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                5G 屏蔽箱

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                用最簡單的方式告訴你,什么是5G、5G毫米波?

                首頁 人氣:1193 發表時間:2020-06-23
                有些原理理解起來非常困難,有了公式,理解起來就不一樣了!那么什么是5G毫米波?今天佳晨跟大家一起學習下一個神奇的公式 C=λν,公式非常簡單,一共只有 3 個字母。但它非常神奇,是因為這個公式蘊含了博大精深的通信技術奧秘,這個星球上有無數的人都在為之魂牽夢繞無線通訊技術,是什么讓你如此癡迷的愛著你的手機……

                有史以來最強的 5G 入門科普!

                我相信很多理科同學都認識它,如果沒認出來,盡快面壁云吧,記得有空多給你的中學物理老師打打電話!

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                佳晨解釋下這個公式C=λν:光速 = 波長 × 頻率。

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                這個公式,就是無線技術的五指山,無論是 1G、2G、3G,還是 4G、5G,只要是無線波、微波、電磁波的,萬變不離其宗,全部都是在它身上做文章,沒有跳出它的「五指山」。

                且聽我慢慢道來。。。

                 

                通訊技術的有線,無線技術的傳輸革命

                通信技術,無論什么黑科技、白科技,核科技、歸根到底,就分為兩種:有線通信和無線通信。

                當電話接通時,當聊天發生時,信息數據要么在空中傳播(看不見、摸不著),要么在實物中傳播(看得見、摸得著)。

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                實體傳輸媒介,基本上就是用的銅線、光纖這些線纜,統稱為有線介質,屬于傳統有線通信。在有線介質上傳播數據,速率可以達到很高的數值。

                以光纖為例,在實驗室中,單條光纖最大速度已達到了 26Tbps。。。是傳統網線的兩萬六千倍。。。

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                ▲ 光纖

                而利用無線傳播,通過空中波導傳播,傳播速率才是移動通信的瓶頸所在。目前主流的移動通信標準,是 4G LTE,理論速率只有 150Mbps(不包括載波聚合)。這個和有線是完全沒辦法相比的。

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                所以,5G 如果要實現端到端的高速率,重點是突破無線傳輸的瓶頸 。

                 

                5G毫米波:好大一個波

                無線通信就是利用電磁波進行通信。電波和光波,都屬于電磁波。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,具有很大的殺傷力,可以用來治療腫瘤。

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                ▲ 電磁波的不斷頻率

                我們目前主要使用電波進行通信。當然,光波通信也在崛起,例如 LiFi。

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                ▲ LiFi(Light Fidelity),可見光通信

                不偏題,回到電波先。

                電波屬于電磁波的一種,它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。

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                ▲ 不同頻率電波的用途

                請大家注意上面圖中的紅色字體。一直以來,我們主要是用中頻 ~ 超高頻進行手機通信的。例如經常說的「GSM900」、「CDMA800」,其實意思就是指,工作頻段在 900MHz 的 GSM,和工作頻段在 800MHz 的 CDMA。目前全球主流的 4G LTE 技術標準,屬于特高頻和超高頻。

                 

                我們國家主要使用超高頻:

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                大家能看出來,隨著 1G、2G、3G、4G 的發展,使用的電波頻率是越來越高的。這是為什么呢?這主要是因為, 頻率越高,能使用的頻率資源越豐富。頻率資源越豐富,能實現的傳輸速率就越高。

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                更高 的頻率→ 更多 的資源→ 更快 的速度

                 

                應該不難理解吧?頻率資源就像車廂,越高的頻率,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?

                如下圖所示:

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                5G 的頻率范圍,分為兩種:一種是 6GHz 以下,這個和目前我們的 2/3/4G 差別不算太大。還有一種,就很高了,在 24GHz 以上。

                目前,國際上主要使用 28GHz 進行試驗(這個頻段也有可能成為 5G 最先商用的頻段)。

                如果按 28GHz 來算,根據前文我們提到的公式:

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                好啦,這個就是 5G 的第一個技術特點——毫 米 波。

                請允許我再發一遍剛才那個頻率對照表:

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                請注意看最下面一行,是不是就是「毫米波」?

                繼續,繼續!好了,既然,頻率高這么好,你一定會問:「為什么以前我們不用高頻率呢?」

                原因很簡單——不是不想用,是用不起。

                 

                電磁波的顯著特點:頻率越高,波長越短,越趨近于直線傳播(繞射能力越差)。 頻率越高,在傳播介質中的衰減也越大。

                你看激光筆(波長 635nm 左右),射出的光是直的吧,擋住了就過不去了。

                再看衛星通信和 GPS 導航(波長 1cm 左右),如果有遮擋物,就沒信號了吧。

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                衛星那口大鍋,必須校準瞄著衛星的方向,否則哪怕稍微歪一點,都會影響信號質量。

                移動通信如果用了高頻段,那么它最大的問題,就是傳輸距離大幅縮短, 覆蓋能力大幅減弱 。

                覆蓋同一個區域,需要的 5G 基站數量,將大大超過 4G。

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                基站數量意味著什么?錢??!投資??!成本??!

