有些原理理解起來(lái)非常困難，有了公式，理解起來(lái)就不一樣了！那么什么是5G毫米波？今天佳晨跟大家一起學(xué)習(xí)下一個(gè)神奇的公式 C=λν，公式非常簡(jiǎn)單，一共只有 3 個(gè)字母。但它非常神奇，是因?yàn)檫@個(gè)公式蘊(yùn)含了博大精深的通信技術(shù)奧秘，這個(gè)星球上有無(wú)數(shù)的人都在為之魂?duì)繅?mèng)繞無(wú)線通訊技術(shù)，是什么讓你如此癡迷的愛(ài)著你的手機(jī)……

我相信很多理科同學(xué)都認(rèn)識(shí)它，如果沒(méi)認(rèn)出來(lái)，盡快面壁云吧，記得有空多給你的中學(xué)物理老師打打電話！

佳晨解釋下這個(gè)公式C=λν：光速 = 波長(zhǎng) × 頻率。

這個(gè)公式，就是無(wú)線技術(shù)的五指山，無(wú)論是 1G、2G、3G，還是 4G、5G，只要是無(wú)線波、微波、電磁波的，萬(wàn)變不離其宗，全部都是在它身上做文章，沒(méi)有跳出它的「五指山」。

且聽(tīng)我慢慢道來(lái)。。。

 

通訊技術(shù)的有線，無(wú)線技術(shù)的傳輸革命

通信技術(shù)，無(wú)論什么黑科技、白科技，核科技、歸根到底，就分為兩種：有線通信和無(wú)線通信。

當(dāng)電話接通時(shí)，當(dāng)聊天發(fā)生時(shí)，信息數(shù)據(jù)要么在空中傳播（看不見(jiàn)、摸不著），要么在實(shí)物中傳播（看得見(jiàn)、摸得著）。

實(shí)體傳輸媒介，基本上就是用的銅線、光纖這些線纜，統(tǒng)稱為有線介質(zhì)，屬于傳統(tǒng)有線通信。在有線介質(zhì)上傳播數(shù)據(jù)，速率可以達(dá)到很高的數(shù)值。

以光纖為例，在實(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(wàn)六千倍。。。

而利用無(wú)線傳播，通過(guò)空中波導(dǎo)傳播，傳播速率才是移動(dòng)通信的瓶頸所在。目前主流的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，是 4G LTE，理論速率只有 150Mbps（不包括載波聚合）。這個(gè)和有線是完全沒(méi)辦法相比的。

所以，5G 如果要實(shí)現(xiàn)端到端的高速率，重點(diǎn)是突破無(wú)線傳輸的瓶頸 。

 

5G毫米波：好大一個(gè)波

無(wú)線通信就是利用電磁波進(jìn)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(diǎn)，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(lái)治療腫瘤。

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 LiFi。

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?cè)陔姴ㄟ@條公路上進(jìn)一步劃分車道 ，分配給不同的對(duì)象和用途。

請(qǐng)大家注意上面圖中的紅色字體。一直以來(lái)，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(shuō)的「GSM900」、「CDMA800」，其實(shí)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(biāo)準(zhǔn)，屬于特高頻和超高頻。

 

我們國(guó)家主要使用超高頻：

大家能看出來(lái)，隨著 1G、2G、3G、4G 的發(fā)展，使用的電波頻率是越來(lái)越高的。這是為什么呢？這主要是因?yàn)椋?span style="padding:0px;margin:0px;font-weight:700;"> 頻率越高，能使用的頻率資源越豐富。頻率資源越豐富，能實(shí)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(yīng)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(shí)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(gè)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(guó)際上主要使用 28GHz 進(jìn)行試驗(yàn)（這個(gè)頻段也有可能成為 5G 最先商用的頻段）。

如果按 28GHz 來(lái)算，根據(jù)前文我們提到的公式：

好啦，這個(gè)就是 5G 的第一個(gè)技術(shù)特點(diǎn)——毫 米 波。

請(qǐng)?jiān)试S我再發(fā)一遍剛才那個(gè)頻率對(duì)照表：

請(qǐng)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(huì)問(wèn)：「為什么以前我們不用高頻率呢？」

原因很簡(jiǎn)單——不是不想用，是用不起。

 

電磁波的顯著特點(diǎn)：頻率越高，波長(zhǎng)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(zhǎng) 635nm 左右），射出的光是直的吧，擋住了就過(guò)不去了。

