一個(gè)簡單且神奇的公式 <h3>今天的故事，從一個(gè)公式開始講起。</h3><h3>這是一個(gè)既簡單又神奇的公式。說它簡單，是因?yàn)樗还仓挥?個(gè)字母。而說它神奇，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)星球上有無數(shù)的人都在為之魂?duì)繅衾@。</h3><h3>這個(gè)公式，就是它——</h3><h3></h3> <h3>我相信很多同學(xué)都認(rèn)出這個(gè)公式了，如果沒認(rèn)出來，而且你又是一個(gè)理科生的話，請記得有空多給你的中學(xué)物理老師打打電話！</h3><h3></h3> <h3>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×頻率。</h3><h3></h3> <h3>對(duì)于這個(gè)公式，可以這么說：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”。<br>且聽我慢慢道來。。。<br></h3>有線？無線？ <h3>通信技術(shù)，無論什么黑科技白科技，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(shù)據(jù)要么在空中傳播（看不見、摸不著），要么在實(shí)物上傳播（看得見、摸得著）。</h3><h3></h3> <h3>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)線的兩萬六千倍。。。</h3><h3></h3> <h3>光纖</h3><h3>而<strong>空中傳播</strong>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)和有線是完全沒辦法相比的。</h3><h3></h3> <h3>所以，<strong>5G如果要實(shí)現(xiàn)端到端的高速率，重點(diǎn)是突破無線這部分</strong><strong>的瓶頸</strong>。</h3>好大一個(gè)波 <h3>大家都知道，無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，可以用來治療腫瘤。</h3><h3></h3> <h3>電磁波的不斷頻率</h3><h3>我們目前主要使用<strong>電波</strong>進(jìn)行通信。當(dāng)然，光波通信也在崛起，例如LiFi。</h3><h3></h3> <h3>LiFi（Light Fidelity），可見光通信</h3><h3>不偏題，回到電波先。</h3><h3>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，我們在電波這條<strong>公路</strong>上進(jìn)一步劃分<strong>車道</strong>，分配給不同的對(duì)象和用途。</h3><h3></h3> <h3>不同頻率電波的用途</h3><h3>請大家注意上面圖中的紅色字體。一直以來，我們主要是用<strong>中頻</strong><strong>~超</strong><strong>高頻</strong>進(jìn)行手機(jī)通信的。</h3><h3>例如經(jīng)常說的“<strong>GSM900</strong>”、“<strong>CDMA800</strong>”，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。</h3><h3>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。</h3><h3>我們國家主要使用超高頻：</h3><h3></h3> <h3>大家能看出來，隨著1G、2G、3G、4G的發(fā)展，使用的電波頻率是越來越高的。</h3><h3>這是為什么呢？</h3><h3>這主要是因?yàn)椋?lt;strong>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。</strong><br></h3><h3></h3> <h3><strong>更高</strong>的頻率→<strong>更多</strong>的資源→<strong>更快</strong>的速度</h3><h3>應(yīng)該不難理解吧？頻率資源就像車廂，越高的頻率，車廂越多，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？</h3><h3>如下圖所示：</h3><h3></h3> <h3>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。</h3><h3>目前，國際上主要使用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）。</h3><h3>如果按28GHz來算，根據(jù)前文我們提到的公式：</h3><h3></h3> <h3>好啦，這個(gè)就是5G的第一個(gè)技術(shù)特點(diǎn)—— </h3><h3>毫 米 波</h3><h3>請?jiān)试S我再發(fā)一遍剛才那個(gè)頻率對(duì)照表：</h3><h3></h3> <h3>請注意看最下面一行，是不是就是<strong>“毫米波”</strong>？</h3><h3>繼續(xù)，繼續(xù)！好了，既然，頻率高這么好，你一定會(huì)問：“為什么以前我們不用高頻率呢？”</h3><h3>原因很簡單——不是不想用，是用不起。</h3><h3><strong>電磁波的顯著特點(diǎn)：頻率越高，波長越短，越趨近于直線傳播（繞射能力越差）。</strong><strong>頻率越高，在傳播介質(zhì)中的衰減也越大。</strong></h3><h3>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。</h3><h3>再看衛(wèi)星通信和GPS導(dǎo)航（波長1cm左右），如果有遮擋物，就沒信號(hào)了吧。</h3><h3></h3> <h3>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，那么它最大的問題，就是<strong>傳輸距離大幅縮短，</strong><strong>覆蓋能力大幅減弱</strong>。覆蓋同一個(gè)區(qū)域，需要的5G基站數(shù)量，將大大超過4G。</h3><h3></h3> <h3>基站數(shù)量意味著什么？錢??！投資?。〕杀景。☆l率越低，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)就越省錢，競爭起來就越有利。這就是為什么，這些年，電信、移動(dòng)、聯(lián)通為了低頻段而爭得頭破血流。有的頻段甚至被稱為——<strong>黃金頻段</strong>。