一個關于5G的故事

小棗君

今天這個關于5G（5th-Generation，第五代移動通信技術的簡稱）的故事，得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通信技術的無數奧秘，這個星球上有無數的人在為之魂牽夢繞：

這條物理學的基本公式，相信同學們都很熟悉，其中為光速，λ為波長，為頻率。對于這個公式，可以說是“萬變不離其宗”——無論哪一代通信技術，全部都是在它身上做文章。

有線還是無線？

按介質來分的話，目前的通信技術可分為有線通信和無線通信。比如和朋友打電話，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）。如果是在實物上傳播，就屬于有線通信。比如銅質網線、光纖等都統稱為有線介質，在這些有線介質上傳播信息，速率可以達到很高的數值。以光纖為例，目前在實驗室中，單條光纖最大速度已達到了26 Tbps（1 Tbps=103 Gbps=106 Mbps），是我們家里用的普通千兆寬帶（1000 Mbps）網速的兩萬六千倍！

而在空中傳播這部分，正是無線通信的瓶頸所在。目前主流的移動通信標準是4G LTE，理論速率一般只有150 Mbps，這個速度和有線通信是完全沒辦法相比的。所以，未來移動通信如果要實現信息的高速率傳播，重點是在這方面取得突破。

不同頻率的電磁波

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（光波）對細胞具有很大的殺傷力，可以用來治療腫瘤;而較低頻的電波我們主要使用其進行通信。作為電磁波的一種，電波的頻率資源是有限的，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。

目前全球主流的4G LTE技術標準，屬于特高頻（頻率范圍為0.3 GHz—3 GHz）和超高頻（頻率范圍為3 GHz—30 GHz）。隨著移動通信技術的發展，我們所使用的電波頻率是越來越高的。為什么呢？這主要是因為頻率越高，能使用的頻率資源越豐富;而頻率資源越豐富，能實現的傳輸速率就越高。頻率資源就像車廂，越高的頻率即車廂越多，相同時間內能裝載的信息就越多。

那么，5G使用的頻率具體是多少呢？5G的頻率范圍分為兩種：主頻段的頻率范圍是450 MHz到6 GHz，已商用的5G頻段正位于此頻段，這個和目前我們的2G、3G、4G差別不算太大;而擴展頻段的頻率就很高了，頻率范圍是24 GHz到52 GHz，這個就是5G的第一個技術特點——“超高頻率，超短波長”。

同學們一定會問：“為什么以前我們不用高頻率呢？”原因很簡單，不是不想用，而是用不起。電磁波的顯著特點是頻率越高，波長越短，越趨近于直線傳播（繞射能力越差）。同時，頻率越高，在傳播介質中的衰減也越大，如果有遮擋物，就很容易出現沒信號的情況。移動通信如果用了高頻段，那么它的最大的問題，就是傳輸距離大幅縮短，覆蓋能力大幅減弱。因此，覆蓋同一個區域，需要的信號基站數量，將大大超過以往。

5G的一些新特性

（1）消失的天線

最早的手機“大哥大”有一條很長的天線，早期的功能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，天線并不是消失了，而是變小了。根據移動通信的特性，天線長度應與波長成正比，比例大約在1/10—1/4之間。隨著手機通信的頻率越來越高，波長越來越短，天線也就跟著變短了。在未來的毫米波通信時代，天線也會變成毫米級。這就意味著，一臺手機的里面可以有很多根天線，這就是MIMO（Multiple-Input ?Multiple-Output，多進多出），即多根天線發送，多根天線接收。

其實在4G時代，就已經有MIMO技術的應用了，但是天線數量并不算多，只能說是初級版;到了5G時代，工程師們繼續把MIMO技術發揚光大，變成了加強版的“Massive MIMO”（大規模天線陣列）。

手機里面都能有好多根天線，基站就更不用說了。不過，天線之間的距離也不能太近，如果距離近了，就會互相干擾，影響信號的收發。所以，多天線陣列要求每根天線之間的距離保持在半個波長以上。

（2）“化直為曲”

其實，基站在發射信號的時候，有點像日光燈發光。信號是向四周發射的，燈光也同樣是照亮整個房間，如果我們只是想照亮某個物體（手機），那么大量的電力（信號資源）都浪費了。我們能不能找到一只無形的手，把散開的光（信號）束縛起來，既節約電力（信號資源），也保證要照亮的物體有足夠的光（手機獲得良好信號）呢？答案是可以。

通過在基站上布設天線陣列，對發射信號相位進行控制，使得相互作用后的電磁波的方向變得非常狹窄，指向它所提供服務的手機，而且能根據手機的移動而轉變方向，這就是“波束賦形”技術。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能力，極大地提高基站的服務容量。

（3）終端直通

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（或互傳照片），信號都是通過基站進行中轉的，包括控制信令和數據包。而在5G時代，這種情況就不一定了，這就是5G的又一大特性——D2D，也就是Device to Device（終端直通）。5G時代，同一基站下的兩個用戶，如果互相進行通信，控制信令還是要從基站走的，但他們的數據將不再通過基站轉發，而是直接從手機到手機。這樣，不僅節約了大量的通信資源，也減輕了基站的壓力。

后記

相信同學們通過本文，對5G和背后的通信知識已經有了深刻的理解。而這一切，都只是源于一個只有3個字母的簡單的數學公式。通信技術并不神秘，5G作為通信技術皇冠上最耀眼的寶石，也不是什么遙不可及的革命技術，它更多是對現有通信技術的演進。通信技術的極限，并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。如何在科學原理的范疇內進一步發掘通信的潛力，是通信行業眾多工程師們孜孜不倦的追求。