IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(十)：零基礎(chǔ)，史上最強(qiáng)5G技術(shù)掃盲
本文引用了“鮮棗課堂”的《史上最強(qiáng)5G科普》文章內(nèi)容。為了更好的內(nèi)容呈現(xiàn)，在引用和收錄時內(nèi)容有改動，轉(zhuǎn)載時請注明原文來源。
1、內(nèi)容概述
? 5G技術(shù)的關(guān)注度越來越高：
在此之前，5G技術(shù)對于普通老百姓來說，似乎還很遙遠(yuǎn)，關(guān)注度并不高。但從去年開始，美帝赤裸裸打壓中興和華為的國際事件，讓5G技術(shù)在國內(nèi)有了很高的關(guān)注度。美帝打壓中興、華為固然是壞事，但因?yàn)檫@個事情，相當(dāng)于反過來為5G技術(shù)在國外做起了免費(fèi)廣告，這或許對于接下來5G商用在國內(nèi)的推廣有很大的促進(jìn)作用，沒想到壞事變好事。
? 專家們?yōu)槭裁匆?G技術(shù)呢？
搞通信的都知道，國際上有個叫國際電聯(lián)的組織，所有跟通信有關(guān)的技術(shù)都由它來管。國際電聯(lián)認(rèn)為，4G已經(jīng)全球開花，隨著蘋果喬老爺子對手機(jī)的重新定義，上網(wǎng)流量爆炸性增長，多少都不夠用了，這可咋辦？是時候搞一個面向2020年及以后，能近一步滿足人民群眾日益增長的流量需求的新技術(shù)了！
國際電聯(lián)把這個要搞的新技術(shù)叫做 IMT-2020，IMT的英文是 International Mobile Telecommunications，合起來的意思就是面向2020年及以后的國際移動通信標(biāo)準(zhǔn)。其他的俗人可沒這么嚴(yán)謹(jǐn)，4G再往后不就輪到5G了么，那么直接干脆就叫5G得了。
▲ 5G是國際電聯(lián)為廣大的“手機(jī)黨”們準(zhǔn)備的面向2020年后的技術(shù)?
▲ 5G網(wǎng)速有多快？通過上圖可以直觀了解
? 程序員們?yōu)槭裁匆獙W(xué)習(xí)5G技術(shù)？
那么作為IM開發(fā)者，或者移動端開發(fā)者來說，提前了解5G技術(shù)顯然是很有必要的。那么什么是5G技術(shù)？技術(shù)原理是怎么樣的？5G技術(shù)將帶來哪些技術(shù)革新？本文將以零基礎(chǔ)的應(yīng)用程序開發(fā)者為閱讀對象，幫你找到這些問題的答案。
好了，費(fèi)話少說，我們開始正文部分。。。
（本文已同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-2394-1-1.html）
2、一個簡單且神奇的公式? ?
今天的故事，從一個公式開始講起。這是一個既簡單又神奇的公式。
說它簡單，是因?yàn)樗还仓挥?個字母。而說它神奇，是因?yàn)檫@個公式蘊(yùn)含了博大精深的通信技術(shù)奧秘，這個星球上有無數(shù)的人都在為之魂?duì)繅衾@。
這個公式，就是它：
我相信很多同學(xué)都認(rèn)出這個公式了，如果沒認(rèn)出來，而且你又是一個理科生的話，請記得有空多給你的中學(xué)物理老師打打電話！?
解釋一下，上面這個公式，這是物理學(xué)的基本公式，光速=波長×頻率。?
對于這個公式，可以這么說：無論是1G、2G、3G，還是4G、5G，萬變不離其宗，全部都是在它身上做文章，沒有跳出它的“五指山”。
且聽我慢慢道來。。。
3、有線通信？無線通信？??
