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                      终于有人讲明白5G了,难怪美国破釜沉舟

                      2019-5-25 00:28| 投稿: xiaotiger |来自: 互联网


                      免责声明:本站系公益性非盈利IT技术普及网,本文由投稿者转载自互联网的公开文章,文末均已注明出处,其内容和?#35745;?#29256;权归原网站或作者所有,文中所述不代表本站观点,若有无意侵权或转载不当之处请从网站右下角联系我们处理,谢谢合作!

                      摘要: 第一次有人把5G讲的这么简单明了。01一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,?#19988;?#20026;它一共只有3个字母。而说它神奇,?#19988;?#20026;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 ...

                      第一次有人把5G讲的这么简单明了。

                      01

                      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,?#19988;?#20026;它一共只有3个字母。

                      而说它神奇,?#19988;?#20026;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?#26082;?#20986;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!

                      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,?#25925;?G、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。

                      02

                      有线?无线?

                      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?#19988;?#21160;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?#35828;?#31471;的高速率,重点是突破无线这部分的瓶颈。

                      03

                      ?#20040;?#19968;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?#31034;?#23450;的。不同频率的电磁波,有不同的属?#34164;?#28857;,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?#32654;?#27835;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?#21462;?/p>

                      电波属于电磁波的一种,它的频?#39318;试?#26159;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?#24065;?#26469;,我们主要是用中频~超高频进行?#21482;?#36890;信的。

                      例如经常说的“GSM900”、“CDMA800?#20445;?#20854;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?#32479;?#39640;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?#19988;?#20026;,频?#35797;?#39640;,能使用的频?#39318;试?#36234;丰富。频?#39318;试?#36234;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?#31185;德首试?#23601;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?#31034;?#20307;是多少呢?

                      如下图所示:

                      5G的频率?#27573;В?#20998;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?#25105;?#26377;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:

                      ?#32654;玻?#36825;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?#35797;?#39640;,波长越短,?#35282;?#36817;于直线传播(绕射能力?#35762;睿?#39057;?#35797;?#39640;,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?#27425;?#26143;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?#35797;?#20302;,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?#25512;?#27573;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?#23548;邸?/div>

                      (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。

                      04

                      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,?#32469;?#26159;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,?#25925;?#20960;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。

                      05

                      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?#21482;?#20063;有突出来的小天线,为什么现在我们的?#21482;?#37117;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?#21482;?#30340;通信频?#35797;?#26469;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?#20934;丁?/p>

                      这就意味着,天线完全可以塞进?#21482;?#30340;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?#20445;∕ultiple-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)。

                      ?#21482;?#37324;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?#23567;薄?/p>

                      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。

                      06

                      你是直的??#25925;?#24367;的?

                      大家?#25216;?#36807;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。

                      07

                      波束赋形

                      在基站上布设天线阵?#26657;?#36890;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?#21482;?#32780;且能跟据?#21482;?#30340;移动而转变方向。这种空间?#20174;?#25216;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?

                      在目前的移动通信网络中,即?#25925;?#20004;个人面对面拨打对方的?#21482;?#25110;?#21482;?#23545;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)。

                      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?#21482;?#21040;?#21482;?/p>

                      这样,就节约了大量的空中资源,也减轻了基站?#38590;?#21147;。

                      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?#25925;且?#20174;基站走的,你用着频谱资源,运营商?#32844;?#24590;么可能放过你。

                      后记

                      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?#26657;?#37117;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?#20351;?#19978;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?#38590;?#36827;。

                      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。



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                      本文出自:https://www.toutiao.com/a6694434464761643534/

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