LTE-5G學習筆記12--5G 技術通俗講解

       網際網路改變了世界，移動網際網路重新塑造了生活，“在家不能沒有網路，出門不能忘帶手機”已成為很多人的共同感受。人們對動網際網路的要求是更高速、更便捷、更強大、更便宜，需求的“更”是沒有止境的，這促使著移動網際網路技術突飛猛進，技術體制的更新換代也隨之越來越快。很多使用者剛剛踏入 4G 的門檻，5G 時代很快就要來到了。5G 該會有什麼樣的技術？很多專家都有過預測，但能讓外行人能看懂的文章一篇都沒有，畢竟通訊專業的門檻較高，特別是對未來技術的演進問題更難以科普，本文的寫法很特別，初中生水平就能看懂，通篇只需要您懂一個公式【光速=頻率×波長】。

一、緒論
1、雙駝峰規律
       一項新技術概念出現後，在業界會出現一個研究討論的高潮，這是第一個駝峰。相關的學術論文會產為熱點，成堆的博士碩士依託這項新技術完成了畢業論文，雖然很熱鬧，但這僅僅侷限在學術研討層面上，而在具體的技術實現方面還存在著很多問題，或者因成本原因而根本無法量產。研究討論高潮逐漸降溫，這是第一個駝峰的下落期，接下來是低調務實的技術攻關，這個平臺期可能幾年也可能一二十年，當技術問題都解決後，就會迎來商家量產和投入市場的熱潮，這就是第二個駝峰。按照國際電信聯盟關於 2020 年的規劃，5 年後就要全面進入 5G 了，而到現在核心技術體系還沒有確立。回顧 3G 技術發展史，國際電信聯盟於 1998 年 6 月30 日接收了 3G 技術提案，並迎來了第一個駝峰期，直到 2009 年 1 月 7 日,工業和資訊化部正式發放了三張 3G 牌照，這才進入到第二個駝峰，平臺期持續了11 年，特別是三張牌照之一的 TD-SCDMA，直到2013 年才真正成熟，平臺期長達 15 年，可剛成熟 4G時代就來臨了。按照“雙駝峰規律”，5 年後將在全球推廣使用的技術，應在 2010 年左右就迎來第一個駝峰，而不會在 2020前的兩三年橫空出世，然後迅速被國際電信聯盟確定為全球的 5G 標準，這違反了一般的技術發展規律，不太可能成真。
2、通訊技術的極限
       通訊技術可以用八個字概括，那就是調製、解調、編碼、解碼，這些技術發展到現在，已經普遍到了平臺期，例如編碼的效率已經接近了極限，內部挖潛增效的餘地越來越小，有些業界大牛甚至覺得通訊已經沒啥搞頭了，轉行去了醫療裝置行業，把其紮實的通訊功底用在了高精尖醫療電子裝置研發方面，以追求更有希望的未來。
您可能會有疑問：科學技術越來越強，為什麼不能把極限突破了呢？其實通訊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。根據技術發展的“雙駝峰規律”和通訊技術發展的現狀，不大可能會在未來幾年裡橫空出世個令人驚異的新技術，5G 技術應是現有技術的新組合，是 4G 技術的再演進。為什麼要有個“再”字？因為 4G LTE 的後三個字母就是長期演進的意思，5G 應是在 4G 基礎上的再演進。
二、5G 關鍵技術
1、增加頻寬是關鍵
       5G 最顯著的特點是高速，按規劃速率會高達 10～50Gbps，人均月流量大約有 36TB，如此高的速率該靠什麼資源來支撐呢？必須要靠更大的頻寬！

頻寬用字母 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頻寬。我依然記得讀研究生時，老師在講到頻寬時擲地有聲地說“你們給我記住：高速就是寬頻，寬頻就是高速！”。

       人們對通訊速率要求越來越高，迫使著通道的頻寬就越來越寬，幾根電話線的頻寬不夠，那就增加到幾百根，幾百根不夠就換成同軸電纜，電纜頻寬不夠就換成光纖，有線通訊的頻寬就是這樣一代代地遞增著。而手機通訊使用的是無線通道，那它的頻寬是如何增加的呢？核心方法就是採用更高的頻段。

