通信算法之二十六：5G讲的这么简单明了
關于5G通信，常見的文章都講的晦澀難懂，不忍往下看，特轉載一篇，用大白話實現5G入門。
簡單說，5G就是第五代通信技術，主要特點是波長為毫米級，超寬帶，超高速度，超低延時。1G實現了模擬語音通信，大哥大沒有屏幕只能打電話；2G實現了語音通信數字化，功能機有了小屏幕可以發短信了；3G實現了語音以外圖片等的多媒體通信，屏幕變大可以看圖片了；4G實現了局域高速上網，大屏智能機可以看短視頻了，但在城市信號好，老家信號差。1G~4G都是著眼于人與人之間更方便快捷的通信，而5G將實現隨時、隨地、萬物互聯，讓人類敢于期待與地球上的萬物通過直播的方式無時差同步參與其中。
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? ?一個簡單且神奇的公式? ?
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? ? 有線？無線？??
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通信技術，歸根到底，就分為兩種——有線通信和無線通信。
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信息數據要么在空中傳播（看不見、摸不著），要么在實物上傳播（看得見、摸得著）。
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在有線介質上傳播數據，速率可以達到很高的數值。?而空中傳播這部分，才是移動通信的瓶頸所在。
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目前主流的4G LTE，理論速率只有150Mbps。這個和有線是完全沒辦法相比的。
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所以，5G如果要實現端到端的高速率，重點是突破無線這部分的瓶頸。
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? ?好大一個波? ?
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無線通信就是利用電磁波進行通信。電波和光波，都屬于電磁波。
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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。
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例如，高頻的γ射線，具有很大的殺傷力，可以用來治療腫瘤。
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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。
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無線電波屬于電磁波的一種，它的頻率資源是有限的。
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為了避免干擾和沖突，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。
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一直以來，我們主要是用中頻~超高頻進行手機通信的。
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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。
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目前全球主流的4G LTE技術標準，屬于特高頻和超高頻。
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我們國家主要使用超高頻：
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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。
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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，能實現的傳輸速率就越高。
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更高的頻率→更多的資源→更快的速度
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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。
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那么，5G使用的頻率具體是多少呢？如下圖所示：
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5G的頻率范圍，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。
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如果按28GHz來算，根據前文我們提到的公式：
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這個就是5G的第一個技術特點——?
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毫 米 波
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最下面一行，就是“毫米波”
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既然，頻率高這么好，你一定會問：“為什么以前我們不用高頻率呢？”
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不是不想用，是用不起。
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電磁波的顯著特點：頻率越高，波長越短，越趨近于直線傳播（繞射和穿墻能力越差）。頻率越高，在傳播介質中的衰減也越大。
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你看激光筆（波長635nm左右），射出的光是直的吧，擋住了就過不去了。
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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。
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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。
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移動通信如果用了高頻段，那么它最大的問題，就是傳輸距離大幅縮短，覆蓋能力大幅減弱。
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覆蓋同一個區域，需要的5G基站數量，將大大超過4G。
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基站數量意味著什么？成本啊！
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頻率越低，網絡建設就越省錢，競爭起來就越有利。這就是為什么，這些年，電信、移動、聯通為了低頻段而爭得頭破血流。
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有的頻段甚至被稱為——黃金頻段。
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這也是為什么，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。）
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所以，基于以上原因，在高頻率的前提下，為了減輕網絡建設方面的成本壓力，5G必須尋找新的出路。
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首先，就是微基站。?
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微 基 站
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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！
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宏基站：
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室外常見，建一個覆蓋一大片
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微基站：
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還有更小的，巴掌那么大
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其實，微基站現在就有不少，尤其是城區和室內，經常能看到。
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以后，到了5G時代，微基站會更多，到處都會裝上，幾乎隨處可見。
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那么多基站在身邊，會不會對人體造成影響？不會。
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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！?
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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？
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大功率方案▼
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小功率方案▼
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基站小，功率低，對大家都好。如果只采用一個大基站，離得近，輻射大，離得遠，沒信號，反而不好。
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天線去哪了？
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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，為什么現在我們的手機都沒有天線了？
其實，我們并不是不需要天線，而是我們的天線變小了。
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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！?
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毫米波通信，天線也變成毫米級。。。
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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。。。
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這就是5G的第三大殺手锏——?
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Ｍassive MIMO（大規模多天線技術）
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MIMO就是“多進多出”（Multiple-Input Multiple-Output），多根天線發送，多根天線接收。
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在LTE時代，我們就已經有MIMO了，但是天線數量并不算多，只能說是初級版的MIMO。
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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）。
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手機里面都能塞好多根天線，基站就更不用說了。
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以前的基站，天線就那么幾根：
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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，要得密集恐懼癥的節奏。。。
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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。
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你是直的？還是彎的？
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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，對于光，當然是照亮整個房間，如果只是想照亮某個區域或物體，那么，大部分的光都浪費了。。。
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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——
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波 束 賦 形
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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，使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常狹窄，并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。
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?別收我錢，行不行？?
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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。。。
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而在5G時代，這種情況就不一定了。
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5G的第五大特點——D2D，也就是Device to Device（設備到設備）。
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Ｄ２Ｄ
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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。。。
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這樣，就節約了大量的空中資源，也減輕了基站的壓力。?
END
總結
以上是生活随笔為你收集整理的通信算法之二十六：5G讲的这么简单明了的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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