01
一个简单且神奇的公式
今天的故事，从一个公式开始讲起。
这是一个既简单又神奇的公式。说它简单，是因为它一共只有 3 个字母。而说它神奇，是因为这个公式蕴含了博大精深的通信技术奥秘，这个星球上有无数的人都在为之魂牵梦绕。
这个公式，就是它——
我相信很多同学都认出这个公式了，如果没认出来，而且你又是一个理科生的话，请记得有空多给你的中学物理老师打打电话！
解释一下，上面这个公式，这是物理学的基本公式，光速=波长×频率。
对于这个公式，可以这么说：无论是 1G、2G、3G，还是 4G、5G，万变不离其宗，全部都是在它身上做文章，没有跳出它的“五指山”。
且听我慢慢道来。
02
有线？无线？
通信技术，无论什么黑科技白科技，归根到底，就分为两种——有线通信和无线通信。
我和你打电话，信息数据要么在空中传播（看不见、摸不着），要么在实物上传播（看得见、摸得着）。
如果是在实体物质上传播，就是有线通信，基本上就是用的铜线、光纤这些线缆，统称为有线介质。
在有线介质上传播数据，速率可以达到很高的数值。
以光纤为例，在实验室中，单条光纤最大速度已达到了26Tbps。。。是传统网线的两万六千倍。。。
光纤
而空中传播这部分，才是移动通信的瓶颈所在。
目前主流的移动通信标准，是 4G LTE，理论速率只有 150Mbps（不包括载波聚合）。这个和有线是完全没办法相比的。
所以，5G 如果要实现端到端的高速率，重点是突破无线这部分的瓶颈。
03
好神奇的波
大家都知道，无线通信就是利用电磁波进行通信。电波和光波，都属于电磁波。
电磁波的功能特性，是由它的频率决定的。不同频率的电磁波，有不同的属性特点，从而有不同的用途。
例如，高频的 γ 射线，具有很大的杀伤力，可以用来治疗肿瘤。
电磁波的不断频率
我们目前主要使用电波进行通信。当然，光波通信也在崛起，例如 LiFi。
LiFi（Light Fidelity），可见光通信
不偏题，回到电波先。
电波属于电磁波的一种，它的频率资源是有限的。
为了避免干扰和冲突，我们在电波这条公路上进一步划分车道，分配给不同的对象和用途。
不同频率电波的用途
请大家注意上面图中的红色字体。一直以来，我们主要是用中频~超高频进行手机通信的。
例如经常说的“GSM900”、“CDMA800”，其实意思就是指，工作频段在 900MHz 的 GSM，和工作频段在 800MHz 的 CDMA。
目前全球主流的 4G LTE 技术标准，属于特高频和超高频。
我们国家主要使用超高频：
大家能看出来，随着 1G、2G、3G、4G 的发展，使用的电波频率是越来越高的。
这是为什么呢？
这主要是因为，频率越高，能使用的频率资源越丰富。频率资源越丰富，能实现的传输速率就越高。
更高的频率更多的资源更快的速度
应该不难理解吧？频率资源就像车厢，越高的频率，车厢越多，相同时间内能装载的信息就越多。
那么，5G 使用的频率具体是多少呢？
如下图所示：
5G 的频率范围，分为两种：一种是 6GHz 以下，这个和目前我们的2/3/4G 差别不算太大。还有一种，就很高了，在 24GHz 以上。
目前，国际上主要使用 28GHz 进行试验（这个频段也有可能成为 5G 最先商用的频段）。
如果按 28GHz 来算，根据前文我们提到的公式：
好啦，这个就是 5G 的第一个技术特点——
04
毫米波
请允许我再发一遍刚才那个频率对照表：
请注意看最下面一行，是不是就是“毫米波”？
继续，继续！
好了，既然，频率高这么好，你一定会问：“为什么以前我们不用高频率呢？”
原因很简单——不是不想用，是用不起。
电磁波的显着特点：频率越高，波长越短，越趋近于直线传播（绕射能力越差）。频率越高，在传播介质中的衰减也越大。
你看激光笔（波长 635nm 左右），射出的光是直的吧，挡住了就过不去了。
再看卫星通信和 GPS 导航（波长 1cm 左右），如果有遮挡物，就没信号了吧。
卫星那口大锅，必须校准瞄着卫星的方向，否则哪怕稍微歪一点，都会影响信号质量。
移动通信如果用了高频段，那么它最大的问题，就是传输距离大幅缩短，覆盖能力大幅减弱。
覆盖同一个区域，需要的 5G 基站数量，将大大超过 4G。
基站数量意味着什么？钱啊！投资啊！成本啊！
频率越低，网络建设就越省钱，竞争起来就越有利。
这也是为什么，5G 时代，运营商拼命怼设备商，希望基站降价。（如果真的上 5G，按以往的模式，设备商就发大财了。）
所以，基于以上原因，在高频率的前提下，为了减轻网络建设方面的成本压力，5G 必须寻找新的出路。
出路有哪些呢？
首先，就是微基站。
05
微基站
基站有两种，微基站和宏基站。看名字就知道，微基站很小，宏基站很大！
宏基站：
