第一次有人把5G讲得这么简单明了

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一个简单又神奇的公式

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，是因为它总共只有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了这个公式了，如果没有认出来，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电话！

解释一下，上面这个公式，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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无线？

通信技术，无论什么黑科技白科技，归根到底，就分为两大——溶解通信和无线通信。

我和你打电话，信息数据或者在空中传播（看得见、摸不着），或者在实际上传播（看得见、摸不着）。

如果是在实体物质上传播，就是中继通信，基本上就是用的铜线、光纤这些线缆，统称为中继介质。

在中继介质上传播数据，速率可以达到很多的数值。

以光纤为例，在实验室中，单条光纤最大速度已达到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（不包括负载聚合）。这个和中断是完全不可能相比的。

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。

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好神奇的波

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，因而有不同的用途。

例如，高频的γ射线，具有很大的杀伤力，可以用于肿瘤的治疗。

电磁波的连续频率

我们目前主要使用电波进行通信。当然，光波通信正在崛起，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，我们在电波通路上进一步划分分区，分配给不同的对象和用途。

不同频率电波的用途

请注意上面的红色字体。一直以来，我们主要是用中频~超高频进行手机通信的。

比如经常说的“GSM900”、“CDMA800”，其实意思就是指，工作误差在 900MHz 的 GSM，和工作误差在 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：

大家可以看出来，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，频率估计，能够使用的频率资源更加丰富。频率资源越丰富，能实现的传输速率就优化。

更高的频率→更多的资源→更快的速度

应该不难理解吧？频率资源就像货物，装载的频率，货物越多，期限能装载的信息负载多。

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相比不算很麻烦。还有一种，就很好了，在24GHz以上。

目前，国际上主要使用 28GHz 进行试验（这个效应也有可能成为5G最先运行的效应）。

如果按28GHz来算，根据前面我们提到的公式：

好啦，这就是5G的第一个技术特点——

4

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“毫米波”？

继续，继续！

好了，既然，频率这么好，你一定会问：“为什么以前我们不用高频呢？”

原因很简单——不是不想用，是用不起。

电磁波的显着特点是：频率频率，波长越短，越趋近于直线传播（绕射能力越差）。频率增加，在传播介质中的衰减也随之增大。

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，就没有信号吧。

卫星那口大锅，必须瞄准卫星的方向，否则瞄准稍微歪一点，都会影响信号质量。

移动通信如果用了高依赖性，那么它最大的问题，就是传输距离大幅缩短，覆盖能力大幅中断。

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，网络建设趋省，竞争性优势。这就是为什么，这些年，电信、移动、联通为了低势而争得钱头破血流。

有的依赖性甚至被称为——黄金法则。

这也是为什么，5G时代，运营商拼命反击设备商，希望基站降价。

因此，基于以上原因，在高频率的前提下，为了降低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。

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微基站

基站有两种，微基站和宏基站。看名字就知道，微基站大小，宏基站很大！

宏基站：

室外共用，建了占地一大片

微基站：

看上去是不是很酷炫？

还有更小，巴掌那么大

其实，微基站现在已经很明显了，尤其是城区和室内，可以经常看到。

5G时代，微基站会更多，到处都会安装上，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，和传统认知恰恰相反，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？

大电力方案▼

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。

6

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？

事实上，我们不需要天线，但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。

随着时间的变化，我们手机的通信频率越来越高，波长越来越短，天线也随之变短啦！

毫米波通信，天线也变成毫米级。。。

这就意味着，天线可以完全塞进手机的里面，甚至可以塞很多根。。。

这就是5G的第三大杀手锏——

7

大规模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，我们就已经有了MIMO了，但是天线数量并不算多，只能说是初级版的MIMO。

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）。

手机里面几乎塞了很多根天线，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”。。。赶紧看去，要得密集恐惧症的节奏。。。

，天线之间的距离也不能太近。

由于天线特性要求，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。

8

波束赋形

大家都见过灯泡发光吧吗？

其实，基站发射信号的时候，就有点像灯泡发光。

信号是向只是要完成发射的，对于光来说，当然是照亮整个房间，如果想照亮某个区域或物体，那么，大部分的光都浪费了。。。

基站也一样，大量的能量和资源都浪费了。

我们找不到一只无形的手，把散开的光捆起来呢？

这样既节省了能量，也保证了要照明的区域有足够的光线。

答案是：可以。

这就是——波束赋形

在基站上布设天线天线，通过对RF信号相位的控制，使得应答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，并且能够跟随据手机的移动而改变方向。

空间复用技术，由全向的信号覆盖这样就达到了精准指向性服务，波束之间不会干扰，在相同的空间中提供更多的通信队列，极大地提高基站的服务容量。

直的弯曲成弯的。。。还有什么是通信砖家干不出来的？

9

别收我钱，行不行？

在目前的移动通信网络中，即使是两个人拨打对方的手机（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，设备到设备（设备到设备）。

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D2D

5G时代，同基站下的两个用户，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，就节省了大量的空中资源，也减弱了基站的压力。

，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，你用着不同的资源，运营商爸爸怎么可能放过你。。。

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。而这一切，都只是源于一个小学生看得懂的数学公式。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，也不是遥不可及的创新革命技术，它更多的是对现有通信技术的演进。

正如一位高人所言——

通信技术的极限，不是技术工艺方面的限制，而是建立在严谨的数学基础上的推论，在可以满足的未来是基本不可能突破的。

如何在科学原理的首要内，进一步激发通信的潜力，是通信行业孜孜不倦的奋斗者的追求。

好啦，今天就到这里吧。

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