來源：公眾號“老和山下的小學僧”
6月6日笆制，中國5G商用牌照已經(jīng)正式發(fā)放绅这，花落四家機構(gòu)。值此值得紀念的時刻在辆，給大家分享一篇有關(guān)5G的科普文章证薇。
一、電磁波
要說5G匆篓，不懂點電磁波是不行的棕叫。提問：仙人掌能防電腦輻射嗎窟却？知道答案的大盆友直接看后半篇苍碟，下面這段寫給小盆友镀层。
日常生活中锦针，除了原子電子之外巍举，剩下的幾乎全是電磁波聋袋，紅外線刃跛、紫外線蚂蕴、太陽光谨设、電燈光熟掂、wifi信號、手機信號扎拣、電腦輻射赴肚、核輻射，等等二蓝。只要是波誉券，就逃不過三個參數(shù)：波速、波長刊愚、振幅踊跟。電磁波的速度是恒定的光速，因此只需考慮：波長(或頻率)鸥诽、振幅(不考慮方向)商玫，其中頻率對于電磁波來說，尤為重要牡借。
頻率越高拳昌，對應(yīng)著電磁波的波長越短，能量越高钠龙，衰減越快炬藤，穿透性越差扁远，散射越少，對人體傷害越大刻像。就著這個原則，咱從頭到尾捋一遍并闲。
長的電磁波波長能到1億米细睡，頻率3Hz，1秒鐘三個波帝火，如果用來通信的話溜徙，等你一句話說完，就可以過年了犀填。
稍微正常點的電磁波蠢壹，波長幾萬米，用這通信九巡，就一個字：穩(wěn)图贸！江河大山都擋不住，甚至能穿透幾十米深的海水(海水導電冕广，是電磁波的克星)疏日。不過就這點頻率，只能勉強攜帶點信息撒汉，發(fā)一個hello沟优，大概需要半小時，也就比寫信稍微強點睬辐。因為超長波實在是穩(wěn)挠阁，一般用在岸臺向潛艇單向發(fā)送命令。
再短點溯饵，幾十米波長的電磁波侵俗，頻率就到了百萬赫茲MHz級別，能攜帶的信息就很可觀了丰刊，一句話至少能說利索了坡慌。而且照樣還能跑很遠，幾百公里不在話下藻三，所以收音機廣播洪橘、電報、業(yè)余無線電一般用這個頻段棵帽。
說點有用的熄求，假如你困在荒島上，有個飛機路過逗概，趕緊用121.5MHz呼救弟晚，這是民用緊急通信頻率，還有個軍用緊急通信頻率243MHz，這些都是不加密的公共頻率卿城。上次解放軍和臺軍戰(zhàn)機對峙枚钓，雙方用這個頻率對話，結(jié)果被無線電愛好者錄下來放網(wǎng)上了瑟押，吃瓜群眾喜聞樂見之余搀捷，又擔心我軍通信太容易被破解，真是阿彌陀佛了多望。
波長再短點嫩舟，到了1米~1厘米，就有意思了怀偷。一方面家厌，雖然衰減已經(jīng)很明顯了，但一口氣還能跑個百十公里椎工，夠用饭于；另一方面，頻率到了GHz級別维蒙，能攜帶足夠多的信息镰绎，不但話能說利索了，還有多余功夫讓你加個密什么的木西。所以這個波段是通信的焦點畴栖，什么1G2G3G4G，什么衛(wèi)星通信雷達通信八千，全在這吗讶，統(tǒng)稱微波通信。
到了毫米級恋捆，電磁波就跑不了多遠了照皆，雖然毫米波不太發(fā)散，但很容易被周邊物質(zhì)吸收或反射沸停，幾乎沒啥穿透性膜毁，用來通信很雞肋，不過用在導彈導引雷達或微波爐上棒棒的愤钾。但瘟滨，畢竟頻率超過了30GHz，攜帶的信息量實在太饞人能颁，要不還是試試吧杂瘸！于是，5G來了伙菊。
5G同志先等等败玉，繼續(xù)往下數(shù)敌土，來到微米級。毫無疑問运翼，能攜帶的信息量繼續(xù)倍增返干，但波長0.7微米的電磁波就已經(jīng)是可見光了⊙剩可見光都見過吧矩欠，別說穿墻了，一張紙都夠嗆六剥，想接著按照7G8G9G的套路肯定走不通啊。然后峰伙，就有了激光通信疗疟，發(fā)射端和接收端必須瞄得準準的，中間還不能有阻擋瞳氓，這優(yōu)缺點自個兒體會體會策彤。
