一個簡單且神奇的公式

今天的故事，從一個公式開始講起。

這是一個既簡單又神奇的公式。說它簡單，是因為它一共只有3個字母。而說它神奇，是因為這個公式蘊含了博大精深的通信技術(shù)奧秘，這個星球上有無數(shù)的人都在為之魂牽夢繞。

這個公式，就是它——

我相信很多同學都認出這個公式了，如果沒認出來，而且你又是一個理科生的話，請記得有空多給你的中學物理老師打打電話!

小棗君解釋一下，上面這個公式，這是物理學的基本公式，光速=波長×頻率。

對于這個公式，可以這么說：無論是1G、2G、3G，還是4G、5G，萬變不離其宗，全部都是在它身上做文章，沒有跳出它的“五指山”。

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，歸根到底，就分為兩種——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)，要么在實物上傳播(看得見、摸得著)。

如果是在實體物質(zhì)上傳播，就是有線通信，基本上就是用的銅線、光纖這些線纜，統(tǒng)稱為有線介質(zhì)。

在有線介質(zhì)上傳播數(shù)據(jù)，速率可以達到很高的數(shù)值。

以光纖為例，在實驗室中，單條光纖最大速度已達到了26Tbps。。。是傳統(tǒng)網(wǎng)線的兩萬六千倍。。。

光纖

而空中傳播這部分，才是移動通信的瓶頸所在。

目前主流的移動通信標準，是4G LTE，理論速率只有150Mbps(不包括載波聚合)。這個和有線是完全沒辦法相比的。

所以，5G如果要實現(xiàn)端到端的高速率，重點是突破無線這部分的瓶頸。

好大一個波

大家都知道，無線通信就是利用電磁波進行通信。電波和光波，都屬于電磁波。

電磁波的功能特性，是由它的頻率決定的。不同頻率的電磁波，有不同的屬性特點，從而有不同的用途。

例如，高頻的γ射線，具有很大的殺傷力，可以用來治療腫瘤。

電磁波的不斷頻率

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LiFi。

LiFi(Light Fidelity)，可見光通信

不偏題，回到電波先。

電波屬于電磁波的一種，它的頻率資源是有限的。

為了避免干擾和沖突，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。

不同頻率電波的用途

請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(jīng)常說的“GSM900”、“CDMA800”，其實意思就是指，工作頻段在900MHz的GSM，和工作頻段在800MHz的CDMA。

目前全球主流的4G LTE技術(shù)標準，屬于特高頻和超高頻。

我們國家主要使用超高頻：

大家能看出來，隨著1G、2G、3G、4G的發(fā)展，使用的電波頻率是越來越高的。

這是為什么呢?

這主要是因為，頻率越高，能使用的頻率資源越豐富。頻率資源越豐富，能實現(xiàn)的傳輸速率就越高。

更高的頻率→更多的資源→更快的速度

應該不難理解吧?頻率資源就像車廂，越高的頻率，車廂越多，相同時間內(nèi)能裝載的信息就越多。

那么，5G使用的頻率具體是多少呢?

如下圖所示：

5G的頻率范圍，分為兩種：一種是6GHz以下，這個和目前我們的2/3/4G差別不算太大。還有一種，就很高了，在24GHz以上。

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(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——

毫 米 波

請允許我再發(fā)一遍剛才那個頻率對照表：

請注意看最下面一行，是不是就是“毫米波”?

繼續(xù)，繼續(xù)!

好了，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。

電磁波的顯著特點：頻率越高，波長越短，越趨近于直線傳播(繞射能力越差)。頻率越高，在傳播介質(zhì)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導航(波長1cm左右)，如果有遮擋物，就沒信號了吧。

衛(wèi)星那口大鍋，必須校準瞄著衛(wèi)星的方向，否則哪怕稍微歪一點，都會影響信號質(zhì)量。

移動通信如果用了高頻段，那么它最大的問題，就是傳輸距離大幅縮短，覆蓋能力大幅減弱。

覆蓋同一個區(qū)域，需要的5G基站數(shù)量，將大大超過4G。

基站數(shù)量意味著什么?錢啊!投資啊!成本啊!

頻率越低，網(wǎng)絡建設就越省錢，競爭起來就越有利。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。

有的頻段甚至被稱為——黃金頻段。

這也是為什么，5G時代，運營商拼命懟設備商，希望基站降價。(如果真的上5G，按以往的模式，設備商就發(fā)大財了。)

所以，基于以上原因，在高頻率的前提下，為了減輕網(wǎng)絡建設方面的成本壓力，5G必須尋找新的出路。

出路有哪些呢?

首先，就是微基站。

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!

宏基站：

室外常見，建一個覆蓋一大片

微基站：

看上去是不是很酷炫?

還有更小的，巴掌那么大

其實，微基站現(xiàn)在就有不少，尤其是城區(qū)和室內(nèi)，經(jīng)常能看到。

以后，到了5G時代，微基站會更多，到處都會裝上，幾乎隨處可見。

你肯定會問，那么多基站在身邊，會不會對人體造成影響?

我的回答是——不會。

其實，和傳統(tǒng)認知恰好相反，事實上，基站數(shù)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▼

上面的圖，一目了然了。基站小，功率低，對大家都好。如果只采用一個大基站，離得近，輻射大，離得遠，沒信號，反而不好。

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，早期的手機也有突出來的小天線，為什么現(xiàn)在我們的手機都沒有天線了?

其實，我們并不是不需要天線，而是我們的天線變小了。

根據(jù)天線特性，天線長度應與波長成正比，大約在1/10~1/4之間。

隨著時間變化，我們手機的通信頻率越來越高，波長越來越短，天線也就跟著變短啦!

毫米波通信，天線也變成毫米級。。。

這就意味著，天線完全可以塞進手機的里面，甚至可以塞很多根。。。

這就是5G的第三大殺手锏——

Massive MIMO(多天線技術(shù))

MIMO就是“多進多出”(Multiple-Input Multiple-Output)，多根天線發(fā)送，多根天線接收。

在LTE時代，我們就已經(jīng)有MIMO了，但是天線數(shù)量并不算多，只能說是初級版的MIMO。

到了5G時代，繼續(xù)把MIMO技術(shù)發(fā)揚光大，現(xiàn)在變成了加強版的Massive　MIMO(Massive：大規(guī)模的，大量的)。

手機里面都能塞好多根天線，基站就更不用說了。

以前的基站，天線就那么幾根：

5G時代，天線數(shù)量不是按根來算了，是按“陣”。。?！疤炀€陣列”。。。一眼看去，要得密集恐懼癥的節(jié)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。如果距離近了，就會互相干擾，影響信號的收發(fā)。

你是直的?還是彎的?

大家都見過燈泡發(fā)光吧?

其實，基站發(fā)射信號的時候，就有點像燈泡發(fā)光。

信號是向四周發(fā)射的，對于光，當然是照亮整個房間，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。