È la prima volta che qualcuno spiega il 5G in modo così semplice e chiaro.

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Una formula semplice e magica

La storia di oggi inizia con una formula.

È una formula al tempo stesso semplice e magica. Semplice perché composta da sole tre lettere. Magica perché racchiude i segreti più profondi della tecnologia delle comunicazioni e affascina innumerevoli persone in tutto il mondo.

Questa è la formula——

Credo che molti studenti conoscano questa formula. In caso contrario, e se studiate materie scientifiche, ricordatevi di chiamare il vostro insegnante di fisica delle scuole medie quando avrete tempo!

Per favore, spiegate: la formula sopra riportata è la formula fondamentale della fisica.Velocità della luce = lunghezza d'onda × frequenza.

Per questa formula possiamo dire:Che si tratti di 1G, 2G, 3G, 4G o 5G, tutto rimane uguale. Fanno tutti un gran baccano e non saltano giù dalla loro "Montagna delle Cinque Dita".

Lascia che te lo spieghi lentamente.

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con cavo? senza fili?

La tecnologia della comunicazione, che sia tecnologia nera o tecnologia bianca, in ultima analisi può essere suddivisa in due tipi:Comunicazioni via cavo e comunicazioni senza fili.

Quando ti parlo al telefono, le informazioni e i dati vengono trasmessi o nell'aria (invisibili e intangibili) o in oggetti fisici (visibili e tangibili).

Se la trasmissione avviene tramite materiali fisici, si parla di comunicazione cablata, che utilizza fondamentalmente fili di rame e cavi in ​​fibra ottica, collettivamente denominati mezzi di comunicazione cablati.

Quando i dati vengono trasmessi tramite cavi, la velocità può raggiungere valori molto elevati.

Prendendo come esempio la fibra ottica, in laboratorio,La velocità massima di una singola fibra ottica ha raggiunto i 26 Tbps... È 26,000 volte superiore a quella dei tradizionali cavi di rete...

fibra ottica

La propagazione via etere rappresenta il collo di bottiglia delle comunicazioni mobili.

L'attuale standard di comunicazione mobile più diffuso è il 4G LTE, con una velocità teorica di soli 150 Mbps (esclusa l'aggregazione di portanti). Questo è completamente incomparabile con le connessioni via cavo.

Pertanto, se il 5G vuole raggiungere elevate velocità end-to-end, l'obiettivo è superare il collo di bottiglia della parte wireless.

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Che onda magica

As we all know, wireless communication uses electromagnetic waves to communicate. Radio waves and light waves are both electromagnetic waves.

Le caratteristiche funzionali delle onde elettromagnetiche sono determinate dalla loro frequenza.Le onde elettromagnetiche di diverse frequenze possiedono proprietà e caratteristiche differenti e, di conseguenza, hanno utilizzi diversi.

Ad esempio, i raggi gamma ad alta frequenza sono molto letali e possono essere utilizzati per trattare i tumori.

frequenza costante delle onde elettromagnetiche

Attualmente comunichiamo principalmente tramite onde radio. Naturalmente, anche le comunicazioni tramite onde luminose, come il LiFi, sono in forte espansione.

LiFi (Light Fidelity), 可见光通信

Senza divagare, torniamo innanzitutto alle onde radio.

Radio waves are a type of electromagnetic waves, and their frequency resources are limited.

Per evitare interferenze e conflitti, suddividiamo ulteriormente le corsie dell'autostrada delle onde radio e le assegniamo a diversi oggetti e utilizzi.

The uses of radio waves at different frequencies

Si prega di prestare attenzione al testo rosso nell'immagine sopra. Finora abbiamo utilizzato principalmenteLe frequenze medie e ultra alte vengono utilizzate per le comunicazioni tramite telefoni cellulari.

Ad esempio, le sigle "GSM900" e "CDMA800", spesso citate, si riferiscono in realtà al GSM che opera nella banda di frequenza a 900 MHz e al CDMA che opera nella banda di frequenza a 800 MHz.

L'attuale standard tecnico globale principale 4G LTE appartiene aUHF e UHF.

Nel nostro Paese si utilizza principalmente la banda UHF:

Come potete vedere, con lo sviluppo delle reti 1G, 2G, 3G e 4G, la frequenza delle onde radio utilizzate sta diventando sempre più alta.

Perchè è questo?

Questo principalmente perché,Quanto più alta è la frequenza, tanto più ricche sono le risorse di frequenza che possono essere utilizzate.The richer the frequency resources, the higher the transmission rate that can be achieved.

Maggiore frequenza → più risorse → maggiore velocità

Non dovrebbe essere difficile da capire, giusto? Le risorse di frequenza sono come i vagoni ferroviari. Più alta è la frequenza, più vagoni ci sono e più informazioni possono essere caricate contemporaneamente.

Quindi, qual è la frequenza specifica utilizzata dal 5G?

