【導(dǎo)讀】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。
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:
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）
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(chē)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。
這又是為什么呢？
因?yàn)轭l率越高，車(chē)道（頻段）越寬。
看懂了吧？車(chē)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
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(qián)買(mǎi)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?chē)沫h(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。——小棗君宣
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 MIMOMIMO 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”。。。“天線陣列”
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(qián)，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(qián)，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
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。
（來(lái)源：鮮棗課堂公眾號(hào)）
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