第一次有人把 5G 讲的这么简单明了
01 一个简单且神奇的公式今天的故事，从一个公式开始讲起。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——http://x0.ifengimg.com/res/2019/D2D13C7391125ADCD3375CD40D727EC0B9C6BB66_size2_w314_h132.jpeg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！http://x0.ifengimg.com/res/2019/94FC4E9C096422F61151E84A32C86A286D6727EA_size21_w500_h282.jpeg小枣君解释一下，上面这个公式，这是物理学的基本公式，光速=波长�频率。http://x0.ifengimg.com/res/2019/5F2093B67BDF9D63FBDD20ECAD4BA38613EDD5AE_size45_w640_h451.png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，全部都是在它身上做文章，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）。http://x0.ifengimg.com/res/2019/F4180CD43C21FAF3ADE052D89EF1FA35A2A62F44_size17_w640_h337.jpeg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，速率可以达到很高的数值。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……http://x0.ifengimg.com/res/2019/73CF1751F7893AEF634CA497F83F0E1B159676F6_size23_w640_h359.jpeg▲光纤而空中传播这部分，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（不包括载波聚合）。这个和有线是完全没办法相比的。http://x0.ifengimg.com/res/2019/3EC2CC87A46FC33F8698E3175B529686FBBB4DAE_size16_w640_h385.jpeg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，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。例如，高频的γ射线，具有很大的杀伤力，可以用来治疗肿瘤。http://x0.ifengimg.com/res/2019/7B5858100D64C574D8F3D787324F92084C6EDE9E_size12_w640_h251.jpeg▲电磁波的不断频率我们目前主要使用电波进行通信。当然，光波通信也在崛起，例如LiFi。http://x0.ifengimg.com/res/2019/6AC3F1435FDF0017B8D50601359B6CF05EF89DE2_size32_w600_h396.jpeg▲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。http://x0.ifengimg.com/res/2019/2450AB8E7DA23F3BE48259A426EF5E4A9E1FC9C2_size93_w1080_h560.jpeg▲不同频率电波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~超高频进行手机通信的。例如经常说的“GSM900”、“CDMA800”，其实意思就是指，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：http://x0.ifengimg.com/res/2019/5A64A4CD80BA8FDD1A72F5EBECE41720833018B3_size21_w443_h197.jpeg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，能使用的频率资源越丰富。频率资源越丰富，能实现的传输速率就越高。http://x0.ifengimg.com/res/2019/3D8F7BC81385C943181B88AE97EDFDA6EF7C56D7_size14_w640_h316.png▲更高的频率→更多的资源→更快的速度应该不难理解吧？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。那么，5G使用的频率具体是多少呢？如下图所示：http://x0.ifengimg.com/res/2019/DF7C2C38323DEFCB39F1BD4EA6C9D1B4953CAEEE_size30_w688_h198.png5G的频率范围，分为两种：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，根据前文我们提到的公式：http://x0.ifengimg.com/res/2019/77FABAF0F479F4DC4331E13DE1E3F6547E6B5D4A_size7_w640_h96.png好啦，这个就是5G的第一个技术特点——[*]毫米波
请允许我再发一遍刚才那个频率对照表：http://x0.ifengimg.com/res/2019/2450AB8E7DA23F3BE48259A426EF5E4A9E1FC9C2_size93_w1080_h560.jpeg请注意看最下面一行，是不是就是“毫米波”？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，在传播介质中的衰减也越大。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。http://x0.ifengimg.com/res/2019/ACD7BDB4639F8FB4C90967149BA21C19D647F348_size16_w283_h224.png卫星那口大锅，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。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。http://x0.ifengimg.com/res/2019/94F8BCFDF75B61B4A12E5FDB4513CB5B7D77D378_size13_w640_h427.jpeg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。http://x0.ifengimg.com/res/2019/96F6968DE1123BB67FDFC7DA413A68D5BEC9203F_size26_w500_h444.jpeg这也是为什么，5G时代，运营商拼命怼设备商，希望基站降价。（如果真的上5G，按以往的模式，设备商就发大财了。）http://x0.ifengimg.com/res/2019/C84C4BC74F6373CBF791B6F196D5A318F4F99BA0_size13_w300_h300.jpeghttp://x0.ifengimg.com/res/2019/C9BFF738C7B0EBA01FFAC1693AA7BC899670A1F1_size14_w440_h239.jpeg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。
