1. 首页
  2. 知识百科

第一次有人把5G讲的这么简单明了

一个简单的公式告诉你什么是5G。庞大的数据量需要比现有传输方式更快更便捷的通信技术——传输速率可达4G时代百倍以上的5G时代即将到来。

数字时代人们日常生活产生的数据呈指数爆炸式增长。从2001年到2015年,15年的时间内全世界产生的总数据量从0.7ZB(1ZB = 1,000,000,000 (109)TB)增长到了8.6ZB。而到2016年,仅仅一年过去这一数据就增长到了16.1ZB,预计到2025年,这一数据会再增长10倍达到163ZB。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

如此庞大的数据量自然需要比现有传输方式更快更便捷的通信技术——传输速率可达4G时代百倍以上的5G时代即将到来。

一个简单且神奇的公式

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——

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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。。。

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)。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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。。。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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。

好大一个波

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。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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:

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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:

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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:

第一次有人把5G讲的这么简单明了

好啦,这个就是5G的第一个技术特点——

毫 米 波

请允许我再发一遍刚才那个频率对照表:

第一次有人把5G讲的这么简单明了

请注意看最下面一行,是不是就是“毫米波”

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。

电磁波的显著特点: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。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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。这就是为什么,这些年,电信、移动、联通为了低频段而争得头破血流。

有的频段甚至被称为——黄金频段。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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。)

第一次有人把5G讲的这么简单明了

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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。

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:

第一次有人把5G讲的这么简单明了

室外常见,建一个覆盖一大片

微基站:

第一次有人把5G讲的这么简单明了

看上去是不是很酷炫?

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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▼

第一次有人把5G讲的这么简单明了

小功率方案▼

第一次有人把5G讲的这么简单明了

上面的图,一目了然了。基站小,功率低,对大家都好。如果只采用一个大基站,离得近,辐射大,离得远,没信号,反而不好。

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?

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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——

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)。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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:

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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。。。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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。

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)。

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。。。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

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,那你就图样图森破了。

第一次有人把5G讲的这么简单明了

控制消息还是要从基站走的,你用着频谱资源,运营商爸爸怎么可能放过你。。。

未来

这么强大的5G技术会对我们的未来生活产生怎么样的影响呢?我们选取了10个应用场景进行分析,探讨一下最能体现5G能力的十大应用场景。

1.云VR/AR – 实时计算机图像渲染和建模

VR/AR业务对带宽的需求是巨大的。高质量VR/AR内容处理走向云端,满足用户日益增长的体验要求的同时降低了设备价格,VR/AR将成为移动网络最有潜力的大流量业务。虽然现有4G网络平均吞吐量可以达到100 Mbps,但一些高阶VR/AR应用需要更高的速度和更低的延迟。

2.车联网 – 远控驾驶、编队行驶、自动驾驶

传统汽车市场将彻底变革,因为联网的作用超越了传统的娱乐和辅助功能,成为道路安全和汽车革新的关键推动力。

驱动汽车变革的关键技术—自动驾驶、编队行驶、车辆生命周期维护、传感器数据众包等都需要安全、可靠、低延迟和高带宽的连接,这些连接特性在高速公路和密集城市中至关重要,只有5G可以同时满足这样严格的要求。

3.智能制造 – 无线机器人云端控制

创新是制造业的核心,其主要发展方向有精益生产、数字化、工作流程以及生产柔性化。传统模式下,制造商依靠有线技术来连接应用。近些年Wi-Fi、蓝牙和WirelessHART等无线解决方案也已经在制造车间立足,但这些无线解决方案在带宽、可靠性和安全性等方面都存在局限性。

对于最新最尖端的智慧制造应用,灵活、可移动、高带宽、低时延和高可靠的通信(uRLLC)是基本的要求。

4.智慧能源 – 馈线自动化

在发达市场和新兴市场,许多能源管理公司开始部署分布式馈线自动化系统。馈线自动化(FA)系统对于将可再生能源整合到能源电网中具有特别重要的价值,其优势是降低运维成本和提高可靠性。馈线自动化系统需要超低时延的通信网络支撑,譬如5G。通过为能源供应商提供智能分布式馈线系统所需的专用网络切片,移动运营商能够与能源供应商优势互补,这使得他们能够进行智能分析并实时响应异常信息,从而实现更快速准确的电网控制。

