如果我们现在要制作一个 2019 年的热词排行榜,相信 5G 一定名列榜单前茅。作为第五代移动通信网络,5G 技术一直备受瞩目。随着 5G 商用牌照在国内的发放,各大手机厂商也是紧接着推出各款 5G 手机,各项 5G 设备的布设,更是令人感觉 5G 已近在咫尺,相信用不了多久,我们将会享受到 5G 带来的全新体验。 

提起 5G ,相信各位的第一印象就是高带宽,这的确是最明显的、也是大家最能显著感受到的 5G 网络特点。前段时间,一位北京邮电大学的学生发布了自己测试学校5G 网络的视频。视频中,5G 手机的平均下载速率达到 700Mbps 左右,差不多是 4G 的十倍,下载音乐和应用基本上都是“秒”级,在线播放超高清视频可以随意拖拽进度条,毫无卡顿。

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5G 是如何实现这么快的速率呢?今天我们就来看一下 5G 的核心技术都有哪些。


毫米波,了解一下

想要了解毫米波,得先从一个基础的电磁波原理说起。上过高中的童鞋肯定知道这个公式:光速=波长 x 频率。当光速固定在每秒 30 万公里的时候,波长越长,每秒震动的次数也就越少。换句话解释,就是电磁波的波长频率是成反比的。

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我们现在所说的无线通讯(Wireless Communication),就是指以电磁波为载体,来进行各种资讯交换。不同频率的电磁波,决定了它们不同的特性以及应用场景。我们可参考下图來粗略了解一下。

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目前在全球范围内,5G 所使用的频段有且只有两种,一种是 sub-6GHz,指的是 6GHz 以下的频段,一种是毫米波。

毫米波就是波长在 1~10 毫米的电磁波,对应频率为 30~300GHz,作为参考,我们目前 4G 所使用的频段是 2000MHz,2G 和 3G 就更低了。

不管是 2G/3G 还是 4G 时代,毫米波一直都在,它的历史甚至可以追溯到 19 世纪 90 年代,不过在很长一段时间里,毫米波的主要应用还是卫星通信、雷达和一些军事应用,到了 5G 时代,毫米波终于要翻身了。

那么为什么 5G 会把眼光投向毫米波呢?

电磁波有一个物理特性,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。频率资源就像车道,车道越多,可以经过的车辆就越多,相同时间内能传输的资源也就越多。30GHz 以上有丰富的频谱资源,按照换算关系,1GHz=1000MHz,1MHz=1000kHz,毫米波的频谱资源是数量级的提升。所以毫米波比起之前的前辈们,具有更大的优势:更高的接入用户数、更快的网络速度及更低的时延。

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但是毫米波这么优秀,为何我们之前不使用呢?

毫米波虽然优秀,但它也有一个缺陷。电磁波的频率越高(波长越短),就越趋近于直线传播,这也意味着其衍射能力(指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象)就越差,也因此,毫米波穿透障碍物所带来的能量消耗,会使得传输距离变短。

5G 高频率的电磁波传播的路径损耗要远大于 4G,这意味着,想要达到相同的信号覆盖效果,5G 基站的部署量要远多于 4G,假设之前 4G 一个基站可以覆盖100 米,到 5G 也许只能覆盖 30 米。5G 实现更快速率、更高带宽及更低时延的代价就是运营商需要投入更多的钱来部署更多基站。

微基站在高频率的前提下,为了减轻覆盖方面的成本压力,运营商们必须寻找新的出路,第一个解决方法就是:微基站

猜一下,微基站相对的是什么呢?巨基站、大基站?没猜错,想表达的意思是一致的,不过我们叫它宏基站。传统的宏基站一般位于楼顶和铁塔等高处,但常常受到建筑物、树木的影响,覆盖效果不均匀,且随着信号频率的提升,4G 乃至未来的 5G 信号穿透能力更弱,使得信号通过建筑物后衰减的厉害,从而造成大量弱覆盖区域和盲点,此外宏基站需要大量的占地面积,选址困难等问题也使得建设宏基站的成本越来越高。

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微基站可以非常好的解决宏基站面临的难题。微基站体积小,部署灵活,不用局限于宏基站的站址问题,可以灵活的部署在人群建筑密集的地方,有针对性的补充宏基站信号的弱覆盖区域及覆盖盲点,保证信号质量。在人流量大的热点区域,微基站由于功率小,可以在更小的范围内实行频率复用,提升容量,帮助宏基站分流。

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基站越小巧,部署数量越多,覆盖就越好,速度也就越快。

Massive MIMO

随着电磁波的频率逐渐升高,该频率相对应的波长也会逐渐的缩短,收发的天线也就会跟着变短,5G 所使用的毫米波,使得天线的长度可以达到毫米的级别。体积变小就会带来一个巨大的好处,那就是我们可以在微基站和用户的 5G 终端中放入更多的天线。

这就是 5G 的另一个特色,Massive MIMO

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MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)意为“多进多出”,换句话说就是基站的天线变多了,手机的接收能力也变强了,基站多根天线发送,终端多根天线接收。MIMO 技术在4G 时期就已经开始运用,到了 5G 时代,因为可以放置更多的天线,就成为了加强版的 Massive MIMO 技术。


5G Massive MIMO 天线的整体尺寸大小将类似于 4G,但是单个天线元件尺寸更小,允许在相同物理情况下加入更多天线(超过 100),因此 5G 可以将移动网络的带宽容量提升数十倍乃至更大。 

另外,5G为了将电磁波更好的运用起来,还使用了一种新技术——波束成型(Beamforming)。

波束成形其实在部分 Wi-Fi 路由器中已经有应用了,5G 时代大规模天线技术是波束赋形的基本条件。

在没有人为干扰的条件下,电磁波是 360 度无死角传播的,其中很大一部分没有被接收,白白浪费。使用波束成形技术后,天线阵列可以使电磁波朝着人为规定方向的传播,且天线个数越多,电磁波传播方向越集中,根据信号接收点的位置变化不断调整。

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5G 中的黑科技

此外 5G 还有一些好玩的技术,例如在 5G 下可以实现基于蜂窝网络的 D2D 通信,也被称为邻近服务,通过此技术,用户的数据可以不经基站中转就可以直接在两个终端之间进行传输。

网络切片技术,把运营商的物理网络切分成多个虚拟网络,可以通过时延、带宽、安全性、可靠性来划分不同的网络,以适应不同的服务场景。通过网络切片技术可以在一个独立的物理网络上切分出多个逻辑网络,从而避免了为每一个服务建设一个专用的物理网络,这样可以大大节省部署成本。

5G 技术将会在终端,网络,无线接入等方面进行融合及创新,优势明显,在为我们提供高速率,高可靠性,低时延的服务,让我们享受流媒体,超高清视频的同时,5G 网络技术具有灵活的可扩展的网络架构,能够根据需求进行组网,涵盖不同行业用户以及开展多种业务类型。回过头来再看 10 年前,很多人根本没有想到今天的移动互联网对我们生活会有这么大的影响,5G 将会为我们展开更大的想象空间。