這是第一次有人把5G解釋得如此簡單明了。

1

一個簡單而神奇的公式

Today’s story starts with a formula.

這是一個既簡單又神奇的公式。說它簡單，是因為它總共只有三個字母。說它神奇，是因為它蘊含著通訊科技的深奧秘密，而且地球上無數人都為之著迷。

這個公式就是——

I believe many students recognize this formula. If not, and you are a science student, please remember to call your middle school physics teacher when you have time!

請解釋一下，以上公式是物理學的基本公式。光速 = 波長 × 頻率。

For this formula, we can say:無論是1G、2G、3G、4G或5G，一切都一樣。他們都對此大驚小怪，卻都不敢跳出自己的「五指山」。

Let me tell you slowly.

2

wired? wireless?

通訊技術，無論是黑科技或白科技，歸根究底都可以分為兩大類——有線通訊和無線通訊。

When I talk to you on the phone, information and data are either transmitted in the air (invisible and intangible) or in physical objects (visible and tangible).

如果透過實體材料傳輸，那就是有線通信，它主要使用銅線和光纖電纜，統稱為有線媒體。

當資料通過有線介質傳輸時，傳輸速率可以達到非常高的值。

以光纖為例，在實驗室中，單一光纖的最高傳輸速度已達26Tbps…是傳統網路纜線的26,000倍…

光纖

無線訊號傳播是行動通訊的瓶頸。

目前主流的行動通訊標準為4G LTE，其理論速率僅150Mbps（不含載波聚合）。這與有線通訊完全無法相提並論。

Therefore, if 5G wants to achieve high end-to-end speeds, the focus is to break through the bottleneck of the wireless part.

3

多麼神奇的波浪

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

The functional characteristics of electromagnetic waves are determined by their frequency.不同頻率的電磁波具有不同的性質和特徵，因此用途也不同。

For example, high-frequency gamma rays are very lethal and can be used to treat tumors.

電磁波的恆定頻率

We currently communicate primarily using air waves. Of course, light wave communications are also on the rise, such as LiFi.

LiFi（Light Fidelity），可見光通訊

言歸正傳，我們先回到無線電波的話題。

無線電波是一種電磁波，其頻率資源是有限的。

為了避免干擾和衝突，我們進一步劃分無線電波高速公路上的車道，並將它們分配給不同的物件和用途。

不同頻率無線電波的用途

Please pay attention to the red font in the picture above. Until now, we have mainly usedMedium frequency to ultra high frequency are used for mobile phone communication.

例如，經常被提及的「GSM900」和「CDMA800」實際上是指在900MHz頻段工作的GSM和在800MHz頻段工作的CDMA。

目前全球主流4G LTE技術標準屬於特高頻和特高頻。

我國主要採用UHF：

正如你所看到的，隨著 1G、2G、3G 和 4G 的發展，所使用的無線電波頻率越來越高。

為什麼是這樣？

這主要是因為，頻率越高，可利用的頻率資源越豐富。頻率資源越豐富，可實現的傳輸速率越高。

更高的頻率→更多的資源→更快的速度

這應該不難理解吧？頻率資源就像車廂。頻率越高，車廂就越多，相同時間內可以載入的資訊就越多。

那麼，5G 使用的具體頻率是多少呢？

如下所示：

5G 的頻段分為兩種：一種低於 6GHz，與我們目前的 2G/3G/4G 網路差異不大；另一種則非常高。24GHz以上。

目前，在國際上，它主要使用 28GHz Conduct experiments (this frequency band may also become the first commercial frequency band for 5G).

若依照上述公式，以 28GHz 為基準進行計算：

好的，這是5G的第一個技術特性—

4

毫米波

請容許我重新發布一下頻率對比表：

請注意底線。是「毫米波」嗎？

繼續，繼續！

好的，既然高頻訊號這麼好，你一定會問：“為什麼我們以前不使用高頻訊號？”

原因很簡單──不是我不想用，而是我買不起。

電磁波的顯著特徵：頻率越高，波長越短，越接近線性傳播（繞射能力越差）。頻率越高，傳播介質中的衰減越大。

觀察雷射筆（波長約635奈米）。它發出的光束是直線傳播的。如果被遮擋，光束就無法穿過。

從衛星通訊和GPS導航（波長約1公分）的角度來看，如果有障礙物，則不會有訊號。

The big pot of a satellite must be calibrated to aim at the direction of the satellite, otherwise even a slight deviation will affect the signal quality.

如果行動通訊使用高頻段，那麼它最大的問題是傳輸距離大大縮短，覆蓋能力大為減弱。

覆蓋相同區域，5G所需的基地台數量將遠遠超過4G所需的基地台數量。

基地台數量代表什麼？金錢！投資！成本！

頻率越低，網路建設成本越低，競爭也越有利。正因如此，近年來中國電信、中國移動和中國聯通一直在激烈爭奪低頻段資源。

Some frequency bands are even called——金帶。

This is why, in the 5G era, operators are desperately fighting against equipment manufacturers, hoping to reduce the price of base stations.

