通信頻段詳解（5G）

• 1. 頻率相關公式以及計算
• 2. 頻率分佈以及爲何向高頻發展
• 3. 信號增強
  • 3.1 增強信號的理解
  • 3.2 所以得出增強信號的方案就是如下：
• 4 5G相關以及與4G對比
  • 4.1 5G趨勢：
  • 4.2 4G與5G對比

1. 頻率相關公式以及計算

頻率相關公式：$v = f\lambda$，

該式對於5G頻率的計算：$\frac{\text { Speed }_{-} \text {of }_{-} \text {lightc }}{\text { frequency }(30 \sim 300 \times G H Z)}=\frac{3.0 \times 10^{9} \mathrm{m} / \mathrm{s}}{3.0 \times 10^{10 \sim 11} \mathrm{} }=0.1 \sim 0.01 \mathrm{m}=10 \sim 1 \mathrm{mm}=\lambda$

2. 頻率分佈以及爲何向高頻發展

各個領域頻率分佈：

頻率在趨向於高頻發展，其相關原因如下（這裏是我自己的理解並沒有找到根據）：

• 由於高低頻如上圖已經對頻段進行了劃分，所以對應的低頻和中高頻都是已經固定，那麼從對應頻段上面我們可以知道低頻段比中高頻的頻寬是少很多的，自然可以利用的資源就少很多
• 之前沒有使用高頻的原因有兩種：
  1. 原來對於高頻的使用技術還有所欠缺，這些年利用學術界以及公司研發使之技術一步步地完善；
  2. 根據頻率公式$v = f\lambda$可以得到$f$越高自然$\lambda$就越低，並且波長越短越容易被阻擋傳播因爲就越接近直線傳播（這一點可以參考光的傳播），爲了保證覆蓋到每一個點就必須多進行基站的建設，不過由於每一個基站更小範圍的覆蓋肯定也會使單一基站成本降低，但是基站增多自然就會使總的成本增加，這也是之前沒有采用高頻的原因之一；
     • 頻率越高（波長越短），就越趨近於直線傳播（繞射能力越差）。而且，頻率越高，傳播過程中的衰減也越大。——電磁波的顯著特點；

3. 信號增強

3.1 增強信號的理解

一種形象的理解就是如何彈出琴聲最強的音：

1. 所要的聲音只能是弦的固有頻率；——這一點很難做到，因爲影響頻率的因素有很多，各點振動狀態都不一樣，並且還有空氣中推力的影響；
2. 驅動點的張力與擺幅之比要恰當，即驅動源要和絃上驅動點的阻抗相匹配。——就是彈的位置要合適恰當

3.2 所以得出增強信號的方案就是如下：

1. 通用情形：

   • 駐波比（爲1是最佳理想狀態，所以儘可能接近）：衡量部件之間的匹配是否良好（其實有一部分就是使頻率與固有頻率一致）

   • 產生諧振：振幅之比恰當產生共振

2. 多天線：

   • 波束成型：多天線之間形成信號的增強
     • 實現：智能天線陣列原理並不複雜，主要涉及的知識範圍是高中物理教的波的干涉。當由兩個波源產生的兩列波互相干涉時，有的方向兩列波互相增強，而有的方向兩列波正好抵消（主要由於電磁波衍射能力過強，不好用自然光那樣形成光束，自然光可以通過類似手電筒原理實現）

4 5G相關以及與4G對比

4.1 5G趨勢：

多基站覆蓋，更強信號更寬頻寬

• 頻寬夠寬傳輸不擁擠，自然傳輸速度就提高了；

  • 5G使用的頻率

• 更先進的波束賦形，用來極大的增強了信號

• 傳輸延時低，減少不必要的信令：

  1. 通過全雙工技術減少信道估計時間；
  2. 縮減 OFDM （正交頻分複用）信號的 CP 前綴（循環前綴——主要實現時間的預估計和頻率同步），壓縮 OFDM 長度；
  3. 網格化設計毫米波基站，降低干擾和時延。

