2018 年,5G 标准落地;

  2019 年,三星华为小米等手机厂商纷纷推出 5G 手机,而苹果或将因技术问题掉队 5G 阵营;
  高通已研发第二代 5G 基带芯片......
  无论是在日前于西班牙巴萨罗那落下帷幕的 2019 世界移动通信大会上还是我们的日常生活中,毫无疑问,5G 已然成为热门话题之一,但此时作为技术人的你,真的了解 5G 吗?
  作者 |?小枣君
  本文经授权转自“鲜枣课堂”(ID:qianheikeji)
  Python这么火,为什么还不学?
  https://edu.csdn.net/topic/python115?utm_source=csdn_bw
  ?
  ?一个简单且神奇的公式? ?
  ?
  今天的故事,从一个公式开始讲起。
  这是一个既简单又神奇的公式。说它简单,是因为它一共只有3个字母。而说它神奇,是因为这个公式蕴含了博大精深的通信技术奥秘,这个星球上有无数的人都在为之魂牵梦绕。
  这个公式,就是它——
  我相信很多同学都认出这个公式了,如果没认出来,而且你又是一个理科生的话,请记得有空多给你的中学物理老师打打电话!
  小枣君解释一下,上面这个公式,这是物理学的基本公式,光速=波长×频率。
  对于这个公式,可以这么说:无论是1G、2G、3G,还是4G、5G,万变不离其宗,全部都是在它身上做文章,没有跳出它的“五指山”。
  且听我慢慢道来。。。
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  有线?无线?
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  通信技术,无论什么黑科技白科技,归根到底,就分为两种——有线通信和无线通信。
  我和你打电话,信息数据要么在空中传播(看不见、摸不着),要么在实物上传播(看得见、摸得着)。
  如果是在实体物质上传播,就是有线通信,基本上就是用的铜线、光纤这些线缆,统称为有线介质。
  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。。。
  光纤
  而空中传播这部分,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。
  所以,5G如果要实现端到端的高速率,重点是突破无线这部分的瓶颈。
  ?
  好大一个波
  ?
  大家都知道,无线通信就是利用电磁波进行通信。电波和光波,都属于电磁波。
  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。
  电磁波的不断频率
  我们目前主要使用电波进行通信。当然,光波通信也在崛起,例如LiFi。
  LiFi(Light Fidelity),可见光通信
  不偏题,回到电波先。
  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。
  不同频率电波的用途
  请大家注意上面图中的红色字体。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:
  大家能看出来,随着1G、2G、3G、4G的发展,使用的电波频率是越来越高的。
  这是为什么呢?
  这主要是因为,频率越高,能使用的频率资源越丰富。频率资源越丰富,能实现的传输速率就越高。
  更高的频率→更多的资源→更快的速度
  应该不难理解吧?频率资源就像车厢,越高的频率,车厢越多,相同时间内能装载的信息就越多。
  那么,5G使用的频率具体是多少呢?
  如下图所示:
  5G的频率范围,分为两种:一种是6GHz以下,这个和目前我们的2/3/4G差别不算太大。还有一种,就很高了,在24GHz以上。
  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:
  好啦,这个就是5G的第一个技术特点——?
  毫 米 波
  请允许我再发一遍刚才那个频率对照表:
  请注意看最下面一行,是不是就是“毫米波”?
  继续,继续!
  好了,既然,频率高这么好,你一定会问:“为什么以前我们不用高频率呢?”
  原因很简单——不是不想用,是用不起。
  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。
  你看激光笔(波长635nm左右),射出的光是直的吧,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,就没信号了吧。
  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。
  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。
  基站数量意味着什么?钱啊!投资啊!成本啊!
  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。)
  所以,基于以上原因,在高频率的前提下,为了减轻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。?
  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:
  看上去是不是很酷炫?
  还有更小的,巴掌那么大
  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?
  我的回答是——不会。
  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!?
  你想一下,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▼
  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。
  ?
  天线去哪了?
  ?
  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,基站就更不用说了。
  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”。。。一眼看去,要得密集恐惧症的节奏。。。
  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。
  ?
  你是直的?还是弯的?
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  大家都见过灯泡发光吧?
  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
  在基站上布设天线阵列,通过对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。
  直的都能掰成弯的。。。还有什么是通信砖家干不出来的?
  别收我钱,行不行??
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  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。?
  不过,如果你觉得这样就不用付钱,那你就图样图森破了。
  控制消息还是要从基站走的,你用着频谱资源,运营商爸爸怎么可能放过你。
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  后记
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  写着写着,小枣君发现洋洋洒洒写的有点多。
  能看到这的,都是真爱啊。
  相信大家通过本文,对5G和她背后的通信知识已经有了深刻的理解。而这一切,都只是源于一个小学生都能看懂的数学公式。不是么?
  通信技术并不神秘,5G作为通信技术皇冠上最耀眼的宝石,也不是什么遥不可及的创新革命技术,它更多是对现有通信技术的演进。
  正如一位高人所说——
  通信技术的极限,并不是技术工艺方面的限制,而是建立在严谨数学基础上的推论,在可以遇见的未来是基本不可能突破的。
  如何在科学原理的范畴内,进一步发掘通信的潜力,是通信行业众多奋斗者们孜孜不倦的追求。
  好啦,今天就到这里吧。谢谢大家的观看,再见!
  【完】
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发布日期:2020/3/6
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