作 者：小棗君

來 源：鮮棗課堂（ID：xzclasscom）

這一切，要從一個“神奇的公式”說起絮吵。

一個神奇的公式

就是這個公式：

還記得這個公式的童鞋，請驕傲地為自己鼓個掌忱屑。

如果不記得蹬敲，或是看不懂，也沒關系莺戒，我解釋一下伴嗡。

就是這個超簡單的公式，蘊含了我們無線通信技術的博大精深从铲。

無論是往事隨風的1G瘪校、2G、3G食店，還是意氣風發(fā)的4G渣淤、5G，說來說去吉嫩，都是在這個數學公式上做文章价认。

且聽我慢慢道來。

有線自娩？無線用踩？

通信技術，無論什么黑科技白科技忙迁，只分兩種——有線通信和無線通信脐彩。

我和你打電話，信息數據要么在空中傳播（看不見姊扔、摸不著）惠奸，要么在實物上傳播（看得見、摸得著）恰梢。

在有線介質上傳播數據佛南，想要高速很容易梗掰。

實驗室中，單條光纖最大速度已達到了26Tbps嗅回，是傳統(tǒng)網線的兩萬六千倍及穗。

而空中傳播這部分，才是移動通信的瓶頸所在绵载。

所以埂陆，5G重點是研究無線這部分的瓶頸突破。

好大一個波

大家都知道娃豹，電波和光波都屬于電磁波焚虱。

電磁波的頻率資源有限，根據不同的頻率特性培愁，有不同的用途著摔。

我們目前主要使用電波進行通信。

當然定续，光波通信也在崛起谍咆，例如可見光通信LiFi（LightFidelity）。

不偏題私股，回到電波摹察。

電波屬于電磁波的一種，它的頻率資源也是有限的倡鲸。

為了避免干擾和沖突供嚎，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峭状。

不同頻率電波的用途

大家注意上面圖中的紅色字體克滴。一直以來，我們主要是用中頻~超高頻進行手機通信的优床。

“GSM900”劝赔、“CDMA800”，其實就是工作頻段900MHz和800MHz的意思胆敞。

目前主流的4GLTE着帽，屬于超高頻和特高頻。

我們國家主要使用超高頻：

隨著1G移层、2G仍翰、3G、4G的發(fā)展观话，使用的頻率是越來越高的予借。

為什么呢？

因為頻率越高，速度越快蕾羊。

又為什么呢喧笔？

因為頻率越高帽驯，車道（頻段）越寬龟再。

看懂了吧，車道按指數級擴大尼变。

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利凑？

上個月，我們國家工信部下發(fā)通知嫌术，明確了我國的5G初始中頻頻段：

3.3-3.6GHz哀澈、4.8-5GHz兩個頻段。

同時度气，24.75-27.5GHz割按、37-42.5GHz高頻頻段正在征集意見。

目前磷籍，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）适荣。

如果按28GHz來算，根據前文我們提到的公式：

好啦院领，這個就是5G的第一個技術特點——毫米波弛矛。

繼續(xù)，繼續(xù)比然。

既然丈氓，頻率高這么好，你一定會問：“為什么以前我們不用高頻率呢强法？”