5.无线医疗 – 具备力反馈的远程诊断

在过去5年,移动互联网在医疗设备中的使用正在增加。医疗行业开始采用可穿戴或便携设备集成远程诊断、远程手术和远程医疗监控等解决方案。

6.无线家庭娱乐 – 超高清8K视频和云游戏

5G的首要商业用例之一是固定无线接入(或称作WTTx)- 使用移动网络技术而不是固定线路提供家庭互联网接入。由于使用了现有的站点和频谱,WTTx部署起来更加方便。

据预测,2020年全球一半的电视观众将使用4K/8K电视。8K视频的带宽需求超过100Mbps,需要5G WTTx的支持。其它基于视频的应用(如家庭监控,流媒体和云游戏)也将受益于5G WTTx。例如,目前的云游戏平台通常不会提供高于720p的图像质量,因为大部分家庭网络还不够先进。5G有望以90 fps的速度提供响应式和沉浸式的4K游戏体验,这将使大部分家庭的数据速率高于75 Mbps,延迟低于10毫秒。

7.联网无人机 – 专业巡检和安防

通过部署无人机平台可以快速实现效率提升和安全改善。5G网络将提升自动化水平,使能分析解决方案,这将对诸多行业转型产生影响。比如,对风力涡轮机上的转子叶片的检查将不再由训练有素的工程师通过遥控无人机来完成,而是由部署在风力发电场的自动飞行无人机完成,不需要人力干预。再比如,无人机行业解决方案有助于保护石油和天然气管道等基础资产和资源,还可以应用于提高农业生产率。无人机在安全和运输领域的使用和应用也在加速。

8.社交网络 – 超高清/全景直播

移动视频业务不断发展,从观看点播视频内容到以新模式创建和消费视频内容。目前最显著的两大趋势是社交视频和移动实时视频:

一方面,一些领先的社交网络推出直播视频,例如Facebook和Twitter;

另一方面,直播视频的社交性,包括视频主播和观众之间以及观众之间的互动,正在推动移动直播视频业务在中国的广泛应用和直接货币化。

9.个人AI辅助 – AI辅助智能头盔

伴随着智能手机市场的成熟,可穿戴和智能助理有望引领下一波智能设备的普及。由于电池使用时间,网络延迟和带宽限制,个人可穿戴设备通常采用Wi-Fi或蓝牙进行连接,需要经常与计算机和智能手机配对,无法作为独立设备存在。

5G将同时为消费者领域和企业业务领域的可穿戴和智能辅助设备提供机会。可穿戴设备将为制造和仓库工作人员提供“免提”式信息服务。云端AI使可穿戴设备具有AI能力,如搜索特定物体或人员。

在消费者领域,导盲头盔可以利用计算机视觉、三维建模、实时导航和定位技术为盲人提供新的“眼睛”。

10.智慧城市 – AI使能的视频监控

城市视频监控是一个非常有价值的工具,它不仅提高了安全性,而且也大大提高了企业和机构的工作效率。在成本可接受的前提下,摄像头数据收集和分析的技术进一步推动了视频监控需求的增长。AI可以使计算机从图像,声音和文本中提取大量的数据,如人脸识别,车辆、车牌识别或其他视频分析。例如,视频监控系统对入侵者的检测可以触发有关门禁的自动锁定,在执法人员到达之前将入侵者控制住。

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。不是么?

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,在可以遇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。

原创文章,作者:Redwinam,如若转载,请注明出处:https://ipfsdrop.com/wiki/diyiciyourenba5gjiangdezhemejiandanmingle/

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

联系我们

(+86)18301922335

在线咨询:点击这里给我发消息

邮件:haskell@freechains.cn

工作时间:7×24小时

QR code