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5G浪潮滾滾而來
成都也是在全國城市的5G發展中
處於領跑陣營
1月5日，四川移動正式宣布，繼2018年底在成都遠洋太古里開通全國首個5G示範街區之後，全國首個5G地鐵站又在成都正式開通了。
在地鐵10號線太平園站內
由移動5G網路轉化而來的高速wifi信號
已經悄然覆蓋整個站廳
這里就是全國第一個覆蓋5G信號的地鐵站
關於5G我們都無比期待
但大家了解它嗎？
小e為大家準備了一份
最強的5G入門科普
有點長，大家可以先收藏囤著慢慢看~
一個簡單且神奇的公式
咱們先從一個公式開始說起。
這是一個既簡單又神奇的公式。說它簡單，是因為它一共只有3個字母。而說它神奇，是因為這個公式蘊含了博大精深的通信技術奧秘，這個星球上有無數的人都在為之魂牽夢繞。
這個公式，就是它——
上面這個公式，這是物理學的基本公式，光速=波長×頻率。
對於這個公式，可以這麼說：無論是1G、2G、3G，還是4G、5G，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。。。
有線？無線？
通信技術，無論什麼黑科技白科技，歸根到底，就分為兩種——有線通信和無線通信。
我和你打電話，信息數據要麼在空中傳播（看不見、摸不著），要麼在實物上傳播（看得見、摸得著）。
如果是在實體物質上傳播，就是有線通信，基本上就是用的銅線、光纖這些線纜，統稱為有線介質。
在有線介質上傳播數據，速率可以達到很高的數值。
以光纖為例，在實驗室中，單條光纖最大速度已達到了26Tbps，是傳統網線的兩萬六千倍。
▲光纖
而空中傳播這部分，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如果要做到端到端的高速率，重點是突破無線這部分的瓶頸。
好大一個波
大家都知道，無線通信就是利用電磁波進行通信。電波和光波，都屬於電磁波。
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。
電波屬於電磁波的一種，它的頻率資源是有限的。
為了避免干擾和衝突，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技術標準，屬於特高頻和超高頻。
我們國家主要使用超高頻：
大家能看出來，隨著1G、2G、3G、4G的發展，使用的電波頻率是越來越高的。
這是為什麼呢？
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，能做到的傳輸速率就越高。
▲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，相同時間內能裝載的信息就越多。
那麼，5G使用的頻率具體是多少呢？
如下圖所示：
5G的頻率範圍，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，根據前文我們提到的公式：
好啦，這個就是5G的第一個技術特點——
毫 米 波
我們再看一下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」？
既然，頻率高這麼好，你一定會問：「為什麼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，越趨近於直線傳播（繞射能力越差）。頻率越高，在傳播介質中的衰減也越大。
你看雷射筆（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。
▲衛星那口大鍋，必須校準瞄著衛星的方向，否則哪怕稍微歪一點，都會影響信號質量。
移動通信如果用了高頻段，那麼它最大的問題，就是傳輸距離大幅縮短，覆蓋能力大幅減弱。
覆蓋同一個區域，需要的5G基站數量，將大大超過4G。
而更多的基站數量也意味著更高的成本！
所以，基於以上原因，在高頻率的前提下，為了減輕網路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。
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：
▲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，巴掌那麼大
其實，微基站現在就有不少，尤其是城區和室內，經常能看到。以後，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，那麼多基站在身邊，會不會對人體造成影響？
我的回答是——不會。
其實，和傳統認知恰好相反，事實上，基站數量越多，輻射反而越小！
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。基站小，功率低，對大家都好。如果只採用一個大基站，離得近，輻射大，離得遠，沒信號，反而不好。
天線去哪了？
大家有沒有發現，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，為什麼現在我們的手機都沒有天線了？
其實，我們並不是不需要天線，而是我們的天線變小了。
根據天線特性，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的第三大殺手鐧——
Ｍassive MIMO（多天線技術）
MIMO就是「多進多出」（Multiple-Input Multiple-Output），多根天線發送，多根天線接收。
在LTE時代，我們就已經有MIMO了，但是天線數量並不算多，只能說是初級版的MIMO。
到了5G時代，繼續把MIMO技術發揚光大，現在變成了加強版的Massive MIMO（Massive：大規模的，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，天線就那麼幾根：
5G時代，天線數量不是按根來算了，是按「陣」，「天線陣列」。一眼看去，要得密集恐懼症的節奏。
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。
你是直的？還是彎的？
大家都見過燈泡發光吧？
其實，基站發射信號的時候，就有點像燈泡發光。信號是向四周發射的，對於光，當然是照亮整個房間，如果只是想照亮某個區域或物體，那麼，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？ 這樣既節約了能量，也保證了要照亮的區域有足夠的光。
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，通過對射頻信號相位的控制，使得相互作用後的電磁波的波瓣變得非常狹窄，並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。
這種空間復用技術，由全向的信號覆蓋變為了精準指向性服務，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。
別收我錢，行不行？
在目前的移動通信網路中，即使是兩個人面對面撥打對方的手機（或手機對傳照片），信號都是通過基站進行中轉的，包括控制信令和數據包。
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）。
Ｄ２Ｄ
5G時代，同一基站下的兩個用戶，如果互相進行通信，他們的數據將不再通過基站轉發，而是直接手機到手機。
這樣，就節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，畢竟你用著頻譜資源~
後記
相信大家通過本文，對5G和它背後的通信知識已經有了深刻的理解。而這一切，都只是源於一個小學生都能看懂的數學公式。不是麼？
通信技術並不神秘，5G作為通信技術皇冠上最耀眼的寶石，也不是什麼遙不可及的創新革命技術，它更多是對現有通信技術的演進。
正如一位高人所說——
通信技術的極限，並不是技術工藝方面的限制，而是建立在嚴謹數學基礎上的推論，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，進一步發掘通信的潛力，是通信行業眾多奮鬥者們孜孜不倦的追求。
來源：鮮棗課堂、成都日報錦觀