5G到底是什么？看完秒懂！

　　互聯(lián)網(wǎng)改變了世界，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)重新塑造了生活，“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。人們對動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的要求是更高速、更便捷、更強(qiáng)大、更便宜，需求的“更”是沒有止境的，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。

　　5G該會(huì)有什么樣的技術(shù)？很多專家都有過預(yù)測，但能讓外行人能看懂的文章一篇都沒有，畢竟通信專業(yè)的門檻較高，特別是對未來技術(shù)的演進(jìn)問題更難以科普。這篇文章的寫法很特別，初中生水平就能看懂，通篇只需要您懂一個(gè)公式【光速=頻率×波長】。

　　一、緒論

　　1、雙駝峰規(guī)律

　　一項(xiàng)新技術(shù)概念出現(xiàn)后，在業(yè)界會(huì)出現(xiàn)一個(gè)研究討論的高潮，這是第一個(gè)駝峰。相關(guān)的學(xué)術(shù)論文會(huì)產(chǎn)為熱點(diǎn)，成堆的博士碩士依托這項(xiàng)新技術(shù)完成了畢業(yè)論文，雖然很熱鬧，但這僅僅局限在學(xué)術(shù)研討層面上，而在具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面還存在著很多問題，或者因成本原因而根本無法量產(chǎn)。

　　研究討論高潮逐漸降溫，這是第一個(gè)駝峰的下落期，接下來是低調(diào)務(wù)實(shí)的技術(shù)攻關(guān)，這個(gè)平臺(tái)期可能幾年也可能一二十年。當(dāng)技術(shù)問題都解決后，就會(huì)迎來商家量產(chǎn)和投入市場的熱潮，這就是第二個(gè)駝峰。

　　按照國際電信聯(lián)盟關(guān)于2020年的規(guī)劃，5年后就要全面進(jìn)入5G了，而到現(xiàn)在核心技術(shù)體系還沒有確立。

　　回顧3G技術(shù)發(fā)展史，國際電信聯(lián)盟于1998年6月30日接收了3G技術(shù)提案，并迎來了第一個(gè)駝峰期，直到2009年1月7日，工業(yè)和信息化部正式發(fā)放了三張3G牌照，這才進(jìn)入到第二個(gè)駝峰，平臺(tái)期持續(xù)了11年，特別是三張牌照之一的TD-SCDMA，直到2013年才真正成熟，平臺(tái)期長達(dá)15年，可剛成熟4G時(shí)代就來臨了。

　　按照“雙駝峰規(guī)律”，5年后將在全球推廣使用的技術(shù)，應(yīng)在2010年左右就迎來第一個(gè)駝峰，而不會(huì)在2020前的兩三年橫空出世，然后迅速被國際電信聯(lián)盟確定為全球的5G標(biāo)準(zhǔn)，這違反了一般的技術(shù)發(fā)展規(guī)律，不太可能成真。

　　2、通信技術(shù)的極限

　　通信技術(shù)可以用八個(gè)字概括，那就是調(diào)制、解調(diào)、編碼、解碼，這些技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)普遍到了平臺(tái)期，例如編碼的效率已經(jīng)接近了極限，內(nèi)部挖潛增效的余地越來越小，有些業(yè)界大牛甚至覺得通信已經(jīng)沒啥搞頭了，轉(zhuǎn)行去了醫(yī)療設(shè)備行業(yè)，把其扎實(shí)的通信功底用在了高精尖醫(yī)療電子設(shè)備研發(fā)方面，以追求更有希望的未來。

　　您可能會(huì)有疑問：科學(xué)技術(shù)越來越強(qiáng)，為什么不能把極限突破了呢？其實(shí)通信技術(shù)的極限并不是技術(shù)工藝方面的限制，而是建立在嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的推論，在可以遇見的未來是基本不可能突破的。

