中广格兰旗下网站:中广互联  格视网  卫星界  社区
登录注册

登录X

没有账号?  快速注册>

首页新闻正文

科普:5G基础知识(1)

导语:随着5G从标准的进一步推进,该技术逐渐从实验室状态进入测试及试商状态。本公众号将在系列文章开始5G基础知识普及。第一篇文章主要摘自公众号“程序员的那些事”。

  无线频率

  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。在有线介质(铜线、光纤)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。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。

  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,可以用来杀死肿瘤细胞)。电波属于电磁波的一种,它的频率资源是有限的。目前我们主要是用中频—超高频进行手机通信的。

  无论是1G、2G、3G,还是4G、5G,这些无线通信技术遵循物理学的基本公式:光速=波长×频率。

  在现实中,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。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。但是,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。5G的频率范围分为两种:一种是6GHz以下,这和目前的2/3/4G差别不算太大。还有一种在24GHz以上(国际上主要使用28GHz进行试验)。从下图看,随着无线频率从特高频向超高频和极高频推进,波长也从分米波变为厘米波乃至毫米波,绕射能力也变得越差,越容易受到周边干扰物(如移动的人和车辆)的影响。

图为:无线频率与5G极高频波长

  无线基站

图为:4G基站与5G基站的覆盖特性比较

  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。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(比如传说中的控制在广电行业手中的700M频段)。

  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。第一个出路就是微基站。基站有两种,微基站和宏基站,前者很小(小到巴掌大小),后者很大。事实上,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,几乎随处可见。这也可以看出,5G在基站覆盖方面的投资必然不小,运营商最头疼的事(编者语:5G毕竟还是奢侈技术,或许根本是人类对无线通信的需求是无止境的)。

图为:宏基站与微基站

  顺便科普一下健康方面的重要信息:基站数量越多,辐射反而越小!想象一下冬天的房子里,一个大功率取暖器好,还是几个小功率取暖器好?从上面的图,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。

图为:宏基站与微基站对比

  多天线技术与波束赋形

  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。

  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!在毫米波通信背景下,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)。

图为:多天线技术演进

  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。5G时代,天线数量不是按根来算了,是按“阵”——就是传说中的“天线阵列”。一眼看去,要得密集恐惧症的节奏。当然,多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上,以防止互相干扰。

图为:传统天线与天线阵列

  为了减少基站天线阵列的能量和资源浪费,让信号定向覆盖(好比让灯泡照亮指定区域),这就涉及另一个高级通信技术——波束赋形。

  在基站上布设天线阵列的同时,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,由全方位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。打个比方,这就像把光线传播从直的按需求掰成弯的(编者言:这种听起来神乎其神的技术确实太牛气了,就是不知道实践中靠谱不靠谱,昂贵与否)。

  D2D(Device to Device,设备到设备)

  其实编者特别想介绍的是5G中的D2D技术,这或许才是关键性创新。

  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。就节约了大量的空中资源,也减轻了基站的压力。当然,控制信令肯定还是要从基站走的,何况你还用着频谱资源呢,想运营商免费是不可能滴。

图为:5G传输的D2D技术

  编者设想,D2D对于朋友间的即时信息传送(如图片、视频、文件等),应该很方便。但如果不是面对面,或者距离远,或者中间有较多障碍物和移动物体,D2D是否就难以实现?

  总体来说,本文介绍的5G技术属于基础知识,而且更多是无线传输部分,编者认为这很大程度属于4G LTE的演进。但5G当然不是4G的演进,更高级的5G知识请继续关注下期的高级科普。

【责任编辑: 胥雪琪 】

推荐阅读

专栏作者

热门标签

作者专栏更多

关注我们

    中广互联
  1. 大视频行业最具影响力的媒体社群平台,重要新闻、独家视频、深度评论分析,推动电视行业与各行各业的连接。

  2. 电视瞭望塔
  3. 集合电视台、网络视听、潮科技等各种好玩信息。

  4. 5G Plus
  5. 专注于报道广电行业新鲜5G资讯,致力于成为广电行业有权威、有深度的5G自媒体平台。

  6. 4K8K
  7. UHD、4K、8K的最新资讯和最深入的分析,都在这里。

  8. 中广圈子
  9. 视频产业的专业圈子,人脉、活动、社区,就等你来。

  10. 格兰研究
  11. 我们只沉淀有深度的信息和数据。

  12. 卫星界
  13. 致力于卫星电视信息、卫星通信技术、天地一体网络应用案例、以及广电、通信等产业的市场动态、政策法规和技术资讯的传播。