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?。〕杀景,?！

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,?？疵志椭溃⒒竞苄?，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??！

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,?；拘。β实?，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」,。。,?！柑炀€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。