這一切，要從一個“神奇的公式”說起。

 

一個神奇的公式就是這個公式:

 

 

就是這個超簡單的公式，蘊含了我們無線通信技術的博大精深。

 

無論是往事隨風的1G、2G、3G，還是意氣風發的4G、5G，說來說去，都是在這個數學公式上做文章,且聽我慢慢道來。

 

 

通信技術，無論什么黑科技白科技，只分兩種——有線通信和無線通信

 

我和你打電話，信息數據要么在空中傳播（看不見、摸不著），要么在實物上傳播（看得見、摸得著）。

 

 

在有線介質上傳播數據，想要高速很容易。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。

 

 

而空中傳播這部分，才是移動通信的瓶頸所在！

 

 

所以，5G重點是研究無線這部分的瓶頸突破。

 

 

大家都知道，電波和光波都屬于電磁波。電磁波的頻率資源有限，根據不同的頻率特性，有不同的用途。

 

 

我們目前主要使用電波進行通信。當然，光波通信也在崛起，例如可見光通信LiFi（LightFidelity）

 

 

不偏題，回到電波先。

 

電波屬于電磁波的一種，它的頻率資源也是有限的。為了避免干擾和沖突，我們在電波這條公路上進一步劃分車道，分配給不同的對象和用途。

 

不同頻率電波的用途

 

大家注意上面圖中的紅色字體。一直以來，我們主要是用中頻~超高頻進行手機通信的。

 

例如經常說的“GSM900”、“CDMA800”，其實就是工作頻段900MHz和800MHz的意思。目前主流的4G LTE，屬于超高頻和特高頻。

 

我們國家主要使用超高頻：

 

 

隨著1G、2G、3G、4G的發展，使用的頻率是越來越高的。。。

 

為什么呢？

 

因為頻率越高，速度越快。

 

這又是為什么呢？

 

因為頻率越高，車道（頻段）越寬。

 

 

看懂了吧？車道按指數級擴大。

 

 

更高的頻率→更大的帶寬→更快的速度

 

 

5G的頻段具體是多少呢？

 

上個月，我們國家工信部下發通知，明確了我國的5G初始中頻頻段：3.3-3.6GHz、4.8-5GHz兩個頻段。

 

同時，24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高頻頻段正在征集意見。

 

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

 

如果按28GHz來算，根據前文我們提到的公式：

 

 

好啦，這個就是5G的第一個技術特點——

 

 

既然，頻率高這么好，你一定會問：“為什么以前我們不用高頻率呢？”

 

原因很簡單——不是不想用，是用不起！

 

電磁波的一個顯著特點：頻率越高（波長越短），就越趨近于直線傳播（繞射能力越差）。而且，頻率越高，傳播過程中的衰減也越大。

 

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。

 

再看衛星通信和GPS導航（波長1cm左右），如果有遮擋物，就沒信號了吧。

 

而且，衛星那口大鍋，必須校準瞄著衛星的方向。稍微歪一點，都會有影響。

 

 

如果5G用高頻段，那么它最大的問題，就是覆蓋能力會大幅減弱。覆蓋同一個區域，需要的基站數量將大大超過4G。

 

 

這就是為什么這些年，電信、移動、聯通為了低頻段而爭得頭破血流。

 

基站就是要花錢買的啊，能不玩命爭取么？有的頻段甚至被稱為——黃金頻段。

 

 

這也是為什么5G時代，運營商拼命懟設備商，甚至威脅要自己研發通信設備。

 

所以，基于以上原因。

 

在高頻率的前提下，為了減輕覆蓋方面的成本壓力，5G必須尋找新的出路。

 

首先，是微基站。

 

 

基站有兩種，微基站和宏基站?？疵志椭?，微基站很小，宏基站很大！以前都是大的基站，建一個覆蓋一大片：

 

 

以后更多的將是微基站，到處都裝，隨處可見。

 

微基站　看上去是不是很酷炫？

 

微基站的造型有很多種，靈活地與周圍的環境相融合（偽裝），不會讓用戶在心理上產生不適。

 

提醒基站對人體健康不會造成影響。——小棗君宣

 

而且，恰好相反，其實基站數量越多，輻射反而越??！你想一下，冬天，一群人的房子里，一個大功率取暖器好，還是幾個小功率取暖器好？

 

大功率方案

 

小功率方案

 

基站越小巧，數量越多，覆蓋就越好，速度就越快。

 

 

大家有沒有發現，以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，為什么后來我們就看不到帶天線的手機了？

 

 

有人說，是因為信號好了，不需要天線了。

 

其實不對。信號再好，也不能沒有天線。更主要的原因是——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。

 

 

頻率越高，波長越短，天線也就跟著變短啦！毫米波，天線也變成毫米級。這就意味著，天線完全可以塞進手機的里面，甚至可以塞很多根。

 

這就是5G的第三大殺手锏—— Ｍassive MIMOMIMO 就是“多進多出”（Multiple-Input Multiple-Output），多根天線發送，多根天線接收。在LTE時代就已經有MIMO了，5G繼續發揚光大，變成了加強版的Massive　MIMO（Massive：大規模的，大量的）。

 

 

手機都能塞好多根，基站就更不用說了。

 

以前的基站，天線就那么幾根

 

5G時代，就不是按根來算了，是按“陣”。。。“天線陣列”

 

天線多得排成陣了，一眼看去一大片的節奏

 

不過，天線之間的距離也不能太近。因為天線特性要求，多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個波長以上。不要問我為什么，去問科學家。

 

 

大家都見過燈泡發光吧？

 

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，對于光，當然是照亮整個房間，如果只是想照亮某個區域或物體，那么，大部分的光都浪費了。

 

 

基站也是一樣，大量的能量和資源都浪費了。我們能不能找到一只無形的手，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：可以。

 

這就是——

 

 

波束賦形：在基站上布設天線陣列，通過對射頻信號相位的控制，使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常狹窄，并指向它所提供服務的手機，而且能跟據手機的移動而轉變方向。

 

這種空間復用技術，由全向的信號覆蓋變為了精準指向性服務，波束之間不會干擾，在相同的空間中提供更多的通信鏈路，極大地提高基站的服務容量。

 

 

直的都能掰成彎的。。。還有什么是通信磚家干不出來的？

 

 

在目前的通信網絡中，即使是兩個人面對面撥打對方的手機（或手機對傳照片），信號都是通過基站進行中轉的，包括控制信令和數據包。

 

而在5G時代，這種情況就不一定了。

 

5G的第五大特點——D2D，也就是Device to Device。

 

 

5G時代，同一基站下的兩個用戶，如果互相進行通信，他們的數據將不再通過基站轉發，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，如果你覺得這樣就不用付錢，那你就圖樣圖森破了。

 

控制消息還是要從基站走的，而且用著頻譜資源，運營商爸爸怎么可能放過你。

 

 

能看到這的，都是真愛

 

相信大家通過本文對5G和她背后的通信知識已經有了深刻理解，而這一切，都只是源于一個如今小學生都能看懂的數學公式。。。通信技術并不神秘，5G作為通信技術皇冠上最耀眼的寶石，也不是什么遙不可及的創新革命技術，它更多是對現有通信技術的演進。正如一位高人所說——“通信技術的極限，并不是技術工藝方面的限制，而是建立在嚴謹數學基礎上的推論，在可以遇見的未來是基本不可能突破的。”如何在科學原理的范疇內，進一步發掘通信的潛力，是通信行業眾多奮斗者們孜孜不倦的追求。

 

（來源：鮮棗課堂公眾號）