5G是什么看完秒懂

■曹勇

5G是什么看完秒懂

■曹勇

互聯網改變了世界，移動互聯網重新塑造了生活，“在家不能沒有網絡，出門不能忘帶手機”已成為很多人的共同感受。人們對動互聯網的要求是更高速、更便捷、更強大、更便宜，需求的“更”是沒有止境的，這促使著移動互聯網技術突飛猛進，技術體制的更新換代也隨之越來越快。很多用戶剛剛踏入4G的門檻，5G時代很快就要來到了。

5G該會有什么樣的技術？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，畢竟通信專業的門檻較高，特別是對未來技術的演進問題更難以科普。這篇文章的寫法很特別，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后，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，成堆的博士碩士依托這項新技術完成了畢業論文，雖然很熱鬧，但這僅僅局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。當技術問題都解決后，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于2020年的規劃，5年后就要全面進入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，國際電信聯盟于1998年6月30日接收了3G技術提案，并迎來了第一個駝峰期，直到2009年1月7日，工業和信息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年后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，然后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、通信技術的極限

通信技術可以用八個字概括，那就是調制、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，內部挖潛增效的余地越來越小，有些業界大牛甚至覺得通信已經沒啥搞頭了，轉行去了醫療設備行業，把其扎實的通信功底用在了高精尖醫療電子設備研發方面，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，為什么不能把極限突破了呢？其實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。

根據技術發展的“雙駝峰規律”和通信技術發展的現狀，不大可能會在未來幾年里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。

為什么要有個“再”字？因為4G LTE的后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、增加帶寬是關鍵

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么資源來支撐呢？必須要靠更大的帶寬！

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

人們對通信速率要求越來越高，迫使著信道的帶寬就越來越寬，幾根電話線的帶寬不夠，那就增加到幾百根，幾百根不夠就換成同軸電纜，電纜帶寬不夠就換成光纖，有線通信的帶寬就是這樣一代代地遞增著。

而手機通信使用的是無線信道，那它的帶寬是如何增加的呢？核心方法就是采用更高的頻段。

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，兩者之積等于光速，即30萬公里/秒。

請看表格中兩個黃色塊的數據，數值都是3～30，但單位不同，甚低頻段的整個帶寬是27kHz，超高頻段的整個帶寬是27GHz，后者是前者的100萬倍！由此可見，頻段越高且帶寬越大，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，后者會比前者多得多。

所以關系就來了：5G時代若想更高速，就得使用更大的帶寬，而要取得更大的帶寬，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，比上表中最后一項的超高頻還要高，其波長自然要比厘米段更短，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，就越傾向于直線傳播，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。

毫米波一般不用于移動通信領域，原因就是它的頻率都快接近紅外線了，信道太“直”，移動起來不容易對準。請想象一個場景，您拿著激光筆指遠處墻壁上的圖釘，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，通常只能駐車后工作，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，否則就無法通信。

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信號，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，相對于未來的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，樓房陰影處的信號也沒太大問題，因為信號可以繞著到達。

而未來5G的頻率會高得多，繞射能力會下降，信號只能傻楞楞地直著走，以往信號能到達的犄角旮旯就到不了了，那該怎么辦呢？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，小區中心只立著一盞路燈，陰影面積當然會很大，而如果在小區里均勻設置很多路燈，陰影面積則會小得多了。所以說，將傳統的宏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時代的入網設備數量會呈爆炸性的增長，單位面積內的入網設備可能會增至千倍，若延續以往的宏基站覆蓋模式，即使基站的帶寬再大也無力支撐。

這個原由很好理解，以前的宏基站覆蓋1000個上網用戶，這些用戶均分這個基站的速率資源，而進入5G時代后用戶的速率要求高多了，一個基站的資源就遠遠不夠分了，只能布設更多的基站，例如讓每個基站只負責20個用戶，分餐的人少了，每個人自然就能多吃。

基站微型化則設布設密度會加大。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后，傳統的鐵塔和樓頂架設方式將會擴展，路燈桿、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么影響呢？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），天線長線大約在幾厘米左右，通常安裝在手機殼內的上部。

天線的長度為什么應在波長的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，為什么會更有效？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后，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，手機里就可以布設很多個天線，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厘米長，多天線陣列是難以設置的。而隨著天線長度的降低，特別是5G時代的毫米尺寸天線，就可以布設多天線陣列了，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信道并行通信，每一對天線都獨立傳送一路信息，經匯集后可成倍提高速率，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，所以它跟你通信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。

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系就相當于光源與被照射物的關系。

現在基站與手機的關系就是燈泡模式，不管手機在哪個方位，都會把針對這部手機的信號進行全向的輻射，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，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，其中有一項就是智能天線，在基站上布設天線陣列，通過對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。

由全向的信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信鏈路。這種充分利用空間的無線電波束技術是一種空間復用技術，可以極大地提高基站的服務容量。

遺憾的是這項技術沒有在3G時代得到應用，但在5G入網設備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，這是源于基站全向輻射的模式。當波束賦型技術成功應用后，基站對手機的輻射波瓣是很窄的，這就知道了手機相對于基站的方向角，再加上通過接收功率大小推導出手機與基站的距離，就可以實現手機的精準定位了，并因此而擴展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并被吸納為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。

在傳統的宏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帶寬才有可能。

加大帶寬是起點，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，其服務范圍變窄了，單個用戶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，更多地是來自移動網絡的重新布局。

三、后記

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，這種易讀性并不容易做到，尤其是技術門檻很高的通信專業，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。筆者寫過不少科普，現在看來對這篇是最滿意的，因為這篇講的不是“是什么”，而是“為什么”，是什么好講，為什么難說，尤其是把“為什么”給外行人講清楚，做到讓他們理所應當式的理解。