浅谈我对于5G的理解

  一、  5G及相关概念
  相关基础公式:光速=波长×频率
  通信分类:有线通信和无线通信。
  下图很好的说明了这两种通信:
  在有线介质上传播数据,速率可以达到很高的数值,以光纤为例,在实验室中,单条光纤最大速度已达到了26Tbps,是传统网线的两万六千倍。空中传播这部分,才是移动通信的瓶颈所在。目前主流的移动通信标准,是 4G LTE,理论速率只有 150Mbps(不包括载波聚合)。这个和有线是完全没办法相比的。
  无线通信载体:电磁波
  电磁波的功能特性,是由它的频率决定的**。不同频率的电磁波,有不同的属性特点,从而有不同的用途**。例如,高频的 γ 射线,具有很大的杀伤力,可以用来治疗肿瘤。我们目前主要使用电波进行通信。(光波通信也在崛起,例如 LiFi。
  电波属于电磁波的一种,它的频率资源是有限的。为了避免干扰和冲突,我们在电波这条公路上进一步划分车道,分配给不同的对象和用途。
  以上红色字体即为移动通信所处频率。一直以来,我们主要是用中频~超高频进行手机通信的。
  例如经常说的**「GSM900」、「CDMA800」,**其实意思就是指,工作频段在 900MHz 的 GSM,和工作频段在 800MHz 的 CDMA。
  目前全球主流的 4G LTE 技术标准,属于特高频和超高频。
  我们国家主要使用超高频:
  更高 的频率→ 更多 的资源→ 更快 的速度
  而5G频率:
  5G的技术特点:
  目前,国际上主要使用 28GHz 进行试验(这个频段也有可能成为 5G 最先商用的频段)。
  如果按 28GHz 来算,根据前文我们提到的公式:
  这个就是 5G 的第一个技术特点——毫 米 波。对照频率的分配表可知:此毫米波属于最后一行的极高频段。而由于电磁波的显著特点:频率越高,波长越短,越趋近于直线传播(绕射能力越差)。 频率越高,在传播介质中的衰减也越大。故如果用高频的话,我们还是要付出一定代价的。举两个此类例子:激光笔(波长 635nm 左右),射出的光是直的,挡住了就过不去了。再看卫星通信和 GPS 导航(波长 1cm 左右),如果有遮挡物,就没信号了,卫星那口大锅,必须校准瞄着卫星的方向,否则哪怕稍微歪一点,都会影响信号质量。
  得出结论:移动通信如果用了高频段,那么它最大的问题,就是传输距离大幅缩短, 覆盖能力大幅减弱 。覆盖同一个区域,需要的 5G 基站数量,将大大超过 4G。
  延申:这里提到的基站数量意味着什么?就是钱、投资、成本这些现实的东西。**频率越低,网络建设就越省钱,竞争起来就越有利。**这就是为什么,这些年,电信、移动、联通为了低频段而争得头破血流。有的频段甚至被称为—— 黄金频段 。这也是为什么,5G 时代,运营商拼命怼设备商,希望基站降价。(如果真的上 5G,按以往的模式,设备商就发大财了。)
  5G要解决的问题
  (1)  基站问题
  基于以上所述的原因,在高频率的前提下,势必会存在网络建设方面的成本压力,5G 必须寻找新的出路。
  出路有哪些呢?首先,就是微基站。
  基站有两种,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:
  ▲ 室外常见,建一个覆盖一大片
  微基站:
  其实,微基站现在就有不少,尤其是城区和室内,经常能看到。以后,到了 5G 时代,微基站会更多,到处都会装上,几乎随处可见。
  你肯定会问,那么多基站在身边,会不会对人体造成影响?答案是:不会的。
  其实,和传统认知恰好相反,事实上,基站数量越多,辐射反而越小!
  举个形象的例子:冬天,一群人的房子里,一个大功率取暖器好,还是几个小功率取暖器好?
  大功率方案▼
  小功率方案▼
  总结:上面的图,一目了然了。基站小,功率低,对大家都好。如果只采用一个大基站,离得近,辐射大,离得远,没信号,反而不好。
  (2)  接收端天线问题
  大家有没有发现,以前大哥大都有很长的天线,早期的手机也有突出来的小天线,为什么现在我们的手机都没有天线了?
