IM开发者零基础通信技术入门十零基础史上最强5G技术素养

2. 一个简单而神奇的公式

今天的故事要从一个公式开始。 这是一个既简单又神奇的公式。

之所以说它很简单,是因为它总共只有3个字母。 之所以说它神奇,是因为这个公式蕴含着通信技术的深奥秘密,这个星球上无数人为之痴迷。

这个公式就是:

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相信很多同学都认识这个公式。 如果没有,而你是理科生,请记得有时间给你的中学物理老师打电话!

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解释一下,上面的公式,这是物理学的基本公式,光速=波长×频率。

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对于这个公式,我们可以这么说:无论是1G、2G、3G、4G还是5G,一切都是一样的。 他们都对此做文章,不跳出它的“五指山”。

让我慢慢告诉你吧。 。 。

3、有线通讯? 无线通信?

通信技术,无论是黑技术还是白技术,归根结底都分为两种——有线通信和无线通信。

当我给你打电话时,信息和数据要么在空气中(看不见的和无形的)传输,要么以物理对象(可见的和有形的)传输。

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如果是在物理材料上传输的话,就是有线通信,基本上都是使用铜线和光纤电缆,统称为有线介质。

当数据通过有线介质传输时,速率可以达到非常高的值。

以光纤为例,在实验室中,单根光纤的最高速率已达到26Tbps。 。 。 是传统网线的26000倍。 。 。

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▲ 光纤

空中传播部分是移动通信的瓶颈。

目前主流的移动通信标准是4G LTE,理论速率仅为150Mbps(不含载波聚合)。 这完全是有线无法比拟的。

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因此,5G想要实现端到端的高速率,重点是突破无线部分的瓶颈。

4. 无线电通讯

众所周知,无线通信是利用电磁波进行通信的。 无线电波和光波都是电磁波。

电磁波的功能特性由其频率决定。 不同频率的电磁波有不同的性质和特点,因而有不同的用途。 例如,高频伽马射线具有很大的杀伤力,可以用来治疗肿瘤。

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▲ 电磁波的频率分布

我们目前主要使用电波进行通信。 当然,光波通信也在兴起,比如LiFi。

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▲ LiFi(Light Fidelity),可见光通信

不跑题了,我们先回到无线电波。

无线电波是电磁波的一种,其频率资源是有限的。 为了避免干扰和冲突,我们进一步划分无线电波高速公路上的车道,并将其分配给不同的对象和用途。

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▲ 不同频率无线电波的用途

请注意上图中红色字体。 长期以来,我们主要使用中频到超高频进行手机通信。

例如,经常提到的“GSM900”和“CDMA800”实际上是指工作在900MHz频段的GSM和工作在800MHz频段的CDMA。 目前全球主流的4G LTE技术标准属于UHF和UHF。

我国主要采用UHF:

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可以看到,随着1G、2G、3G、4G的发展,使用的无线电波的频率越来越高。

为什么是这样? 这主要是因为频率越高,可以利用的频率资源就越丰富。 频率资源越丰富,能够达到的传输速率就越高。

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▲ 频率更高→资源更多→速度更快

应该不难理解吧? 频率资源就像马车。 频率越高,车厢就越多,同时可以加载的信息就越多。

那么,5G具体使用的频率是多少呢?

如下所示:

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5G的频率范围分为两种:

目前国际上主要用于测试(该频段也可能成为5G首个商用频段)。

如果按照28GHz来计算的话,根据我们上面提到的公式:

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好吧,这就是5G的第一个技术特征——毫米波。 请继续阅读下一节。

5.毫米波

请允许我重新贴一下刚才的频率对比表:

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请注意底线。 是“毫米波”吗?

好吧,既然高频这么好,你一定会问:“为什么我们以前不用高频呢?” 原因很简单——不是我们不想用,而是我们用不起。

电磁波的显着特点:频率越高,波长越短,越接近线性传播(绕射能力越差)。 频率越高,传播介质中的衰减越大。

看激光笔(波长约为635nm)。 发出的光是直的。 如果被堵住了,就无法通过。

看卫星通讯和GPS导航(波长1cm左右),如果有障碍物,就会没有信号。

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卫星大锅必须校准,瞄准卫星方向,否则哪怕有一点偏差都会影响信号质量。

如果移动通信使用高频段,最大的问题是传输距离大大缩短,覆盖能力大大减弱。 要覆盖同样的区域,5G所需的基站数量将大大超过4G。

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基站数量是什么意思? 钱! 投资! 成本! 频率越低,网络建设成本越低,竞争也越有利。

这也是为什么近年来中国电信、中国移动、中国联通对于低频频段的争夺非常激烈。 有些频段甚至被称为黄金频段。

这就是为什么,在5G时代,运营商拼命对抗设备商,希望能够降低基站的价格。 (如果5G真的推出了,按照过去的模式,设备商就发财了。)

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因此,基于上述原因,为了在高频化的前提下减轻网络建设的成本压力,5G必须寻找新的出路。

出路有哪些? 首先是微基站。

6、微基站

基站有两种类型:微基站和宏基站。

光看名字就知道微基站很小,宏基站很大!

