5G到底是如何工作的，關于5G技術的詳細講解

（文章來源：EDA365網）
如今，在合適的城市使用合適的手機，你可以獲得超過1G / s的下載速度，這比典型的4G LTE快20至30倍，但是關鍵是有合適的電話和合適的城市。5G并沒有被廣泛的應用，組成5G的一系列技術仍然是一團糟，而這一系列技術是關鍵。5G不是由一項技術決定，它是各種技術改進的集合，包括天線設計、手機信號塔和更廣泛的無線電頻譜，目前尚不清楚哪種變化會帶來最大的不同。由于不同的運營商專注于不同的技術，所以你對5G的體驗也可能大不相同。當我們談到5G會帶來什么好處或者什么壞處時，首先讓我們回答一個基本問題：什么是蜂窩網絡？

什么是蜂窩網絡？之所以叫蜂窩網絡，是因為網絡像蜂窩一樣被分成許多塊。設想一下，在一個早期手機網絡中，手機通過一個特定的無線頻率(比如可用頻譜的一部分)與一個發(fā)射塔相連，而每一個發(fā)射塔都對連接人數(shù)有一個限制。為了獲得更多的客戶，手機公司建立了更多的發(fā)射塔，并讓這些發(fā)射塔盡可能多地廣播頻率或頻道。但是，如果兩個發(fā)射塔相鄰，并且使用相同的頻率，這將變得很棘手，它實際上會限制可以使用它們的人數(shù)。因為如果兩個人試圖在同一頻道上使用同一頻段，則可能會受到干擾，甚至可能接聽陌生人的電話。

因此我們讓彼此靠近的塔使用不同的頻段，但只有這么多的頻段可以工作，并且我們希望有盡可能多的人同時在網絡上，所以我們讓四個塔距離足夠遠，這時可以重用一些頻譜并且不用擔心重疊。如果塔與塔之間有足夠的物理距離，使用相同的頻道就不會受到干擾，最終你會得到一個蜂窩模式。如今，大多數(shù)基站都是三角形的，在三個方向上分別廣播不同的頻道，以盡可能少的基站覆蓋最大的范圍。距離較近的較小的塔可以提高密集城市的容量，而距離較遠的較大塔可以覆蓋農村地區(qū)，大多數(shù)蜂窩技術都是為了讓這些頻譜片段編碼越來越多的數(shù)據(jù)，讓更多的人同時連接到每個塔上。

5G將如何改變這一切呢？早期的手機信號塔可能最多只支持十幾個人進行語音電話，但是現(xiàn)代網絡使用諸如分時、高級編碼和調制等技巧來支持成百上千的人同時使用Netflix和Verizon Facebook。其實，這個改變并不是指硬件上的改變，5G是范圍更廣的e/m頻譜，也就是說，它給人們更大的頻段，傳統(tǒng)的手機信號在e/m頻譜上的頻率大多在500到2500MHz之間，但5G可以使用比這高20倍的頻率。新的無線電規(guī)范分為兩個部分：FR1大約覆蓋400至6000MHz，F(xiàn)R2大約覆蓋24至50GHz（毫米波）。

手機信號是一種電磁波，就像光一樣，赫茲是頻率或每秒波攜帶的波峰和波谷的數(shù)量，較低的頻率更容易傳輸更長的距離，它們可以環(huán)繞或穿過大多數(shù)物體。讓我們想想聲波，你可以從鄰居的音響聽到低音，但是高音的高頻信號在到達你之前就被吸收了。正因為如此，美國的t-mobile和AT＆T等公司已經推出了600和850兆赫的所謂的低頻段5G網絡， 這些設備覆蓋范圍廣，所需的塔數(shù)相對較少。但是它們在低頻范圍內存在很大的缺點，即帶寬不多，速度也慢得多。

在低頻下，沒有那么多的頻譜可以分割。在600至1000兆赫茲之間沒有很大的選擇范圍，所以頻道往往很小，比如10或20兆赫，通道小，速度就越慢，在某些情況下，速度實際上并不比4G快多少。正因為如此，世界上大多數(shù)的寬帶提供商實際上都把注意力放在了中頻上，中頻目前運行在大約2500到4700兆赫之間，但以后可能會擴展到7000兆赫。這是比目前大多數(shù)蜂窩系統(tǒng)更高的頻率，它可能需要更多的塔才能獲得相同的覆蓋范圍。但是它具有更多可用頻譜，信道的帶寬可以在50或100兆赫茲之間，這可能使數(shù)據(jù)傳輸速度更快。

除了Sprint（美國第四大無線運營商）外，美國運營商目前基本上忽略了中頻段，而是專注于24到50千兆赫之間的高端毫米波。這里有很多可用的頻譜，可以支持寬至800兆赫的頻道，但它也有一些大的缺點。在討論這些之前，我們先來談談實際技術中發(fā)生了什么變化。單元信號使用一種稱為QAM（Quadrature Amplitude Modulation）即正交幅度調制技術，它將正弦信號扭曲成各種形狀，然后將其解碼為1和0的集合，4QAM有四種形狀，分別對應于0 0 、0 1 、1 0 和 1 1。16 QAM有16個要編碼的形狀，您可以理解為，調制越復雜，可以傳遞的數(shù)據(jù)就越多。

