這一切，要從一個(gè)“神奇的公式”說(shuō)起

一個(gè)神奇的公式

就是這個(gè)公式

還記得這個(gè)公式的童鞋，請(qǐng)驕傲地為自己鼓個(gè)掌。。。

如果不記得，或是看不懂，也沒(méi)關(guān)系，小棗君解釋一下。。。

就是這個(gè)超簡(jiǎn)單的公式，蘊(yùn)含了我們無(wú)線通信技術(shù)的博大精深。。。

無(wú)論是往事隨風(fēng)的1G、2G、3G，還是意氣風(fēng)發(fā)的4G、5G，說(shuō)來(lái)說(shuō)去，都是在這個(gè)數(shù)學(xué)公式上做文章。。。

且聽(tīng)我慢慢道來(lái)。。。

有線？無(wú)線？……

通信技術(shù)，無(wú)論什么黑科技白科技，只分兩種——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）。。。

在有線介質(zhì)上傳播數(shù)據(jù)，想要高速很容易。。。 

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。。。

而空中傳播這部分，才是移動(dòng)通信的瓶頸所在。。。

所以，5G重點(diǎn)是研究無(wú)線這部分的瓶頸突破。

  好大一個(gè)波。。。  

大家都知道，電波和光波都屬于電磁波。。。

電磁波的頻率資源有限，根據(jù)不同的頻率特性，有不同的用途。。

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，例如可見(jiàn)光通信LiFi（LightFidelity）

▼圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

不偏題，回到電波先。。。

電波屬于電磁波的一種，它的頻率資源也是有限的。。。

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

▼不同頻率電波的用途

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)就是工作頻段900MHz和800MHz的意思。。。

目前主流的4G LTE，屬于超高頻和特高頻。。。

我們國(guó)家主要使用超高頻：

隨著1G、2G、3G、4G的發(fā)展，使用的頻率是越來(lái)越高的。。。

為什么呢？

因?yàn)轭l率越高，速度越快。。。

又為什么呢？　

因?yàn)轭l率越高，車道（頻段）越寬。。。 

看懂了吧。。。車道按指數(shù)級(jí)擴(kuò)大。。

更高的頻率→更大的帶寬→更快的速度

5G的頻段具體是多少呢？

上個(gè)月，我們國(guó)家工信部下發(fā)通知，明確了我國(guó)的5G初始中頻頻段：

3.3-3.6GHz、4.8-5GHz兩個(gè)頻段

同時(shí)，24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高頻頻段正在征集意見(jiàn)。

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

繼續(xù)，繼續(xù)。。。

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。。。

電磁波的一個(gè)顯著特點(diǎn)：頻率越高（波長(zhǎng)越短），就越趨近于直線傳播（繞射能力越差）。。。

而且，頻率越高，傳播過(guò)程中的衰減也越大。。。

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。。。

而且，衛(wèi)星那口大鍋，必須校準(zhǔn)瞄著衛(wèi)星的方向。。。稍微歪一點(diǎn)，都會(huì)有影響。。。

如果5G用高頻段，那么它最大的問(wèn)題，就是覆蓋能力會(huì)大幅減弱。

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

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。。。

基站就是要花錢買的啊。。。能不玩命爭(zhēng)取么。。。

有的頻段甚至被稱為——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。。。

甚至威脅要自己研發(fā)通信設(shè)備。。。

所以，基于以上原因。。。

在高頻率的前提下，為了減輕覆蓋方面的成本壓力，5G必須尋找新的出路。。。

首先，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！

以前都是大的基站，建一個(gè)覆蓋一大片 ▼

以后更多的將是微基站，到處都裝，隨處可見(jiàn)。

▼微基站　看上去是不是很酷炫？

微基站的造型有很多種，靈活地與周圍的環(huán)境相融合（偽裝），不會(huì)讓用戶在心理上產(chǎn)生不適。。。

提醒

基站對(duì)人體健康不會(huì)造成影響。

而且，恰好相反，其實(shí)基站數(shù)量越多，輻射反而越��！ 

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▼

基站越小巧，數(shù)量越多，覆蓋就越好，速度就越快。。。

　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，為什么后來(lái)我們就看不到帶天線的手機(jī)了？

有人說(shuō)，是因?yàn)樾盘?hào)好了，不需要天線了。。。

其實(shí)不對(duì)。。。信號(hào)再好，也不能沒(méi)有天線。。。

更主要的原因是——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。

頻率越高，波長(zhǎng)越短，天線也就跟著變短啦！ 

毫米波，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

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)代就已經(jīng)有MIMO了，5G繼續(xù)發(fā)揚(yáng)光大，變成了加強(qiáng)版的Massive　MIMO（Massive：大規(guī)模的，大量的）。

手機(jī)都能塞好多根，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，就不是按根來(lái)算了，是按“陣”。。�！疤炀�陣列”。。。

▼天線多得排成陣了。。。一眼看去一大片的節(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。

不要問(wèn)我為什么，去問(wèn)科學(xué)家。。。

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？

別收我錢，行不行？

在目前的通信網(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。

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，那你就圖樣圖森破了。。。

控制消息還是要從基站走的，而且用著頻譜資源，運(yùn)營(yíng)商爸爸怎么可能放過(guò)你。。。

后記。。。

寫著寫著，小棗君發(fā)現(xiàn)洋洋灑灑寫的有點(diǎn)多。。。

能看到這的，都是真愛(ài)。。。

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)有了深刻理解，而這一切，都只是源于一個(gè)如今小學(xué)生都能看懂的數(shù)學(xué)公式。。。

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。。。

-END-

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