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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。。。 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？ 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 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？ 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。。。 后记。。。 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。