一文讀懂5G無線通信與4G的典型區別

這一切，要從一個「神奇的公式」說起。

一個神奇的公式就是這個公式:

就是這個超簡單的公式，蘊含了我們無線通信技術的博大精深。

無論是往事隨風的1G、2G、3G，還是意氣風發的4G、5G，說來說去，都是在這個數學公式上做文章,且聽我慢慢道來。

有線？無線？

通信技術，無論什麼黑科技白科技，只分兩種——有線通信和無線通信

我和你打電話，信息數據要麼在空中傳播（看不見、摸不著），要麼在實物上傳播（看得見、摸得著）。

在有線介質上傳播數據，想要高速很容易。實驗室中，單條光纖最大速度已達到了26Tbps,是傳統網線的兩萬六千倍。

而空中傳播這部分，才是移動通信的瓶頸所在！

所以，5G重點是研究無線這部分的瓶頸突破。

好大一個波

大家都知道，電波和光波都屬於電磁波。電磁波的頻率資源有限，根據不同的頻率特性，有不同的用途。

我們目前主要使用電波進行通信。當然，光波通信也在崛起，例如可見光通信LiFi（LightFidelity）

不偏題，回到電波先。

電波屬於電磁波的一種，它的頻率資源也是有限的。為了避免干擾和衝突，我們在電波這條公路上進一步劃分車道，分配給不同的對象和用途。

大家注意上面圖中的紅色字體。一直以來，我們主要是用中頻~超高頻進行手機通信的。

例如經常說的「GSM900」、「CDMA800」，其實就是工作頻段900MHz和800MHz的意思。目前主流的4G LTE，屬於超高頻和特高頻。

我們國家主要使用超高頻：

隨著1G、2G、3G、4G的發展，使用的頻率是越來越高的。。。

為什麼呢？

因為頻率越高，速度越快。

這又是為什麼呢？

因為頻率越高，車道（頻段）越寬。

看懂了吧？車道按指數級擴大。

更高的頻率→更大的帶寬→更快的速度

5G的頻段具體是多少呢？

上個月，我們國家工信部下發通知，明確了的5G初始中頻頻段：3.3-3.6GHz、4.8-5GHz兩個頻段。

同時，24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高頻頻段正在徵集意見。

目前，國際上主要使用28GHz進行試驗（這個頻段也有可能成為5G最先商用的頻段）。

如果按28GHz來算，根據前文我們提到的公式：

好啦，這個就是5G的第一個技術特點——

毫米波

既然，頻率高這麼好，你一定會問：「為什麼以前我們不用高頻率呢？」

原因很簡單——不是不想用，是用不起！

電磁波的一個顯著特點：頻率越高（波長越短），就越趨近於直線傳播（繞射能力越差）。而且，頻率越高，傳播過程中的衰減也越大。

你看激光筆（波長635nm左右），射出的光是直的吧，擋住了就過不去了。

再看衛星通信和GPS導航（波長1cm左右），如果有遮擋物，就沒信號了吧。

而且，衛星那口大鍋，必須校準瞄著衛星的方向。稍微歪一點，都會有影響。

如果5G用高頻段，那麼它最大的問題，就是覆蓋能力會大幅減弱。覆蓋同一個區域，需要的基站數量將大大超過4G。

這就是為什麼這些年，電信、移動、聯通為了低頻段而爭得頭破血流。

基站就是要花錢買的啊，能不玩命爭取么？有的頻段甚至被稱為——黃金頻段。

這也是為什麼5G時代，運營商拚命懟設備商，甚至威脅要自己研發通信設備。

所以，基於以上原因。

在高頻率的前提下，為了減輕覆蓋方面的成本壓力，5G必須尋找新的出路。

首先，是微基站。

微基站

基站有兩種，微基站和宏基站。看名字就知道，微基站很小，宏基站很大！以前都是大的基站，建一個覆蓋一大片：

以後更多的將是微基站，到處都裝，隨處可見。

微基站的造型有很多種，靈活地與周圍的環境相融合（偽裝），不會讓用戶在心理上產生不適。

