我相信很多理科同學都認識它,如果沒認出來,盡快面壁云吧,記得有空多給你的中學物理老師打打電話!
佳晨解釋下這個公式C=λν:光速 = 波長 × 頻率。
這個公式,就是無線技術(shù)的五指山,無論是 1G、2G、3G,還是 4G、5G,只要是無線波、微波、電磁波的,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。。。
通信技術(shù),無論什么黑科技、白科技,核科技、歸根到底,就分為兩種:有線通信和無線通信。
當電話接通時,當聊天發(fā)生時,信息數(shù)據(jù)要么在空中傳播(看不見、摸不著),要么在實物中傳播(看得見、摸得著)。
實體傳輸媒介,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),速率可以達到很高的數(shù)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(tǒng)網(wǎng)線的兩萬六千倍。。。
▲ 光纖
而利用無線傳播,通過空中波導傳播,傳播速率才是移動通信的瓶頸所在。目前主流的移動通信標準,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(xiàn)端到端的高速率,重點是突破無線傳輸的瓶頸 。
無線通信就是利用電磁波進行通信。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,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信。當然,光波通信也在崛起,例如 LiFi。
▲ LiFi(Light Fidelity),可見光通信
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,我們在電波這條公路上進一步劃分車道 ,分配給不同的對象和用途。
▲ 不同頻率電波的用途
請大家注意上面圖中的紅色字體。一直以來,我們主要是用中頻 ~ 超高頻進行手機通信的。例如經(jīng)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(shù)標準,屬于特高頻和超高頻。
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(fā)展,使用的電波頻率是越來越高的。這是為什么呢?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(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(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(jù)前文我們提到的公式:
好啦,這個就是 5G 的第一個技術(shù)特點——毫 米 波。
請允許我再發(fā)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(xù),繼續(xù)!好了,既然,頻率高這么好,你一定會問:「為什么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 635nm 左右),射出的光是直的吧,擋住了就過不去了。
再看衛(wèi)星通信和 GPS 導航(波長 1cm 左右),如果有遮擋物,就沒信號了吧。
衛(wèi)星那口大鍋,必須校準瞄著衛(wèi)星的方向,否則哪怕稍微歪一點,都會影響信號質(zhì)量。
移動通信如果用了高頻段,那么它最大的問題,就是傳輸距離大幅縮短, 覆蓋能力大幅減弱 。
覆蓋同一個區(qū)域,需要的 5G 基站數(shù)量,將大大超過 4G。
基站數(shù)量意味著什么?錢啊!投資啊!成本??!
頻率越低,網(wǎng)絡建設就越省錢,競爭起來就越有利。這就是為什么,這些年,電信、移動、聯(lián)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 。
這也是為什么,5G 時代,運營商拼命懟設備商,希望基站降價。(如果真的上 5G,按以往的模式,設備商就發(fā)大財了。)
所以,基于以上原因,在高頻率的前提下,為了減輕網(wǎng)絡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。
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:
▲ 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,巴掌那么大
其實,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,那么多基站在身邊,會不會對人體造成影響?
我的回答是——不會。
其實,和傳統(tǒng)認知恰好相反,事實上,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,一目了然了?;拘?,功率低,對大家都好。如果只采用一個大基站,離得近,輻射大,離得遠,沒信號,反而不好。
大家有沒有發(fā)現(xiàn),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,為什么現(xiàn)在我們的手機都沒有天線了?
其實,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,我們手機的通信頻率越來越高,波長越來越短,天線也就跟著變短啦!
毫米波通信,天線也變成毫米級。。。
這就意味著,天線完全可以塞進手機的里面,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「多進多出」(Multiple-Input Multiple-Output),多根天線發(fā)送,多根天線接收。
在 LTE 時代,我們就已經(jīng)有 MIMO 了,但是天線數(shù)量并不算多,只能說是初級版的 MIMO。
到了 5G 時代,繼續(xù)把 MIMO 技術(shù)發(fā)揚光大,現(xiàn)在變成了加強版的 Massive MIMO(Massive:大規(guī)模的,大量的)。
手機里面都能塞好多根天線,基站就更不用說了。
以前的基站,天線就那么幾根:
5G 時代,天線數(shù)量不是按根來算了,是按「陣」。。?!柑炀€陣列」。。。一眼看去,要得密集恐懼癥的節(jié)奏。。。
不過,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,影響信號的收發(fā) 。
大家都見過燈泡發(fā)光吧?
其實,基站發(fā)射信號的時候,就有點像燈泡發(fā)光。信號是向四周發(fā)射的,對于光,當然是照亮整個房間,如果只是想照亮某個區(qū)域或物體,那么,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。我們能不能找到一只無形的手,把散開的光束縛起來呢?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;在基站上布設天線陣列,通過射頻信號相位的控制 ,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的手機,而且能跟據(jù)手機的移動而轉(zhuǎn)變方向。這種空間復用技術(shù),由全向的信號覆蓋變?yōu)榱司珳手赶蛐苑?,波束之間不會干擾,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容量。
直的都能掰成彎的。。。還有什么是通信磚家干不出來的?
在目前的移動通信網(wǎng)絡中,即使是兩個人面對面撥打?qū)Ψ降氖謾C(或手機對傳照片),信號都是通過基站進行中轉(zhuǎn)的,包括控制信令和數(shù)據(jù)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(設備到設備)。
5G 時代,同一基站下的兩個用戶,如果互相進行通信,他們的數(shù)據(jù)將不再通過基站轉(zhuǎn)發(fā),而是直接手機到手機。。。
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,如果你覺得這樣就不用付錢,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,運營商爸爸怎么可能放過你。。。
相信大家通過本文,對 5G 和她背后的通信知識已經(jīng)有了深刻的理解。而這一切,都只是源于一個小學生都能看懂的數(shù)學公式。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),它更多是對現(xiàn)有通信技術(shù)的演進。
正如一位高人所說——
通信技術(shù)的極限,并不是技術(shù)工藝方面的限制,而是建立在嚴謹數(shù)學基礎上的推論,在可以遇見的未來是基本不可能突破的。如何在科學原理的范疇內(nèi),進一步發(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。
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