5G是什么?看完秒懂
“在家不能沒有網(wǎng)絡(luò),出門不能忘帶手機(jī)”已成為很多人的共同感受。人們對(duì)動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的要求是更高速、更便捷、更強(qiáng)大、更便宜,這促使著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突飛猛進(jìn),技術(shù)體制的更新?lián)Q代也隨之越來越快。很多用戶剛剛踏入4G的門檻,5G時(shí)代很快就要來到了。按照國(guó)際電信聯(lián)盟關(guān)于2020年的規(guī)劃,5年后就要全面進(jìn)入5G了
5G該會(huì)有什么樣的技術(shù)?很簡(jiǎn)單,只需要您懂一個(gè)公式【光速=頻率×波長(zhǎng)】。
1、增加帶寬是關(guān)鍵
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5G最顯著的特點(diǎn)是高速,按規(guī)劃速率會(huì)高達(dá)10~50Gbps,人均月流量大約有36TB。如此高的速率該靠什么資源來支撐呢?必須要靠更大的帶寬!帶寬用字母B來表示,它就好比是道路寬度,最大速率用C來表示,它就好比是道路的最大車流量。顯然易見,4車道的最大車流量是2車道的2倍,8車道的是2車道的4倍,這非常好理解。增加車道數(shù)是提高最大車流量最直接有效的方法,同樣地,提高速率的最直接有效的方法就是增加帶寬。
人們對(duì)通信速率要求越來越高,迫使著信道的帶寬就越來越寬,幾根電話線的帶寬不夠,那就增加到幾百根,幾百根不夠就換成同軸電纜,電纜帶寬不夠就換成光纖,有線通信的帶寬就是這樣一代代地遞增著。而手機(jī)通信使用的是無線信道,那它的帶寬是如何增加的呢?核心方法就是采用更高的頻段。
上過初中的都知道【光速=頻率×波長(zhǎng)】這個(gè)公式,知道這個(gè)公式就能看懂上面這個(gè)表格了,頻率與波長(zhǎng)成反比,兩者之積等于光速,即30萬公里/秒。請(qǐng)看表格中兩個(gè)黃色塊的數(shù)據(jù),數(shù)值都是3~30,但單位不同,甚低頻段的整個(gè)帶寬是27kHz,超高頻段的整個(gè)帶寬是27GHz,后者是前者的100萬倍!由此可見,頻段越高且?guī)捲酱?,這點(diǎn)非常好理解,好比是低保戶和大富豪都拿出全部的財(cái)產(chǎn),后者會(huì)比前者多得多。
所以關(guān)系就來了:5G時(shí)代若想更高速,就得使用更大的帶寬,而要取得更大的帶寬,就得使用更高的頻段?!?0GHz以上的頻段,比上表中最后一項(xiàng)的超高頻還要高,其波長(zhǎng)自然要比厘米段更短,那就是更短的毫米波,因此毫米波就順理成章地成為了5G的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
2、毫米波技術(shù)
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電波傳播的特性很有趣,頻率越高(即波長(zhǎng)越短)的電磁波,就越傾向于直線傳播,當(dāng)高到紅外線和可見光以上時(shí),就一點(diǎn)也不打彎了,這是個(gè)漸進(jìn)的過程。
? 毫米波一般不用于移動(dòng)通信領(lǐng)域,原因就是它的頻率都快接近紅外線了,信道太“直”,移動(dòng)起來不容易對(duì)準(zhǔn)。請(qǐng)想象一個(gè)場(chǎng)景,您拿著激光筆指遠(yuǎn)處墻壁上的圖釘,是不是一件很困難的事?