提醒基站對人體健康不會造成影響。——小棗君宣

而且，恰好相反，其實基站數量越多，輻射反而越小！你想一下，冬天，一群人的房子里，一個大功率取暖器好，還是幾個小功率取暖器好？

大功率方案

小功率方案

基站越小巧，數量越多，覆蓋就越好，速度就越快。

天線去哪了？

大家有沒有發現，以前大哥大都有很長的天線，早期的手機也有突出來的小天線，為什麼後來我們就看不到帶天線的手機了？

有人說，是因為信號好了，不需要天線了。

其實不對。信號再好，也不能沒有天線。更主要的原因是——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。

頻率越高，波長越短，天線也就跟著變短啦！毫米波，天線也變成毫米級。這就意味著，天線完全可以塞進手機的裡面，甚至可以塞很多根。

這就是5G的第三大殺手鐧—— Ｍassive MIMOMIMO 就是「多進多出」（Multiple-Input Multiple-Output），多根天線發送，多根天線接收。在LTE時代就已經有MIMO了，5G繼續發揚光大，變成了加強版的MassiveMIMO（Massive：大規模的，大量的）。

手機都能塞好多根，基站就更不用說了。

5G時代，就不是按根來算了，是按「陣」。。。「天線陣列」

不過，天線之間的距離也不能太近。因為天線特性要求，多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個波長以上。不要問我為什麼，去問科學家。

你是直的？還是彎的？

大家都見過燈泡發光吧？

其實，基站發射信號的時候，就有點像燈泡發光。信號是向四周發射的，對於光，當然是照亮整個房間，如果只是想照亮某個區域或物體，那麼，大部分的光都浪費了。

基站也是一樣，大量的能量和資源都浪費了。我們能不能找到一隻無形的手，把散開的光束縛起來呢？這樣既節約了能量，也保證了要照亮的區域有足夠的光。答案是：可以。

這就是——

波束賦形

波束賦形：在基站上布設天線陣列，通過對射頻信號相位的控制，使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常狹窄，並指向它所提供服務的手機，而且能跟據手機的移動而轉變方向。

這種空間復用技術，由全向的信號覆蓋變為了精準指向性服務，波束之間不會幹擾，在相同的空間中提供更多的通信鏈路，極大地提高基站的服務容量。

直的都能掰成彎的。。。還有什麼是通信磚家干不出來的？

別收我錢，行不行？

在目前的通信網路中，即使是兩個人面對面撥打對方的手機（或手機對傳照片），信號都是通過基站進行中轉的，包括控制信令和數據包。

而在5G時代，這種情況就不一定了。

5G的第五大特點——D2D，也就是Device to Device。

Ｄ２Ｄ

5G時代，同一基站下的兩個用戶，如果互相進行通信，他們的數據將不再通過基站轉發，而是直接手機到手機。

這樣，就節約了大量的空中資源，也減輕了基站的壓力。不過，如果你覺得這樣就不用付錢，那你就圖樣圖森破了。

控制消息還是要從基站走的，而且用著頻譜資源，運營商爸爸怎麼可能放過你。

後記

能看到這的，都是真愛

相信大家通過本文對5G和她背後的通信知識已經有了深刻理解，而這一切，都只是源於一個如今國小生都能看懂的數學公式。。。通信技術並不神秘，5G作為通信技術皇冠上最耀眼的寶石，也不是什麼遙不可及的創新革命技術，它更多是對現有通信技術的演進。正如一位高人所說——「通信技術的極限，並不是技術工藝方面的限制，而是建立在嚴謹數學基礎上的推論，在可以遇見的未來是基本不可能突破的。」如何在科學原理的範疇內，進一步發掘通信的潛力，是通信行業眾多奮鬥者們孜孜不倦的追求。