[*]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：http://x0.ifengimg.com/res/2019/F0F40B5DE44FA17F3E62B158BB8F249D3BDD8FF5_size17_w500_h375.jpeg▲室外常见，建一个覆盖一大片微基站：http://x0.ifengimg.com/res/2019/87DDB7B8A1B43A6C32D5E2EDD5A07CD105921154_size23_w600_h375.jpeg▲看上去是不是很酷炫？http://x0.ifengimg.com/res/2019/5A11B1A8F38899F2587F5DAA29D18B81DC297582_size26_w640_h427.jpeg▲还有更小的，巴掌那么大其实，微基站现在就有不少，尤其是城区和室内，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？我的回答是——不会。其实，和传统认知恰好相反，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？http://x0.ifengimg.com/res/2019/5800449D0EE27060D40087291A03FF8D1E276265_size21_w640_h407.jpeg▲大功率方案http://x0.ifengimg.com/res/2019/97FA082F03D25154EA00FEB4035C3B4751281246_size29_w640_h463.jpeg▲小功率方案上面的图，一目了然了。基站小，功率低，对大家都好。如果只采用一个大基站，离得近，辐射大，离得远，没信号，反而不好。04 天线去哪了？大家有没有发现，以前大哥大都有很长的天线，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？http://x0.ifengimg.com/res/2019/7BE4A7E522C7A043F374FEBA86F4A9486DE80E09_size15_w640_h371.jpeg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。http://x0.ifengimg.com/res/2019/AF1E7679DCCA8FE75B8D6DC36A85AEDA80CE4726_size3_w624_h217.png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——
[*]Massive MIMO（多天线技术）
MIMO就是“多进多出”（Multiple-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）。http://x0.ifengimg.com/res/2019/E84BF23E67CCF959332367F1D5F148F6CB801BA9_size15_w640_h310.jpeg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：http://x0.ifengimg.com/res/2019/B9EB6F572AAFA726A9A5D680D2EB6BEB679DF33B_size21_w640_h656.jpeg5G时代，天线数量不是按根来算了，是按“阵”……“天线阵列”……一眼看去，要得密集恐惧症的节奏……http://x0.ifengimg.com/res/2019/7E6FB1EBE0B12A40A60F18A5F03CEB4554225ADE_size148_w800_h1066.jpeg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。05 你是直的？还是弯的？大家都见过灯泡发光吧？http://x0.ifengimg.com/res/2019/2B324613F70AC599C2A4C535D64A88A501F23AA7_size31_w1024_h1024.jpeg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，当然是照亮整个房间，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……http://x0.ifengimg.com/res/2019/8C16FE3E9570625597FF85E08CA99FC3209E9A54_size12_w640_h297.jpeg基站也是一样，大量的能量和资源都浪费了。我们能不能找到一只无形的手，把散开的光束缚起来呢？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
波束赋形：在基站上布设天线阵列，通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，而且能跟据手机的移动而转变方向。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。http://x0.ifengimg.com/res/2019/E7014355DC18E95FECF14FB4AD13BFBD853503F9_size7_w640_h320.jpeg直的都能掰成弯的……还有什么是通信砖家干不出来的？http://x0.ifengimg.com/res/2019/FE0F218A835B226684BC14B31EFC66480303C63D_size22_w260_h163.png06 别收我钱，行不行？在目前的移动通信网络中，即使是两个人面对面拨打对方的手机（或手机对传照片），信号都是通过基站进行中转的，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）。
[*]D2D
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……http://x0.ifengimg.com/res/2019/DF430F55F9E8A422DBF17AB16261AF860EEA3049_size13_w640_h331.jpeg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，那你就图样图森破了。http://x0.ifengimg.com/res/2019/219B6ED3155B90717A014BAC76A6FEEEC544B379_size9_w298_h227.jpeg控制消息还是要从基站走的，你用着频谱资源，运营商爸爸怎么可能放过你……07 后记能看到这的，都是真爱啊……http://x0.ifengimg.com/res/2019/57D43022F2073363F9A9BF832AE25B229B4F58A6_size5_w200_h200.jpeg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。而这一切，都只是源于一个小学生都能看懂的数学公式。不是么？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。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，在可以遇见的未来是基本不可能突破的。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。好啦，今天就到这里吧。谢谢大家的观看，再见！来源：悟空智能
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