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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