有(yǒu)些(xiē)原理(lǐ)理(lǐ)解起來(lái)非常困難，有(yǒu)了公式，理(lǐ)解起來(lái)就不一樣了！那(nà)麽什麽是5G毫米波？今天佳晨跟大(dà)家(jiā)一起學習下一個(gè)神奇的公式 C=λν，公式非常簡單，一共隻有(yǒu) 3 個(gè)字母。但(dàn)它非常神奇，是因為(wèi)這個(gè)公式蘊含了博大(dà)精深的通(tōng)信技(jì)術(shù)奧秘，這個(gè)星球上(shàng)有(yǒu)無數(shù)的人(rén)都在為(wèi)之魂牽夢繞無線通(tōng)訊技(jì)術(shù)，是什麽讓你(nǐ)如此癡迷的愛(ài)着你(nǐ)的手機……

我相信很(hěn)多(duō)理(lǐ)科同學都認識它，如果沒認出來(lái)，盡快面壁雲吧(ba)，記得(de)有(yǒu)空(kōng)多(duō)給你(nǐ)的中學物理(lǐ)老師(shī)打打電(diàn)話(huà)！

佳晨解釋下這個(gè)公式C=λν：光速 = 波長 × 頻率。

這個(gè)公式，就是無線技(jì)術(shù)的五指山(shān)，無論是 1G、2G、3G，還(hái)是 4G、5G，隻要是無線波、微波、電(diàn)磁波的，萬變不離其宗，全部都是在它身上(shàng)做(zuò)文章，沒有(yǒu)跳(tiào)出它的「五指山(shān)」。

且聽(tīng)我慢慢道(dào)來(lái)。。。

 

通(tōng)訊技(jì)術(shù)的有(yǒu)線，無線技(jì)術(shù)的傳輸革命

通(tōng)信技(jì)術(shù)，無論什麽黑(hēi)科技(jì)、白科技(jì)，核科技(jì)、歸根到底，就分為(wèi)兩種：有(yǒu)線通(tōng)信和(hé)無線通(tōng)信。

當電(diàn)話(huà)接通(tōng)時(shí)，當聊天發生(shēng)時(shí)，信息數(shù)據要麽在空(kōng)中傳播（看不見、摸不着），要麽在實物中傳播（看得(de)見、摸得(de)着）。

實體(tǐ)傳輸媒介，基本上(shàng)就是用的銅線、光纖這些(xiē)線纜，統稱為(wèi)有(yǒu)線介質，屬于傳統有(yǒu)線通(tōng)信。在有(yǒu)線介質上(shàng)傳播數(shù)據，速率可(kě)以達到很(hěn)高(gāo)的數(shù)值。

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

而利用無線傳播，通(tōng)過空(kōng)中波導傳播，傳播速率才是移動通(tōng)信的瓶頸所在。目前主流的移動通(tōng)信标準，是 4G LTE，理(lǐ)論速率隻有(yǒu) 150Mbps（不包括載波聚合）。這個(gè)和(hé)有(yǒu)線是完全沒辦法相比的。

所以，5G 如果要實現端到端的高(gāo)速率，重點是突破無線傳輸的瓶頸 。

 

5G毫米波：好大(dà)一個(gè)波

無線通(tōng)信就是利用電(diàn)磁波進行(xíng)通(tōng)信。電(diàn)波和(hé)光波，都屬于電(diàn)磁波。電(diàn)磁波的功能特性，是由它的頻率決定的。不同頻率的電(diàn)磁波，有(yǒu)不同的屬性特點，從而有(yǒu)不同的用途。

