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5G除了速度比4G快十倍 还有哪些提升?

2018-01-27来源: 中关村在线 关键字:5G

    相信关注电子产品、热爱科技的你一定对“5G”这个词毫不陌生,这个自去年一直被热炒的通讯技术总是会时不时的进入我们的视线。而且在刚刚结束的CES上,高通也围绕5G为我们描绘了一个触手可及充满科技感的未来。

  现在让我们想象一下5G也许就像3G时期我们想象4G一样,除了速度快似乎也想象不出4G对比3G在其他方面能有什么提升。

5G速度堪比猎豹(图源:infoxmation)

  的确,按照理论数据,5G的传输速率将可以实现1Gb/s,比目前4G的速度快十倍以上。这意味着使用5G技术下载一部1GB大小的高清电影仅仅需要10秒就可以下载完成!

  那么5G从技术上到底有哪些改变才能使其相较4G的速度有“质”的飞跃呢?除了速度更快,5G对比4G还有哪些方面的提升呢?

5G比4G不止多“1G”(图源:outfresh)

  接下来我就给各位揭示一下5G比4G多出来“1G”到底藏着哪些秘密。

  毫米波是速度提升的关键

  众所周知,现如今我们使用的手机所发射和接受的信号就是电磁波。不过由于电磁波的频率是有限的,不同的工作所用到的电磁波又不能相互干扰,所以,全球统一协商将有限的电磁波频率统一划分出不同的用处,比如,极低频率被应用于超远距离导航、至高频率被应用于波导通信。

无线电各频率分段(图源:wendangwang)

  而我们手机通讯用的电磁波频率,则是被分配到了中频—超高频段。简单来说,从2G到3G一直到5G,其实就是频率的递增。

  而随着频率的提高,频段也在逐步加宽。

三大运营商网络制式所占频段(图源:sparkandshine)

  比如,4G时期,我国运营商采用的频段大致是2555-2575MHz。而5G目前国际上主要采用28GHz进行试验。

  很直观的可以看出5G相较于4G的频段不止高了一个数量级。

  如果我们将频率代入到光速以及波长的公式就会得出很有意思的结果。以5G的28GHz为例子:

以28GHz为例计算波长

  然后我们就能得出5G下的波长约为10.7mm(毫米),这也就是我们常说的5G毫米波。

5G和4G形象对比(图源:163)

  不过需要注意的是,虽然毫米波可以带来更大的传输速度,但是毫米波也有致命的缺点——毫米波在空气中衰减较大,且绕射能力较弱。简单来说,用毫米波实现信号穿墙是非常困难的。

  为了解决这个问题,就要用到微基站技术了。

  微基站使用户均衡获取信号

  前面说到,由于5G毫米波穿透力较差并且在空气中衰减很大的弱点,如果5G仍然采用以往在3G、4G时期使用的“宏基站”,就不能为稍远的用户提供足够的信号保障。

  微基站(图片引自临汾日报社)

  为了应对这个困难,5G开始才用全新的基站——微基站。顾名思义,微基站做的足够小的基站。

  为了更容易理解宏基站和微基站的区别,我们用一个取暖的例子来形象的比喻宏基站和微基站。

宏基站“取暖”方案(图片引自新浪博客)

  宏基站:在一个寒冷的冬天,一个班级里面只有一个炽热的火炉,老师为了让班级暖和起来,将这个炽热的火炉放在班级的正中间。结果事与愿违,班级整体并没有都热起来,仅仅是距离火炉比较近的几个学生暖和(事实上,由于温度太高,可能已经有灼热的感觉)而距离这个火炉很远的在班级边缘的学生可能丝毫感觉不到火炉的温度,冻的瑟瑟发抖。

微基站“取暖”方案(图片引自新浪博客)

  微基站:如果我们将上述班级中心炽热的火炉“拆分开”,分成四五个火炉,虽然每个小火炉的功率不及原先的大火炉,但是我们将这几个小火炉平均分到班级的各个区域,这样每个人都能感受到暖意了。

  所以,微基站不仅在体积上要远远小于宏基站,在功耗上也会有所降低。

  你也许想问,为什么宏基站的天线都那么大,而微基站的天线这么小?或者引申一下,为什么以前我们的手机都要长长的天线,而现在我们的手机都“没有”天线了?