上過初中的都知道【光速=頻率×波長】這個公式，知道這個公式就能看懂上面這個表格了，頻率與波長成反比，兩者之積等於光速，即 30 萬公里/秒。請看錶格中兩個黃色塊的資料，數值都是 3～30，但單位不同，甚低頻段的整個頻寬是 27kHz,超高頻段的整個頻寬是 27GHz,後者是前者的 100 萬倍！由此可見，頻段越高且頻寬越大，這點非常好理解，好比是低保戶和大富豪都拿出全部的財產，後者會比前者多得多。所以關係就來了：5G 時代若想更高速，就得使用更大的頻寬，而要取得更大的頻寬，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展了。根據國際電信聯盟的專家預測，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，比上表中最後一項的超高頻還要高，其波長自然要比釐米段更短，那就是更短的毫米波，因此毫米波就順理成章地成為了 5G 的一項關鍵技術。
2、毫米波技術
電波傳播的特性很有趣，頻率越高（即波長越短）的電磁波，就越傾向於直線傳播，當高到紅外線和可見光以上時，就一點也不打彎了，這是個漸進的過程。

       毫米波一般不用於行動通訊領域，原因就是它的頻率都快接近紅外線了，通道太“直”，移動起來不容易對準。請想象一個場景，您拿著鐳射筆指遠處牆壁上的圖釘，是不是一件很困難的事？例如衛星車就很難“動中通”，開動起來車身搖擺，天線（就是那個大鍋）就很難對準衛星，通常只能駐車後工作，而且必須精細調整天線的角度，使其電波的輻射方向正對著衛星，否則就無法通訊。手機是移動使用的，不可能打電話時還舉著手機瞄準準基站的方向，那樣實在是反人性。雖然在非正對方向也有訊號，但強度會明顯衰弱，使用體驗會比 4G之前要差得多。

       電磁波有五種傳播模式，相對於未來的 5G 時代，我們現在手機的頻率要低得多，其繞射能力還是不錯的，樓房陰影處的訊號也沒太大問題，因為訊號可以繞著到達。而未來 5G 的頻率會高得多，繞射能力會下降，訊號只能傻楞楞地直著走，以往訊號能到達的犄角旮旯就到不了了，那該怎麼辦呢？這就引出了更一項技術—微基站技術。
3、微基站技術
請您腦補一個場景，小區中心隻立著一盞路燈，陰影面積當然會很大，而如果在小區裡均勻設定很多路燈，陰影面積則會小得多了。所以說，將傳統的巨集基站變成站點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原由，還有一個更強大的原由。5G 時代的入網裝置數量會呈爆炸性的增長，單位面積
內的入網裝置可能會增至千倍，若延續以往的巨集基站覆蓋模式，即使基站的頻寬再大也無力支撐。這個原由很好理解，以前的巨集基站覆蓋 1000 個上網使用者，這些使用者均分這個基站的速率資源，而進入 5G 時代後使用者的速率要求高多了，一個基站的資源就遠遠不夠分了，只能佈設更多的基站，例如讓每個基站只負責20 個使用者，分餐的人少了，每個人自然就能多吃。基站微型化則設佈設密度會加大，為避免基站之間的頻譜互擾，基站的輻射功率譜就會降低，同時手機的輻射功率也會降低，這有兩個好外，一是功耗小了待機時間會增加，二是對人體的輻射會降低。傳統基站好比是房屋中間的火爐子，近處燙遠處冷，而 5G 的微基站就好比是地暖，發熱均勻更加舒適。微基站數量大幅度增加後，傳統的鐵塔和樓頂架設方式將會擴充套件，路燈杆、廣告燈箱、樓宇內部的天花板，都會是微基站架設的理想地點。波長縮短到毫米波還會有什麼影響呢？還會影響到手機天線的變化，這就是下一節要說的 5G 另一項技術—高階 MIMO。
4、高階 MIMO
       根據天線理論，天線長度應與波長成正比，大約在1/10~1/4 之間，當前手機使用的是甚高頻段（即分米波），天線長線大約在幾釐米左右，通常安裝在手機殼內的上部。天線的長度為什麼應在波長的 1/10~1/4 之間？因為這個比例可使電波的輻射和接收更有效，為什麼會更有效？這我就不知道了，這得問物理學家。5G 時代的手機頻率在提升幾十倍後，相應的手線天線長度也會降低到以前的幾十分之一，會變成毫米級的微型天線，手機裡就可以佈設很多個天線，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波長以上，手機的面積很小，現在的手機天線是幾釐米長，多天線陣列是難以設定的。而隨著天線長度的降低，特別是 5G 時代的毫米尺寸天線，就可以佈設多天線陣列了，就給高階 MIMO 技術的實現帶來了可能。

