5G工作原理详解（解释＆图解）

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这一切，要从一个“神奇的公式”说起，就是这个公式！

还记得这个公式的，请骄傲地为自己鼓个掌，

如果不记得，或是看不懂，也没关系，“一个科普”解释一下。

就是这个超简单的公式，蕴含了我们无线通信技术的博大精深，无论是往事随风的1G、2G、3G，还是意气风发的4G、5G，说来说去，都是在这个数学公式上做文章。

有线？无线？

通信技术，无论什么黑科技白科技，只分两种——有线通信和无线通信，我和你打电话，信息数据要么在空中传播（看不见、摸不着），要么在实物上传播（看得见、摸得着）。

在有线介质上传播数据，想要高速很容易，在实验室中，单条光纤最大速度已达到26Tbps，是传统网线的两万六千倍。

而空中传播这部分，才是移动通信的瓶颈所在，所以，5G重点是研究无线这部分的瓶颈突破。

好大一个波

大家都知道，电波和光波都属于电磁波，电磁波的频率资源有限，根据不同的频率特性，有不同的用途。

我们目前主要使用电波进行通信。当然，光波通信也在崛起，例如可见光通信LiFi（LightFidelity）

回到电波，电波属于电磁波的一种，它的频率资源也是有限的，为了避免干扰和冲突，我们在电波这条“公路”上进一步划分“车道”，分配给不同的对象和用途。

不同频率电波的用途

注意上图中的红色字体。一直以来，我们主要是用中频~超高频进行手机通信，例如经常说的“GSM900”、“CDMA800”，其实就是工作频段900MHz和800MHz的意思。

目前主流的4G LTE，属于超高频和特高频，我们国家主要使用超高频：

随着1G、2G、3G、4G的发展，使用的频率是越来越高，为什么呢？因为频率越高，速度越快（这里速度并非电磁波速度，而是流量传输速度），又为什么呢？因为频率越高，车道（频段）越宽。

看懂了吧，车道按指数级扩大。

更高的频率→更大的带宽→更快的速度

5G的频段具体是多少呢？

我们国家工信部下发通知，明确了我国的5G初始中频频段：

3.3-3.6GHz、4.8-5GHz两个频段

同时，24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高频频段正在征集意见。

目前，国际上主要使用28GHz进行试验（这个频段也有可能成为5G最先商用的频段），如果按28GHz来算，根据之前的公式：

好啦，这个就是5G的第一个技术特点。

毫米波

既然，频率高这么好，你一定会问：“为什么以前我们不用高频率呢？”

