現在我們使用手機看一條5分鐘的視頻
大約用掉45M的流量
而網速則至少150KB/S才能流暢播放
這些視頻數據從它的服務器送往離你最近的基站
也就是我們經常在路上看到的鐵塔
它會調製這些數據
再通過天線發送電磁波信號
你手機的天線會收到這些數據
解調收到的信號
由基帶處理器轉換成二進制數據存入內存
CPU會將這些數據幀解碼
這條視頻就可以在你的手機上播放了
而手機使用的通信標準就直接影響你的上網體驗
1979年日本NTT部署了第1個1G通信標準的網絡
1G網絡把人說話的聲波疊加在無線電載波上
這種信號也被稱為模擬信號
只能用來打電話
那個時代手機就是大哥大
90年代開始通信技術進入2G時代
模擬信號被0和1組成的數字信號取代
手機可以上網
很長一段時間
手機的網速只有每秒40KB左右
用手機偷菜的時候只有文字
這是因為2G網絡的帶寬太小
這張圖中我們用不同的顏色標註出不同無線通信技術使用的頻段
無線通信必須在規定好的頻段內進行
每個頻段佔用一段連續的電磁波譜
然後被分為多個信道
而帶寬指的是信道所允許的最高頻率和最低頻率的差
就像管道越寬水流量越大一樣
根據香農-哈特利定律
帶寬越大網速越快
GSM的帶寬只有200KHz
把3G通訊標準CDMA則達到5MHz赫茲相差25倍
這樣你的網速從2G時代的40KB/S進化到以Mb為單位
而4G時代帶寬被提升到了20MHz
配合更加高效的調製方案
提升頻譜效率
4G可以提供每秒100Mbps以上的網速
網絡的進步和移動應用的發展是互相推動的
智能手機的出現
促成了3G網絡2009年在中國的大規模商用
而4G網絡則帶動了近兩年來短視頻應用的增長
如今手機應用對網絡的性能又提出了更高的要求
比如實現3D結構光視頻通信
將你的三維形象傳輸到對方的屏幕上
就需要近1Gbps的帶寬
而物聯網自動駕駛等業務
還對網絡的容量和延遲有很高的要求
5G網絡應運而生
首先為了實現最高20Gb/s的網速
5G必然要進一步提高帶寬到1GHz以上
但是6GHz以下沒有足夠的空餘來安放帶寬如此龐大的頻段
因此5G網絡使用了波長在1~10毫米的高頻電磁波也稱毫米波
那麼問題來了
毫米波雖然可以帶來更快的網速
但短波的掩飾能力很差
長距離信號衰竭也很嚴重
這時候我們就需要將電磁波的能量更加集中的利用起來
直接發往接收方的方向
就像一個普通的燈泡換成手電筒一樣
為此5G引入了相控陣天線來配合毫米波
與傳統的一根天線發射
另一個天線接收不同
相控陣天線上有多根天線
因此可以通過干涉增強特定方向的信號
干涉指的是兩列以上的波在空間上產生疊加形成新波的現象
電磁波也是一種波
天線陣列的每一根天線都可以調節自己發射的電磁波的相位
在空間中形成干涉
實現波束成型
這樣不但提高能量效率
還可以降低不同用戶之間通信的互相干擾
允許單一基站接入海量的設備
提升基站容量
使物聯網真正成為可能
比起帶寬和容量
延遲可能是5G真正讓人的震撼的地方
單天線系統發射的電磁波會因為建築反射的原因引起干涉
進而導致信號衰落
這就需要交織編碼來改善衰落導致的信號差錯
這一過程會產生至少33s的延遲
5G的相控陣天線
由於有多個天線組成陣列
可以大大減少由於隨機的干涉而產生的衰落
因而簡化交織編碼過程
將延遲降低到1ms
5G雖然帶來了巨大的性能提升
但射頻芯片、天線和相關算法的升級也大幅提升了研發難度
帶來諸如手機自干擾、毫米波球面覆蓋等技術問題
這也給移動終端廠商提出了更大的挑戰
雲遊戲讓大量數據在雲端被計算再傳輸回手機
用手機就能流暢體驗3A大作
3D全息影像等各類技術也終於有機會真正落地
5G手機將成為萬物互聯的中樞