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

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

　　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。