,1G时我们用手机打电话,2G时我们能互发短信、看文字信息,3G时上网看图片,而4G时我?#24378;?a style="font-family: 宋体; font-size: 12pt;" href="http://tv.hexun.com/">视频和直播,从1G到4G,不仅信号越来越好,安全性越来越高,上网也越来越快了。

01

一个简单且神奇的公式

今天的故事,从一个公式开始?#36130;稹?/p>

这是一个既简单又神奇的公式。说它简单,是因为它一共只有 3 个字母。而说它神奇,是因为这个公式蕴含了博大精深的通信技术奥秘,这个星球上有无数的人都在为之魂牵梦绕。

这个公式,就是它——

 

我相信很多同学都认出这个公式了,如果没认出来,而且你又是一个理科生的话,请记得有空多给你的中学物理老师打打电话!

解释一下,上面这个公式,这是物理学的基本公式,光速=波长×频率。

 

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,全部?#38469;?#22312;它身上做文章,没有跳出它的“五指山”。

且听我慢慢道来。

02

有线?无线?

通信技术,无论什么黑科技白科技,归根到底,就分为两种——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)。

 

如果是在实体物质上传播,就是有线通信,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?#28304;?#21040;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。

 

光纤

而空中传播这部分,才是?#36139;?#36890;信的瓶颈所在。

目前主流的?#36139;?#36890;信标准,是 4G LTE,理论速?#25163;?#26377; 150Mbps(不包括载波聚合)。这个和有线是完全?#35805;?#27861;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。

03

好大一个波

大家都知道,无线通信就是利用电磁波进行通信。电波和光波,?#38469;?#20110;电磁波。

电磁波的功能特性,是由它的频率决定的。不同频?#23454;?#30005;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。

 

电磁波的不断频率

我们目前主要使用电波进行通信。?#27604;唬?#20809;波通信也在崛起,例如 LiFi。

 

LiFi(Light Fidelity),可见光通信

不偏题,回到电波先。

电波属于电磁波的一种,它的频?#39318;?#28304;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?#23454;?#27874;的用途

请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?#21040;?#34892;手机通信的。

例如经常说的“GSM900”、“CDMA800?#20445;?#20854;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:

 

大家能看出来,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?#39318;?#28304;越丰富。频?#39318;?#28304;越丰富,能实现的传输速率就越高。

 

更高的频率→更多的资源→更快的速度

应该不难理解吧?#31185;德首?#28304;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。

那么,5G 使用的频率具体是多少呢?

如下图所示:

 

5G 的频?#21490;段В?#20998;为两种: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(这个频?#25105;?#26377;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。

04

毫米波

请?#24066;?#25105;再发一遍刚才那个频?#35782;?#29031;表:

请注意看最下面一行,是不是就是“毫米波?#20445;?/p>

继续,继续!

好了,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?#25163;?#30340;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。

 

卫星?#24378;?#22823;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。

?#36139;?#36890;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。

这也是为什么,5G 时代,运营商拼命怼设?#24178;蹋?#24076;望基站?#23548;邸#?#22914;果真的上 5G,按以往的模式,设?#24178;?#23601;发大财了。)

所以,基于以上原因,在高频?#23454;?#21069;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?#24515;?#20123;呢?

首先,就是微基站。

05

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:

 

看上去是不是很酷炫?

 

还有更小的,巴掌那么大。

其实,微基站现在就有不少,?#32469;?#26159;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?

?#19994;?#22238;答是——不会。

其实,和传统?#29616;?#24688;好相反,事实上,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?#21490;?#26696;▼

 

小功?#21490;?#26696;▼

 

上面的图,一目了然了。基站小,功?#23454;停?#23545;大家都好。

06

天线去哪了?

大家有没有发现,以前大哥大?#21152;?#24456;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。

07

Massive MIMO

(多天线技术)

MIMO 就是“多进多出?#20445;∕ultiple-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,基站就更不用说了。

以前的基站,天线就那么几根:

 

5G 时代,天线数量不?#21069;?#26681;来算了,?#21069;础?#38453;”、“天线阵?#23567;薄?#19968;眼看去,要得密集恐惧症的节奏。

 

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。如果距离近了,就会互相干扰,影响信号的收发。

08

你是直的?还是弯的?

大家?#25216;?#36807;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,?#27604;?#26159;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?#19994;?#19968;只无形的手,把散开的光束?#31185;?#26469;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

09

波束赋形

在基站上布设天线阵?#26657;?#36890;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?#36139;?#32780;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。

10

别收我钱,行不行?

在目前的?#36139;?#36890;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?#38469;?#36890;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)。

11

?#27169;玻?/strong>

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,那你就想多了。

控制消息还是要从基站走的,你用着频谱资源,运营商怎么可能放过你。

后记

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的理解。而这一?#26657;?#37117;只是源于一个小学生都能看懂的数学公式。不是吗?

通信技术并不神秘,5G 作为通信技术?#20351;?#19978;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,在可以预见的未来是基本不可能突?#39057;摹?/p>

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。

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