波長到了0.3微米，也就是300納米匣摘，先別管頻率的事了店诗，這玩意兒就是我們熟知的紫外線，終于對人體有害了音榜。太陽光里的紫外線大約占了4%庞瘸，如果你一天能曬上半小時太陽的話，那么前面提到的那些電磁波輻射基本可以無視了(不要鉆電磁共振的牛角尖赠叼，咱只說普遍情況)擦囊。
波長200納米的紫外線，在太陽光中幾乎是沒有的嘴办，所以在陽光太強時瞬场，紫外線通信就成了激光通信很好的補充，不但隱蔽性更好涧郊，還不用對得那么準贯被，在幾公里的距離上非常好用，是近些年軍事通信的研究熱點妆艘。
接下來就和通信無關(guān)了彤灶，波長到了納米級就成了X光，就是在醫(yī)院見到的那種批旺，這么說的話枢希，X光其實也能叫納米技術(shù)(這是玩笑)。
最后朱沃，波長短到了0.01納米以下苞轿，這就是聞之色變的伽馬射線茅诱，來自核輻射，全宇宙最強的能量形式之一搬卒！若是要毀滅一個星系瑟俭，伽馬射線是不二之選。實際上契邀，科學家一直懷疑摆寄，超新星爆炸產(chǎn)生的伽馬射線爆已經(jīng)毀滅了絕大部分的宇宙文明，好在太陽系處于比較角落的地帶坯门，周邊恒星不多微饥。
終于說完了波長頻率，那振幅呢古戴？連仙人掌能不能防輻射都不知道欠橘，也就沒必要了解振幅的含義了，直接跳過现恼。
二肃续、1和0
回到微波通信。
為什么頻率越高叉袍，能攜帶的信息就越多始锚？以數(shù)字信號為例，信息就是一串串的1和0喳逛，所以先搞清楚怎樣用電磁波表示1和0瞧捌。
第一種方法叫“調(diào)幅”，基本思路是調(diào)整電磁波的振幅润文，振幅大的表示1察郁，振幅小的表示0，如下圖转唉。收音機的AM就是調(diào)幅皮钠，缺點頗多。
第二種方法叫“調(diào)頻”赠法，基本思路是調(diào)整頻率來表示1和0麦轰，比如，用密集的波形表示1砖织，疏松的波形表示0款侵。收音機的FM就是調(diào)頻，優(yōu)點多多的侧纯。
很顯然新锈，在單位時間內(nèi)，發(fā)出的波越多眶熬，能表示的1和0就越多妹笆，換句話說块请，頻率越高能攜帶的信息就越多。
這樣算起來拳缠，頻率800MHz意味著每秒產(chǎn)生800萬個波墩新，都用來表示1和0的話，1秒鐘可以傳輸100M數(shù)據(jù)窟坐，這速度很快昂Ｔā！為啥我們感覺不到呢哲鸳？
古語有云臣疑，重要的事情說三遍，通信也是如此徙菠。無線電跋山涉水讯沈，弄丟幾個1,0太正常了，防止走丟的土辦法就是抱團懒豹。比如芙盘，用一萬個連續(xù)的1表示一個1驯用，哪怕路上走丟了兩千個1脸秽，最后咱還能認得這是1。
這種傻辦法只能用在民用通信蝴乔，因為特征太明顯记餐，很容易被破解。還記得北斗民用信號被破解的新聞吧薇正，原因就在此片酝。
民用信號只要能和其他信號區(qū)分開就行，不會弄得太復(fù)雜挖腰，不然傳輸效率太低雕沿。按2G技術(shù)那樣，800MHz的頻率猴仑，傳輸數(shù)據(jù)大不過每秒幾十K审轮。
軍用就兩碼事了，為了防止被破解辽俗，要用很復(fù)雜的組合來表示1和0疾渣，中間說不定還有很多無效信息，各種跳頻技術(shù)擴頻技術(shù)崖飘，還不停變換組合榴捡，總之越花哨越好。所以同樣一句話朱浴，軍事通信要用掉更多的1,0吊圾，因此為了保證傳輸效率达椰，軍用頻率就比民用高很多。
就目前來說街夭，頂級破解技術(shù)還干不過頂級加密技術(shù)砰碴，這里不包括尚未成熟的量子通信。
軍事對抗是無止境的板丽，干不過也不能認慫呈枉！那怎辦？既然弄不清楚你的1,0埃碱，那我就索性再送你一堆1,0猖辫，把你原有的組合搞亂，讓你自己人都懵逼砚殿。這就是電子對抗的環(huán)節(jié)啃憎，跑題了，還是說回5G似炎。
三辛萍、關(guān)鍵技術(shù)
