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有史以來最強的5G入門科普!

作者:科健技術 日期:2018-12-24 點擊:1128

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——

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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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小編解釋一下,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。


日常打電話,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


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



再識電磁波



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…


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?錢啊!投資啊!成本啊!


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。看名字就知道,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,輻射反而越小! 


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。基站小,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”。。。“天線陣列”。。。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



無形的手


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,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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神奇的“D2D”


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,運營商怎么可能放過你。。。



后記…


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。



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