編者按：作為通信技術皇冠上最耀眼的寶石，5G顯得格外神秘，但今天這篇文章，告訴我們，5G 和她背後的那麽複雜晦澀的通信知識，竟然只是源於一個小學生都能看懂的數學公式。你相信嗎？
文|小棗君，原載於鮮棗課堂（ID：xzclasscom）
1
一個簡單且神奇的公式
今天的故事，從一個公式開始講起。
這是一個既簡單又神奇的公式。說它簡單，是因為它一共只有 3 個字母。而說它神奇，是因為這個公式蘊含了博大精深的通信技術奧秘，這個星球上有無數的人都在為之魂牽夢繞。
這個公式，就是它——
我相信很多同學都認出這個公式了，如果沒認出來，而且你又是一個理科生的話，請記得有空多給你的中學物理老師打打電話！
解釋一下，上面這個公式，這是物理學的基本公式，光速=波長×頻率。
對於這個公式，可以這麽說：無論是 1G、2G、3G，還是 4G、5G，萬變不離其宗，全部都是在它身上做文章，沒有跳出它的“五指山”。
且聽我慢慢道來。
2
有線？無線？
通信技術，無論什麽黑科技白科技，歸根到底，就分為兩種——有線通信和無線通信。
我和你打電話，信息數據要麽在空中傳播（看不見、摸不著），要麽在實物上傳播（看得見、摸得著）。
如果是在實體物質上傳播，就是有線通信，基本上就是用的銅線、光纖這些線纜，統稱為有線介質。
在有線介質上傳播數據，速率可以達到很高的數值。
以光纖為例，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。。。
而空中傳播這部分，才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。
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。
3
好神奇的波
大家都知道，無線通信就是利用電磁波進行通信。電波和光波，都屬於電磁波。
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。當然，光波通信也在崛起，例如 LiFi。
不偏題，回到電波先。
電波屬於電磁波的一種，它的頻率資源是有限的。
為了避免干擾和衝突，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。
請大家注意上面圖中的紅色字體。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：
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。
這是為什麽呢？
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。
應該不難理解吧？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。
那麽，5G 使用的頻率具體是多少呢？
如下圖所示：
5G 的頻率範圍，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（這個頻段也有可能成為 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：
好啦，這個就是 5G 的第一個技術特點——
4
毫米波
請允許我再發一遍剛才那個頻率對照表：
請注意看最下面一行，是不是就是“毫米波”？
繼續，繼續！
好了，既然，頻率高這麽好，你一定會問：“為什麽以前我們不用高頻率呢？”
原因很簡單——不是不想用，是用不起。
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。
你看雷射筆（波長 635nm 左右），射出的光是直的吧，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，就沒信號了吧。
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。
移動通信如果用了高頻段，那麽它最大的問題，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 基地台數量，將大大超過 4G。
基地台數量意味著什麽？錢啊！投資啊！成本啊！
頻率越低，網絡建設就越省錢，競爭起來就越有利。這就是為什麽，這些年，電信、移動、聯通為了低頻段而爭得頭破血流。
有的頻段甚至被稱為——黃金頻段。
這也是為什麽，5G 時代，運營商拚命懟設備商，希望基地台降價。（如果真的上 5G，按以往的模式，設備商就發大財了。）
所以，基於以上原因，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。
出路有哪些呢？
首先，就是微基地台。
5
微基地台
基地台有兩種，微基地台和宏基地台。看名字就知道，微基地台很小，宏基地台很大！
宏基地台：
室外常見，建一個覆蓋一大片
微基地台：
看上去是不是很酷炫？
還有更小的，巴掌那麽大
其實，微基地台現在就有不少，尤其是城區和室內，經常能看到。
以後，到了 5G 時代，微基地台會更多，到處都會裝上，幾乎隨處可見。
你肯定會問，那麽多基地台在身邊，會不會對人體造成影響？
我的回答是——不會。
其實，和傳統認知恰好相反，事實上，基地台數量越多，異塵餘生反而越小！
你想一下，冬天，一群人的房子裡，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
上面的圖，一目了然了。基地台小，功率低，對大家都好。如果隻採用一個大基地台，離得近，異塵餘生大，離得遠，沒信號，反而不好。
6
天線去哪了？
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，為什麽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！
毫米波通信，天線也變成毫米級。。。
這就意味著，天線完全可以塞進手機的裡面，甚至可以塞很多根。。。
這就是 5G 的第三大殺手鐧——
7
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）。
手機裡面都能塞好多根天線，基地台就更不用說了。
以前的基地台，天線就那麽幾根：
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，要得密集恐懼症的節奏。。。
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。
8
你是直的？還是彎的？
大家都見過燈泡發光吧？
其實，基地台發射信號的時候，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，那麽，大部分的光都浪費了。。。
基地台也是一樣，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
9
波束賦形
在基地台上布設天線陣列，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，極大地提高基地台的服務容量。
直的都能掰成彎的。。。還有什麽是通信磚家乾不出來的？
10
別收我錢，行不行？
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），信號都是通過基地台進行轉運站的，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）。
11
Ｄ２Ｄ
5G 時代，同一基地台下的兩個用戶，如果互相進行通信，他們的數據將不再通過基地台轉發，而是直接手機到手機。。。
這樣，就節約了大量的空中資源，也減輕了基地台的壓力。
不過，如果你覺得這樣就不用付錢，那你就圖樣圖森破了。
控制消息還是要從基地台走的，你用著頻譜資源，運營商爸爸怎麽可能放過你。。。
後記
相信大家通過本文，對 5G 和她背後的通信知識已經有了深刻的理解。而這一切，都只是源於一個小學生都能看懂的數學公式。不是麽？
通信技術並不神秘，5G 作為通信技術皇冠上最耀眼的寶石，也不是什麽遙不可及的創新革命技術，它更多是對現有通信技術的演進。
正如一位高人所說——
通信技術的極限，並不是技術工藝方面的限制，而是建立在嚴謹數學基礎上的推論，在可以遇見的未來是基本不可能突破的。
如何在科學原理的範疇內，進一步發掘通信的潛力，是通信行業眾多奮鬥者們孜孜不倦的追求。
好啦，今天就到這裡吧。
版權信息
本文作者小棗君，原載於鮮棗課堂（ID：xzclasscom），原標題《一文帶你秒懂5G黑科技》，財經記者圈經授權發布，特此感謝！最近主編開放了自己的微信私號，有興趣的朋友可以添加（ID：jinrong301），歡迎溝通交流。
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