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第一次有人把 5G 讲得这么简单明了(上)

高工
2019-06-20 12:56:30     打赏

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一个简单且神奇的公式

      今天的故事,从一个公式开始讲起。这是一个既简单又神奇的公式。说它简单,是因为它一共只有 3 个字母。而说它神奇,是因为这个公式蕴含了博大精深的通信技术奥秘,这个星球上有无数的人都在为之魂牵梦绕。这个公式,就是它——

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      我相信很多同学都认出这个公式了,如果没认出来,而且你又是一个理科生的话,请记得有空多给你的中学物理老师打打电话!解释一下,上面这个公式,这是物理学的基本公式,光速=波长×频率。对于这个公式,可以这么说:无论是 1G、2G、3G,还是 4G、5G,万变不离其宗,全部都是在它身上做文章,没有跳出它的“五指山”。且听我慢慢道来。

2

有线?无线?

      通信技术,无论什么黑科技白科技,归根到底,就分为两种——有线通信和无线通信。我和你打电话,信息数据要么在空中传播(看不见、摸不着),要么在实物上传播(看得见、摸得着)。

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      如果是在实体物质上传播,就是有线通信,基本上就是用的铜线、光纤这些线缆,统称为有线介质。在有线介质上传播数据,速率可以达到很高的数值。以光纤为例,在实验室中,单条光纤最大速度已达到了26Tbps。。。是传统网线的两万六千倍。。。

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光纤

      而空中传播这部分,才是移动通信的瓶颈所在。目前主流的移动通信标准,是 4G LTE,理论速率只有 150Mbps(不包括载波聚合)。这个和有线是完全没办法相比的。

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所以,5G 如果要实现端到端的高速率,重点是突破无线这部分的瓶颈。

3

好神奇的波

      大家都知道,无线通信就是利用电磁波进行通信。电波和光波,都属于电磁波。电磁波的功能特性,是由它的频率决定的。不同频率的电磁波,有不同的属性特点,从而有不同的用途。例如,高频的 γ 射线,具有很大的杀伤力,可以用来治疗肿瘤。

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    电磁波的不断频率我们目前主要使用电波进行通信。当然,光波通信也在崛起,例如 LiFi。

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LiFi(Light Fidelity),可见光通信

       不偏题,回到电波先。电波属于电磁波的一种,它的频率资源是有限的。为了避免干扰和冲突,我们在电波这条公路上进一步划分车道,分配给不同的对象和用途。

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      不同频率电波的用途请大家注意上面图中的红色字体。一直以来,我们主要是用中频~超高频进行手机通信的。例如经常说的“GSM900”、“CDMA800”,其实意思就是指,工作频段在 900MHz 的 GSM,和工作频段在 800MHz 的 CDMA。目前全球主流的 4G LTE 技术标准,属于特高频和超高频。我们国家主要使用超高频:

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      大家能看出来,随着 1G、2G、3G、4G 的发展,使用的电波频率是越来越高的。这是为什么呢?这主要是因为,频率越高,能使用的频率资源越丰富。频率资源越丰富,能实现的传输速率就越高。更高的频率→更多的资源→更快的速度应该不难理解吧?频率资源就像车厢,越高的频率,车厢越多,相同时间内能装载的信息就越多。

      那么,5G 使用的频率具体是多少呢?如下图所示:

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      5G 的频率范围,分为两种:一种是 6GHz 以下,这个和目前我们的2/3/4G 差别不算太大。还有一种,就很高了,在 24GHz 以上。目前,国际上主要使用 28GHz 进行试验(这个频段也有可能成为 5G 最先商用的频段)。如果按 28GHz 来算,根据前文我们提到的公式:


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好啦,这个就是 5G 的第一个技术特点——

4

毫米波

请允许我再发一遍刚才那个频率对照表:

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      请注意看最下面一行,是不是就是“毫米波”?既然,频率高这么好,你一定会问:“为什么以前我们不用高频率呢?”原因很简单——不是不想用,是用不起。

     电磁波的显著特点:频率越高,波长越短,越趋近于直线传播(绕射能力越差)。频率越高,在传播介质中的衰减也越大。你看激光笔(波长 635nm 左右),射出的光是直的吧,挡住了就过不去了。再看卫星通信和 GPS 导航(波长 1cm 左右),如果有遮挡物,就没信号了吧。

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     卫星那口大锅,必须校准瞄着卫星的方向,否则哪怕稍微歪一点,都会影响信号质量。

移动通信如果用了高频段,那么它最大的问题,就是传输距离大幅缩短,覆盖能力大幅减弱。

覆盖同一个区域,需要的 5G 基站数量,将大大超过 4G。

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      基站数量意味着什么?钱啊!投资啊!成本啊!频率越低,网络建设就越省钱,竞争起来就越有利。这就是为什么,这些年,电信、移动、联通为了低频段而争得头破血流。有的频段甚至被称为——黄金频段。

微信图片_20190620124707.jpg      这也是为什么,5G 时代,运营商拼命怼设备商,希望基站降价。(如果真的上 5G,按以往的模式,设备商就发大财了。)所以,基于以上原因,在高频率的前提下,为了减轻网络建设方面的成本压力,5G 必须寻找新的出路。出路有哪些呢?

首先,就是微基站。

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微基站


   基站有两种,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:

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室外常见,建一个覆盖一大片

微基站:

微信图片_20190620124813.jpg看上去是不是很炫酷?

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       还有更小的,巴掌那么大其实,微基站现在就有不少,尤其是城区和室内,经常能看到。以后,到了 5G 时代,微基站会更多,到处都会装上,几乎随处可见。你肯定会问,那么多基站在身边,会不会对人体造成影响?我的回答是——不会。其实,和传统认知恰好相反,事实上,基站数量越多,辐射反而越小!你想一下,冬天,一群人的房子里,一个大功率取暖器好,还是几个小功率取暖器好?

大功率方案▼

微信图片_20190620125007.jpg小功率方案▼

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      上面的图,一目了然了。基站小,功率低,对大家都好。如果只采用一个大基站,离得近,辐射大,离得远,没信号,反而不好。







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