這一切，要從一個“神奇的公式”說起，就是這個公式！

 

還記得這個公式的，請驕傲地為自己鼓個掌，

如果不記得，或是看不懂，也沒關係，“一個科普”解釋一下。

 

就是這個超簡單的公式，蘊含了我們無線通訊技術的博大精深，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。

有線？無線？

通訊技術，無論什麼黑科技白科技，只分兩種——有線通訊和無線通訊，我和你打電話，資訊資料要麼在空中傳播（看不見、摸不著），要麼在實物上傳播（看得見、摸得著）。

 

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

 

而空中傳播這部分，才是行動通訊的瓶頸所在，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訊。當然，光波通訊也在崛起，例如可見光通訊LiFi（LightFidelity）

 

回到電波，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”，分配給不同的物件和用途。

不同頻率電波的用途

注意上圖中的紅色字型。一直以來，我們主要是用

中頻~超高頻進行手機通訊，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，為什麼呢？因為頻率越高，速度越快（這裡速度並非電磁波速度，而是流量傳輸速度），又為什麼呢？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→更大的頻寬→更快的速度

 

5G的頻段具體是多少呢？

我們國家工信部下發通知，明確了我國的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，根據之前的公式：

 

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。

你看鐳射筆（波長635nm左右），射出的光是直的吧，擋住了就過不去了。

再看衛星通訊和GPS導航（波長1cm左右），如果有遮擋物，就沒訊號了吧。

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，能不玩命爭取麼？

有的頻段甚至被稱為——黃金頻段。

 

這也是為什麼5G時代，運營商拼命懟裝置商，甚至威脅要自己研發通訊裝置。

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，首先就是微基站。

微基站

基站有兩種，微基站和巨集基站（看名字就知道，微基站很小，巨集基站很大）。

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——看上去是不是很酷炫？

 

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

提醒——

基站對人體健康不會造成影響。

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，一群人的房子裡，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，是因為訊號好了，不需要天線了。其實不對，訊號再好，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裡面，甚至可以塞很多根，這就是5G的第三大殺手鐗。

Ｍassive MIMO

MIMO就是“多進多出”（Multiple-Input Multiple-Output），多根天線傳送，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Massive　MIMO（Massive：大規模的，大量的）。

 

手機都能塞好多根，基站就更不用說了。

以前的基站，天線就那麼幾根。

 

5G時代，就不是按根來算了，是按“陣”，“天線陣列”。

天線多得排成陣了，一眼看去一大片的節奏。

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？因為這個我也不知道。

你是直的？還是彎的？

大家都見過燈泡發光吧？

其實，基站發射訊號的時候，就有點像燈泡發光。

訊號是向四周發射的，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

波束賦形在基站上佈設天線陣列，通過對射頻訊號相位的控制，使得相互作用後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。這種空間複用技術，由全向的訊號覆蓋變成了精準指向性服務，波束之間不會干擾，在相同的空間中提供更多的通訊鏈路，極大地提高基站的服務容量。

 

直的都能掰成彎的，還有什麼是通訊磚家幹不出來的？

別收我錢，行不行？

在目前的通訊網路中，即使是兩個人面對面撥打對方的手機（或手機對傳照片），訊號都是通過基站進行中轉的，包括控制信令和資料包。

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，同一基站下的兩個使用者，如果互相進行通訊，他們的資料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...

 

控制訊息還是要從基站走的，而且用著頻譜資源，這個時候他們怎麼可能放過你...

相信大家對5G和它背後的通訊知識已經有了深刻理解，而這一切，都只是源於一個如今小學生都能看懂的數學公式（再來看一遍）。

 

通訊技術並不神祕，5G作為通訊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，它更多是對現有通訊技術的演進。

正如一位高人所說——通訊技術的極限，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，進一步發掘通訊的潛力，是通訊行業眾多奮鬥者們孜孜不倦的追求。