但信號越強，你就越需要能夠讀取和破譯它，你的手機和信號塔將根據(jù)你的接收情況放大或縮小QAM，在一個理想的情況下，在一個全新的LTE手機塔旁邊，你可以想象，你可以接收256 QAM，每個數(shù)據(jù)塊發(fā)送8個零或1。有了這些，你可能會驚訝地發(fā)現(xiàn)，5G信號目前的最大值為64 QAM。5G信號通常較弱，頻率較高，這意味著保持信號強度至關重要。所以總的來說，他們降低了這種編碼方式，這意味著5G的速度提升實際上是由于那些更寬的信道和更高的頻率，而不是過于調制信號，更復雜的1024 QAM也許有一天還會出現(xiàn)，但它甚至需要好幾年才能走出實驗室。

什么是massive MIMO？為了最大限度地利用這些高帶寬數(shù)據(jù)通道，他們實際上已經與一種名為massive MIMO的新技術配對，這種技術代表多輸入、多輸出。傳統(tǒng)的4G發(fā)射塔通常具有4到32個天線，在良好條件下，你的手機可能實際上能夠同時與多個天線通信，從而增加了它可以發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)量，目前大多數(shù)高端手機都支持4x4MIMO，這意味著它們可以與發(fā)射塔有4個活動連接。大規(guī)模MIMO基站將具有64至256個獨立天線，5G電話應該能夠實現(xiàn)8個甚至16個連接。隨著基站速度的進一步提高，毫米波實際上具有足夠的信道帶寬，因此該部分頻譜只需要2x2或4x4 MIMO。

但是對于中、低頻段的連接來說，大規(guī)模的MIMO技術應該是一個很大的提升，這實際上要求手機制造商生產一種有十幾根或更多天線的設備，這會增加電池使用成本,并可能會遇到物理限制，即很多天線要塞進手機。但隨著時間的流逝，這項技術應該會成熟并變得更便宜。這種大規(guī)模MIMO設計的一個優(yōu)點是還利用了波束成形，這是一種將信號定向到實際需要它的設備的技術。這并不是說天線會指向你的手機，而是通過使用天線陣列。如果你從兩個天線相互靠近的地方廣播相同的信號，那么它們的信號會在一些地方交叉重疊，這種重疊會比任何一個單獨的天線都能產生的信號都強。

通過將更多的天線組合在一起，你可以增強這種效果，在每個天線的所有波同時到達的地方創(chuàng)建一個波束。通過改變天線的相位，實際上，你可以彎曲并引導這束光束。塔臺將測量你手機發(fā)出的信號，以及從建筑物和地形反射回來的所有信號，它可以用它來幫助確定你的方向，并將其回復對準正確的位置。所以它不像激光，甚至也不像手電筒，但是通過把來自多個弱天線的信號結合起來，你可以用它們廣播的重疊來產生定向信號。這使得來自5G塔臺的中頻信號的傳輸距離接近目前的4G LTE，盡管頻率更高，并且每個塔臺都能支持更多用戶。

更高頻率的信號會更容易被吸收，而毫米波有足夠小的波長，它會被幾乎所有的東西擋住，樹，墻，玻璃都會擋住這些信號。毫米波確實有可能變得非常非常快，但從物理上講，它不太可能在密集的城市中心之外擴展，在戶外，我們可能每隔幾百米就需要一座塔，在室內，也許每50米就需要一座塔，但實際上在室內可能最終會成為這項技術的最佳方案。在商場、機場、辦公樓和體育場內使用小型蜂窩網絡，本質上是用手機自動識別和連接的超高速網絡取代Wi-Fi。

速度高達每秒千兆位，令人印象深刻。奇怪的是，美國公司通常忽略了中頻帶，這實際上是全球大多數(shù)5G網絡正在建設的頻帶，雖然它可能無法實現(xiàn)數(shù)千兆位的速度，但中頻帶應該可以實現(xiàn)數(shù)百兆位的數(shù)據(jù)速率，而且這樣做沒有毫米波的距離損失，那么您可以用這樣的速度做什么呢？這樣的超快速度可能會使存儲設備可以立即檢索所有文件和媒體，或者想象一臺沒有存儲卡的相機，可以直接將4k視頻發(fā)送到云端。

在基礎設施、制造和研究等不那么令人興奮的領域，也存在巨大的潛力。高分辨率傳感器有可能將大量數(shù)據(jù)實時傳送到服務器進行分析，幫助計算機網絡和自動化系統(tǒng)適應不斷變化的條件。5G的另一個優(yōu)勢是延遲更低，5G聲稱能夠將手機與基站通信的延遲降低至1毫秒。這些數(shù)據(jù)速度可能是真正的汽車自動化的要求，自動駕駛汽車接收來自傳感器、紅綠燈和十字路口的數(shù)據(jù)，并與周圍的汽車共享它們的位置和意圖，甚至可能與一個市政計算機共享，該計算機可以幫助減少交通流量，部署應急車輛并監(jiān)控情況。

這一切聽起來都很驚人，但是仍有疑惑之處。現(xiàn)在美國的LTE速度仍然只有每秒16到30兆位，我們現(xiàn)在看到的5G網絡基本上是原型，雖然公司將繼續(xù)擴大容量，但現(xiàn)在這些網絡上也幾乎沒有手機，一旦有更多的5G手機出現(xiàn)，也很難知道它們的速度會有多快。當前我們的手機還不能支持5G技術，5G手機的價格也比較昂貴。在世界其他地區(qū)，中頻5G似乎確實有更大的潛力，它在仍有可能提高速度的同時，避免了毫米波的距離問題。

目前，5G的大筆投資也集中在那些已經有相當不錯的互聯(lián)網接入的城市。一些運營商在計劃限制5G速度，在美國，AT&T（一家美國電信公司）甚至提出了分層系統(tǒng)的可能性，在這種系統(tǒng)中，你需要額外付費才能獲得全速?，F(xiàn)階段，5G技術最為領先的還屬華為。
（責任編輯：fqj）