探析5G和其背后的通信知識(shí)

01 一個(gè)簡(jiǎn)單且神奇的公式

今天的故事，從一個(gè)公式開(kāi)始講起。

這是一個(gè)既簡(jiǎn)單又神奇的公式。說(shuō)它簡(jiǎn)單，是因?yàn)樗还仓挥?個(gè)字母。而說(shuō)它神奇，是因?yàn)檫@個(gè)公式蘊(yùn)含了博大精深的通信技術(shù)奧秘，這個(gè)星球上有無(wú)數(shù)的人都在為之魂?duì)繅?mèng)繞。

這個(gè)公式，就是它——

我相信很多同學(xué)都認(rèn)出這個(gè)公式了，如果沒(méi)認(rèn)出來(lái)，而且你又是一個(gè)理科生的話，請(qǐng)記得有空多給你的中學(xué)物理老師打打電話！

小棗君解釋一下，上面這個(gè)公式，這是物理學(xué)的基本公式，光速=波長(zhǎng)×頻率。

對(duì)于這個(gè)公式，可以這么說(shuō)：無(wú)論是1G、2G、3G，還是4G、5G，萬(wàn)變不離其宗，全部都是在它身上做文章，沒(méi)有跳出它的“五指山”。

且聽(tīng)我慢慢道來(lái)……

02 有線？無(wú)線？

通信技術(shù)，無(wú)論什么黑科技白科技，歸根到底，就分為兩種——有線通信和無(wú)線通信。

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

如果是在實(shí)體物質(zhì)上傳播，就是有線通信，基本上就是用的銅線、光纖這些線纜，統(tǒng)稱(chēng)為有線介質(zhì)。

在有線介質(zhì)上傳播數(shù)據(jù)，速率可以達(dá)到很高的數(shù)值。

以光纖為例，在實(shí)驗(yàn)室中，單條光纖最大速度已達(dá)到了26Tbps……是傳統(tǒng)網(wǎng)線的兩萬(wàn)六千倍……

▲光纖

而空中傳播這部分，才是移動(dòng)通信的瓶頸所在。

目前主流的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，是4G LTE，理論速率只有150Mbps（不包括載波聚合）。這個(gè)和有線是完全沒(méi)辦法相比的。

所以，5G如果要實(shí)現(xiàn)端到端的高速率，重點(diǎn)是突破無(wú)線這部分的瓶頸。

03好大一個(gè)波

大家都知道，無(wú)線通信就是利用電磁波進(jìn)行通信。電波和光波，都屬于電磁波。

電磁波的功能特性，是由它的頻率決定的。不同頻率的電磁波，有不同的屬性特點(diǎn)，從而有不同的用途。

例如，高頻的γ射線，具有很大的殺傷力，可以用來(lái)治療腫瘤。

▲電磁波的不斷頻率

我們目前主要使用電波進(jìn)行通信。當(dāng)然，光波通信也在崛起，例如LiFi。

▲LiFi（Light Fidelity），可見(jiàn)光通信

不偏題，回到電波先。

電波屬于電磁波的一種，它的頻率資源是有限的。

為了避免干擾和沖突，我們?cè)陔姴ㄟ@條公路上進(jìn)一步劃分車(chē)道，分配給不同的對(duì)象和用途。

▲不同頻率電波的用途

請(qǐng)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(jī)通信的。

例如經(jīng)常說(shuō)的“GSM900”、“CDMA800”，其實(shí)意思就是指，工作頻段在900MHz的GSM，和工作頻段在800MHz的CDMA。

目前全球主流的4G LTE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，屬于特高頻和超高頻。

我們國(guó)家主要使用超高頻：

大家能看出來(lái)，隨著1G、2G、3G、4G的發(fā)展，使用的電波頻率是越來(lái)越高的。

這是為什么呢？

這主要是因?yàn)?，頻率越高，能使用的頻率資源越豐富。頻率資源越豐富，能實(shí)現(xiàn)的傳輸速率就越高。

▲更高的頻率→更多的資源→更快的速度

應(yīng)該不難理解吧？頻率資源就像車(chē)廂，越高的頻率，車(chē)廂越多，相同時(shí)間內(nèi)能裝載的信息就越多。

那么，5G使用的頻率具體是多少呢？

如下圖所示：

5G的頻率范圍，分為兩種：一種是6GHz以下，這個(gè)和目前我們的2/3/4G差別不算太大。還有一種，就很高了，在24GHz以上。

目前，國(guó)際上主要使用28GHz進(jìn)行試驗(yàn)（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(jù)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)——

毫米波

請(qǐng)?jiān)试S我再發(fā)一遍剛才那個(gè)頻率對(duì)照表：

請(qǐng)注意看最下面一行，是不是就是“毫米波”？

繼續(xù)，繼續(xù)！

好了，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。

電磁波的顯著特點(diǎn)：頻率越高，波長(zhǎng)越短，越趨近于直線傳播（繞射能力越差）。頻率越高，在傳播介質(zhì)中的衰減也越大。

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

再看衛(wèi)星通信和GPS導(dǎo)航（波長(zhǎng)1cm左右），如果有遮擋物，就沒(méi)信號(hào)了吧。

衛(wèi)星那口大鍋，必須校準(zhǔn)瞄著衛(wèi)星的方向，否則哪怕稍微歪一點(diǎn)，都會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量。

移動(dòng)通信如果用了高頻段，那么它最大的問(wèn)題，就是傳輸距離大幅縮短，覆蓋能力大幅減弱。

覆蓋同一個(gè)區(qū)域，需要的5G基站數(shù)量，將大大超過(guò)4G。

基站數(shù)量意味著什么？錢(qián)??！投資啊！成本??！

頻率越低，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)就越省錢(qián)，競(jìng)爭(zhēng)起來(lái)就越有利。這就是為什么，這些年，電信、移動(dòng)、聯(lián)通為了低頻段而爭(zhēng)得頭破血流。

