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有史以來最強的5G入門科普!

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訊技術奧祕,這個星球上有無數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。

對於這個公式,可以這麼說: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? 通訊技術,無論什麼黑科技白科技,歸根到底,就分為兩種——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)。

如果是在實體物質上傳播,就是有線通訊,基本上就是用的銅線、光纖這些線纜,統稱為有線介質。

在有線介質上傳播資料,速率可以達到很高的數值。

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

光纖

空中傳播這部分,才是行動通訊的瓶頸所在。

目前主流的行動通訊標準,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,無線通訊就是利用電磁波進行通訊。電波和光波,都屬於電磁波。

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訊。當然,光波通訊也在崛起,例如LiFi。

LiFi(Light Fidelity),可見光通訊

不偏題,回到電波先。

電波屬於電磁波的一種,它的頻率資源是有限的。

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

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

例如經常說的“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技術標準,屬於特高頻和超高頻。

我們國家主要使用超高頻:

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

這是為什麼呢?

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,能實現的傳輸速率就越高。

更高的頻率→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,相同時間內能裝載的資訊就越多。

那麼,5G使用的頻率具體是多少呢?

如下圖所示:

5G的頻率範圍,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

請允許我再發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,繼續!

好了,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。

電磁波的顯著特點:頻率越高,波長越短,越趨近於直線傳播(繞射能力越差)。頻率越高,在傳播介質中的衰減也越大。

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。

衛星那口大鍋,必須校準瞄著衛星的方向,否則哪怕稍微歪一點,都會影響訊號質量。

行動通訊如果用了高頻段,那麼它最大的問題,就是傳輸距離大幅縮短,覆蓋能力大幅減弱

覆蓋同一個區域,需要的5G基站數量,將大大超過4G。

基站數量意味著什麼?錢啊!投資啊!成本啊!

頻率越低,網路建設就越省錢,競爭起來就越有利。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。

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,希望基站降價。(如果真的上5G,按以往的模式,裝置商就發大財了。)

所以,基於以上原因,在高頻率的前提下,為了減輕網路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,微基站和巨集基站。看名字就知道,微基站很小,巨集基站很大!

巨集基站:

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,巴掌那麼大

其實,微基站現在就有不少,尤其是城區和室內,經常能看到。

以後,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,那麼多基站在身邊,會不會對人體造成影響?

我的回答是——不會。

其實,和傳統認知恰好相反,事實上,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▼

上面的圖,一目瞭然了。基站小,功率低,對大家都好。如果只採用一個大基站,離得近,輻射大,離得遠,沒訊號,反而不好。

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,為什麼現在我們的手機都沒有天線了?

其實,我們並不是不需要天線,而是我們的天線變小了。

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。

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

毫米波通訊,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的第三大殺手鐗——

Massive MIMO(多天線技術)

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,我們就已經有MIMO了,但是天線數量並不算多,只能說是初級版的MIMO。

到了5G時代,繼續把MIMO技術發揚光大,現在變成了加強版的MassiveMIMO(Massive:大規模的,大量的)。

手機裡面都能塞好多根天線,基站就更不用說了。

以前的基站,天線就那麼幾根:

5G時代,天線數量不是按根來算了,是按“陣”。。。“天線陣列”。。。一眼看去,要得密集恐懼症的節奏。。。

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。如果距離近了,就會互相干擾,影響訊號的收發。

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為了精準指向性服務,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? 在目前的行動通訊網路中,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(裝置到裝置)。

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,那你就圖樣圖森破了。

控制訊息還是要從基站走的,你用著頻譜資源,運營商爸爸怎麼可能放過你。。。

後記。。。 寫著寫著,小棗君發現洋洋灑灑寫的有點多。。。

能看到這的,都是真愛啊。。。

相信大家通過本文,對5G和她背後的通訊知識已經有了深刻的理解。而這一切,都只是源於一個小學生都能看懂的數學公式。不是麼?

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。

好啦,今天就到這裡吧。謝謝大家的觀看,再見!

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第1852期內容,歡迎關注。

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Reference:科技日報

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