       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之間有很多對的通道並行通訊，每一對天線都獨立傳送一路資訊，經彙集後可成倍提高速率，這當然是件極好的事。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之間有很多對的通道並行通訊，每一對天線都獨立傳送一路資訊，經彙集後可成倍提高速率，這當然是件極好的事。

 不知您是否思考過這個問題：因為基站不知道您在哪個方位，所以它跟你通訊使用的電磁波是全向輻射的，就好像是電燈泡發出的光那樣，只有到達你手機的輻射才是有用的，其它方向的輻射都是浪費的，這種巨大的無用輻射還成為了其它手機的干擾。

       如上圖所示，因為手電筒的能量更集中，所以比燈泡照的更遠，基站與某部手機的關係就相當於光源與被照射物的關係，現在基站與手機的關係就是燈泡模式，不管手機在哪個方位，都會把針對這部手機的訊號進行全向的輻射，當然絕大多數非正對方向的能量都是浪費掉了，而且還成為了其它手機的干擾。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呢？從而提高能量的使用效率？這就是下節要說到的波束賦形技術。
5、波束賦形技術
       中國主導的 3G 國際標準 TD-SCDMA 有六大技術特點，其中有一項就是智慧天線，在基站上佈設天線陣列，通過對射頻訊號相位的控制，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。由全向的訊號覆蓋變為了精準指向性服務，這種新形式的無線電波束就不會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訊鏈路，這種充分利用空間的無線電波束技術是一種空間複用技術，這種技術可以極大地提高基站的服務容量。遺憾的是這項技術並非在 3G 時代得到應用，但在 5G入網裝置數量成百上千倍增加的情況下，這種波束賦形技術所能帶來的容量增加就顯得非常有價值，波束賦形技術很可能成為 5G 的關鍵性技術之一。波束賦形技術不僅能大幅度增加容量，還可大幅度提高基站定位精度，當前的手機基站定位的精度很粗劣，這是源於基站全向輻射的模式。而當波束賦型技術成功應用後，基站對手機的輻射波瓣是很窄的，這就知道了手機相對於基站的方向角，再加上通過接收功率大小推匯出手機與基站的距離，就可以實現手機的精準定位了，並因此而擴充套件出非常多的定位增值服務。
6、綜合分析
      任何更新換代的關鍵性技術，都必須是經歷過多年研究的成熟技術，按規劃還有 5 年就要進入 5G 時代了，不太可能突然出現一個全新的技術並被吸納為 5G 的國際標準中，考察 5G 的技術發展脈絡還得從成熟技術中尋找答案。在傳統的巨集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時代的千倍提速要求面前，這種內部挖潛的方法是行不通的，只有通過大幅度的加大頻寬才有可能。加大頻寬是起點，由此而產生的毫米波、微基站、高階 MIMO、波束賦型等都是順理成章的技術趨勢。只要把基站做得足夠小，其服務範圍變窄了，單個使用者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 的任何一項關鍵技術都不會有革命性的突破，其上千倍綜合能力的提升，更多地是來自行動網路的重新佈局。
三、後記
       這篇 5G 科普您一定能看懂，而且還能理解一環扣一環的 5 大技術的原由，甚至覺得這是理所應當的。其實，這種易讀性並不容易做到，尤其是技術門檻很高的通訊專業，能讓外行越容易理解的文章，就越能體現作者的功力，這還真不是王婆賣瓜，而是一個在教育界有共識的道理。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，現在看來對這篇是最滿意的，因為這篇講的不是“是什麼”，而是“為什麼”，是什麼好講，為什麼難說，尤其是把“為什麼”給外行人講清楚，做到讓他們理所應當式的理解。這篇文章的內容次序和寫法上進行了反覆斟酌並屢次重寫。

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