                頻率越低,網絡建設就越省錢,競爭起來就越有利。這就是為什么,這些年,電信、移動、聯通為了低頻段而爭得頭破血流。

                有的頻段甚至被稱為—— 黃金頻段 。

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                這也是為什么,5G 時代,運營商拼命懟設備商,希望基站降價。(如果真的上 5G,按以往的模式,設備商就發大財了。)

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                所以,基于以上原因,在高頻率的前提下,為了減輕網絡建設方面的成本壓力,5G 必須尋找新的出路。出路有哪些呢?

                 

                首先,就是微基站。

                微 基 站

                基站有兩種,微基站和宏基站??疵志椭?,微基站很小,宏基站很大!宏基站:

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                ▲ 室外常見,建一個覆蓋一大片

                微基站:

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                ▲ 看上去是不是很酷炫?

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                ▲ 還有更小的,巴掌那么大

                其實,微基站現在就有不少,尤其是城區和室內,經常能看到。

                以后,到了 5G 時代,微基站會更多,到處都會裝上,幾乎隨處可見。

                你肯定會問,那么多基站在身邊,會不會對人體造成影響?

                我的回答是——不會。

                其實,和傳統認知恰好相反,事實上,基站數量越多,輻射反而越??!

                你想一下,冬天,一群人的房子里,一個大功率取暖器好,還是幾個小功率取暖器好?

                大功率方案▼

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                小功率方案▼

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                上面的圖,一目了然了?;拘?,功率低,對大家都好。如果只采用一個大基站,離得近,輻射大,離得遠,沒信號,反而不好。

                天線去哪了?

                大家有沒有發現,以前大哥大都有很長的天線,早期的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?

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                其實,我們并不是不需要天線,而是我們的天線變小了。

                根據天線特性,天線長度應與波長成正比,大約在 1/10~1/4 之間。

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                隨著時間變化,我們手機的通信頻率越來越高,波長越來越短,天線也就跟著變短啦!

                毫米波通信,天線也變成毫米級。。。

                這就意味著,天線完全可以塞進手機的里面,甚至可以塞很多根。。。

                這就是 5G 的第三大殺手锏——Massive MIMO(多天線技術)

                MIMO 就是「多進多出」(Multiple-Input Multiple-Output),多根天線發送,多根天線接收。

                在 LTE 時代,我們就已經有 MIMO 了,但是天線數量并不算多,只能說是初級版的 MIMO。

                到了 5G 時代,繼續把 MIMO 技術發揚光大,現在變成了加強版的 Massive MIMO(Massive:大規模的,大量的)。

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                手機里面都能塞好多根天線,基站就更不用說了。

                以前的基站,天線就那么幾根:

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                5G 時代,天線數量不是按根來算了,是按「陣」。。?!柑炀€陣列」。。。一眼看去,要得密集恐懼癥的節奏。。。

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                不過,天線之間的距離也不能太近。

                因為天線特性要求,多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個波長以上。如果距離近了,就會互相干擾,影響信號的收發 。

                你是直的?還是彎的?

                大家都見過燈泡發光吧?

                其實,基站發射信號的時候,就有點像燈泡發光。信號是向四周發射的,對于光,當然是照亮整個房間,如果只是想照亮某個區域或物體,那么,大部分的光都浪費了。。。

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                基站也是一樣,大量的能量和資源都浪費了。我們能不能找到一只無形的手,把散開的光束縛起來呢?這樣既節約了能量,也保證了要照亮的區域有足夠的光。

                 

                答案是:可以。

                這就是——波 束 賦 形

                波束賦形;在基站上布設天線陣列,通過射頻信號相位的控制 ,使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常狹窄,并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。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鏈路,極大地提高基站的服務容量。

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                直的都能掰成彎的。。。還有什么是通信磚家干不出來的?

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                別收我錢,行不行?

                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(或手機對傳照片),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。5G 的第五大特點——D2D,也就是 Device to Device(設備到設備)。

                 

                D2D

                5G 時代,同一基站下的兩個用戶,如果互相進行通信,他們的數據將不再通過基站轉發,而是直接手機到手機。。。

                有史以來最強的 5G 入門科普!

                這樣,就節約了大量的空中資源,也減輕了基站的壓力。不過,如果你覺得這樣就不用付錢,那你就圖樣圖森破了。

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                控制消息還是要從基站走的,你用著頻譜資源,運營商爸爸怎么可能放過你。。。

                相信大家通過本文,對 5G 和她背后的通信知識已經有了深刻的理解。而這一切,都只是源于一個小學生都能看懂的數學公式。不是么?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創新革命技術,它更多是對現有通信技術的演進。

                正如一位高人所說——

                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,在可以遇見的未來是基本不可能突破的。如何在科學原理的范疇內,進一步發掘通信的潛力,是通信行業眾多奮斗者們孜孜不倦的追求。

                能看到這里的都是真愛,不關注一下嗎?
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