再看衛(wèi)星通信和 GPS 導(dǎo)航（波長(zhǎng) 1cm 左右），如果有遮擋物，就沒(méi)信號(hào)了吧。

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

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

覆蓋同一個(gè)區(qū)域，需要的 5G 基站數(shù)量，將大大超過(guò) 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(luò)建設(shè)就越省錢，競(jìng)爭(zhēng)起來(lái)就越有利。這就是為什么，這些年，電信、移動(dòng)、聯(lián)通為了低頻段而爭(zhēng)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(shí)代，運(yùn)營(yíng)商拼命懟設(shè)備商，希望基站降價(jià)。（如果真的上 5G，按以往的模式，設(shè)備商就發(fā)大財(cái)了。）

所以，基于以上原因，在高頻率的前提下，為了減輕網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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：

微基站：

其實(shí)，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(shí)代，微基站會(huì)更多，到處都會(huì)裝上，幾乎隨處可見(jiàn)。

你肯定會(huì)問(wèn)，那么多基站在身邊，會(huì)不會(huì)對(duì)人體造成影響？

我的回答是——不會(huì)。

其實(shí)，和傳統(tǒng)認(rèn)知恰好相反，事實(shí)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(gè)大功率取暖器好，還是幾個(gè)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(duì)大家都好。如果只采用一個(gè)大基站，離得近，輻射大，離得遠(yuǎn)，沒(méi)信號(hào)，反而不好。

天線去哪了？

大家有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，以前大哥大都有很長(zhǎng)的天線，早期的手機(jī)也有突出來(lái)的小天線，為什么現(xiàn)在我們的手機(jī)都沒(méi)有天線了？

其實(shí)，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(zhǎng)度應(yīng)與波長(zhǎng)成正比，大約在 1/10~1/4 之間。

隨著時(shí)間變化，我們手機(jī)的通信頻率越來(lái)越高，波長(zhǎng)越來(lái)越短，天線也就跟著變短啦！

毫米波通信，天線也變成毫米級(jí)。。。

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 MIMO（多天線技術(shù)）

MIMO 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(shí)代，我們就已經(jīng)有 MIMO 了，但是天線數(shù)量并不算多，只能說(shuō)是初級(jí)版的 MIMO。

到了 5G 時(shí)代，繼續(xù)把 MIMO 技術(shù)發(fā)揚(yáng)光大，現(xiàn)在變成了加強(qiáng)版的 Massive　MIMO（Massive：大規(guī)模的，大量的）。

手機(jī)里面都能塞好多根天線，基站就更不用說(shuō)了。

以前的基站，天線就那么幾根：

5G 時(shí)代，天線數(shù)量不是按根來(lái)算了，是按「陣」。。。「天線陣列」。。。一眼看去，要得密集恐懼癥的節(jié)奏。。。

不過(guò)，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(gè)波長(zhǎng)以上。如果距離近了，就會(huì)互相干擾，影響信號(hào)的收發(fā) 。

你是直的？還是彎的？

大家都見(jiàn)過(guò)燈泡發(fā)光吧？

其實(shí)，基站發(fā)射信號(hào)的時(shí)候，就有點(diǎn)像燈泡發(fā)光。信號(hào)是向四周發(fā)射的，對(duì)于光，當(dāng)然是照亮整個(gè)房間，如果只是想照亮某個(gè)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(wú)形的手，把散開(kāi)的光束縛起來(lái)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(guò)射頻信號(hào)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(dòng)而轉(zhuǎn)變方向。這種空間復(fù)用技術(shù)，由全向的信號(hào)覆蓋變?yōu)榱司珳?zhǔn)指向性服務(wù)，波束之間不會(huì)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(lái)的？

別收我錢，行不行？

在目前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，即使是兩個(gè)人面對(duì)面撥打?qū)Ψ降氖謾C(jī)（或手機(jī)對(duì)傳照片），信號(hào)都是通過(guò)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(shí)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（設(shè)備到設(shè)備）。

 

Ｄ２Ｄ

5G 時(shí)代，同一基站下的兩個(gè)用戶，如果互相進(jìn)行通信，他們的數(shù)據(jù)將不再通過(guò)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(guò)，如果你覺(jué)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，你用著頻譜資源，運(yùn)營(yíng)商爸爸怎么可能放過(guò)你。。。

相信大家通過(guò)本文，對(duì) 5G 和她背后的通信知識(shí)已經(jīng)有了深刻的理解。而這一切，都只是源于一個(gè)小學(xué)生都能看懂的數(shù)學(xué)公式。不是么？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(duì)現(xiàn)有通信技術(shù)的演進(jìn)。

正如一位高人所說(shuō)——

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(jiàn)的未來(lái)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。