小枣君

今天这个关于5G（5th-Generation，第五代移动通信技术的简称）的故事，得从一个公式开始讲起。这是一个既简单又神奇的公式，说它简单，是因为它一共只有3个字母;而说它神奇，是因为这个公式蕴含了通信技术的无数奥秘，这个星球上有无数的人在为之魂牵梦绕：

这条物理学的基本公式，相信同学们都很熟悉，其中为光速，λ为波长，为频率。对于这个公式，可以说是“万变不离其宗”——无论哪一代通信技术，全部都是在它身上做文章。

有线还是无线？

按介质来分的话，目前的通信技术可分为有线通信和无线通信。比如和朋友打电话，信息数据要么在空中传播（看不见、摸不着），要么在实物上传播（看得见、摸得着）。如果是在实物上传播，就属于有线通信。比如铜质网线、光纤等都统称为有线介质，在这些有线介质上传播信息，速率可以达到很高的数值。以光纤为例，目前在实验室中，单条光纤最大速度已达到了26 Tbps（1 Tbps=103 Gbps=106 Mbps），是我们家里用的普通千兆宽带（1000 Mbps）网速的两万六千倍！

而在空中传播这部分，正是无线通信的瓶颈所在。目前主流的移动通信标准是4G LTE，理论速率一般只有150 Mbps，这个速度和有线通信是完全没办法相比的。所以，未来移动通信如果要实现信息的高速率传播，重点是在这方面取得突破。

不同频率的电磁波

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（光波）对细胞具有很大的杀伤力，可以用来治疗肿瘤;而较低频的电波我们主要使用其进行通信。作为电磁波的一种，电波的频率资源是有限的，为了避免干扰和冲突，我们在电波这条公路上进一步划分车道，分配给不同的对象和用途。

目前全球主流的4G LTE技术标准，属于特高频（频率范围为0.3 GHz—3 GHz）和超高频（频率范围为3 GHz—30 GHz）。随着移动通信技术的发展，我们所使用的电波频率是越来越高的。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;而频率资源越丰富，能实现的传输速率就越高。频率资源就像车厢，越高的频率即车厢越多，相同时间内能装载的信息就越多。

那么，5G使用的频率具体是多少呢？5G的频率范围分为两种：主频段的频率范围是450 MHz到6 GHz，已商用的5G频段正位于此频段，这个和目前我们的2G、3G、4G差别不算太大;而扩展频段的频率就很高了，频率范围是24 GHz到52 GHz，这个就是5G的第一个技术特点——“超高频率，超短波长”。

同学们一定会问：“为什么以前我们不用高频率呢？”原因很简单，不是不想用，而是用不起。电磁波的显著特点是频率越高，波长越短，越趋近于直线传播（绕射能力越差）。同时，频率越高，在传播介质中的衰减也越大，如果有遮挡物，就很容易出现没信号的情况。移动通信如果用了高频段，那么它的最大的问题，就是传输距离大幅缩短，覆盖能力大幅减弱。因此，覆盖同一个区域，需要的信号基站数量，将大大超过以往。

5G的一些新特性

（1）消失的天线

最早的手机“大哥大”有一条很长的天线，早期的功能手机也有突出来的小天线，为什么现在我们的手机都没有天线了？其实，天线并不是消失了，而是变小了。根据移动通信的特性，天线长度应与波长成正比，比例大约在1/10—1/4之间。随着手机通信的频率越来越高，波长越来越短，天线也就跟着变短了。在未来的毫米波通信时代，天线也会变成毫米级。这就意味着，一台手机的里面可以有很多根天线，这就是MIMO（Multiple-Input  Multiple-Output，多进多出），即多根天线发送，多根天线接收。

其实在4G时代，就已经有MIMO技术的应用了，但是天线数量并不算多，只能说是初级版;到了5G时代，工程师们继续把MIMO技术发扬光大，变成了加强版的“Massive MIMO”（大规模天线阵列）。

手机里面都能有好多根天线，基站就更不用说了。不过，天线之间的距离也不能太近，如果距离近了，就會互相干扰，影响信号的收发。所以，多天线阵列要求每根天线之间的距离保持在半个波长以上。

（2）“化直为曲”

其实，基站在发射信号的时候，有点像日光灯发光。信号是向四周发射的，灯光也同样是照亮整个房间，如果我们只是想照亮某个物体（手机），那么大量的电力（信号资源）都浪费了。我们能不能找到一只无形的手，把散开的光（信号）束缚起来，既节约电力（信号资源），也保证要照亮的物体有足够的光（手机获得良好信号）呢？答案是可以。

通过在基站上布设天线阵列，对发射信号相位进行控制，使得相互作用后的电磁波的方向变得非常狭窄，指向它所提供服务的手机，而且能根据手机的移动而转变方向，这就是“波束赋形”技术。这种空间复用技术，由全向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能力，极大地提高基站的服务容量。

（3）终端直通

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（或互传照片），信号都是通过基站进行中转的，包括控制信令和数据包。而在5G时代，这种情况就不一定了，这就是5G的又一大特性——D2D，也就是Device to Device（终端直通）。5G时代，同一基站下的两个用户，如果互相进行通信，控制信令还是要从基站走的，但他们的数据将不再通过基站转发，而是直接从手机到手机。这样，不仅节约了大量的通信资源，也减轻了基站的压力。

后记

相信同学们通过本文，对5G和背后的通信知识已经有了深刻的理解。而这一切，都只是源于一个只有3个字母的简单的数学公式。通信技术并不神秘，5G作为通信技术皇冠上最耀眼的宝石，也不是什么遥不可及的革命技术，它更多是对现有通信技术的演进。通信技术的极限，并不是技术工艺方面的限制，而是建立在严谨数学基础上的推论。如何在科学原理的范畴内进一步发掘通信的潜力，是通信行业众多工程师们孜孜不倦的追求。