例如，高(gāo)頻的γ射線，具有(yǒu)很(hěn)大(dà)的殺傷力，可(kě)以用來(lái)治療腫瘤。

我們目前主要使用電(diàn)波進行(xíng)通(tōng)信。當然，光波通(tōng)信也在崛起，例如 LiFi。

不偏題，回到電(diàn)波先。

電(diàn)波屬于電(diàn)磁波的一種，它的頻率資源是有(yǒu)限的。

為(wèi)了避免幹擾和(hé)沖突，我們在電(diàn)波這條公路上(shàng)進一步劃分車(chē)道(dào) ，分配給不同的對象和(hé)用途。

請(qǐng)大(dà)家(jiā)注意上(shàng)面圖中的紅色字體(tǐ)。一直以來(lái)，我們主要是用中頻 ~ 超高(gāo)頻進行(xíng)手機通(tōng)信的。例如經常說的「GSM900」、「CDMA800」，其實意思就是指，工作(zuò)頻段在 900MHz 的 GSM，和(hé)工作(zuò)頻段在 800MHz 的 CDMA。目前全球主流的 4G LTE 技(jì)術(shù)标準，屬于特高(gāo)頻和(hé)超高(gāo)頻。

 

我們國家(jiā)主要使用超高(gāo)頻：

大(dà)家(jiā)能看出來(lái)，随着 1G、2G、3G、4G 的發展，使用的電(diàn)波頻率是越來(lái)越高(gāo)的。這是為(wèi)什麽呢？這主要是因為(wèi)， 頻率越高(gāo)，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(gāo)。

更高(gāo) 的頻率→ 更多(duō) 的資源→ 更快 的速度

 

應該不難理(lǐ)解吧(ba)？頻率資源就像車(chē)廂，越高(gāo)的頻率，車(chē)廂越多(duō)，相同時(shí)間(jiān)內(nèi)能裝載的信息就越多(duō)。

那(nà)麽，5G 使用的頻率具體(tǐ)是多(duō)少(shǎo)呢？

如下圖所示：

5G 的頻率範圍，分為(wèi)兩種：一種是 6GHz 以下，這個(gè)和(hé)目前我們的 2/3/4G 差别不算(suàn)太大(dà)。還(hái)有(yǒu)一種，就很(hěn)高(gāo)了，在 24GHz 以上(shàng)。

目前，國際上(shàng)主要使用 28GHz 進行(xíng)試驗（這個(gè)頻段也有(yǒu)可(kě)能成為(wèi) 5G 最先商用的頻段）。

如果按 28GHz 來(lái)算(suàn)，根據前文我們提到的公式：

好啦，這個(gè)就是 5G 的第一個(gè)技(jì)術(shù)特點——毫 米 波。

請(qǐng)允許我再發一遍剛才那(nà)個(gè)頻率對照表：

請(qǐng)注意看最下面一行(xíng)，是不是就是「毫米波」？

繼續，繼續！好了，既然，頻率高(gāo)這麽好，你(nǐ)一定會(huì)問：「為(wèi)什麽以前我們不用高(gāo)頻率呢？」

原因很(hěn)簡單——不是不想用，是用不起。

 

電(diàn)磁波的顯著特點：頻率越高(gāo)，波長越短(duǎn)，越趨近于直線傳播（繞射能力越差）。 頻率越高(gāo)，在傳播介質中的衰減也越大(dà)。

你(nǐ)看激光筆（波長 635nm 左右），射出的光是直的吧(ba)，擋住了就過不去了。

再看衛星通(tōng)信和(hé) GPS 導航（波長 1cm 左右），如果有(yǒu)遮擋物，就沒信号了吧(ba)。

衛星那(nà)口大(dà)鍋，必須校(xiào)準瞄着衛星的方向，否則哪怕稍微歪一點，都會(huì)影(yǐng)響信号質量。

移動通(tōng)信如果用了高(gāo)頻段，那(nà)麽它最大(dà)的問題，就是傳輸距離大(dà)幅縮短(duǎn)， 覆蓋能力大(dà)幅減弱 。

覆蓋同一個(gè)區(qū)域，需要的 5G 基站(zhàn)數(shù)量，将大(dà)大(dà)超過 4G。

基站(zhàn)數(shù)量意味着什麽？錢(qián)啊！投資啊！成本啊！

頻率越低(dī)，網絡建設就越省錢(qián)，競争起來(lái)就越有(yǒu)利。這就是為(wèi)什麽，這些(xiē)年，電(diàn)信、移動、聯通(tōng)為(wèi)了低(dī)頻段而争得(de)頭破血流。

有(yǒu)的頻段甚至被稱為(wèi)—— 黃金頻段 。

這也是為(wèi)什麽，5G 時(shí)代，運營商拼命怼設備商，希望基站(zhàn)降價。（如果真的上(shàng) 5G，按以往的模式，設備商就發大(dà)财了。）