室外常见，建一个覆盖一大片
微基站：
看上去是不是很酷炫？
还有更小的，巴掌那么大。
其实，微基站现在就有不少，尤其是城区和室内，经常能看到。
以后，到了 5G 时代，微基站会更多，到处都会装上，几乎随处可见。
你肯定会问，那么多基站在身边，会不会对人体造成影响？
我的回答是——不会。
其实，和传统认知恰好相反，事实上，基站数量越多，辐射反而越小！
你想一下，冬天，一群人的房子里，一个大功率取暖器好，还是几个小功率取暖器好？
大功率方案
小功率方案
上面的图，一目了然了。基站小，功率低，对大家都好。
06
天线去哪了？
大家有没有发现，以前大哥大都有很长的天线，早期的手机也有突出来的小天线，为什么现在我们的手机都没有天线了？
其实，我们并不是不需要天线，而是我们的天线变小了。
根据天线特性，天线长度应与波长成正比，大约在 1/10~1/4 之间。
随着时间变化，我们手机的通信频率越来越高，波长越来越短，天线也就跟着变短啦！
毫米波通信，天线也变成毫米级。。。
这就意味着，天线完全可以塞进手机的里面，甚至可以塞很多根。。。
这就是 5G 的第三大杀手锏——
07
Ｍassive MIMO
（多天线技术）
MIMO 就是“多进多出”（Multiple-Input Multiple-Output），多根天线发送，多根天线接收。
在 LTE 时代，我们就已经有 MIMO 了，但是天线数量并不算多，只能说是初级版的 MIMO。
到了 5G 时代，继续把 MIMO 技术发扬光大，现在变成了加强版的 Massive MIMO（Massive：大规模的，大量的）。
手机里面都能塞好多根天线，基站就更不用说了。
以前的基站，天线就那么几根：
5G 时代，天线数量不是按根来算了，是按“阵”。。。“天线阵列”。。。一眼看去，要得密集恐惧症的节奏。。。
不过，天线之间的距离也不能太近。
因为天线特性要求，多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上。如果距离近了，就会互相干扰，影响信号的收发。
08
大家都见过灯泡发光吧？
其实，基站发射信号的时候，就有点像灯泡发光。
信号是向四周发射的，对于光，当然是照亮整个房间，如果只是想照亮某个区域或物体，那么，大部分的光都浪费了。。。
基站也是一样，大量的能量和资源都浪费了。
我们能不能找到一只无形的手，把散开的光束缚起来呢？
这样既节约了能量，也保证了要照亮的区域有足够的光。
答案是：可以。
这就是——波 束 赋 形
09
波束赋形
在基站上布设天线阵列，通过对射频信号相位的控制，使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常狭窄，并指向它所提供服务的手机，而且能根据手机的移动而转变方向。
这种空间复用技术，由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务，波束之间不会干扰，在相同的空间中提供更多的通信链路，极大地提高基站的服务容量。
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别收我钱，行不行？
在目前的移动通信网络中，即使是两个人面对面拨打对方的手机（或手机对传照片），信号都是通过基站进行中转的，包括控制信令和数据包。。。
而在 5G 时代，这种情况就不一定了。
5G 的第五大特点——D2D，也就是 Device to Device（设备到设备）。
11
Ｄ２Ｄ
5G 时代，同一基站下的两个用户，如果互相进行通信，他们的数据将不再通过基站转发，而是直接手机到手机。。。
这样，就节约了大量的空中资源，也减轻了基站的压力。
不过，如果你觉得这样就不用付钱，那你就想多了。
控制消息还是要从基站走的，你用着频谱资源，运营商怎么可能放过你。。。
后记
相信大家通过本文，对 5G 和她背后的通信知识已经有了深刻的理解。而这一切，都只是源于一个小学生都能看懂的数学公式。不是吗？
通信技术并不神秘，5G 作为通信技术皇冠上最耀眼的宝石，也不是什么遥不可及的创新革命技术，它更多是对现有通信技术的演进。
正如一位高人所说——
通信技术的极限，并不是技术工艺方面的限制，而是建立在严谨数学基础上的推论，在可以预见的未来是基本不可能突破的。
如何在科学原理的范畴内，进一步发掘通信的潜力，是通信行业众多奋斗者们孜孜不倦的追求。
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责编：zhangmm
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