　　根據(jù)技術(shù)發(fā)展的“雙駝峰規(guī)律”和通信技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，不大可能會(huì)在未來幾年里橫空出世個(gè)令人驚異的新技術(shù)，5G技術(shù)應(yīng)是現(xiàn)有技術(shù)的新組合，是4G技術(shù)的再演進(jìn)。

　　為什么要有個(gè)“再”字？因?yàn)?G LTE的后三個(gè)字母就是長期演進(jìn)的意思，5G應(yīng)是在4G基礎(chǔ)上的再演進(jìn)。

　　二、5G關(guān)鍵技術(shù)

　　1、增加帶寬是關(guān)鍵

　　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。我依然記得讀研究生時(shí)，老師在講到帶寬時(shí)擲地有聲地說：“你們給我記住：高速就是寬帶，寬帶就是高速！”

　　人們對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】這個(gè)公式，知道這個(gè)公式就能看懂上面這個(gè)表格了，頻率與波長成反比，兩者之積等于光速，即30萬公里/秒。

　　請看表格中兩個(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。4G之前使用是特高頻段，5G就得往超高頻甚至更高的頻段發(fā)展了。根據(jù)國際電信聯(lián)盟的專家預(yù)測，將來有可能使用30GHz~60GHz的頻段，俄羅斯專家甚至提出了80GHz的方案。

　　30GHz以上的頻段，比上表中最后一項(xiàng)的超高頻還要高，其波長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)

　　電波傳播的特性很有趣，頻率越高（即波長越短）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)起來不容易對準(zhǔn)。請想象一個(gè)場景，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)

　　請您腦補(bǔ)一個(gè)場景，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，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。

　　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

　　根據(jù)天線理論，天線長度應(yīng)與波長成正比，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。

　　天線的長度為什么應(yīng)在波長的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)波長以上，手機(jī)的面積很小?，F(xiàn)在的手機(jī)天線是幾厘米長，多天線陣列是難以設(shè)置的。而隨著天線長度的降低，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)之間有很多對的信道并行通信，每一對天線都獨(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。

　　現(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)

　　中國主導(dǎo)的3G國際標(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，基站對手機(jī)的輻射波瓣是很窄的，這就知道了手機(jī)相對于基站的方向角，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

　　任何更新?lián)Q代的關(guān)鍵性技術(shù)，都必須是經(jīng)歷過多年研究的成熟技術(shù)，按規(guī)劃還有5年就要進(jìn)入5G時(shí)代了，不太可能突然出現(xiàn)一個(gè)全新的技術(shù)并被吸納為5G的國際標(biāo)準(zhǔn)中，考察5G的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)還得從成熟技術(shù)中尋找答案。

　　在傳統(tǒng)的宏基站大覆蓋的情況下提速是非常困難的，20%的頻譜利用率的提升都是了不起的成就，而在5G時(shí)代的千倍提速要求面前，這種內(nèi)部挖潛的方法是行不通的，只有通過大幅度的加大帶寬才有可能。

　　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。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。

　　三、后記

　　這篇5G科普您一定能看懂，而且還能理解一環(huán)扣一環(huán)的5大技術(shù)的原由，甚至覺得這是理所應(yīng)當(dāng)?shù)?。其?shí)，這種易讀性并不容易做到，尤其是技術(shù)門檻很高的通信專業(yè)，能讓外行越容易理解的文章，就越能體現(xiàn)作者的功力，這還真不是王婆賣瓜，而是一個(gè)在教育界有共識(shí)的道理。

　　真正的道理都不繁瑣，往往就是一句話的事，難就難在把這句話提煉出來讓更多的人理解。我寫過不少科普，現(xiàn)在看來對這篇是最滿意的，因?yàn)檫@篇講的不是“是什么”，而是“為什么”，是什么好講，為什么難說，尤其是把“為什么”給外行人講清楚，做到讓他們理所應(yīng)當(dāng)式的理解。這篇文章的內(nèi)容次序和寫法上進(jìn)行了反復(fù)斟酌并屢次重寫。