 现在我们使用手机看一条5分钟的视频 大约用掉45M的流量 而网速则至少150KB/S才能流畅播放 这些视频数据从它的服务器送往离你最近的基站  也就是我们经常在路上看到的铁塔 它会调制这些数据 再通过天线发送电磁波信号 你手机的天线会收到这些数据  解调收到的信号 由基带处理器转换成二进制数据存入内存 CPU会将这些数据帧解码 这条视频就可以在你的手机上播放了 而手机使用的通信标准就直接影响你的上网体验  1979年日本NTT部署了第1个1G通信标准的网络 1G网络把人说话的声波叠加在无线电载波上  这种信号也被称为模拟信号 只能用来打电话  那个时代手机就是大哥大 90年代开始通信技术进入2G时代  模拟信号被0和1组成的数字信号取代 手机可以上网 很长一段时间 手机的网速只有每秒40KB左右  用手机偷菜的时候只有文字 这是因为2G网络的带宽太小  这张图中我们用不同的颜色标注出不同无线通信技术使用的频段 无线通信必须在规定好的频段内进行 每个频段占用一段连续的电磁波谱  然后被分为多个信道 而带宽指的是信道所允许的最高频率和最低频率的差  就像管道越宽水流量越大一样 根据香农-哈特利定律 带宽越大网速越快 GSM的带宽只有200KHz 把3G通讯标准CDMA则达到5MHz赫兹相差25倍 这样你的网速从2G时代的40KB/S进化到以Mb为单位 而4G时代带宽被提升到了20MHz 配合更加高效的调制方案 提升频谱效率 4G可以提供每秒100Mbps以上的网速 网络的进步和移动应用的发展是互相推动的 智能手机的出现 促成了3G网络2009年在中国的大规模商用 而4G网络则带动了近两年来短视频应用的增长 如今手机应用对网络的性能又提出了更高的要求 比如实现3D结构光视频通信 将你的三维形象传输到对方的屏幕上 就需要近1Gbps的带宽 而物联网自动驾驶等业务 还对网络的容量和延迟有很高的要求 5G网络应运而生 首先为了实现最高20Gb/s的网速 5G必然要进一步提高带宽到1GHz以上 但是6GHz以下没有足够的空余来安放带宽如此庞大的频段 因此5G网络使用了波长在1~10毫米的高频电磁波也称毫米波 那么问题来了 毫米波虽然可以带来更快的网速 但短波的掩饰能力很差 长距离信号衰竭也很严重 这时候我们就需要将电磁波的能量更加集中的利用起来 直接发往接收方的方向 就像一个普通的灯泡换成手电筒一样 为此5G引入了相控阵天线来配合毫米波 与传统的一根天线发射 另一个天线接收不同 相控阵天线上有多根天线 因此可以通过干涉增强特定方向的信号 干涉指的是两列以上的波在空间上产生叠加形成新波的现象 电磁波也是一种波 天线阵列的每一根天线都可以调节自己发射的电磁波的相位 在空间中形成干涉 实现波束成型 这样不但提高能量效率 还可以降低不同用户之间通信的互相干扰 允许单一基站接入海量的设备 提升基站容量 使物联网真正成为可能 比起带宽和容量 延迟可能是5G真正让人的震撼的地方 单天线系统发射的电磁波会因为建筑反射的原因引起干涉 进而导致信号衰落 这就需要交织编码来改善衰落导致的信号差错 这一过程会产生至少33s的延迟 5G的相控阵天线 由于有多个天线组成阵列 可以大大减少由于随机的干涉而产生的衰落 因而简化交织编码过程 将延迟降低到1ms 5G虽然带来了巨大的性能提升 但射频芯片、天线和相关算法的升级也大幅提升了研发难度 带来诸如手机自干扰、毫米波球面覆盖等技术问题 这也给移动终端厂商提出了更大的挑战 云游戏让大量数据在云端被计算再传输回手机 用手机就能流畅体验3A大作 3D全息影像等各类技术也终于有机会真正落地 5G手机将成为万物互联的中枢 |
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