天线的长度与波长的关系

  这是因为,随着频率逐渐升高,该频率相对应的波长在逐渐的缩短,而天线也就跟着变短了!根据实验得出的数据显示,天线的长度大约为波长的1/10~1/4。

  所以,5G的毫米波,也就使得天线达到了“毫米”的级别。

  Massive MIMO使带宽容量提升数十倍

  5G时代的“毫米”天线能带来一个巨大的好处,那就是可以在微小的基站中放入更多的天线。

MIMO技术(图源:wikimedia)

  这就用到了MIMO技术,英文全称是Multiple-Input Multiple-Output,意为“多进多出”,说白了就是基站的天线变多了,并且手机的接受能力也变强了,源头上多根天线发送,接收对象多根天线接受。

  而5G由于可以放入更多的天线,也就成为了加强版的Massive(海量的) MIMO技术。

老式大天线基站(图片引自互联网)

  虽然4G时期已经开始使用MIMO技术,但是4G时期由于天线比较大,一般都是使用4天线、8天线居多,并没有做到“大规模、海量”的Massive MIMO天线。

5G Massive MIMO(图源:sharetechnote)

  到了5G时期,当频率处于30Ghz时,基站最多可使用256个天线同时收发信号,5G可以将移动网络的带宽容量提升数十倍乃至更大。

  信号像手电筒“精准打击”用户

  虽然现在信号和天线的问题都解决了,但是5G还有一个问题困扰着我们,就是我们放射信号的时候能不能不像4G那样漫无目的的放射,虽然有一个很大的覆盖面,但是利用率却有高有低。能不能“精准打击”只给有需要的人用,从而节省资源。

4G像电灯的信号发射形式(图片引自互联网)

  通俗的说,4G就像电灯一样,打开电灯后,不管某一个地方需不需要光,这束“4G”之光都会覆盖到,一定程度上造成了资源的浪费。

波束赋形技术(图片引自mbcom)

  到了5G,为了解决这种资源浪费的行为,开始使用波束赋形技术。

  波束赋形是什么?来看下维基百科的解释:

  “波束赋形(Beamforming)又叫波束成型、空域滤波,是一种使用传感器阵列定向发送和接收信号的信号处理技术。 波束赋形技术通过调整相位阵列的基本单元的参数,使得某些角度的信号获得相长干涉,而另一些角度的信号获得相消干涉。波束赋形既可以用于信号发射端,又可以用于信号接收端。”

  5G像手电筒的信号发射形式(图片引自互联网)

  简单来说,5G将4G的电灯变成了“手电筒”,如果在一间黑屋子里电量这盏5G“手电筒”,他不会使整个屋子都亮,而是寻求特定的有需求的方向打击。

  D2D技术使终端点对点沟通

  5G另一项领先的地方就是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。

D2D通信网络架构示意图(图源:zte)


  使用D2D技术,一举两得——即可以节约大量空中资源,同时也减轻了基站的压力。

  不过,你不要认为这样就可以逃过运营商的“魔爪”,不用交通信费了,因为总的信号控制和资源分配还是通过基站来进行调控的,所以,我们还是要乖乖给运营商交钱。

  总的来说,5G虽然只比4G多了“1G”,但是这“1G”蕴含的内容和进步可是太多了,无论是带宽还是基站,5G相较于4G都有了“质”的飞跃。

  虽然现在阶段我们5G离我们的日常生活还有些遥远,但是现在就像像暴风雨来临前夜沉寂的安静,一旦等到5G这场风暴来袭,无人驾驶、物联网这些与我们日常生活息息相关的科技产品将随着5G共同颠覆我们的日常生活。

  当然,最重要的,还是网速的提升。


关键字:5G

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/article_2018012780392.html
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