Come mostrato di seguito:

La gamma di frequenze del 5G è divisa in due tipologie: una al di sotto dei 6 GHz, non molto diversa dalle attuali reti 2G/3G/4G. Esiste poi un'altra tipologia, ad altissima frequenza.Oltre i 24 GHz.

Attualmente, a livello internazionale, viene utilizzato principalmente 28GHz Effettuare esperimenti (questa banda di frequenza potrebbe anche diventare la prima banda di frequenza commerciale per il 5G).

Se calcolato in base a 28 GHz, secondo la formula menzionata in precedenza:

Okay, this is the first technical feature of 5G——

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onda millimetrica

Please allow me to repost the frequency comparison table just now:

Si prega di prestare attenzione alla conclusione. Si tratta di "onda millimetrica"?

Forza, forza!

Va bene, visto che l'alta frequenza è così buona, sicuramente chiederai:"Perché non abbiamo utilizzato le alte frequenze prima?"

Il motivo è semplice: non è che non voglia usarlo, è che non me lo posso permettere.

Le caratteristiche principali delle onde elettromagnetiche sono: maggiore è la frequenza, minore è la lunghezza d'onda e più la propagazione si avvicina a quella lineare (peggiorando la capacità di diffrazione).Quanto più alta è la frequenza, tanto maggiore è l'attenuazione nel mezzo di propagazione.

Look at the laser pointer (wavelength is about 635nm). The light emitted is straight. If it is blocked, it will not be able to pass through.

Considerando le comunicazioni satellitari e la navigazione GPS (la cui lunghezza d'onda è di circa 1 cm), in presenza di ostacoli non sarà possibile ricevere alcun segnale.

L'antenna principale di un satellite deve essere calibrata per puntare nella direzione del satellite stesso, altrimenti anche una minima deviazione influirà sulla qualità del segnale.

Se le comunicazioni mobili utilizzano bande ad alta frequenza, allora il suo problema più grande èLa distanza di trasmissione è notevolmente ridotta e la capacità di copertura è notevolmente indebolita.

che copre la stessa area,Il numero di stazioni base 5G necessarie supererà di gran lunga quello delle stazioni base 4G.

Che cosa significa il numero di stazioni base? Soldi! Investimenti! Il costo!

Più bassa è la frequenza, più economica sarà la costruzione della rete e più favorevole sarà la concorrenza. Per questo motivo, negli ultimi anni, China Telecom, China Mobile e China Unicom si sono contese ferocemente le bande di bassa frequenza.

Alcune bande di frequenza sono addirittura chiamate—Fascia dorata.

Ecco perché, nell'era del 5G, gli operatori stanno lottando strenuamente contro i produttori di apparecchiature, nella speranza di ridurre il prezzo delle stazioni base.

Therefore, based on the above reasons, in order to reduce the cost pressure on network construction under the premise of high frequency,5G must find a new way out.

Quali sono le vie d'uscita?

Innanzitutto, c'è la micro stazione base.

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micro stazione base

Esistono due tipi di stazioni base: le micro stazioni base e le macro stazioni base. Già dai nomi si capisce che le micro stazioni base sono molto piccole, mentre le macro stazioni base sono molto grandi!

Stazione base macro:

Common outdoors, build one to cover a large area

Micro stazione base:

Non ha un aspetto fantastico?

There are even smaller ones, as big as a palm

In fact, there are many micro base stations now, especially in urban areas and indoors, where they are often seen.

In the 5G era, there will be more micro base stations, which will be installed everywhere and can be seen almost everywhere.

You will definitely ask, will there be any impact on the human body if there are so many base stations around us?

La mia risposta è no.

In fact, contrary to traditional understanding, in fact,Maggiore è il numero di stazioni base, minore è la radiazione!

Pensaci bene: d'inverno, in una casa con un gruppo di persone, è meglio avere un unico termosifone ad alta potenza o diversi termosifoni a bassa potenza?

Soluzione ad alta potenza▼

Soluzione a basso consumo energetico▼

L'immagine qui sopra è chiara a prima vista.La stazione base è piccola e a bassa potenza, il che è un vantaggio per tutti.Se si utilizza una sola stazione base di grandi dimensioni, se questa è vicina, le radiazioni saranno intense, ma se è lontana, non ci sarà alcun segnale, il che non è positivo.

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Where did the antenna go?

Avete notato che i telefoni cellulari di una volta avevano antenne molto lunghe, e che i primi modelli avevano anche piccole antenne sporgenti? Perché i nostri telefoni cellulari di oggi non hanno più antenne?

In fact, it’s not that we don’t need antennas;L'antenna si è rimpicciolita.

In base alle caratteristiche dell'antenna, la lunghezza dell'antenna dovrebbe essere proporzionale alla lunghezza d'onda, approssimativamente tra 1/10 e 1/4.