通信技術(shù)，無論什么黑科技白科技，歸根到底，就分為兩種——有線通信和無線通信。
我和你打電話，信息數(shù)據(jù)要么在空中傳播（看不見、摸不著），要么在實(shí)物上傳播（看得見、摸得著）。
如果是在實(shí)體物質(zhì)上傳播，就是有線通信，基本上就是用的銅線、光纖這些線纜，統(tǒng)稱為有線介質(zhì)。
在有線介質(zhì)上傳播數(shù)據(jù)，速率可以達(dá)到很高的數(shù)值。
以光纖為例，在實(shí)驗(yàn)室中，單條光纖最大速度已達(dá)到了26Tbps。。。是傳統(tǒng)網(wǎng)線的兩萬六千倍。。。
▲ 光纖
而空中傳播這部分，才是移動通信的瓶頸所在。
目前主流的移動通信標(biāo)準(zhǔn)，是4G LTE，理論速率只有150Mbps（不包括載波聚合）。這個和有線是完全沒辦法相比的。
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所以，5G如果要實(shí)現(xiàn)端到端的高速率，重點(diǎn)是突破無線這部分的瓶頸。
4、電波通信
大家都知道，無線通信就是利用電磁波進(jìn)行通信。電波和光波，都屬于電磁波。
電磁波的功能特性，是由它的頻率決定的。不同頻率的電磁波，有不同的屬性特點(diǎn)，從而有不同的用途。例如，高頻的γ射線，具有很大的殺傷力，可以用來治療腫瘤。
▲ 電磁波的頻率分布
我們目前主要使用電波進(jìn)行通信。當(dāng)然，光波通信也在崛起，例如LiFi。
▲ LiFi（Light Fidelity），可見光通信
不偏題，回到電波先。
電波屬于電磁波的一種，它的頻率資源是有限的。為了避免干擾和沖突，我們在電波這條公路上進(jìn)一步劃分車道，分配給不同的對象和用途。
▲ 不同頻率電波的用途
請大家注意上面圖中的紅色字體。一直以來，我們主要是用中頻~超高頻進(jìn)行手機(jī)通信的。
例如經(jīng)常說的“GSM900”、“CDMA800”，其實(shí)意思就是指，工作頻段在900MHz的GSM，和工作頻段在800MHz的CDMA。目前全球主流的4G LTE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，屬于特高頻和超高頻。
我們國家主要使用超高頻：
大家能看出來，隨著1G、2G、3G、4G的發(fā)展，使用的電波頻率是越來越高的。
這是為什么呢？這主要是因?yàn)?，頻率越高，能使用的頻率資源越豐富。頻率資源越豐富，能實(shí)現(xiàn)的傳輸速率就越高。
▲ 更高的頻率→更多的資源→更快的速度
應(yīng)該不難理解吧？頻率資源就像車廂，越高的頻率，車廂越多，相同時間內(nèi)能裝載的信息就越多。
那么，5G使用的頻率具體是多少呢？
如下圖所示：
5G的頻率范圍，分為兩種：
1）6GHz以下，這個和目前我們的2/3/4G差別不算太大；
2）還有一種，就很高了，在24GHz以上。
目前，國際上主要使用28GHz進(jìn)行試驗(yàn)（這個頻段也有可能成為5G最先商用的頻段）。
如果按28GHz來算，根據(jù)前文我們提到的公式：
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好啦，這個就是5G的第一個技術(shù)特點(diǎn)——毫米波。請繼續(xù)看下節(jié)。
5、毫米波
請?jiān)试S我再發(fā)一遍剛才那個頻率對照表：
請注意看最下面一行，是不是就是“毫米波”？
好了，既然，頻率高這么好，你一定會問：“為什么以前我們不用高頻率呢？”原因很簡單——不是不想用，是用不起。
電磁波的顯著特點(diǎn)：頻率越高，波長越短，越趨近于直線傳播（繞射能力越差）。頻率越高，在傳播介質(zhì)中的衰減也越大。
你看激光筆（波長635nm左右），射出的光是直的吧，擋住了就過不去了。
再看衛(wèi)星通信和GPS導(dǎo)航（波長1cm左右），如果有遮擋物，就沒信號了吧。
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衛(wèi)星那口大鍋，必須校準(zhǔn)瞄著衛(wèi)星的方向，否則哪怕稍微歪一點(diǎn)，都會影響信號質(zhì)量。
移動通信如果用了高頻段，那么它最大的問題，就是傳輸距離大幅縮短，覆蓋能力大幅減弱。覆蓋同一個區(qū)域，需要的5G基站數(shù)量，將大大超過4G。
基站數(shù)量意味著什么？錢?。⊥顿Y?。〕杀景?！頻率越低，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)就越省錢，競爭起來就越有利。
這就是為什么，這些年，電信、移動、聯(lián)通為了低頻段而爭得頭破血流。有的頻段甚至被稱為——黃金頻段。
這也是為什么，5G時代，運(yùn)營商拼命懟設(shè)備商，希望基站降價。（如果真的上5G，按以往的模式，設(shè)備商就發(fā)大財(cái)了。）