</h3><h3></h3> <h3>這也是為什么，5G時(shí)代，運(yùn)營商拼命懟設(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。）</h3><h3></h3> <h3>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。 </h3><h3>微 基 站</h3><h3>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！</h3><h3>宏基站：</h3><h3></h3> <h3>室外常見，建一個(gè)覆蓋一大片</h3><h3>微基站：</h3><h3></h3> <h3>看上去是不是很酷炫？</h3><h3></h3> <h3>還有更小的，巴掌那么大</h3><h3>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。</h3><h3>你肯定會(huì)問，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)。</h3><h3>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，輻射反而越小！ 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？</h3><h3>大功率方案▼</h3><h3></h3> <h3>小功率方案▼</h3><h3></h3> <h3>上面的圖，一目了然了。基站小，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)，沒信號(hào)，反而不好。</h3>天線去哪了？ <h3>大家有沒有發(fā)現(xiàn)，以前大哥大都有很長的天線，早期的手機(jī)也有突出來的小天線，為什么現(xiàn)在我們的手機(jī)都沒有天線了？</h3><h3></h3> <h3>其實(shí)，我們并不是不需要天線，而是我們的天線變小了。<strong>根據(jù)天線特性，天線長度應(yīng)與波長成正比，大約在1/10~1/4之間。</strong></h3><h3></h3> <h3>隨著時(shí)間變化，我們手機(jī)的通信頻率越來越高，波長越來越短，天線也就跟著變短啦！ <br>毫米波通信，天線也變成毫米級(jí)。。。<br></h3><h3>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。。。</h3><h3>這就是5G的第三大殺手锏—— <br>Ｍassive MIMO（多天線技術(shù)）<br></h3><h3>MIMO就是“多進(jìn)多出”（Multiple- Multiple-Output），多根天線發(fā)送，多根天線接收。</h3><h3>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，只能說是初級(jí)版的MIMO。</h3><h3>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<strong>Massive MIMO</strong>（Massive：大規(guī)模的，大量的）。</h3><h3></h3> <h3>手機(jī)里面都能塞好多根天線，基站就更不用說了。以前的基站，天線就那么幾根：</h3><h3></h3> <h3>5G時(shí)代，天線數(shù)量不是按根來算了，是按“陣”。。?！疤炀€陣列”。。。一眼看去，要得密集恐懼癥的節(jié)奏。。。</h3><h3></h3> <h3>不過，天線之間的距離也不能太近。<br><strong>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)波長以上。如果距離近了，就會(huì)互相干擾，影響信號(hào)的收發(fā)</strong>。<br></h3>你是直的？還是彎的？<h3>大家都見過燈泡發(fā)光吧？ </h3><h3></h3> <h3>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。。。</h3><h3></h3> <h3>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形的手，把散開的光束縛起來呢？ 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。</h3><h3>答案是：可以。</h3><h3>這就是——</h3><h3>波 束 賦 形</h3>波束賦形<h3>在基站上布設(shè)天線陣列，通過<strong>對(duì)射頻信號(hào)相位的控制</strong>，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。</h3><h3></h3> <h3>直的都能掰成彎的。。。還有什么是通信磚家干不出來的？</h3><h3></h3> 別收我錢，行不行？ <h3>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）。</h3><h3>Ｄ２Ｄ</h3><h3>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)將不再通過基站轉(zhuǎn)發(fā)，而是直接手機(jī)到手機(jī)。。。</h3><h3></h3> <h3>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，如果你覺得這樣就不用付錢，那你就圖樣圖森破了。</h3><h3></h3> <h3>控制消息還是要從基站走的，你用著頻譜資源，運(yùn)營商爸爸怎么可能放過你。。。</h3>后記。。。<span style="font-size: 17px;">寫著寫著，小棗君發(fā)現(xiàn)洋洋灑灑寫的有點(diǎn)多。。。</span><span style="font-size: 17px;">能看到這的，都是真愛啊。。。</span><br><h3></h3> <h3>相信大家通過本文，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？<br>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)。<br></h3><h3>正如一位高人所說——</h3> <h3><font color="#010101"><p class="">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，在可以遇見的未來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。</h3></font></h3>