前面說的，都是不值錢的原理羡藐，下面看看值錢的技術(shù)贩毕。5G關(guān)鍵技術(shù)有一堆說法，咱給粗暴地歸個類仆嗦。
振蕩電路插個天線就可以產(chǎn)生電磁波辉阶，用特定方法改變電磁波的頻率或振幅，變成各種復(fù)雜的組合瘩扼，這個過程叫調(diào)制谆甜。對應(yīng)的，豎個天線就能收到空中的電磁波集绰，按預(yù)定方法變回1,0规辱，這個過程叫解調(diào)。
把電磁波發(fā)到空中栽燕，或者把空中的電磁波收下來罕袋，都需要天線，別以為現(xiàn)在手機光溜溜的就不需要天線了纫谅。手機與手機是無法直接通信的炫贤，而是通過周邊的基站與別的手機聯(lián)系。于是付秕，問題來了兰珍，5G使用的毫米波在空氣中衰減非常嚴重，但又不能無限制提高發(fā)射功率询吴，怎么辦呢掠河？只能在天線上做文章了亮元。
5G的第一個關(guān)鍵技術(shù)：大規(guī)模多天線陣列。大白話就是唠摹，增加天線的數(shù)量爆捞，不是增加一個兩個，而是幾百個勾拉。這個思路很好理解煮甥，但是呢，用那么多天線發(fā)射同一個信號藕赞，稍不留神就亂成一鍋粥成肘。
多天線加毫米波，對比原先的少天線加厘米波斧蜕，無線電傳播的物理特征肯定不一樣双霍，得重新建立信道模型。那信道模型怎么建立呢批销？相信我洒闸，你不會感興趣的。
天線一多均芽，不但能解決毫米波衰減的問題丘逸，傳輸效率、抗干擾等性能也是蹭蹭漲骡技，算是5G必須課鸣个。
曾與華為齊名的大唐電信于2015年率先發(fā)布了256大規(guī)模天線羞反，引爆全球通信業(yè)布朦，一時風光無限！可惜后來突然閃崩昼窗，淪落到賣科研大樓求生是趴，令人唏噓！
基站天線搞定澄惊，下面就輪到終端機的天線了唆途，這貨也有術(shù)語：全雙工技術(shù)。
一般手機的通信天線只有一個掸驱，收發(fā)信號交替進行肛搬，費勁的很！全雙工技術(shù)毕贼，就是把發(fā)信號的天線和收信號的天線分開温赔，收發(fā)信號同時進行，優(yōu)點就不說了鬼癣。不過陶贼，這很難嗎啤贩？
你想想，把話筒和音響挨在一起拜秧，還要求兩者能正常工作痹屹，你說難嗎？大體上分兩個思路枉氮，其一志衍，物理方法，比如在倆天線之間加屏蔽材料聊替；其二足画，信號處理，比如無源模擬對消等佃牛。
2016年4月華為宣布已于成都5G外場率先完成第一階段5G關(guān)鍵技術(shù)驗證淹辞，測試結(jié)果完全達到預(yù)期。其中兩個重要驗證就是大規(guī)模天線技術(shù)和全雙工技術(shù)俘侠。
天線搞定了象缀，再來就是"新多址接入技術(shù)"，這詞聽著真拗口爷速，別急央星，馬上就順了！
舉個例子(數(shù)字是胡謅的)：
假設(shè)手機基站用100Hz表示1惫东，105Hz表示0莉给，這時又接進一個新電話，那新電話的1可以用110Hz廉沮，0用115Hz颓遏，如果再來新電話，依次類推滞时。這就是1G的思路叁幢，簡稱FDMA。
這樣2個電話就用掉了從100Hz到115Hz的頻段坪稽，占用的15Hz就叫帶寬曼玩。外行也看出來了，這路子太費帶寬了窒百。好在那會的手機只是傳個語音黍判，數(shù)據(jù)量不大，但也架不住手機數(shù)量的增加篙梢，很快就不夠用了顷帖！
換個思路，大家都用100Hz表示1，105Hz表示0窟她，但是第1秒給甲用陈症，第2秒給乙用，第3秒給丙用震糖，只要輪換的好录肯，5Hz的帶寬就夠3個手機用，就是延時嚴重點而已吊说。這就是2G的思路论咏，簡稱TDMA。
