【深度】談談我對於5G的理解

淺談我對於5G的理解
一、 5G及相關概念

1. 相關基礎公式：光速=波長×頻率
   

2. 通信分類：有線通信和無線通信。
   下圖很好的說明了這兩種通信：
   
   在有線介質上傳播數據，速率可以達到很高的數值，以光纖爲例，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。空中傳播這部分，纔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。

3. 無線通信載體：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。我們目前主要使用電波進行通信。（光波通信也在崛起，例如 LiFi。
   
   電波屬於電磁波的一種，它的頻率資源是有限的。爲了避免干擾和衝突，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。
   
   以上紅色字體即爲移動通信所處頻率。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：
   
   更高 的頻率→ 更多 的資源→ 更快 的速度
   而5G頻率：
   

4. 5G的技術特點：
   目前，國際上主要使用 28GHz 進行試驗（這個頻段也有可能成爲 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：
   
   這個就是 5G 的第一個技術特點——毫 米 波。對照頻率的分配表可知：此毫米波屬於最後一行的極高頻段。而由於電磁波的顯著特點：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。故如果用高頻的話，我們還是要付出一定代價的。舉兩個此類例子：激光筆（波長 635nm 左右），射出的光是直的，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，衛星那口大鍋，必須校準瞄着衛星的方向，否則哪怕稍微歪一點，都會影響信號質量。
   
   得出結論：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。
   
   延申：這裏提到的基站數量意味着什麼？就是錢、投資、成本這些現實的東西。**頻率越低，網絡建設就越省錢，競爭起來就越有利。**這就是爲什麼，這些年，電信、移動、聯通爲了低頻段而爭得頭破血流。有的頻段甚至被稱爲—— 黃金頻段 。這也是爲什麼，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，設備商就發大財了。）

5. 5G要解決的問題
   (1) 基站問題
   基於以上所述的原因，在高頻率的前提下，勢必會存在網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。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：
   
   
   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？答案是：不會的。
   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！
   舉個形象的例子：冬天，一羣人的房子裏，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▼
   
   總結：上面的圖，一目瞭然了。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。
   (2) 接收端天線問題
   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，爲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。
   
   隨着時間變化，我們手機的通信頻率越來越高，波長越來越短，天線也就跟着變短啦！毫米波通信，天線也變成毫米級，這就意味着，天線完全可以塞進手機的裏面，甚至可以塞很多根。
   這就是 5G 的第三大殺手鐗——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）。
   
   手機裏面都能塞好多根天線，基站同樣也是。
   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」。
   
   不過，天線之間的距離也不能太近。因爲天線特性要求，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 。

(3) 信號浪費問題
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。我們能不能找到一隻無形的手，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

概念：波束賦形；在基站上佈設天線陣列，通過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。這種空間複用技術，由全向的信號覆蓋變爲了精準指向性服務，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。

(4) Ｄ２Ｄ
在目前的移動通信網絡中，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。（控制消息還是要從基站走的，你用着頻譜資源，運營商還要收錢的哦）

6. 5G及相關概念總結：
   綜上所述：5G傳輸的就是一種頻率非常高的電磁波，由於頻率越高，波長越短，電磁波就越趨近於直線傳播、在傳播介質中的衰減也越大，故5G的傳輸距離大幅縮短，覆蓋能力大幅減弱，其所需的基站數量就大大超過原來4G的，而這些問題正是現在需要解決的。以上提到的微基站、MIMO多天線技術、波束賦形D2D就是解決這些問題的。

二、 5G的應用

1. 超速度：
   也就是我們所見證的，3G比2G速度快，4G比3G速度快，5G的速度30倍4G。輕鬆下載，高速傳輸。

2. 低延時：
   因爲速度快，反應速度也快，延時就很低。實現遠程控制，精準指令。引用以下幾個例子理論說明：
   (1) 信號接收和下達指令：優步自動駕駛美國路測撞死行人這一案例，就是4G無法達到低時延要求的典型體現。通常自動駕駛汽車需要通過雷達掃描車距、行人、障礙等路況信息，並傳到終端，經過快速計算以後，下達剎車等相關指令。但是由於4G存在時延問題，當汽車得到剎車指令時，已經爲時已晚。而5G未來就可以解決這類時延問題。
   (2) 流暢的視頻和畫面：體驗VR眼鏡時，會出現頭暈目眩的情況，這和視頻畫面出現卡頓的原因一樣，就是因爲不夠流暢，這也是時延在作怪，運行和傳輸速率提高可以解決此類問題。
   (3) 智能製造領域：用銑牀對零部件進行精準切割，如果接收命令的時效有延遲，銑牀就會因反應不及時而又多轉了幾圈，無法按要求精準切割零部件。

3. 低能耗：
   現在之所以很多智能設備無法普及的原因之一是能耗大、經常要充電。手機、耳機、眼鏡、手環、皮帶、手錶等產品可以加大智能化程度，但是由於功耗較大，需要不斷充電，很多產品並沒有帶給人方便，也就無從推廣。但在萬物互聯中應用５Ｇ，可以在海量連接時的實現“低能耗”功能，包括依靠快速反應和低能耗的管理模式。比如：
   (1) 城市的井蓋經常損壞或被人偷走，5G時代將會在井蓋裏面安裝一個裝置，一旦有問題，它就會傳出信息，我們就可以立馬進行維修、替換。但是如果不是低功耗，每天都要換電池，那太不現實了。

4. 萬物互聯時代：
   5G時代也意味着萬物互聯，不僅電腦、手機，我們日常生活中的汽車、車位、路燈、眼鏡、皮鞋、衣服、手錶等等，都將成爲智能終端，終端設備基本預測將達到100億臺。

三、 我對於5G應用的一些感悟
5G一旦發展起來，個人方面的變化是很容易理解的，比如下載速度更快了、玩遊戲（特別是VR/AR類對時延要求很高的遊戲）更順暢了等。但是，我認爲，在5G中，有28分一說：即20％是人和人之間的通訊，80％是物和物之間的通訊。
而在物與物通信中，首先是經典的物聯網，即萬物互聯。有了低能耗、時延低等的特點，將使每一個設備都會成爲一個終端，家裏的一把風扇、一盞燈都能成爲這個終端，風扇和燈把每一次開的時間和關的時間都發送到附近的雲端，經過雲端的服務器強大的計算和處理，就會生成一個最優解，從而更好的管理這些家居設備。而車聯網也是這個道理。
這樣的話，像5G遠程駕駛、5G智能工廠、5G無人機物流、5G遠程醫療、5G VR全景直播、5G安防、5G智慧農業、5G智慧園區、5G遠程教育、5G新零售、5G氣象系統等等都會成爲熱點。
總之，由於5G的應用場景非常多，之前的也會全部翻篇，5G將成爲下一個“風口”。大浪淘沙，誰能在這個新的時代穩住腳，誰又會在誰會在5G時代賺的盆滿鉢滿？

下一篇將闡述我對於5G這個“風口”的商業前景的思考。

參考文獻：微信公衆號鮮棗課堂（ID：xzclasscom），原標題爲《有史以來最強的 5G 入門科普！》