• 壓縮網絡處理（網格變化是4G->5G很大的改進）

• 「不經過不必要的處理單元」，換句話說就是控制結構和數據傳輸結構分離。主要使用「霧計算」（下方重複性工作，使用基站作爲計算出單元）和「無線緩存」（緩存內容，降低傳輸延遲）技術。

• 天線和波長成正比，頻率越長波長越短自然天線也就越短（不過現在手機廠商可以通過一些特殊方法進行天線長度的縮短）；

  • 加感的方式來縮短長度，實際上把裏面一圈一圈的線材拉直，長度也接近波長的1/4或者5/8

• 由於波長較短不易發生衍射現象也就是接近直線傳播容易對信號產生損耗，那麼5G基站的覆蓋範圍自然也就更少，這就是爲什麼4G對應宏基站，而5G對應宏基站的原因

  
  

• 天線以及信號相關：

  • 電壓駐波比（VSWR）**是射頻技術中最常用的參數，用來衡量部件之間的匹配是否良好
    • 發射機與天線匹配的條件是兩者阻抗的電阻分量相同、感抗部分互相抵消。如果發射機的阻抗不同，要求天線的阻抗也不同。
    • 天線的VSWR需要在天線的饋電端（與出線相對應，也就是系統入電的部分）測量。但天線饋電點常常高懸在空中，我們只能在天線電纜的下端測量VSWR，這樣測量的是包括電纜的整個天線系統的VSWR。當天線本身的阻抗確實爲50歐姆純電阻、電纜的特性阻抗也確實是50歐姆時，測出的結果是正確的。但是這樣的條件不一定能夠達到，所以尤其在UHF以上頻段（4G與5G都包括在內），不要忽略電纜的影響。
  • 如果使用某一個頻點信號不是太好（有相應的駐波影響信號強度），可以使用修剪天線進行調試，使之頻率與固有頻率相近並且更易產生共振；
    • 駐波：由於氣體或者某一些物質的不斷膨脹以及收縮，造成大蘿蔔頭和小蘿蔔頭的現象，這就是駐波形成的，也會產生一種特殊的現象——馬赫環(超音速氣流內壓縮波和膨脹波相互干涉形成的駐波)

4.2 4G與5G對比

1. 信號範圍覆蓋

   • 5G對應4G的不同之處可以用冬天取暖的一個形象圖來表示，集中取暖勢必會造成某一些地方沒有照顧到，那麼分佈式的取暖的好處就是每人一個取暖器能夠將熱度集中到自己的身上，但是同時也會將設備的數量增多。

2. 頻段覆蓋：

   • 4G普遍覆蓋在3GHZ以下頻段

   • 5G全球使用頻段在30-300GHZ

   • 目前國內使用：

     • 4G

       • 頻段分類：TDD（分時）頻段和FDD（分頻）頻段

       • 國內三大運營商：

         1. 中國移動4G目前使用的制式是TD-LTE和FDD-LTE混合組網，使用的FDD B3/B8,TDD B34/B38/B39/B40/B41。
         2. 中國電信目前是純FDD-LTE組網，原本的TD-LTE頻段已經移交中國移動，相關TD-LTE已經退網。中國電信使用的4G頻段爲FDD B1/B3/B5。
         3. 中國聯通目前同樣是純FDD-LTE組網，使用的4G頻段爲B1/B3/B8。

       • 4G的頻段，還包括了以往的2/3G佔用的頻率，一些國家對原來的2/3G進行翻頻重耕，另外還有一些新增的頻段

     • 5G

       1. 低頻段的Sub6G （FR1：450 MHz - 6000 MHz）；

          • 中國移動：2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz，兩段共260M
          • 中國電信：3400MHz-3500MHz，共100M
          • 中國聯通：3500MHz-3600MHz，共100M

       2. 高頻段的毫米波（FR2：24250 MHz - 52600 MHz）

     參考文章：

     1. 天線和波長的關係
     2. 頻段分佈
     3. 4G與5G頻段分佈特點
     4. 駐波原理以及相關現象
     5. 由於駐波產生的馬赫環
     6. 波束成型
     7. 天線駐波比的幾個實用問題也是饋線出現的地方
     8. 饋線與出線