5G到底是如何工作的，關(guān)于5G技術(shù)的詳細(xì)講解

（文章來源：EDA365網(wǎng)）
如今，在合適的城市使用合適的手機(jī)，你可以獲得超過1G / s的下載速度，這比典型的4G LTE快20至30倍，但是關(guān)鍵是有合適的電話和合適的城市。5G并沒有被廣泛的應(yīng)用，組成5G的一系列技術(shù)仍然是一團(tuán)糟，而這一系列技術(shù)是關(guān)鍵。5G不是由一項(xiàng)技術(shù)決定，它是各種技術(shù)改進(jìn)的集合，包括天線設(shè)計(jì)、手機(jī)信號(hào)塔和更廣泛的無線電頻譜，目前尚不清楚哪種變化會(huì)帶來最大的不同。由于不同的運(yùn)營商專注于不同的技術(shù)，所以你對(duì)5G的體驗(yàn)也可能大不相同。當(dāng)我們談到5G會(huì)帶來什么好處或者什么壞處時(shí)，首先讓我們回答一個(gè)基本問題：什么是蜂窩網(wǎng)絡(luò)？

什么是蜂窩網(wǎng)絡(luò)？之所以叫蜂窩網(wǎng)絡(luò)，是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)像蜂窩一樣被分成許多塊。設(shè)想一下，在一個(gè)早期手機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，手機(jī)通過一個(gè)特定的無線頻率(比如可用頻譜的一部分)與一個(gè)發(fā)射塔相連，而每一個(gè)發(fā)射塔都對(duì)連接人數(shù)有一個(gè)限制。為了獲得更多的客戶，手機(jī)公司建立了更多的發(fā)射塔，并讓這些發(fā)射塔盡可能多地廣播頻率或頻道。但是，如果兩個(gè)發(fā)射塔相鄰，并且使用相同的頻率，這將變得很棘手，它實(shí)際上會(huì)限制可以使用它們的人數(shù)。因?yàn)槿绻麅蓚€(gè)人試圖在同一頻道上使用同一頻段，則可能會(huì)受到干擾，甚至可能接聽陌生人的電話。

因此我們讓彼此靠近的塔使用不同的頻段，但只有這么多的頻段可以工作，并且我們希望有盡可能多的人同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上，所以我們讓四個(gè)塔距離足夠遠(yuǎn)，這時(shí)可以重用一些頻譜并且不用擔(dān)心重疊。如果塔與塔之間有足夠的物理距離，使用相同的頻道就不會(huì)受到干擾，最終你會(huì)得到一個(gè)蜂窩模式。如今，大多數(shù)基站都是三角形的，在三個(gè)方向上分別廣播不同的頻道，以盡可能少的基站覆蓋最大的范圍。距離較近的較小的塔可以提高密集城市的容量，而距離較遠(yuǎn)的較大塔可以覆蓋農(nóng)村地區(qū)，大多數(shù)蜂窩技術(shù)都是為了讓這些頻譜片段編碼越來越多的數(shù)據(jù)，讓更多的人同時(shí)連接到每個(gè)塔上。

5G將如何改變這一切呢？早期的手機(jī)信號(hào)塔可能最多只支持十幾個(gè)人進(jìn)行語音電話，但是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)使用諸如分時(shí)、高級(jí)編碼和調(diào)制等技巧來支持成百上千的人同時(shí)使用Netflix和Verizon Facebook。其實(shí)，這個(gè)改變并不是指硬件上的改變，5G是范圍更廣的e/m頻譜，也就是說，它給人們更大的頻段，傳統(tǒng)的手機(jī)信號(hào)在e/m頻譜上的頻率大多在500到2500MHz之間，但5G可以使用比這高20倍的頻率。新的無線電規(guī)范分為兩個(gè)部分：FR1大約覆蓋400至6000MHz，F(xiàn)R2大約覆蓋24至50GHz（毫米波）。

手機(jī)信號(hào)是一種電磁波，就像光一樣，赫茲是頻率或每秒波攜帶的波峰和波谷的數(shù)量，較低的頻率更容易傳輸更長的距離，它們可以環(huán)繞或穿過大多數(shù)物體。讓我們想想聲波，你可以從鄰居的音響聽到低音，但是高音的高頻信號(hào)在到達(dá)你之前就被吸收了。正因?yàn)槿绱?，美國的t-mobile和AT＆T等公司已經(jīng)推出了600和850兆赫的所謂的低頻段5G網(wǎng)絡(luò)， 這些設(shè)備覆蓋范圍廣，所需的塔數(shù)相對(duì)較少。但是它們在低頻范圍內(nèi)存在很大的缺點(diǎn)，即帶寬不多，速度也慢得多。