因此，基於以上原因，為了在高頻條件下降低網路建設的成本壓力，5G必須找到一條新的出路。

出路有哪些？

First, there is the micro base station.

5

micro base station

基地台分為兩種：微型基地台和宏基地台。光看名字就能看出，微型基地台非常小，而宏基地台非常大！

宏基地台：

常見於戶外，建造一個可以覆蓋大面積區域的裝置

微基地台：

看起來是不是很酷？

甚至還有更小的，只有手掌大小。

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.

你一定會問，如果我們周圍有這麼多基地台，會對人體造成什麼影響嗎？

我的答案是──不。

事實上，與傳統理解相反，事實上，基地台數量越多，輻射越小！

想想看，在冬天，在一個住著一群人的房子裡，是一台大功率暖爐好，還是幾台小功率暖爐好？

高功率解決方案▼

低功耗解決方案▼

上圖一目了然。The base station is small and low-power, which is good for everyone.如果只使用一個大型基地台，如果距離近，輻射會很大；但如果距離遠，就沒有訊號，這就不好了。

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Where did the antenna go?

你有沒有註意到，以前的手機天線都很長，早期的手機還有細小的凸出天線？為什麼我們現在的手機都沒有天線了？

事實上，並不是我們不需要天線；天線變小了。

根據天線特性，天線長度應與波長成正比，大約在 1/10~1/4 之間。

隨著時代變遷，我們手機的通訊頻率越來越高，波長越來越短，天線也越來越短！

對於毫米波通信，天線也已經達到了毫米級水平…

這意味著可以將天線插入手機中，甚至可以插入多個天線…

This is the third biggest killer feature of 5G——

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被動MIMO

（多天線技術）

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

在LTE時代，我們已經有了MIMO技術，但天線數量不多，只能說是MIMO的低配版。

在 5G 時代，MIMO 技術不斷發展，現在它已成為大規模 MIMO（Massive MIMO）的增強版（大規模：大規模，巨量）。

一部手機裡裝有多根天線，更不用說還有基地台了。

過去，基地台只有幾根天線：

在5G時代，天線的數量不再是按根計算，而是按「陣列」計算…「天線陣列」…乍一看，這名字聽起來有點像密集恐懼症…

但是，天線之間的距離不能太近。

由於天線特性，多天線陣列要求天線之間的距離必須保持在半個波長以上。如果距離過近，天線之間會相互幹擾，影響訊號的發送和接收。

8

波束成形

大家都看過燈泡發光吧？

事實上，當基地台發射訊號時，就像燈泡發光一樣。

訊號會向周圍環境發出。如果是照明，當然會照亮整個房間。但如果你只想照亮某個特定區域或物體，那麼大部分光線就浪費掉了…

基地台也是如此，浪費了大量的能源和資源。

我們能否找到一隻看不見的手來束縛散射的光線？

This not only saves energy, but also ensures that the area to be illuminated has enough light.

答案是：是的。

這就是波束成形。

在基地台上佈置天線陣列，透過控制射頻訊號的相位，相互作用後的電磁波瓣變得非常窄，並指向它提供服務的手機，並且可以根據手機的移動改變方向。

這種空間復用技術將全向訊號覆蓋轉變為精確的定向服務，且波束之間沒有乾擾。在相同空間內提供更多通訊鏈路，大幅提升基地台的服務能力。

直線可以分解成曲線……還有什麼是溝通專家做不到的嗎？

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不要收我任何費用，好嗎？

在目前的行動通訊網路中，即使兩個人面對面用手機通話（或透過手機互相發送照片），包括控制訊號和資料包在內的所有訊號都需要透過基地台進行中繼…

在 5G 時代，情況未必如此。

5G 的第五個主要特點是 D2D，即設備到設備 (Device to Device)。

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Ｄ２Ｄ

在5G時代，如果兩個用戶在同一基地台下進行通信，他們的資料將不再透過基地台轉發，而是直接從手機傳輸到手機。

In this way, a large amount of air resources are saved and the pressure on the base station is reduced.

但是，如果你認為自己不必付費，那麼你就是在為圖森市做一件不負責任的事。

控制訊息仍然需要從基地台發出。你們正在佔用頻譜資源。運營商怎麼能讓你們離開呢？

後記

我相信透過這篇文章，大家都能對5G及其背後的溝通原理有深刻的理解。而這一切都只是基於小學生都能理解的數學公式，不是嗎？

Communication technology is not mysterious. As the most dazzling gem in the crown of communication technology, 5G is not an out-of-reach innovative revolutionary technology. It is more of an evolution of existing communication technology.

正如一位專家所說——

通訊技術的限制並非技術本身的限制，而是基於嚴謹的數學推論結論。在可預見的未來，要突破這些限制基本上是不可能的。

如何在科學原理的框架內進一步探索通訊的潛力，是通訊產業眾多奮鬥者孜孜不倦的追求。

好了，今天就到這裡。

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