所以，基于以上原因，在高頻率的前提下，為了減輕網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面的成本壓力，5G必須尋找新的出路。
出路有哪些呢？首先，就是微基站。
6、微基站
基站有兩種：微基站和宏基站。
看名字就知道，微基站很小，宏基站很大！
宏基站：
室外常見，建一個覆蓋一大片。
微基站：
看上去是不是很酷炫？
▲ 還有更小的，巴掌那么大
其實(shí)，微基站現(xiàn)在就有不少，尤其是城區(qū)和室內(nèi)，經(jīng)常能看到。以后，到了5G時代，微基站會更多，到處都會裝上，幾乎隨處可見。
你肯定會問，那么多基站在身邊，會不會對人體造成影響？我的回答是——不會。
其實(shí)，和傳統(tǒng)認(rèn)知恰好相反，事實(shí)上，基站數(shù)量越多，輻射反而越??！ 你想一下，冬天，一群人的房子里，一個大功率取暖器好，還是幾個小功率取暖器好？
▲ 大功率方案
▲ 小功率方案
上面的圖，一目了然了。基站小，功率低，對大家都好。如果只采用一個大基站，離得近，輻射大，離得遠(yuǎn)，沒信號，反而不好。
7、5G通信的3大核心技術(shù)
7.1 概述
大家有沒有發(fā)現(xiàn)，以前大哥大都有很長的天線，早期的手機(jī)也有突出來的小天線，為什么現(xiàn)在我們的手機(jī)都沒有天線了？（關(guān)于天線技術(shù)的詳細(xì)科普，請看本序列文章的第8篇：《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(八)：零基礎(chǔ)，史上最強(qiáng)“天線”原理掃盲》）
▲ 天線去哪兒了？
其實(shí)，我們并不是不需要天線，而是我們的天線變小了。
根據(jù)天線特性，天線長度應(yīng)與波長成正比，大約在1/10~1/4之間。
隨著時間變化，我們手機(jī)的通信頻率越來越高，波長越來越短，天線也就跟著變短啦！毫米波通信，天線也變成毫米級。。。
這就意味著，天線完全可以塞進(jìn)手機(jī)的里面，甚至可以塞很多根。。。
這就是5G的三大殺手锏：Ｍassive MIMO（多天線技術(shù)）、波束賦形、D2D。下現(xiàn)跟我來一一學(xué)習(xí)。
7.2 5G關(guān)鍵技術(shù)1：Ｍassive MIMO（多天線技術(shù)）
MIMO就是“多進(jìn)多出”（Multiple-Input Multiple-Output），多根天線發(fā)送，多根天線接收。
在LTE時代，我們就已經(jīng)有MIMO了，但是天線數(shù)量并不算多，只能說是初級版的MIMO。
到了5G時代，繼續(xù)把MIMO技術(shù)發(fā)揚(yáng)光大，現(xiàn)在變成了加強(qiáng)版的Massive MIMO（Massive：大規(guī)模的，大量的）。
手機(jī)里面都能塞好多根天線，基站就更不用說了。
以前的基站，天線就那么幾根：
5G時代，天線數(shù)量不是按根來算了，是按“陣”。。?！疤炀€陣列”。。。
一眼看去，要得密集恐懼癥的節(jié)奏：
不過，天線之間的距離也不能太近。
因?yàn)樘炀€特性要求，多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個波長以上。如果距離近了，就會互相干擾，影響信號的收發(fā)。
大家都見過燈泡發(fā)光吧？
其實(shí)，基站發(fā)射信號的時候，就有點(diǎn)像燈泡發(fā)光。信號是向四周發(fā)射的，對于光，當(dāng)然是照亮整個房間，如果只是想照亮某個區(qū)域或物體，那么，大部分的光都浪費(fèi)了。。。
基站也是一樣，大量的能量和資源都浪費(fèi)了。
我們能不能找到一只無形的手，把散開的光束縛起來呢？ 這樣既節(jié)約了能量，也保證了要照亮的區(qū)域有足夠的光。
答案是：可以。這就是——波束賦。
7.3 5G關(guān)鍵技術(shù)2：形波束賦形
在基站上布設(shè)天線陣列，通過對射頻信號相位的控制，使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常狹窄，并指向它所提供服務(wù)的手機(jī)，而且能跟據(jù)手機(jī)的移動而轉(zhuǎn)變方向。
這種空間復(fù)用技術(shù)，由全向的信號覆蓋變?yōu)榱司珳?zhǔn)指向性服務(wù)，波束之間不會干擾，在相同的空間中提供更多的通信鏈路，極大地提高基站的服務(wù)容量。
直的都能掰成彎的。。。還有什么是通信磚家干不出來的？
7.4 5G關(guān)鍵技術(shù)3：D2D
在目前的移動通信網(wǎng)絡(luò)中，即使是兩個人面對面撥打?qū)Ψ降氖謾C(jī)（或手機(jī)對傳照片），信號都是通過基站進(jìn)行中轉(zhuǎn)的，包括控制信令和數(shù)據(jù)包。。。