例如衛(wèi)星車就很難“動(dòng)中通”,開動(dòng)起來車身搖擺,天線(就是那個(gè)大鍋)就很難對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星,通常只能駐車后工作,而且必須精細(xì)調(diào)整天線的角度,使其電波的輻射方向正對(duì)著衛(wèi)星,否則就無法通信。手機(jī)是移動(dòng)使用的,不可能打電話時(shí)還舉著手機(jī)瞄準(zhǔn)準(zhǔn)基站的方向,那樣實(shí)在是反人性。雖然在非正對(duì)方向也有信號(hào),但強(qiáng)度會(huì)明顯衰弱,使用體驗(yàn)會(huì)比4G之前要差得多。
電磁波有五種傳播模式,相對(duì)于未來的5G時(shí)代,我們現(xiàn)在手機(jī)的頻率要低得多,其繞射能力還是不錯(cuò)的,樓房陰影處的信號(hào)也沒太大問題,因?yàn)樾盘?hào)可以繞著到達(dá)。
而未來5G的頻率會(huì)高得多,繞射能力會(huì)下降,信號(hào)只能傻楞楞地直著走,以往信號(hào)能到達(dá)的犄角旮旯就到不了了,那該怎么辦呢?這就引出了更一項(xiàng)技術(shù)―微基站技術(shù)。
3、微基站技術(shù)
請(qǐng)您腦補(bǔ)一個(gè)場(chǎng)景,小區(qū)中心只立著一盞路燈,陰影面積當(dāng)然會(huì)很大,而如果在小區(qū)里均勻設(shè)置很多路燈,陰影面積則會(huì)小得多了。所以說,將傳統(tǒng)的宏基站變成站點(diǎn)更多密度更大的微基站,是解決毫米波“直線問題”的有效方法。
這只是微基站的一個(gè)原由,還有一個(gè)更強(qiáng)大的原由。5G時(shí)代的入網(wǎng)設(shè)備數(shù)量會(huì)呈爆炸性的增長(zhǎng),單位面積內(nèi)的入網(wǎng)設(shè)備可能會(huì)增至千倍,若延續(xù)以往的宏基站覆蓋模式,即使基站的帶寬再大也無力支撐。
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這個(gè)原由很好理解,以前的宏基站覆蓋1000個(gè)上網(wǎng)用戶,這些用戶均分這個(gè)基站的速率資源,而進(jìn)入5G時(shí)代后用戶的速率要求高多了,一個(gè)基站的資源就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠分了,只能布設(shè)更多的基站,例如讓每個(gè)基站只負(fù)責(zé)20個(gè)用戶,分餐的人少了,每個(gè)人自然就能多吃。
基站微型化則設(shè)布設(shè)密度會(huì)加大。為避免基站之間的頻譜互擾,基站的輻射功率譜就會(huì)降低,同時(shí)手機(jī)的輻射功率也會(huì)降低。這有兩個(gè)好外,一是功耗小了待機(jī)時(shí)間會(huì)增加,二是對(duì)人體的輻射會(huì)降低。傳統(tǒng)基站好比是房屋中間的火爐子,近處燙遠(yuǎn)處冷,而5G的微基站就好比是地暖,發(fā)熱均勻更加舒適。微基站數(shù)量大幅度增加后,傳統(tǒng)的鐵塔和樓頂架設(shè)方式將會(huì)擴(kuò)展,路燈桿、廣告燈箱、樓宇內(nèi)部的天花板,都會(huì)是微基站架設(shè)的理想地點(diǎn)。波長(zhǎng)縮短到毫米波還會(huì)有什么影響呢?還會(huì)影響到手機(jī)天線的變化,這就是下一節(jié)要說的5G另一項(xiàng)技術(shù)―高階MIMO。
4、高階MIMO
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根據(jù)天線理論,天線長(zhǎng)度應(yīng)與波長(zhǎng)成正比,大約在1/10~1/4之間,當(dāng)前手機(jī)使用的是甚高頻段(即分米波),天線長(zhǎng)線大約在幾厘米左右,通常安裝在手機(jī)殼內(nèi)的上部。天線的長(zhǎng)度為什么應(yīng)在波長(zhǎng)的1/10~1/4之間?因?yàn)檫@個(gè)比例可使電波的輻射和接收更有效,為什么會(huì)更有效?這我就不知道了,這得問物理學(xué)家。
5G時(shí)代的手機(jī)頻率在提升幾十倍后,相應(yīng)的手線天線長(zhǎng)度也會(huì)降低到以前的幾十分之一,會(huì)變成毫米級(jí)的微型天線,手機(jī)里就可以布設(shè)很多個(gè)天線,乃至形成多天線陣列。
? 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,手機(jī)的面積很小?,F(xiàn)在的手機(jī)天線是幾厘米長(zhǎng),多天線陣列是難以設(shè)置的。而隨著天線長(zhǎng)度的降低,特別是5G時(shí)代的毫米尺寸天線,就可以布設(shè)多天線陣列了,就給高階MIMO技術(shù)的實(shí)現(xiàn)帶來了可能。
啥是MIMO呢?其英文簡(jiǎn)寫是“多入多出”的意思,高階MIMO的意思是指基站與手機(jī)之間有很多對(duì)的信道并行通信,每一對(duì)天線都獨(dú)立傳送一路信息,經(jīng)匯集后可成倍提高速率,這當(dāng)然是件極好的事。
不知您是否思考過這個(gè)問題:因?yàn)榛静恢滥谀膫€(gè)方位,所以它跟你通信使用的電磁波是全向輻射的,就好像是電燈泡發(fā)出的光那樣,只有到達(dá)你手機(jī)的輻射才是有用的,其它方向的輻射都是浪費(fèi)的,這種巨大的無用輻射還成為了其它手機(jī)的干擾。