原因很简单——不是不想用，是用不起。

电磁波的一个显著特点：频率越高（波长越短），就越趋近于直线传播（绕射能力越差）。而且，频率越高，传播过程中的衰减也越大。

你看激光笔（波长635nm左右），射出的光是直的吧，挡住了就过不去了。

再看卫星通信和GPS导航（波长1cm左右），如果有遮挡物，就没信号了吧。

而且，卫星那口大锅，必须校准瞄着卫星的方向，稍微歪一点，都会有影响。

如果5G用高频段，那么它最大的问题，就是覆盖能力会大幅减弱。

覆盖同一个区域，需要的基站数量将大大超过4G。

这就是为什么这些年，电信、移动、联通为了低频段而争得头破血流，基站就是要花钱买的啊，能不玩命争取么？

有的频段甚至被称为——黄金频段。

这也是为什么5G时代，运营商拼命怼设备商，甚至威胁要自己研发通信设备。

所以，基于以上原因，在高频率的前提下，为了减轻覆盖方面的成本压力，5G必须寻找新的出路，首先就是微基站。

微基站

基站有两种，微基站和宏基站（看名字就知道，微基站很小，宏基站很大）。

以前都是大的基站，建一个覆盖一大片 。

以后更多的将是微基站，到处都装，随处可见。

微基站——看上去是不是很酷炫？

微基站的造型有很多种，灵活地与周围的环境相融合（伪装），不会让用户在心理上产生不适。

提醒——

基站对人体健康不会造成影响。

而且，恰好相反，其实基站数量越多，辐射反而越小！

你想一下，冬天，一群人的房子里，一个大功率取暖器好，还是几个小功率取暖器好？

大功率方案

小功率方案

基站越小巧，数量越多，覆盖就越好，速度就越快。

天线去哪了？

大家有没有发现，以前“大哥大”都有很长的天线，早期的手机也有突出来的小天线，为什么后来我们就看不到带天线的手机了？

有人说，是因为信号好了，不需要天线了。其实不对，信号再好，也不能没有天线。更主要的原因是——天线变小了。

根据天线特性，天线长度应与波长成正比，大约在1/10~1/4之间。

频率越高，波长越短，天线也就跟着变短啦！ 毫米波，天线也变成毫米级。这就意味着，天线完全可以塞进手机里面，甚至可以塞很多根，这就是5G的第三大杀手锏。

Ｍassive MIMO

MIMO就是“多进多出”（Multiple-Input Multiple-Output），多根天线发送，多根天线接收。

在LTE时代就已经有MIMO了，5G继续发扬光大，变成了加强版的Massive　MIMO（Massive：大规模的，大量的）。

手机都能塞好多根，基站就更不用说了。

以前的基站，天线就那么几根。

5G时代，就不是按根来算了，是按“阵”，“天线阵列”。

天线多得排成阵了，一眼看去一大片的节奏。

不过，天线之间的距离也不能太近。因为天线特性要求，多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上。

不要问我为什么？因为这个我也不知道。

你是直的？还是弯的？

大家都见过灯泡发光吧？

其实，基站发射信号的时候，就有点像灯泡发光。

信号是向四周发射的，对于光，当然是照亮整个房间，如果只是想照亮某个区域或物体，那么，大部分的光都浪费了。

基站也是一样，大量的能量和资源都浪费了。

我们能不能找到一只无形的手，把散开的光束缚起来呢？

这样既节约了能量，也保证了要照亮的区域有足够的光。

答案是：可以。

这就是——波束赋形

波束赋形在基站上布设天线阵列，通过对射频信号相位的控制，使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常狭窄，并指向它所提供服务的手机，而且能跟据手机的移动而转变方向。这种空间复用技术，由全向的信号覆盖变成了精准指向性服务，波束之间不会干扰，在相同的空间中提供更多的通信链路，极大地提高基站的服务容量。

直的都能掰成弯的，还有什么是通信砖家干不出来的？

别收我钱，行不行？

在目前的通信网络中，即使是两个人面对面拨打对方的手机（或手机对传照片），信号都是通过基站进行中转的，包括控制信令和数据包。

而在5G时代，这种情况就不一定了，5G的第五大特点——D2D，也就是Device to Device。

Ｄ２Ｄ

5G时代，同一基站下的两个用户，如果互相进行通信，他们的数据将不再通过基站转发，而是直接手机到手机。

这样，就节约了大量的空中资源，也减轻了基站的压力。 不过，如果你觉得这样就不用付钱，那你就...

控制消息还是要从基站走的，而且用着频谱资源，这个时候他们怎么可能放过你...

相信大家对5G和它背后的通信知识已经有了深刻理解，而这一切，都只是源于一个如今小学生都能看懂的数学公式（再来看一遍）。

通信技术并不神秘，5G作为通信技术皇冠上最耀眼的宝石，也不是什么遥不可及的创新革命技术，它更多是对现有通信技术的演进。

正如一位高人所说——通信技术的极限，并不是技术工艺方面的限制，而是建立在严谨数学基础上的推论，在可以遇见的未来是基本不可能突破的。

如何在科学原理的范畴内，进一步发掘通信的潜力，是通信行业众多奋斗者们孜孜不倦的追求。