所以，基于以上(shàng)原因，在高(gāo)頻率的前提下，為(wèi)了減輕網絡建設方面的成本壓力，5G 必須尋找新的出路。出路有(yǒu)哪些(xiē)呢？

 

首先，就是微基站(zhàn)。

微 基 站(zhàn)

基站(zhàn)有(yǒu)兩種，微基站(zhàn)和(hé)宏基站(zhàn)。看名字就知道(dào)，微基站(zhàn)很(hěn)小(xiǎo)，宏基站(zhàn)很(hěn)大(dà)！宏基站(zhàn)：

微基站(zhàn)：

其實，微基站(zhàn)現在就有(yǒu)不少(shǎo)，尤其是城區(qū)和(hé)室內(nèi)，經常能看到。

以後，到了 5G 時(shí)代，微基站(zhàn)會(huì)更多(duō)，到處都會(huì)裝上(shàng)，幾乎随處可(kě)見。

你(nǐ)肯定會(huì)問，那(nà)麽多(duō)基站(zhàn)在身邊，會(huì)不會(huì)對人(rén)體(tǐ)造成影(yǐng)響？

我的回答(dá)是——不會(huì)。

其實，和(hé)傳統認知恰好相反，事實上(shàng)，基站(zhàn)數(shù)量越多(duō)，輻射反而越小(xiǎo)！

你(nǐ)想一下，冬天，一群人(rén)的房(fáng)子裏，一個(gè)大(dà)功率取暖器(qì)好，還(hái)是幾個(gè)小(xiǎo)功率取暖器(qì)好？

大(dà)功率方案▼

小(xiǎo)功率方案▼

上(shàng)面的圖，一目了然了。基站(zhàn)小(xiǎo)，功率低(dī)，對大(dà)家(jiā)都好。如果隻采用一個(gè)大(dà)基站(zhàn)，離得(de)近，輻射大(dà)，離得(de)遠，沒信号，反而不好。

天線去哪了？

大(dà)家(jiā)有(yǒu)沒有(yǒu)發現，以前大(dà)哥(gē)大(dà)都有(yǒu)很(hěn)長的天線，早期的手機也有(yǒu)突出來(lái)的小(xiǎo)天線，為(wèi)什麽現在我們的手機都沒有(yǒu)天線了？

其實，我們并不是不需要天線，而是我們的天線變小(xiǎo)了。

根據天線特性，天線長度應與波長成正比，大(dà)約在 1/10~1/4 之間(jiān)。

随着時(shí)間(jiān)變化，我們手機的通(tōng)信頻率越來(lái)越高(gāo)，波長越來(lái)越短(duǎn)，天線也就跟着變短(duǎn)啦！

毫米波通(tōng)信，天線也變成毫米級。。。

這就意味着，天線完全可(kě)以塞進手機的裏面，甚至可(kě)以塞很(hěn)多(duō)根。。。

這就是 5G 的第三大(dà)殺手锏——Ｍassive MIMO（多(duō)天線技(jì)術(shù)）

MIMO 就是「多(duō)進多(duō)出」（Multiple-Input Multiple-Output），多(duō)根天線發送，多(duō)根天線接收。

在 LTE 時(shí)代，我們就已經有(yǒu) MIMO 了，但(dàn)是天線數(shù)量并不算(suàn)多(duō)，隻能說是初級版的 MIMO。

到了 5G 時(shí)代，繼續把 MIMO 技(jì)術(shù)發揚光大(dà)，現在變成了加強版的 Massive　MIMO（Massive：大(dà)規模的，大(dà)量的）。

手機裏面都能塞好多(duō)根天線，基站(zhàn)就更不用說了。

以前的基站(zhàn)，天線就那(nà)麽幾根：

5G 時(shí)代，天線數(shù)量不是按根來(lái)算(suàn)了，是按「陣」。。。「天線陣列」。。。一眼看去，要得(de)密集恐懼症的節奏。。。

不過，天線之間(jiān)的距離也不能太近。

因為(wèi)天線特性要求，多(duō)天線陣列要求天線之間(jiān)的距離保持在半個(gè)波長以上(shàng)。如果距離近了，就會(huì)互相幹擾，影(yǐng)響信号的收發 。