如上圖所示,因?yàn)槭蛛娡驳哪芰扛?,所以比燈泡照的更遠(yuǎn),基站與某部手機(jī)的關(guān)系就相當(dāng)于光源與被照射物的關(guān)系?,F(xiàn)在基站與手機(jī)的關(guān)系就是燈泡模式,不管手機(jī)在哪個(gè)方位,都會(huì)把針對(duì)這部手機(jī)的信號(hào)進(jìn)行全向的輻射,當(dāng)然絕大多數(shù)非正對(duì)方向的能量都是浪費(fèi)掉了,而且還成為了其它手機(jī)的干擾。
能不能把燈泡模式改成有指向性的手電筒模式呢?即把上圖左面的全向輻射樣式改成右面的這種窄波瓣樣式,從而提高能量的使用效率?這就是下節(jié)要說到的波束賦形技術(shù)。
5、波束賦形技術(shù)
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中國(guó)主導(dǎo)的3G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA有六大技術(shù)特點(diǎn),其中有一項(xiàng)就是智能天線,在基站上布設(shè)天線陣列,通過對(duì)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。
由全向的信號(hào)覆蓋變?yōu)榱司珳?zhǔn)指向性服務(wù),這種新形式的無線電波束就不會(huì)干擾到其它方向的波束,從而可以在相同的空間中提供更多的通信鏈路。這種充分利用空間的無線電波束技術(shù)是一種空間復(fù)用技術(shù),可以極大地提高基站的服務(wù)容量。遺憾的是這項(xiàng)技術(shù)沒有在3G時(shí)代得到應(yīng)用,但在5G入網(wǎng)設(shè)備數(shù)量成百上千倍增加的情況下,這種波束賦形技術(shù)所能帶來的容量增加就顯得非常有價(jià)值,波束賦形技術(shù)很可能成為5G的關(guān)鍵性技術(shù)之一。
波束賦形技術(shù)不僅能大幅度增加容量,還可大幅度提高基站定位精度。當(dāng)前的手機(jī)基站定位的精度很粗劣,這是源于基站全向輻射的模式。當(dāng)波束賦型技術(shù)成功應(yīng)用后,基站對(duì)手機(jī)的輻射波瓣是很窄的,這就知道了手機(jī)相對(duì)于基站的方向角,再加上通過接收功率大小推導(dǎo)出手機(jī)與基站的距離,就可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)的精準(zhǔn)定位了,并因此而擴(kuò)展出非常多的定位增值服務(wù)。
6、綜合分析
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加大帶寬是起點(diǎn),由此而產(chǎn)生的毫米波、微基站、高階MIMO、波束賦型等都是順理成章的技術(shù)趨勢(shì)。只要把基站做得足夠小,其服務(wù)范圍變窄了,單個(gè)用戶獲得的資源就能足夠大,速度就可以提高到足夠快。所以說,5G的任何一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)都不會(huì)有革命性的突破,其上千倍綜合能力的提升,更多地是來自移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的重新布局
Q:文檔中提到人們對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)有哪些要求?
A:更高速、更便捷、更強(qiáng)大、更便宜。
Q:5G 時(shí)代什么時(shí)候可能全面到來?
A:按照國(guó)際電信聯(lián)盟關(guān)于 2020 年的規(guī)劃,5 年后可能全面進(jìn)入 5G。
Q:5G 的綜合能力提升主要來自哪里?
A:更多地來自移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的重新布局。
Q:5G 的關(guān)鍵技術(shù)是否有革命性突破?
A:5G 的任何一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)都不會(huì)有革命性的突破。
Q:人們對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的感受是什么?
A:“在家不能沒有網(wǎng)絡(luò),出門不能忘帶手機(jī)”。
Q:移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速的原因是什么?
A:人們對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的高要求促使其發(fā)展迅速。
Q:國(guó)際電信聯(lián)盟對(duì) 5G 的規(guī)劃是什么?
A:5 年后全面進(jìn)入 5G。
Q:5G 到來前人們處于什么網(wǎng)絡(luò)時(shí)代?
A:很多用戶剛剛踏入 4G 的門檻。
Q:文檔主要圍繞什么主題展開?
A:移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及 5G 時(shí)代的即將到來。
Q:5G 的發(fā)展特點(diǎn)是什么?
A:綜合能力提升更多來自移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的重新布局。