【導(dǎo)讀】通信技術(shù)并不神秘,5G作為通信技術(shù)皇冠上最耀眼的寶石,也不是什么遙不可及的創(chuàng)新革命技術(shù),它更多是對現(xiàn)有通信技術(shù)的演進(jìn)。正如一位高人所說——“通信技術(shù)的極限,并不是技術(shù)工藝方面的限制,而是建立在嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)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(xué)原理的范疇內(nèi),進(jìn)一步發(fā)掘通信的潛力,是通信行業(yè)眾多奮斗者們孜孜不倦的追求。
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(yùn)含了我們無線通信技術(shù)的博大精深。
無論是往事隨風(fēng)的1G、2G、3G,還是意氣風(fēng)發(fā)的4G、5G,說來說去,都是在這個數(shù)學(xué)公式上做文章,且聽我慢慢道來。
有線?無線?
通信技術(shù),無論什么黑科技白科技,只分兩種——有線通信和無線通信
我和你打電話,信息數(shù)據(jù)要么在空中傳播(看不見、摸不著),要么在實(shí)物上傳播(看得見、摸得著)。
在有線介質(zhì)上傳播數(shù)據(jù),想要高速很容易。實(shí)驗(yàn)室中,單條光纖最大速度已達(dá)到了26Tbps,是傳統(tǒng)網(wǎng)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(diǎn)是研究無線這部分的瓶頸突破。
好大一個波
大家都知道,電波和光波都屬于電磁波。電磁波的頻率資源有限,根據(jù)不同的頻率特性,有不同的用途。
我們目前主要使用電波進(jìn)行通信。當(dāng)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。
電波屬于電磁波的一種,它的頻率資源也是有限的。為了避免干擾和沖突,我們在電波這條公路上進(jìn)一步劃分車道,分配給不同的對象和用途。
不同頻率電波的用途
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(jìn)行手機(jī)通信的。
例如經(jīng)常說的“GSM900”、“CDMA800”,其實(shí)就是工作頻段900MHz和800MHz的意思。目前主流的4G LTE,屬于超高頻和特高頻。
我們國家主要使用超高頻:
隨著1G、2G、3G、4G的發(fā)展,使用的頻率是越來越高的。。。
為什么呢?
因?yàn)轭l率越高,速度越快。
這又是為什么呢?
因?yàn)轭l率越高,車道(頻段)越寬。
看懂了吧?車道按指數(shù)級擴(kuò)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(fā)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高頻頻段正在征集意見。
目前,國際上主要使用28GHz進(jìn)行試驗(yàn)(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(jù)前文我們提到的公式:
好啦,這個就是5G的第一個技術(shù)特點(diǎn)——
毫米波
既然,頻率高這么好,你一定會問:“為什么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(diǎn):頻率越高(波長越短),就越趨近于直線傳播(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(wèi)星通信和GPS導(dǎo)航(波長1cm左右),如果有遮擋物,就沒信號了吧。
而且,衛(wèi)星那口大鍋,必須校準(zhǔn)瞄著衛(wèi)星的方向。稍微歪一點(diǎn),都會有影響。
如果5G用高頻段,那么它最大的問題,就是覆蓋能力會大幅減弱。覆蓋同一個區(qū)域,需要的基站數(shù)量將大大超過4G。
這就是為什么這些年,電信、移動、聯(lián)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。
這也是為什么5G時代,運(yùn)營商拼命懟設(shè)備商,甚至威脅要自己研發(fā)通信設(shè)備。
所以,基于以上原因。
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??疵志椭?,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:
以后更多的將是微基站,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(huán)境相融合(偽裝),不會讓用戶在心理上產(chǎn)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(shí)基站數(shù)量越多,輻射反而越??!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(shù)量越多,覆蓋就越好,速度就越快。
天線去哪了?
大家有沒有發(fā)現(xiàn),以前大哥大都有很長的天線,早期的手機(jī)也有突出來的小天線,為什么后來我們就看不到帶天線的手機(jī)了?
有人說,是因?yàn)樾盘柡昧耍恍枰炀€了。
其實(shí)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(jù)天線特性,天線長度應(yīng)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(jìn)手機(jī)的里面,甚至可以塞很多根。
這就是5G的第三大殺手锏—— Massive MIMOMIMO 就是“多進(jìn)多出”(Multiple-Input Multiple-Output),多根天線發(fā)送,多根天線接收。在LTE時代就已經(jīng)有MIMO了,5G繼續(xù)發(fā)揚(yáng)光大,變成了加強(qiáng)版的Massive MIMO(Massive:大規(guī)模的,大量的)。
手機(jī)都能塞好多根,基站就更不用說了。
以前的基站,天線就那么幾根
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(jié)奏
不過,天線之間的距離也不能太近。因?yàn)樘炀€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。不要問我為什么,去問科學(xué)家。
你是直的?還是彎的?
大家都見過燈泡發(fā)光吧?
其實(shí),基站發(fā)射信號的時候,就有點(diǎn)像燈泡發(fā)光。信號是向四周發(fā)射的,對于光,當(dāng)然是照亮整個房間,如果只是想照亮某個區(qū)域或物體,那么,大部分的光都浪費(fèi)了。
基站也是一樣,大量的能量和資源都浪費(fèi)了。我們能不能找到一只無形的手,把散開的光束縛起來呢?這樣既節(jié)約了能量,也保證了要照亮的區(qū)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(shè)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,并指向它所提供服務(wù)的手機(jī),而且能跟據(jù)手機(jī)的移動而轉(zhuǎn)變方向。
這種空間復(fù)用技術(shù),由全向的信號覆蓋變?yōu)榱司珳?zhǔn)指向性服務(wù),波束之間不會干擾,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(wù)容量。
直的都能掰成彎的。。。還有什么是通信磚家干不出來的?
別收我錢,行不行?
在目前的通信網(wǎng)絡(luò)中,即使是兩個人面對面撥打?qū)Ψ降氖謾C(jī)(或手機(jī)對傳照片),信號都是通過基站進(jìn)行中轉(zhuǎn)的,包括控制信令和數(shù)據(jù)包。
而在5G時代,這種情況就不一定了。
5G的第五大特點(diǎn)——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(jìn)行通信,他們的數(shù)據(jù)將不再通過基站轉(zhuǎn)發(fā),而是直接手機(jī)到手機(jī)。
這樣,就節(jié)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(yùn)營商爸爸怎么可能放過你。
后記
能看到這的,都是真愛
相信大家通過本文對5G和她背后的通信知識已經(jīng)有了深刻理解,而這一切,都只是源于一個如今小學(xué)生都能看懂的數(shù)學(xué)公式。。。通信技術(shù)并不神秘,5G作為通信技術(shù)皇冠上最耀眼的寶石,也不是什么遙不可及的創(chuàng)新革命技術(shù),它更多是對現(xiàn)有通信技術(shù)的演進(jìn)。正如一位高人所說——“通信技術(shù)的極限,并不是技術(shù)工藝方面的限制,而是建立在嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)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(xué)原理的范疇內(nèi),進(jìn)一步發(fā)掘通信的潛力,是通信行業(yè)眾多奮斗者們孜孜不倦的追求。
(來源:鮮棗課堂公眾號)
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