而在5G時代，這種情況就不一定了。
5G的重要特點(diǎn)——D2D，也就是Device to Device（設(shè)備到設(shè)備）。
D2D的5G時代，同一基站下的兩個用戶，如果互相進(jìn)行通信，他們的數(shù)據(jù)將不再通過基站轉(zhuǎn)發(fā)，而是直接手機(jī)到手機(jī)。。。
這樣，就節(jié)約了大量的空中資源，也減輕了基站的壓力。
不過，如果你覺得這樣就不用付錢，那你就圖樣圖森破了。
控制消息還是要從基站走的，你用著頻譜資源，運(yùn)營商爸爸怎么可能放過你。。。
8、寫在最后
相信大家通過本文，對5G和它背后的通信知識已經(jīng)有了深刻的理解。而這一切，都只是源于一個小學(xué)生都能看懂的數(shù)學(xué)公式。不是么？
通信技術(shù)并不神秘，5G作為通信技術(shù)皇冠上最耀眼的寶石，也不是什么遙不可及的創(chuàng)新革命技術(shù)，它更多是對現(xiàn)有通信技術(shù)的演進(jìn)。
正如一位高人所說：
通信技術(shù)的極限，并不是技術(shù)工藝方面的限制，而是建立在嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的推論，在可以遇見的未來是基本不可能突破的。
如何在科學(xué)原理的范疇內(nèi)，進(jìn)一步發(fā)掘通信的潛力，是通信行業(yè)眾多奮斗者們孜孜不倦的追求。
好啦，今天就到這里吧。謝謝大家的觀看，下一篇文章再見！
9、系列文章目錄
本文是系列文章中的第?10?篇：
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(一)：通信交換技術(shù)的百年發(fā)展史(上)》
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(二)：通信交換技術(shù)的百年發(fā)展史(下)》
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(三)：國人通信方式的百年變遷》
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(四)：手機(jī)的演進(jìn)，史上最全移動終端發(fā)展史》
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(五)：1G到5G，30年移動通信技術(shù)演進(jìn)史》
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(六)：移動終端的接頭人——“基站”技術(shù)》
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(七)：移動終端的千里馬——“電磁波”》
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(八)：零基礎(chǔ)，史上最強(qiáng)“天線”原理掃盲》
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(九)：無線通信網(wǎng)絡(luò)的中樞——“核心網(wǎng)”》
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(十)：零基礎(chǔ)，史上最強(qiáng)5G技術(shù)掃盲》（* 本文）
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(十一)：為什么WiFi信號差？一文即懂！》
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(十二)：上網(wǎng)卡頓？網(wǎng)絡(luò)掉線？一文即懂！》
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(十三)：手機(jī)信號差？一文即懂！》
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(十四)：高鐵上無線上網(wǎng)有多難？一文即懂！》
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(十五)：理解定位技術(shù)，一篇就夠》
學(xué)習(xí)交流：
- 移動端IM開發(fā)入門文章：《新手入門一篇就夠：從零開發(fā)移動端IM》
- 開源IM框架源碼：https://github.com/JackJiang2011/MobileIMSDK（備用地址點(diǎn)此）
（本文已同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-2394-1-1.html）