Con il passare del tempo, la frequenza di comunicazione dei nostri telefoni cellulari aumenta sempre di più, la lunghezza d'onda si accorcia sempre di più e anche le antenne si accorciano!

Per le comunicazioni a onde millimetriche, anche l'antenna ha raggiunto dimensioni millimetriche...

This means that the antenna can be inserted into the mobile phone, or even many antennas can be inserted. . .

Questa è la terza caratteristica più rivoluzionaria del 5G.

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MIMO passivo

(Tecnologia multi-antenna)

MIMO is "Multiple-Input Multiple-Output" (Multiple-Input Multiple-Output), multiple antennas transmit and multiple antennas receive.

Nell'era LTE, avevamo già il MIMO, ma il numero di antenne non era elevato. Si potrebbe dire che fosse una versione ridotta del MIMO.

In the 5G era, MIMO technology continues to be developed, and now it has become an enhanced version of Massive MIMO (Massive: large-scale, massive).

All'interno di un telefono cellulare sono racchiuse diverse antenne, per non parlare della stazione base.

In passato, le stazioni base disponevano solo di poche antenne:

Nell'era del 5G, il numero di antenne non si calcola per radice quadrata, ma per "array"... "array di antenne"... A prima vista, ha il ritmo della tripofobia...

Tuttavia, la distanza tra le antenne non può essere troppo ridotta.

A causa delle caratteristiche delle antenne, un sistema multi-antenna richiede che la distanza tra le antenne sia mantenuta superiore a mezza lunghezza d'onda. Se la distanza è ridotta, le antenne interferiranno tra loro, compromettendo la trasmissione e la ricezione dei segnali.

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beamforming

Tutti abbiamo visto una lampadina accendersi, vero?

In effetti, quando la stazione base trasmette un segnale, è un po' come se si accendesse una lampadina.

Il segnale viene emesso nell'ambiente circostante. Nel caso della luce, ovviamente illumina l'intera stanza. Se si desidera illuminare solo una determinata area o un oggetto, la maggior parte della luce viene sprecata...

The same goes for base stations, where a lot of energy and resources are wasted.

Possiamo trovare una mano invisibile che riunisca la luce dispersa?

Ciò non solo consente di risparmiare energia, ma garantisce anche che l'area da illuminare abbia luce a sufficienza.

The answer is: yes.

Questo è il beamforming

An antenna array is arranged on the base station, and by controlling the phase of the radio frequency signal, the lobe of the electromagnetic wave after interaction becomes very narrow and pointed at the mobile phone it provides services, and can change the direction according to the movement of the mobile phone.

Questa tecnologia di multiplexing spaziale passa da una copertura del segnale omnidirezionale a un servizio direzionale preciso, senza interferenze tra i fasci.Fornire un maggior numero di collegamenti di comunicazione nello stesso spazio, migliorando notevolmente la capacità di servizio della stazione base.

Straight ones can be broken into curved ones. . . Is there anything else that communication experts can’t do?

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Non chiedermi soldi, d'accordo?

Nell'attuale rete di comunicazione mobile, anche se due persone si chiamano a vicenda sui cellulari faccia a faccia (o si inviano foto tramite cellulare), i segnali vengono ritrasmessi attraverso la stazione base, compresi i segnali di controllo e i pacchetti di dati...

Nell'era del 5G, questo non è necessariamente vero.

The fifth major feature of 5G is D2D, which is Device to Device.

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Ｄ２Ｄ

Nell'era del 5G, se due utenti che si trovano sotto la stessa stazione base comunicano tra loro, i loro dati non verranno più inoltrati attraverso la stazione base, ma direttamente da telefono cellulare a telefono cellulare.

In questo modo, si risparmia una grande quantità di risorse aeree e si riduce la pressione sulla stazione base.

Tuttavia, se pensate di non dover pagare, state facendo un torto a Tucson.

I messaggi di controllo devono comunque partire dalla stazione base. State utilizzando risorse dello spettro. Come può l'operatore lasciarvi andare?

poscritto

Credo che, grazie a questo articolo, tutti abbiano acquisito una profonda comprensione del 5G e delle nozioni di comunicazione che ne sono alla base. E tutto questo si basa su formule matematiche comprensibili persino a un bambino delle elementari. Non è forse così?

La tecnologia delle comunicazioni non è un mistero. Il 5G, il fiore all'occhiello della tecnologia delle comunicazioni, non è una tecnologia rivoluzionaria innovativa e irraggiungibile, bensì un'evoluzione delle tecnologie di comunicazione esistenti.

As an expert said -

I limiti della tecnologia delle comunicazioni non risiedono in limitazioni tecniche, bensì in deduzioni basate su rigorosi calcoli matematici. Superarli è sostanzialmente impossibile nel prossimo futuro.

Come esplorare ulteriormente il potenziale della comunicazione nell'ambito dei principi scientifici è l'obiettivo instancabile di molti professionisti del settore.

Bene, per oggi è tutto.

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