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(yùn)營(yíng)商拼命懟設(shè)備商，希望基站降價(jià)。（如果真的上5G，按以往的模式，設(shè)備商就發(fā)大財(cái)了。）

所以，基于以上原因，在高頻率的前提下，為了減輕網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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?？疵志椭?，微基站很小，宏基站很大！

宏基站：

▲室外常見(jiàn)，建一個(gè)覆蓋一大片

微基站：

▲看上去是不是很酷炫？

▲還有更小的，巴掌那么大

其實(shí)，微基站現(xiàn)在就有不少，尤其是城區(qū)和室內(nèi)，經(jīng)常能看到。

以后，到了5G時(shí)代，微基站會(huì)更多，到處都會(huì)裝上，幾乎隨處可見(jiàn)。

你肯定會(huì)問(wèn)，那么多基站在身邊，會(huì)不會(huì)對(duì)人體造成影響？

我的回答是——不會(huì)。

其實(shí)，和傳統(tǒng)認(rèn)知恰好相反，事實(shí)上，基站數(shù)量越多，輻射反而越?。?/p>

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

上面的圖，一目了然了?；拘?，功率低，對(duì)大家都好。如果只采用一個(gè)大基站，離得近，輻射大，離得遠(yuǎn)，沒(méi)信號(hào)，反而不好。

04 天線去哪了？

大家有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，以前大哥大都有很長(zhǎng)的天線，早期的手機(jī)也有突出來(lái)的小天線，為什么現(xiàn)在我們的手機(jī)都沒(méi)有天線了？

其實(shí)，我們并不是不需要天線，而是我們的天線變小了。

根據(jù)天線特性，天線長(zhǎng)度應(yīng)與波長(zhǎng)成正比，大約在1/10~1/4之間。

隨著時(shí)間變化，我們手機(jī)的通信頻率越來(lái)越高，波長(zhǎng)越來(lái)越短，天線也就跟著變短啦！

毫米波通信，天線也變成毫米級(jí)……

這就意味著，天線完全可以塞進(jìn)手機(jī)的里面，甚至可以塞很多根。。。

這就是5G的第三大殺手锏——

Ｍassive MIMO（多天線技術(shù)）

MIMO就是“多進(jìn)多出”（Multiple-Input Multiple-Output），多根天線發(fā)送，多根天線接收。

在LTE時(shí)代，我們就已經(jīng)有MIMO了，但是天線數(shù)量并不算多，只能說(shuō)是初級(jí)版的MIMO。

到了5G時(shí)代，繼續(xù)把MIMO技術(shù)發(fā)揚(yáng)光大，現(xiàn)在變成了加強(qiáng)版的MassiveMIMO（Massive：大規(guī)模的，大量的）。

手機(jī)里面都能塞好多根天線，基站就更不用說(shuō)了。

以前的基站，天線就那么幾根：

5G時(shí)代，天線數(shù)量不是按根來(lái)算了，是按“陣”……“天線陣列”……一眼看去，要得密集恐懼癥的節(jié)奏……

不過(guò)，天線之間的距離也不能太近。

因?yàn)樘炀€特性要求，多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個(gè)波長(zhǎng)以上。如果距離近了，就會(huì)互相干擾，影響信號(hào)的收發(fā)。

05 你是直的？還是彎的？

大家都見(jiàn)過(guò)燈泡發(fā)光吧？

其實(shí)，基站發(fā)射信號(hào)的時(shí)候，就有點(diǎn)像燈泡發(fā)光。

信號(hào)是向四周發(fā)射的，對(duì)于光，當(dāng)然是照亮整個(gè)房間，如果只是想照亮某個(gè)區(qū)域或物體，那么，大部分的光都浪費(fèi)了……

基站也是一樣，大量的能量和資源都浪費(fèi)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(jié)約了能量，也保證了要照亮的區(qū)域有足夠的光。

答案是：可以。

這就是——

波束賦形

波束賦形：

在基站上布設(shè)天線陣列，通過(guò)對(duì)射頻信號(hào)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(jī)，而且能跟據(jù)手機(jī)的移動(dòng)而轉(zhuǎn)變方向。

這種空間復(fù)用技術(shù)，由全向的信號(hào)覆蓋變?yōu)榱司珳?zhǔn)指向性服務(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？

06 別收我錢(qián)，行不行？

在目前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，即使是兩個(gè)人面對(duì)面撥打?qū)Ψ降氖謾C(jī)（或手機(jī)對(duì)傳照片），信號(hào)都是通過(guò)基站進(jìn)行中轉(zhuǎn)的，包括控制信令和數(shù)據(jù)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（設(shè)備到設(shè)備）。

D2D

5G時(shí)代，同一基站下的兩個(gè)用戶，如果互相進(jìn)行通信，他們的數(shù)據(jù)將不再通過(guò)基站轉(zhuǎn)發(fā)，而是直接手機(jī)到手機(jī)……

這樣，就節(jié)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，你用著頻譜資源，運(yùn)營(yíng)商爸爸怎么可能放過(guò)你……

07后記

能看到這的，都是真愛(ài)啊……

相信大家通過(guò)本文，對(duì)5G和她背后的通信知識(shí)已經(jīng)有了深刻的理解。而這一切，都只是源于一個(gè)小學(xué)生都能看懂的數(shù)學(xué)公式。不是么？

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(duì)現(xiàn)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(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)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(nèi)，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。