一個簡單且神奇的公式
上面這個公式,這是物理學的基本公式,光速=波長×頻率。
對於這個公式,可以這麼說:無論是1G、2G、3G,還是4G、5G,萬變不離其宗,全部都是在它身上做文章,沒有跳出它的“五指山”。
・有線?無線?
通信技術,無論什麼黑科技白科技,歸根到底,就分為兩種——有線通信和無線通信。
我和你打電話,信息數據要麼在空中傳播(看不見、摸不著),要麼在實物上傳播(看得見、摸得著)。
如果是在實體物質上傳播,就是有線通信,基本上就是用的銅線、光纖這些線纜,統稱為有線介質。
在有線介質上傳播數據,速率可以達到很高的數值。
以光纖為例,在實驗室中,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。
目前主流的移動通信標準,是4G LTE,理論速率只有150Mbps(不包括載波聚合)。這個和有線是完全沒辦法相比的。
所以,5G如果要實現端到端的高速率,重點是突破無線這部分的瓶頸。
・大波、好大一個波
大家都知道,無線通信就是利用電磁波進行通信。電波和光波,都屬於電磁波。
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,從而有不同的用途。
例如,高頻的γ射線,具有很大的殺傷力,可以用來治療腫瘤。
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LiFi。
電波屬於電磁波的一種,它的頻率資源是有限的。
為了避免干擾和衝突,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。
請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技術標準,屬於特高頻和超高頻。
我們國家主要使用超高頻:
大家能看出來,隨著1G、2G、3G、4G的發展,使用的電波頻率是越來越高的。
這主要是因為,頻率越高,能使用的頻率資源越豐富。頻率資源越豐富,能實現的傳輸速率就越高。
這好比:頻率資源就像車廂,越高的頻率,車廂越多,相同時間內能裝載的信息就越多。
那麼,5G使用的頻率具體是多少呢?如下圖所示:
5G的頻率範圍,分為兩種:一種是6GHz以下,這個和目前我們的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:
・毫 米 波
對照剛才那個頻率對照表:
請注意看最下面一行,是不是就是“毫米波”?
好了,既然,頻率高這麼好,你一定會問:“為什麼以前我們不用高頻率呢?”
原因很簡單——不是不想用,是用不起。
電磁波的顯著特點:頻率越高,波長越短,越趨近於直線傳播(繞射能力越差)。頻率越高,在傳播介質中的衰減也越大。
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。
移動通信如果用了高頻段,那麼它最大的問題,就是傳輸距離大幅縮短,覆蓋能力大幅減弱。
覆蓋同一個區域,需要的5G基站數量,將大大超過4G。
基站數量意味著什麼?錢!投資!成本!
頻率越低,網絡建設就越省錢,競爭起來就越有利。這就是為什麼,這些年,電信、移動、聯通為了低頻段而爭得頭破血流。
有的頻段甚至被稱為——黃金頻段。
這也是為什麼,5G時代,運營商拼命懟設備商,希望基站降價。
所以,基於以上原因,在高頻率的前提下,為了減輕網絡建設方面的成本壓力,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。看名字就知道,微基站很小,宏基站很大!
宏基站:
微基站:
其實,微基站現在就有不少,尤其是城區和室內,經常能看到。以後,到了5G時代,微基站會更多,到處都會裝上,幾乎隨處可見。
你肯定會問,那麼多基站在身邊,會不會對人體造成影響?我的回答是——不會。
其實,和傳統認知恰好相反,事實上,基站數量越多,輻射反而越小!
你想一下,冬天,一群人的房子裡,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▼
上面的圖,一目瞭然了。基站小,功率低,對大家都好。如果只採用一個大基站,離得近,輻射大,離得遠,沒信號,反而不好。
・天線去哪了?
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,為什麼現在我們的手機都沒有天線了?
其實,我們並不是不需要天線,而是我們的天線變小了。
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:
隨著時間變化,我們手機的通信頻率越來越高,波長越來越短,天線也就跟著變短啦!
毫米波通信,天線也變成毫米級。。。
這就意味著,天線完全可以塞進手機的裡面,甚至可以塞很多根。。。
這就是5G的第三大殺手鐧
・Massive MIMO(多天線技術)
MIMO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,我們就已經有MIMO了,但是天線數量並不算多,只能說是初級版的MIMO。
到了5G時代,繼續把MIMO技術發揚光大,現在變成了加強版的Massive MIMO(Massive:大規模的,大量的)。
手機裡面都能塞好多根天線,基站就更不用說了
以前的基站,天線就那麼幾根:
5G時代,天線數量不是按根來算了,是按“陣”、“天線陣列”……一眼看去,要得密集恐懼症的節奏……
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。如果距離近了,就會互相干擾,影響信號的收發。
・你是直的?還是彎的?
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,對於光,當然是照亮整個房間,如果只是想照亮某個區域或物體,那麼,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。
我們能不能找到一隻無形的手,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
在基站上佈設天線陣列,通過對射頻信號相位的控制,使得相互作用後的電磁波的波瓣變得非常狹窄,並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。
這種空間複用技術,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……還有什麼是通信磚家幹不出來的?
在目前的移動通信網絡中,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(設備到設備)。
・D 2 D
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,你用著頻譜資源,運營商爸爸怎麼可能放過你……
・補充
5G 的發展史
5G網絡是第五代移動通信網絡,它致力於為移動設備獲得更快的網絡速度,和更多的網絡功能。
1G 時代
大哥大是其時代代表產物。20世紀60年代
由於容量低、只能通話不能上網、頻率利用低、體積大等弊端,早已被世人淘汰的1G時代,當時能用起“大哥大”也是擁有財富的象徵
2G時代
2G時代在話音功能的技術上,增加了數據業務,可以發短信、上網。20世紀70年代
進入跨時代產物:諾基亞、摩托羅拉
而我國的2G網絡建設始於1994年中國聯通的成立,2000年4月中國移動成立了。
3G時代
3G時代實現了更快的數據傳輸。
這個時代的智能手機開始不斷亮相,3G的普及度並不是很高,因為4G很快上線了
4G時代
4G時代可將上網速度提高到超過3G移動技術8倍,可實現三維圖像高質量傳輸。
這個時代也是我們現在的時候。
代表象徵:視頻通話、手遊、在線直播等...
5G時代
5G時代的變革,我們敬請期待,它會將你我的生活變的更加完美
5G 的優勢是什麼?或5G技術會帶來哪些改變?
隨著使用4G網絡的用戶及設備增加,為了解決4G網絡帶來的擁堵,5G網絡應運而生。
・後記
相信大家通過本文,對5G和她背後的通信知識已經有了深刻的理解。而這一切,都只是源於一個小學生都能看懂的數學公式。不是麼?
通信技術並不神秘,5G作為通信技術皇冠上最耀眼的寶石,也不是什麼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,並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。
如何在科學原理的範疇內,進一步發掘通信的潛力,是通信行業眾多奮鬥者們孜孜不倦的追求。
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