这一切，要从一个“神奇的公式”说起。。。

就是上面这个公式，还记得这个公式的童鞋，请骄傲地为自己鼓个掌。。。

如果不记得，或是看不懂，也没关系，笔者解释一下。。。

就是这个超简单的公式，蕴含了我们无线通信技术的博大精深。。。

无论是往事随风的1G、2G、3G，还是意气风发的4G、5G，说来说去，都是在这个数学公式上做文章。。。

且听我慢慢道来。。。

通信技术，无论什么黑科技白科技，只分两种——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）。。。

在有线介质上传播数据，想要高速很容易。。。

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。。。

而空中传播这部分，才是移动通信的瓶颈所在。。。

所以，5G重点是研究无线这部分的瓶颈突破。

好大一个波。。。

大家都知道，电波和光波都属于电磁波。。。

电磁波的频率资源有限，根据不同的频率特性，有不同的用途。。。

我们目前主要使用电波进行通信。。。

当然，光波通信也在崛起，例如可见光通信LiFi（LightFidelity）

图片来自网络

不偏题，回到电波先。。。

电波属于电磁波的一种，它的频率资源也是有限的。。。

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

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”，其实就是工作频段900MHz和800MHz的意思。。。

目前主流的4G LTE，属于超高频和特高频。。。

我们国家主要使用超高频：

随着1G、2G、3G、4G的发展，使用的频率是越来越高的。。。

为什么呢？

因为频率越高，速度越快。。。

又为什么呢？

因为频率越高，车道（频段）越宽。。。

看懂了吧。。。车道按指数级扩大。。。

更高的频率→更大的带宽→更快的速度

5G的频段具体是多少呢？

上个月，我们国家工信部下发通知，明确了我国的5G初始中频频段：

3.3-3.6GHz、4.8-5GHz两个频段

同时，24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高频频段正在征集意见。

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——

毫米波

继续，继续。。。

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。。。

电磁波的一个显著特点：频率越高（波长越短），就越趋近于直线传播（绕射能力越差）。。。

而且，频率越高，传播过程中的衰减也越大。。。

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。。。

而且，卫星那口大锅，必须校准瞄着卫星的方向。。。稍微歪一点，都会有影响。。。

如果5G用高频段，那么它最大的问题，就是覆盖能力会大幅减弱。

覆盖同一个区域，需要的基站数量将大大超过4G。

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。。。

基站就是要花钱买的啊。。。能不玩命争取么。。。

有的频段甚至被称为——黄金频段。。。

这也是为什么5G时代，运营商拼命怼设备商。。。

甚至威胁要自己研发通信设备。。。

所以，基于以上原因。。。

在高频率的前提下，为了减轻覆盖方面的成本压力，5G必须寻找新的出路。。。

首先，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！

以前都是大的基站，建一个覆盖一大片

以后更多的将是微基站，到处都装，随处可见。

微基站　看上去是不是很酷炫？

微基站的造型有很多种，灵活地与周围的环境相融合（伪装），不会让用户在心理上产生不适。。。

提醒：基站对人体健康不会造成影响。

而且，恰好相反，其实基站数量越多，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

基站越小巧，数量越多，覆盖就越好，速度就越快。。。

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，为什么后来我们就看不到带天线的手机了？

有人说，是因为信号好了，不需要天线了。。。

其实不对。。。信号再好，也不能没有天线。。。

更主要的原因是——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。

频率越高，波长越短，天线也就跟着变短啦！

毫米波，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

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时代就已经有MIMO了，5G继续发扬光大，变成了加强版的Massive　MIMO（Massive：大规模的，大量的）。

手机都能塞好多根，基站就更不用说了。。。

以前的基站，天线就那么几根。。。

5G时代，就不是按根来算了，是按“阵”。。。“天线阵列”。。。

天线多得排成阵了。。。一眼看去一大片的节奏。。。

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。

不要问我为什么，去问科学家。。。

你是直的？还是弯的？

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

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，而且能跟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。

直的都能掰成弯的。。。还有什么是通信砖家干不出来的？

别收我钱，行不行？

在目前的通信网络中，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。

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，那你就图样图森破了。。。

控制消息还是要从基站走的，而且用着频谱资源，运营商爸爸怎么可能放过你。。。

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理解，而这一切，都只是源于一个如今小学生都能看懂的数学公式。。。

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。。。