在低頻下，沒有那么多的頻譜可以分割。在600至1000兆赫茲之間沒有很大的選擇范圍，所以頻道往往很小，比如10或20兆赫，通道小，速度就越慢，在某些情況下，速度實(shí)際上并不比4G快多少。正因?yàn)槿绱?，世界上大多?shù)的寬帶提供商實(shí)際上都把注意力放在了中頻上，中頻目前運(yùn)行在大約2500到4700兆赫之間，但以后可能會(huì)擴(kuò)展到7000兆赫。這是比目前大多數(shù)蜂窩系統(tǒng)更高的頻率，它可能需要更多的塔才能獲得相同的覆蓋范圍。但是它具有更多可用頻譜，信道的帶寬可以在50或100兆赫茲之間，這可能使數(shù)據(jù)傳輸速度更快。

除了Sprint（美國第四大無線運(yùn)營商）外，美國運(yùn)營商目前基本上忽略了中頻段，而是專注于24到50千兆赫之間的高端毫米波。這里有很多可用的頻譜，可以支持寬至800兆赫的頻道，但它也有一些大的缺點(diǎn)。在討論這些之前，我們先來談?wù)剬?shí)際技術(shù)中發(fā)生了什么變化。單元信號(hào)使用一種稱為QAM（Quadrature Amplitude Modulation）即正交幅度調(diào)制技術(shù)，它將正弦信號(hào)扭曲成各種形狀，然后將其解碼為1和0的集合，4QAM有四種形狀，分別對(duì)應(yīng)于0 0 、0 1 、1 0 和 1 1。16 QAM有16個(gè)要編碼的形狀，您可以理解為，調(diào)制越復(fù)雜，可以傳遞的數(shù)據(jù)就越多。

但信號(hào)越強(qiáng)，你就越需要能夠讀取和破譯它，你的手機(jī)和信號(hào)塔將根據(jù)你的接收情況放大或縮小QAM，在一個(gè)理想的情況下，在一個(gè)全新的LTE手機(jī)塔旁邊，你可以想象，你可以接收256 QAM，每個(gè)數(shù)據(jù)塊發(fā)送8個(gè)零或1。有了這些，你可能會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，5G信號(hào)目前的最大值為64 QAM。5G信號(hào)通常較弱，頻率較高，這意味著保持信號(hào)強(qiáng)度至關(guān)重要。所以總的來說，他們降低了這種編碼方式，這意味著5G的速度提升實(shí)際上是由于那些更寬的信道和更高的頻率，而不是過于調(diào)制信號(hào)，更復(fù)雜的1024 QAM也許有一天還會(huì)出現(xiàn)，但它甚至需要好幾年才能走出實(shí)驗(yàn)室。

什么是massive MIMO？為了最大限度地利用這些高帶寬數(shù)據(jù)通道，他們實(shí)際上已經(jīng)與一種名為massive MIMO的新技術(shù)配對(duì)，這種技術(shù)代表多輸入、多輸出。傳統(tǒng)的4G發(fā)射塔通常具有4到32個(gè)天線，在良好條件下，你的手機(jī)可能實(shí)際上能夠同時(shí)與多個(gè)天線通信，從而增加了它可以發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)量，目前大多數(shù)高端手機(jī)都支持4x4MIMO，這意味著它們可以與發(fā)射塔有4個(gè)活動(dòng)連接。大規(guī)模MIMO基站將具有64至256個(gè)獨(dú)立天線，5G電話應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)8個(gè)甚至16個(gè)連接。隨著基站速度的進(jìn)一步提高，毫米波實(shí)際上具有足夠的信道帶寬，因此該部分頻譜只需要2x2或4x4 MIMO。