宏基站:

它在户外很常见,并且覆盖面积很大。

微基站:

看起来是不是很酷?

▲ 还有更小的,有巴掌大的

事实上,现在微基站有很多,特别是在城市地区和室内,经常可以看到它们的身影。 未来5G时代,将会有更多的微基站,到处都可以安装,几乎随处可见。

你一定会问,我们周围有这么多基站,对人体会有影响吗? 我的回答是——不。

事实上,与传统观念相反,事实上,基站越多,辐射就越小! 想一想,冬天,一群人的房子里,是一台大功率取暖器好,还是几台小功率取暖器好?

▲大功率解决方案

▲ 低功耗解决方案

上图一目了然。 基站体积小、功耗低,这对大家都有好处。 如果只用一个大基站,距离近的话辐射就大,距离远的话就没有信号,这样就不好了。

7. 5G通信三大核心技术 7.1 概述

你有没有注意到,以前的手机都有很长的天线,早期的手机还有凸出的小天线。 为什么现在我们的手机没有天线了? (天线技术详细科普请参见本系列第8篇:《IM开发者零基础通信技术入门(八):从零开始,扫盲史上最强“天线”原理》)

▲天线去哪儿了?

其实并不是我们不需要天线,而是我们的天线变小了。

根据天线的特性,天线的长度应与波长成正比,大约在1/10到1/4之间。

随着时间的变化,我们手机的通讯频率越来越高,波长越来越短,天线也越来越短! 对于毫米波通信来说,天线也变成了毫米级。 。 。

这意味着手机中可以插入天线,甚至可以插入很多根天线。 。 。

这是5G的三大杀手级特性:Massive MIMO(多天线技术)、波束赋形和D2D。 现在就跟随我来一一学习吧。

7.2 5G关键技术1:Massive MIMO(多天线技术)

MIMO即“多输入多输出”(Multiple-Input Multiple-Output),多个天线发射,多个天线接收。

在LTE时代,我们已经有了MIMO,但是天线数量并不多。 只能说是MIMO的初级版本。

5G时代,MIMO技术不断发展,现在已经成为Massive MIMO的增强版(Massive:大规模、大规模)。

手机中装有多个天线,更不用说基站了。

过去,基站只有几根天线:

5G时代,天线数量不是按根计算,而是按“阵”计算。 。 。 “天线阵列”。 。 。

一看就懂密集恐惧症的节奏:

但天线之间的距离不能太近。

由于天线特性,多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上。 如果距离近了,就会互相干扰,影响信号的传输和接收。

每个人都见过灯泡发光,对吗?

事实上,基站发射信号时,有点像灯泡发光。 信号被发射到各个方向。 对于光来说,当然是照亮整个房间。 如果你只是想照亮某个区域或物体,那么大部分的光都被浪费了。 。 。

基站也是如此,浪费了大量的能源和资源。

我们能找到一只看不见的手来束缚散射光吗? 这样不仅节省能源,还能保证被照射的区域有足够的光线。

答案是:是的。 这就是——波束分配。

7.3 5G关键技术2:整形波束形成

基站上布置天线阵列,通过控制射频信号的相位,使相互作用后的电磁波波瓣变得很窄,指向其提供服务的手机,并可以根据信号改变方向。手机的移动。

这种空间复用技术从全向信号覆盖转变为精准定向服务。 光束之间不会发生干扰。 在相同的空间内提供更多的通信链路,大大提高了基站的服务能力。

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直的可以分成弯曲的。 。 。 还有什么是沟通专家做不到的吗?

7.4 5G关键技术3:D2D

在当前的移动通信网络中,即使两个人面对面打电话给对方的手机(或者通过手机给对方发送照片),信号也是通过基站进行中继的,包括控制信令和数据包。 。 。

而到了5G时代,这种情况就不一定了。

5G的一个重要特性是D2D,即Device to Device。

在D2D 5G时代,如果同一基站下的两个用户相互通信,他们的数据将不再通过基站转发,而是直接从手机到手机转发。 。 。

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这样可以节省大量的空中资源,减轻基站的压力。

然而,如果您认为自己不必付费,那么您就是在伤害图森。

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控制消息仍然必须来自基站。 您正在使用频谱资源。 运营商怎么可能放你走? 。 。

8.写在最后

相信通过这篇文章,大家对5G及其背后的通信知识有了深入的了解。 而这一切都只是基于一个小学生能理解的数学公式。 是不是?

通信技术并不神秘。 作为通信技术皇冠上最耀眼的宝石,5G并不是一项遥不可及的创新革命技术。 它更多的是现有通信技术的演变。

正如一位专家所说:

通信技术的限制不是技术技术的限制,而是基于严格数学的推论。 在可预见的将来,基本上是不可能突破的。

如何在科学原理的范围内进一步挖掘通信的潜力,是众多通信行业奋斗者孜孜不倦的追求。

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好的,今天就这样。 感谢大家的观看,我们下一篇文章再见!

九、系列文章目录

本文是该系列的第 10 篇文章:

学习交流:

– 一篇关于移动IM开发的介绍性文章:“初学者一篇文章就够了:从头开始开发移动IM”

– 开源IM框架源码:(替代地址请点击这里)