  其实,我们并不是不需要天线,而是我们的天线变小了。
  根据天线特性,天线长度应与波长成正比,大约在 1/10~1/4 之间。
  随着时间变化,我们手机的通信频率越来越高,波长越来越短,天线也就跟着变短啦!毫米波通信,天线也变成毫米级,这就意味着,天线完全可以塞进手机的里面,甚至可以塞很多根。
  这就是 5G 的第三大杀手锏——Massive MIMO(多天线技术)
  MIMO 就是「多进多出」(Multiple-Input Multiple-Output),多根天线发送,多根天线接收。在 LTE 时代,我们就已经有 MIMO 了,但是天线数量并不算多,只能说是初级版的 MIMO。到了 5G 时代,继续把 MIMO 技术发扬光大,现在变成了加强版的 Massive MIMO(Massive:大规模的,大量的)。
  手机里面都能塞好多根天线,基站同样也是。
  以前的基站,天线就那么几根:
  5G 时代,天线数量不是按根来算了,是按「阵」,「天线阵列」。
  不过,天线之间的距离也不能太近。因为天线特性要求,多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上。如果距离近了,就会互相干扰,影响信号的收发 。
  (3)  信号浪费问题
  其实,基站发射信号的时候,就有点像灯泡发光。信号是向四周发射的,对于光,当然是照亮整个房间,如果只是想照亮某个区域或物体,那么,大部分的光都浪费了
  基站也是一样,大量的能量和资源都浪费了。我们能不能找到一只无形的手,把散开的光束缚起来呢?这样既节约了能量,也保证了要照亮的区域有足够的光。
  答案是:可以。这就是——波 束 赋 形
  概念:波束赋形;在基站上布设天线阵列,通过射频信号相位的控制
  ,使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常狭窄,并指向它所提供服务的手机,而且能跟据手机的移动而转变方向。这种空间复用技术,由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务,波束之间不会干扰,在相同的空间中提供更多的通信链路,极大地提高基站的服务容量。
  (4)  D2D
  在目前的移动通信网络中,即使是两个人面对面拨打对方的手机(或手机对传照片),信号都是通过基站进行中转的,包括控制信令和数据包。而在 5G 时代,这种情况就不一定了。5G 的第五大特点——D2D,也就是 Device to Device(设备到设备)。
  D2D
  5G 时代,同一基站下的两个用户,如果互相进行通信,他们的数据将不再通过基站转发,而是直接手机到手机。
  这样,就节约了大量的空中资源,也减轻了基站的压力。(控制消息还是要从基站走的,你用着频谱资源,运营商还要收钱的哦)
  5G及相关概念总结:
  综上所述:5G传输的就是一种频率非常高的电磁波,由于频率越高,波长越短,电磁波就越趋近于直线传播、在传播介质中的衰减也越大,故5G的传输距离大幅缩短,覆盖能力大幅减弱,其所需的基站数量就大大超过原来4G的,而这些问题正是现在需要解决的。以上提到的微基站、MIMO多天线技术、波束赋形D2D就是解决这些问题的。
  二、  5G的应用
  超速度:
  也就是我们所见证的,3G比2G速度快,4G比3G速度快,5G的速度30倍4G。轻松下载,高速传输。
  低延时:
  因为速度快,反应速度也快,延时就很低。实现远程控制,精准指令。引用以下几个例子理论说明:
  (1)  信号接收和下达指令:优步自动驾驶美国路测撞死行人这一案例,就是4G无法达到低时延要求的典型体现。通常自动驾驶汽车需要通过雷达扫描车距、行人、障碍等路况信息,并传到终端,经过快速计算以后,下达刹车等相关指令。但是由于4G存在时延问题,当汽车得到刹车指令时,已经为时已晚。而5G未来就可以解决这类时延问题。
  (2)  流畅的视频和画面:体验VR眼镜时,会出现头晕目眩的情况,这和视频画面出现卡顿的原因一样,就是因为不够流畅,这也是时延在作怪,运行和传输速率提高可以解决此类问题。
  (3)  智能制造领域:用铣床对零部件进行精准切割,如果接收命令的时效有延迟,铣床就会因反应不及时而又多转了几圈,无法按要求精准切割零部件。
  低能耗:
  现在之所以很多智能设备无法普及的原因之一是能耗大、经常要充电。手机、耳机、眼镜、手环、皮带、手表等产品可以加大智能化程度,但是由于功耗较大,需要不断充电,很多产品并没有带给人方便,也就无从推广。但在万物互联中应用5G,可以在海量连接时的实现“低能耗”功能,包括依靠快速反应和低能耗的管理模式。比如:
  (1)  城市的井盖经常损坏或被人偷走,5G时代将会在井盖里面安装一个装置,一旦有问题,它就会传出信息,我们就可以立马进行维修、替换。但是如果不是低功耗,每天都要换电池,那太不现实了。
  万物互联时代:
  5G时代也意味着万物互联,不仅电脑、手机,我们日常生活中的汽车、车位、路灯、眼镜、皮鞋、衣服、手表等等,都将成为智能终端,终端设备基本预测将达到100亿台。
  三、  我对于5G应用的一些感悟
  5G一旦发展起来,个人方面的变化是很容易理解的,比如下载速度更快了、玩游戏(特别是VR/AR类对时延要求很高的游戏)更顺畅了等。但是,我认为,在5G中,有28分一说:即20%是人和人之间的通讯,80%是物和物之间的通讯。
  而在物与物通信中,首先是经典的物联网,即万物互联。有了低能耗、时延低等的特点,将使每一个设备都会成为一个终端,家里的一把风扇、一盏灯都能成为这个终端,风扇和灯把每一次开的时间和关的时间都发送到附近的云端,经过云端的服务器强大的计算和处理,就会生成一个最优解,从而更好的管理这些家居设备。而车联网也是这个道理。
  这样的话,像5G远程驾驶、5G智能工厂、5G无人机物流、5G远程医疗、5G VR全景直播、5G安防、5G智慧农业、5G智慧园区、5G远程教育、5G新零售、5G气象系统等等都会成为热点。
  总之,由于5G的应用场景非常多,之前的也会全部翻篇,5G将成为下一个“风口”。大浪淘沙,谁能在这个新的时代稳住脚,谁又会在谁会在5G时代赚的盆满钵满?
  下一篇将阐述我对于5G这个“风口”的商业前景的思考。
  参考文献:微信公众号鲜枣课堂(ID:xzclasscom),原标题为《有史以来最强的 5G 入门科普!》


发布日期:2020/3/6
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