這一切，要從一個(gè)“神奇的公式”說(shuō)起。

 

一個(gè)神奇的公式就是這個(gè)公式:

 

 

就是這個(gè)超簡(jiǎn)單的公式，蘊含了我們無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的博大精深。

 

無(wú)論是往事隨風(fēng)的1G、2G、3G，還是意氣風(fēng)發(fā)的4G、5G，說(shuō)來(lái)說(shuō)去，都是在這個(gè)數學(xué)公式上做文章,且聽(tīng)我慢慢道來(lái)。

 

 

通信技術(shù)，無(wú)論什么黑科技白科技，只分兩種——有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信

 

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

 

 

在有線(xiàn)介質(zhì)上傳播數據，想要高速很容易。實(shí)驗室中，單條光纖最大速度已達到了26Tbps,是傳統網(wǎng)線(xiàn)的兩萬(wàn)六千倍。

 

 

而空中傳播這部分，才是移動(dòng)通信的瓶頸所在！

 

 

所以，5G重點(diǎn)是研究無(wú)線(xiàn)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(jìn)行通信。當然，光波通信也在崛起，例如可見(jiàn)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(jìn)一步劃分車(chē)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(lái)，我們主要是用中頻~超高頻進(jìn)行手機通信的。

 

例如經(jīng)常說(shuō)的“GSM900”、“CDMA800”，其實(shí)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(zhù)1G、2G、3G、4G的發(fā)展，使用的頻率是越來(lái)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(chē)道（頻段）越寬。

 

 

看懂了吧？車(chē)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(gè)月，我們國家工信部下發(fā)通知，明確了我國的5G初始中頻頻段：3.3-3.6GHz、4.8-5GHz兩個(gè)頻段。

 

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

 

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

 

如果按28GHz來(lái)算，根據前文我們提到的公式：

 

 

好啦，這個(gè)就是5G的第一個(gè)技術(shù)特點(diǎn)——

 

 

既然，頻率高這么好，你一定會(huì )問(wèn)：“為什么以前我們不用高頻率呢？”

 

原因很簡(jiǎn)單——不是不想用，是用不起！

 

電磁波的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)：頻率越高（波長(cháng)越短），就越趨近于直線(xiàn)傳播（繞射能力越差）。而且，頻率越高，傳播過(guò)程中的衰減也越大。

 

你看激光筆（波長(cháng)635nm左右），射出的光是直的吧，擋住了就過(guò)不去了。

 

再看衛星通信和GPS導航（波長(cháng)1cm左右），如果有遮擋物，就沒(méi)信號了吧。

 

而且，衛星那口大鍋，必須校準瞄著(zhù)衛星的方向。稍微歪一點(diǎn)，都會(huì )有影響。

 

 

如果5G用高頻段，那么它最大的問(wèn)題，就是覆蓋能力會(huì )大幅減弱。覆蓋同一個(gè)區域，需要的基站數量將大大超過(guò)4G。

 

 

這就是為什么這些年，電信、移動(dòng)、聯(lián)通為了低頻段而爭得頭破血流。

 

基站就是要花錢(qián)買(mǎi)的啊，能不玩命爭取么？有的頻段甚至被稱(chēng)為——黃金頻段。

 

 

這也是為什么5G時(shí)代，運營(yíng)商拼命懟設備商，甚至威脅要自己研發(fā)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(gè)覆蓋一大片：

 

 

以后更多的將是微基站，到處都裝，隨處可見(jiàn)。

 

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?chē)沫h(huán)境相融合（偽裝），不會(huì )讓用戶(hù)在心理上產(chǎn)生不適。

 

提醒基站對人體健康不會(huì )造成影響。——小棗君宣

 

而且，恰好相反，其實(shí)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(gè)大功率取暖器好，還是幾個(gè)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(méi)有發(fā)現，以前大哥大都有很長(cháng)的天線(xiàn)，早期的手機也有突出來(lái)的小天線(xiàn)，為什么后來(lái)我們就看不到帶天線(xiàn)的手機了？

 

 

有人說(shuō)，是因為信號好了，不需要天線(xiàn)了。

 

其實(shí)不對。信號再好，也不能沒(méi)有天線(xiàn)。更主要的原因是——天線(xiàn)變小了。

 

根據天線(xiàn)特性，天線(xiàn)長(cháng)度應與波長(cháng)成正比，大約在1/10~1/4之間。

 

 

頻率越高，波長(cháng)越短，天線(xiàn)也就跟著(zhù)變短啦！毫米波，天線(xiàn)也變成毫米級。這就意味著(zhù)，天線(xiàn)完全可以塞進(jìn)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(jìn)多出”（Multiple-Input Multiple-Output），多根天線(xiàn)發(fā)送，多根天線(xiàn)接收。在LTE時(shí)代就已經(jīng)有MIMO了，5G繼續發(fā)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(shuō)了。

 

以前的基站，天線(xiàn)就那么幾根

 

5G時(shí)代，就不是按根來(lái)算了，是按“陣”。。。“天線(xiàn)陣列”

 

天線(xiàn)多得排成陣了，一眼看去一大片的節奏

 

不過(guò)，天線(xiàn)之間的距離也不能太近。因為天線(xiàn)特性要求，多天線(xiàn)陣列要求天線(xiàn)之間的距離保持在半個(gè)波長(cháng)以上。不要問(wèn)我為什么，去問(wèn)科學(xué)家。

 

 

大家都見(jiàn)過(guò)燈泡發(fā)光吧？

 

其實(shí)，基站發(fā)射信號的時(shí)候，就有點(diǎn)像燈泡發(fā)光。信號是向四周發(fā)射的，對于光，當然是照亮整個(gè)房間，如果只是想照亮某個(gè)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(wú)形的手，把散開(kāi)的光束縛起來(lái)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(xiàn)陣列，通過(guò)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(wù)的手機，而且能跟據手機的移動(dòng)而轉變方向。

 

這種空間復用技術(shù)，由全向的信號覆蓋變?yōu)榱司珳手赶蛐苑?wù)，波束之間不會(huì )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(wù)容量。

 

 

直的都能掰成彎的。。。還有什么是通信磚家干不出來(lái)的？

 

 

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

 

而在5G時(shí)代，這種情況就不一定了。

 

5G的第五大特點(diǎn)——D2D，也就是Device to Device。

 

 

5G時(shí)代，同一基站下的兩個(gè)用戶(hù)，如果互相進(jìn)行通信，他們的數據將不再通過(guò)基站轉發(fā)，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(guò)，如果你覺(jué)得這樣就不用付錢(qián)，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(zhù)頻譜資源，運營(yíng)商爸爸怎么可能放過(guò)你。

 

 

能看到這的，都是真愛(ài)

 

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

 

（來(lái)源：鮮棗課堂公眾號）