再到后來颁井，數(shù)據(jù)量越來越大厅贪，2G也玩不轉(zhuǎn)了。不過雅宾，只要有需求养涮，就不怕沒套路：在各自的信號前面加上序列碼，再揉成一串發(fā)送眉抬，接收端按序列號只接受自己的信號贯吓。就好像快遞員一次性送了一疊信過來，大家按照信封上的名字打開各自的信蜀变。這就是3G的思路悄谐，簡稱CDMA。如我這把年紀的人库北，應(yīng)該都被聯(lián)通的CDMA廣告轟炸過吧爬舰？
再發(fā)展就是正交頻分多址技術(shù)，把2個互不干擾的正交信號揉成一串發(fā)送寒瓦。所謂正交信號情屹，和量子力學的疊加態(tài)有點類似。把信號疊在一起發(fā)送孵构，就是4G的思路屁商，簡稱OFDMA烟很。
每個終端在網(wǎng)絡(luò)上都有一個地址颈墅，所以這種讓很多手機一起打電話的技術(shù)，從1G到4G雾袱，統(tǒng)稱：多址接入技術(shù)恤筛。咱5G特別時髦，叫“新多址接入技術(shù)”芹橡，這貨怎么個“新”法呢毒坛？
稀疏碼多址接入、非正交多址接入、圖分多址接入……好吧煎殷，我承認有點云里霧里了屯伞，總體思路就是疊加更多信號或者把前面的技術(shù)混到一起，這里涉及大量的數(shù)學知識豪直，奉勸各位好自為之吧劣摇！
暫時就說這么多吧，5G要實現(xiàn)10Gb/秒的峰值速率弓乙、1百萬的連接數(shù)密度末融、1毫秒的時延，必須要先解決這三大關(guān)鍵技術(shù)暇韧。
2016年4月勾习，華為的第一階段“關(guān)鍵技術(shù)驗證”，主要也是驗證這仨技術(shù)懈玻。新多址接入采用濾波正交頻分復(fù)用巧婶、稀疏碼多址接入、極化碼涂乌，結(jié)合大規(guī)模天線粹舵，吞吐率提升10倍以上，在100MHz帶寬下骂倘，平均吞吐量達到3.6Gb/秒眼滤；全雙工采用了無源模擬對消、有源模擬對消和數(shù)字對消三重對消框架历涝，可以實現(xiàn)113dB的自干擾消除能力诅需，獲得了90%以上的吞吐率增益。
2017年6月荧库，華為完成第二階段“多種關(guān)鍵技術(shù)融合測試及單基站性能測試”堰塌，在200MHz帶寬下，單用戶下行吞吐率超過6Gb/秒分衫，小區(qū)峰值超過18Gb/秒场刑，配套業(yè)內(nèi)首個小型化5G測試終端，單個5G基站可同時支持上百路超高清4K視頻蚪战。
2018年9月牵现，華為完成第三階段“基于獨立組網(wǎng)的5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與業(yè)務(wù)流程測試”。
這三個階段測試邀桑，華為均以100%通過率順利完成瞎疼。
除了三大關(guān)鍵技術(shù)之外，無數(shù)用戶要組成網(wǎng)絡(luò)壁畸，事情自然少不了贼急。比如茅茂，分配傳輸資源和指揮交通一樣讓人頭大，一條道路分配不合理太抓，半個城市就得跟著癱瘓空闲，所以，華為完成關(guān)鍵技術(shù)驗證后走敌，又花了2年時間才進行獨立組網(wǎng)測試进副。再比如，能耗不能太離譜悔常，價格不能高上天影斑，諸如此類的基本要求。
四机打、又是芯片
可以看到矫户，5G要處理的數(shù)據(jù)量遠大于4G，所謂數(shù)據(jù)就是1,0残邀，但凡涉及1,0的東西皆辽，基本都用芯片〗嬲酰控制電磁波發(fā)射要用射頻芯片驱闷，編碼解碼要用基帶芯片，等等空免，這些也屬于5G核心關(guān)鍵技術(shù)空另。
2019年1月24日，華為發(fā)布了全球首款5G基站核心芯片：天罡蹋砚，以及扼菠，全球首款單芯片多模5G基帶芯片：巴龍5000。既然是世界首款坝咐，免不了拿下N個全球第一循榆。
把條件放寬到調(diào)制解調(diào)芯片，玩家就比較多了墨坚。5G的主流頻率是28GHz秧饮，有能力處理這個頻段的芯片，目前是4家泽篮。