你(nǐ)是直的？還(hái)是彎的？

大(dà)家(jiā)都見過燈泡發光吧(ba)？

其實，基站(zhàn)發射信号的時(shí)候，就有(yǒu)點像燈泡發光。信号是向四周發射的，對于光，當然是照亮整個(gè)房(fáng)間(jiān)，如果隻是想照亮某個(gè)區(qū)域或物體(tǐ)，那(nà)麽，大(dà)部分的光都浪費了。。。

基站(zhàn)也是一樣，大(dà)量的能量和(hé)資源都浪費了。我們能不能找到一隻無形的手，把散開(kāi)的光束縛起來(lái)呢？這樣既節約了能量，也保證了要照亮的區(qū)域有(yǒu)足夠的光。

 

答(dá)案是：可(kě)以。

這就是——波 束 賦 形

波束賦形；在基站(zhàn)上(shàng)布設天線陣列，通(tōng)過射頻信号相位的控制(zhì) ，使得(de)相互作(zuò)用後的電(diàn)磁波的波瓣變得(de)非常狹窄，并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(kōng)間(jiān)複用技(jì)術(shù)，由全向的信号覆蓋變為(wèi)了精準指向性服務，波束之間(jiān)不會(huì)幹擾，在相同的空(kōng)間(jiān)中提供更多(duō)的通(tōng)信鏈路，極大(dà)地提高(gāo)基站(zhàn)的服務容量。

直的都能掰成彎的。。。還(hái)有(yǒu)什麽是通(tōng)信磚家(jiā)幹不出來(lái)的？

别收我錢(qián)，行(xíng)不行(xíng)？

在目前的移動通(tōng)信網絡中，即使是兩個(gè)人(rén)面對面撥打對方的手機（或手機對傳照片），信号都是通(tōng)過基站(zhàn)進行(xíng)中轉的，包括控制(zhì)信令和(hé)數(shù)據包。。。而在 5G 時(shí)代，這種情況就不一定了。5G 的第五大(dà)特點——D2D，也就是 Device to Device（設備到設備）。

 

Ｄ２Ｄ

5G 時(shí)代，同一基站(zhàn)下的兩個(gè)用戶，如果互相進行(xíng)通(tōng)信，他們的數(shù)據将不再通(tōng)過基站(zhàn)轉發，而是直接手機到手機。。。

這樣，就節約了大(dà)量的空(kōng)中資源，也減輕了基站(zhàn)的壓力。不過，如果你(nǐ)覺得(de)這樣就不用付錢(qián)，那(nà)你(nǐ)就圖樣圖森(sēn)破了。

控制(zhì)消息還(hái)是要從基站(zhàn)走的，你(nǐ)用着頻譜資源，運營商爸爸怎麽可(kě)能放過你(nǐ)。。。

相信大(dà)家(jiā)通(tōng)過本文，對 5G 和(hé)她背後的通(tōng)信知識已經有(yǒu)了深刻的理(lǐ)解。而這一切，都隻是源于一個(gè)小(xiǎo)學生(shēng)都能看懂的數(shù)學公式。不是麽？通(tōng)信技(jì)術(shù)并不神秘，5G 作(zuò)為(wèi)通(tōng)信技(jì)術(shù)皇冠上(shàng)最耀眼的寶石，也不是什麽遙不可(kě)及的創新革命技(jì)術(shù)，它更多(duō)是對現有(yǒu)通(tōng)信技(jì)術(shù)的演進。

正如一位高(gāo)人(rén)所說——

通(tōng)信技(jì)術(shù)的極限，并不是技(jì)術(shù)工藝方面的限制(zhì)，而是建立在嚴謹數(shù)學基礎上(shàng)的推論，在可(kě)以遇見的未來(lái)是基本不可(kě)能突破的。如何在科學原理(lǐ)的範疇內(nèi)，進一步發掘通(tōng)信的潛力，是通(tōng)信行(xíng)業衆多(duō)奮鬥者們孜孜不倦的追求。