原因很簡單——不是不想用万俗，是用不起。

電磁波的一個顯著特點：頻率越高（波長越短）饮怯，就越趨近于直線傳播（繞射能力越差）闰歪。而且，頻率越高硕淑，傳播過程中的衰減也越大课竣。

你看激光筆（波長635nm左右），射出的光是直的吧置媳，擋住了就過不去了于樟。

再看衛(wèi)星通信和GPS導航（波長1cm左右），如果有遮擋物拇囊，就沒信號了吧迂曲。

而且，衛(wèi)星那口大鍋寥袭，必須校準瞄著衛(wèi)星的方向路捧。稍微歪一點关霸，都會有影響。

如果5G用高頻段杰扫，那么它最大的問題队寇，就是覆蓋能力會大幅減弱。

覆蓋同一個區(qū)域章姓，需要的基站數量將大大超過4G佳遣。

這就是為什么這些年，電信凡伊、移動零渐、聯(lián)通為了低頻段而爭得頭破血流。

基站就是要花錢買的啊系忙，能不玩命爭取么诵盼。

有的頻段甚至被稱為——黃金頻段。

這也是為什么5G時代银还，運營商拼命懟設備商风宁，甚至威脅要自己研發(fā)通信設備。

所以见剩，基于以上原因杀糯，在高頻率的前提下，為了減輕覆蓋方面的成本壓力苍苞，5G必須尋找新的出路固翰。

首先，是微基站羹呵。

基站有兩種骂际，微基站和宏基站「曰叮看名字就知道歉铝，微基站很小，宏基站很大凑耻！

以前都是大的基站太示，建一個覆蓋一大片。

以后更多的將是微基站香浩，到處都裝类缤，隨處可見。

微基站看上去是不是很酷炫邻吭？

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

而且膏蚓，恰好相反瓢谢，其實基站數量越多，輻射反而越型郧啤氓扛！

你想一下，冬天剧董，一群人的房子里幢尚，一個大功率取暖器好，還是幾個小功率取暖器好翅楼？

大功率方案

小功率方案

基站越小巧，數量越多真慢，覆蓋就越好毅臊，速度就越快。

天線去哪了黑界？

大家有沒有發(fā)現管嬉，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朗鸠，為什么后來我們就看不到帶天線的手機了蚯撩？

有人說，是因為信號好了烛占，不需要天線了胎挎。

其實不對，信號再好忆家，也不能沒有天線犹菇。更主要的原因是——天線變小了。

根據天線特性芽卿，天線長度應與波長成正比揭芍，大約在1/10~1/4之間。

頻率越高卸例，波長越短称杨，天線也就跟著變短啦！毫米波筷转，天線也變成毫米級姑原。

這就意味著，天線完全可以塞進手機的里面旦装，甚至可以塞很多根页衙。

這就是5G的第三大殺手锏——Ｍassive MIMO。

MIMO就是“多進多出”（Multiple-Input Multiple-Output），多根天線發(fā)送店乐，多根天線接收艰躺。

在LTE時代就已經有MIMO了，5G繼續(xù)發(fā)揚光大眨八，變成了加強版的Massive MIMO（Massive：大規(guī)模的腺兴，大量的）。

手機都能塞好多根廉侧，基站就更不用說了页响。

以前的基站，天線就那么幾根段誊。

5G時代闰蚕，就不是按根來算了，是按“陣”连舍，“天線陣列”没陡。

天線多得排成陣了，一眼看去一大片的節(jié)奏索赏。

不過盼玄，天線之間的距離也不能太近。

因為天線特性要求潜腻，多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個波長以上埃儿。

不要問我為什么，去問科學家融涣。

你是直的童番？還是彎的？

大家都見過燈泡發(fā)光吧暴心？

其實妓盲，基站發(fā)射信號的時候，就有點像燈泡發(fā)光专普。

信號是向四周發(fā)射的悯衬，對于光，當然是照亮整個房間檀夹，如果只是想照亮某個區(qū)域或物體筋粗，那么，大部分的光都浪費了炸渡。

基站也是一樣娜亿，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蚌堵，把散開的光束縛起來呢买决？

這樣既節(jié)約了能量沛婴，也保證了要照亮的區(qū)域有足夠的光。

答案是：可以督赤。

這就是——波束賦形

波束賦形：在基站上布設天線陣列嘁灯，通過對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躲舌，并指向它所提供服務的手機丑婿，而且能跟據手機的移動而轉變方向。

這種空間復用技術没卸，由全向的信號覆蓋變?yōu)榱司珳手赶蛐苑崭睿ㄊg不會干擾，在相同的空間中提供更多的通信鏈路约计，極大地提高基站的服務容量诀拭。

直的都能掰成彎的，還有什么是通信磚家干不出來的病蛉？

別收我錢炫加，行不行？

在目前的通信網絡中铺然，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酒甸，包括控制信令和數據包魄健。

而在5G時代，這種情況就不一定了插勤。

5G的第五大特點——D2D沽瘦，也就是Device to Device。

5G時代农尖，同一基站下的兩個用戶析恋，如果互相進行通信，他們的數據將不再通過基站轉發(fā)盛卡，而是直接手機到手機助隧。

這樣，就節(jié)約了大量的空中資源滑沧，也減輕了基站的壓力并村。

不過，如果你覺得這樣就不用付錢滓技，那你就圖樣圖森破了

控制消息還是要從基站走的哩牍，而且用著頻譜資源，運營商爸爸怎么可能放過你令漂。

后記

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理解膝昆，而這一切丸边，都只是源于一個如今小學生都能看懂的數學公式。

通信技術并不神秘荚孵，5G作為通信技術皇冠上最耀眼的寶石妹窖，也不是什么遙不可及的創(chuàng)新革命技術，它更多是對現有通信技術的演進处窥。

正如一位高人所說——

通信技術的極限嘱吗，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滔驾，在可以遇見的未來是基本不可能突破的谒麦。

如何在科學原理的范疇內，進一步發(fā)掘通信的潛力哆致，是通信行業(yè)眾多奮斗者們孜孜不倦的追求绕德。