高通是最早的盗尸，三星是唯一做到39GHz的，華為是工藝最先進的咪辱，英特爾是哪里都不掉隊的振劳，臺灣聯(lián)發(fā)科據(jù)說馬上也要來了。
多說一句油狂，華為2018年2月發(fā)布的這款巴龍5G01芯片，因塊頭太大無法用在手機上，2019年1月就推出了手機使用的巴龍5000专筷，同時還沒耽誤手機處理器芯片麒麟和服務(wù)器芯片鯤鵬弱贼，這進展還是不錯的！
五磷蛹、標準
5G涉及的技術(shù)實在太多太雜吮旅，得訂個規(guī)矩。立規(guī)矩的重要性不比技術(shù)研發(fā)低味咳，待會你看看歐盟就明白了庇勃。
5G標準第一階段的第一部分已于2018年6月完成并發(fā)布，標志著首個真正完整意義的國際5G標準出爐槽驶，剩余部分陸續(xù)到2020年才能完工责嚷。
這次標準發(fā)布一共有50家公司參與，中國有中國電信掂铐、中國移動罕拂、中國聯(lián)通、華為全陨、中興爆班、大唐電信等16家，美國8家辱姨，歐洲8家柿菩，日本13家，韓國5家雨涛。
從數(shù)量上看碗旅，咱還是不錯的。從質(zhì)量上看镜悉，咱應(yīng)該也還是不錯的祟辟。舉個例子：
在信道編碼問題上，歐盟一直用Turbo碼侣肄，美帝高通習慣用LDPC碼旧困，華為擅長用Polar碼。于是稼锅，第一回合歐盟就被干掉了吼具，不但積累的Turbo技術(shù)打了水漂，還得重新學LDPC和Polar矩距。
華為和高通繼續(xù)交鋒了兩輪拗盒。
信道編碼分“控制信道編碼”和“數(shù)據(jù)信道編碼”，高通的方案是兩者都用LDPC碼锥债，華為的方案是數(shù)據(jù)信道用你家的LDPC碼陡蝇，控制信道用Polar碼痊臭。
然后，聯(lián)想對華為的方案投了反對票……
當然登夫，聯(lián)想的投票對結(jié)局毫無影響广匙。因為分歧過大，當天只確定數(shù)據(jù)信道用LDPC碼恼策，至于控制信道擇日再議鸦致。
等擇好日，再次投票時涣楷，高通分唾、三星、英特爾狮斗、愛立信等巨頭搜羅了31家公司組成陣營绽乔，要求全部用LDPC碼，華為則組織了包括聯(lián)想在內(nèi)的55家公司力爭情龄。最終迄汛，華為Polar成為控制信道編碼航揉，高通LDPC成為數(shù)據(jù)信道編碼族跛，大家平分秋色。
這事被翻出來后厢钧，聯(lián)想引起眾怒专酗，但華為很貼心地幫著解圍睹逃。
順便說個常識：行業(yè)標準都還沒全出來，5G離全面成熟應(yīng)用還是有一段路的祷肯。
六沉填、場景和意義
因為擔心小盆友的想象力不夠，所以國際電信聯(lián)盟召開的ITU-RWP5D第22次會議佑笋，確定了5G的三個應(yīng)用場景：
這圖畫得實在太差翼闹，解釋一下：三個角上的三句話是5G的三大功能特點，藍色小塊是應(yīng)用場景蒋纬，小塊越靠近哪個角就說明對這個功能的依賴越大猎荠。后來，這三個角又改成了四個：連續(xù)廣域覆蓋蜀备、熱點高容量关摇、低功耗大連接、低時延高可靠……
說暈了碾阁，還是本僧用大白話總結(jié)一下吧输虱。
就技術(shù)而言，5G就三句話：網(wǎng)速快脂凶、信號廣宪睹、延時少愁茁。但技術(shù)帶來的改變卻超越了想象力，5G是全信息化的基石横堡，完全可以實現(xiàn)當年物聯(lián)網(wǎng)吹過的牛：萬物互聯(lián)埋市。
如果非要找個參考的話冠桃，可以想象一下：把2G3G4G去掉命贴，回到大哥大時代……不認識大哥大的00后小盆友，可以問問身邊的80后老爺爺食听。
我覺著胸蛛，5G與4G的差異，比得上4G和1G的差異樱报。
怎么樣葬项？懂了不？
