第一次有人把5G講的這么簡單明了……

2020-10-02|閱讀量:1671

一個簡單且神奇的公式    今天的故事,從一個公式開始講起。這是一個既簡單又神奇的公式。說它簡單,是因為它一共只有 3 個字母。而說它神奇,是因為這個公式蘊含了博大精深的通信技術奧秘,這個星球上有無數的人都在為之魂牽夢繞。

這個公式,就是它——

有史以來最強的 5G 入門科普!

我相信很多同學都認出這個公式了,如果沒認出來,而且你又是一個理科生的話,請記得有空多給你的中學物理老師打打電話!

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小棗君解釋一下,上面這個公式,這是物理學的基本公式,光速 = 波長 × 頻率。

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對于這個公式,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」。

且聽我慢慢道來。。。

有線?無線?

通信技術,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,信息數據要么在空中傳播(看不見、摸不著),要么在實物上傳播(看得見、摸得著)。

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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。。。

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▲ 光纖

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。

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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 。

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,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。

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▲ 電磁波的不斷頻率

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。

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▲ LiFi(Light Fidelity),可見光通信

不偏題,回到電波先。

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,我們在電波這條公路上進一步劃分車道 ,分配給不同的對象和用途。

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▲ 不同頻率電波的用途

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,屬于特高頻和超高頻。

我們國家主要使用超高頻:

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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。

這是為什么呢?

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。

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更高 的頻率→ 更多 的資源→ 更快 的速度

應該不難理解吧?頻率資源就像車廂,越高的頻率,車廂越多,相同時間內能裝載的信息就越多。

那么,5G 使用的頻率具體是多少呢?

如下圖所示:

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5G 的頻率范圍,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:

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好啦,這個就是 5G 的第一個技術特點——毫 米 波。

請允許我再發一遍剛才那個頻率對照表:

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請注意看最下面一行,是不是就是「毫米波」?

繼續,繼續!

好了,既然,頻率高這么好,你一定會問:「為什么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,越趨近于直線傳播(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。

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衛星那口大鍋,必須校準瞄著衛星的方向,否則哪怕稍微歪一點,都會影響信號質量。

移動通信如果用了高頻段,那么它最大的問題,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。

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基站數量意味著什么?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。這就是為什么,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 。

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這也是為什么,5G 時代,運營商拼命懟設備商,希望基站降價。(如果真的上 5G,按以往的模式,設備商就發大財了。)

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所以,基于以上原因,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??疵志椭?,微基站很小,宏基站很大!

宏基站:

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▲ 室外常見,建一個覆蓋一大片

微基站:

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▲ 看上去是不是很酷炫?

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▲ 還有更小的,巴掌那么大

其實,微基站現在就有不少,尤其是城區和室內,經常能看到。

以后,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,那么多基站在身邊,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??!

你想一下,冬天,一群人的房子里,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▼

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小功率方案▼

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上面的圖,一目了然了?;拘?,功率低,對大家都好。如果只采用一個大基站,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,為什么現在我們的手機都沒有天線了?

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其實,我們并不是不需要天線,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。

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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里面,甚至可以塞很多根。。。

這就是 5G 的第三大殺手锏——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,但是天線數量并不算多,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)。

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手機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:

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5G 時代,天線數量不是按根來算了,是按「陣」。。?!柑炀€陣列」。。。一眼看去,要得密集恐懼癥的節奏。。。

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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?

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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,對于光,當然是照亮整個房間,如果只是想照亮某個區域或物體,那么,大部分的光都浪費了。。。

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基站也是一樣,大量的能量和資源都浪費了。

我們能不能找到一只無形的手,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

波束賦形;在基站上布設天線陣列,通過射頻信號相位的控制 ,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的手機,而且能跟據手機的移動而轉變方向。這種空間復用技術,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。

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直的都能掰成彎的。。。還有什么是通信磚家干不出來的?

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別收我錢,行不行?

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)。

D2D

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。。。

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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。

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控制消息還是要從基站走的,你用著頻譜資源,運營商爸爸怎么可能放過你。。。

后記

寫著寫著,小棗君發現洋洋灑灑寫的有點多。。。

能看到這的,都是真愛啊。。。

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相信大家通過本文,對 5G 和她背后的通信知識已經有了深刻的理解。而這一切,都只是源于一個小學生都能看懂的數學公式。不是么?

通信技術并不神秘,5G 作為通信技術皇冠上最耀眼的寶石,也不是什么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,并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。

如何在科學原理的范疇內,進一步發掘通信的潛力,是通信行業眾多奮斗者們孜孜不倦的追求。

文章來源于網絡

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