但是對(duì)于中、低頻段的連接來說，大規(guī)模的MIMO技術(shù)應(yīng)該是一個(gè)很大的提升，這實(shí)際上要求手機(jī)制造商生產(chǎn)一種有十幾根或更多天線的設(shè)備，這會(huì)增加電池使用成本,并可能會(huì)遇到物理限制，即很多天線要塞進(jìn)手機(jī)。但隨著時(shí)間的流逝，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)該會(huì)成熟并變得更便宜。這種大規(guī)模MIMO設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是還利用了波束成形，這是一種將信號(hào)定向到實(shí)際需要它的設(shè)備的技術(shù)。這并不是說天線會(huì)指向你的手機(jī)，而是通過使用天線陣列。如果你從兩個(gè)天線相互靠近的地方廣播相同的信號(hào)，那么它們的信號(hào)會(huì)在一些地方交叉重疊，這種重疊會(huì)比任何一個(gè)單獨(dú)的天線都能產(chǎn)生的信號(hào)都強(qiáng)。

通過將更多的天線組合在一起，你可以增強(qiáng)這種效果，在每個(gè)天線的所有波同時(shí)到達(dá)的地方創(chuàng)建一個(gè)波束。通過改變天線的相位，實(shí)際上，你可以彎曲并引導(dǎo)這束光束。塔臺(tái)將測量你手機(jī)發(fā)出的信號(hào)，以及從建筑物和地形反射回來的所有信號(hào)，它可以用它來幫助確定你的方向，并將其回復(fù)對(duì)準(zhǔn)正確的位置。所以它不像激光，甚至也不像手電筒，但是通過把來自多個(gè)弱天線的信號(hào)結(jié)合起來，你可以用它們廣播的重疊來產(chǎn)生定向信號(hào)。這使得來自5G塔臺(tái)的中頻信號(hào)的傳輸距離接近目前的4G LTE，盡管頻率更高，并且每個(gè)塔臺(tái)都能支持更多用戶。

更高頻率的信號(hào)會(huì)更容易被吸收，而毫米波有足夠小的波長，它會(huì)被幾乎所有的東西擋住，樹，墻，玻璃都會(huì)擋住這些信號(hào)。毫米波確實(shí)有可能變得非常非?？?，但從物理上講，它不太可能在密集的城市中心之外擴(kuò)展，在戶外，我們可能每隔幾百米就需要一座塔，在室內(nèi)，也許每50米就需要一座塔，但實(shí)際上在室內(nèi)可能最終會(huì)成為這項(xiàng)技術(shù)的最佳方案。在商場、機(jī)場、辦公樓和體育場內(nèi)使用小型蜂窩網(wǎng)絡(luò)，本質(zhì)上是用手機(jī)自動(dòng)識(shí)別和連接的超高速網(wǎng)絡(luò)取代Wi-Fi。

速度高達(dá)每秒千兆位，令人印象深刻。奇怪的是，美國公司通常忽略了中頻帶，這實(shí)際上是全球大多數(shù)5G網(wǎng)絡(luò)正在建設(shè)的頻帶，雖然它可能無法實(shí)現(xiàn)數(shù)千兆位的速度，但中頻帶應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百兆位的數(shù)據(jù)速率，而且這樣做沒有毫米波的距離損失，那么您可以用這樣的速度做什么呢？這樣的超快速度可能會(huì)使存儲(chǔ)設(shè)備可以立即檢索所有文件和媒體，或者想象一臺(tái)沒有存儲(chǔ)卡的相機(jī)，可以直接將4k視頻發(fā)送到云端。

在基礎(chǔ)設(shè)施、制造和研究等不那么令人興奮的領(lǐng)域，也存在巨大的潛力。高分辨率傳感器有可能將大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到服務(wù)器進(jìn)行分析，幫助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化系統(tǒng)適應(yīng)不斷變化的條件。5G的另一個(gè)優(yōu)勢是延遲更低，5G聲稱能夠?qū)⑹謾C(jī)與基站通信的延遲降低至1毫秒。這些數(shù)據(jù)速度可能是真正的汽車自動(dòng)化的要求，自動(dòng)駕駛汽車接收來自傳感器、紅綠燈和十字路口的數(shù)據(jù)，并與周圍的汽車共享它們的位置和意圖，甚至可能與一個(gè)市政計(jì)算機(jī)共享，該計(jì)算機(jī)可以幫助減少交通流量，部署應(yīng)急車輛并監(jiān)控情況。

這一切聽起來都很驚人，但是仍有疑惑之處?，F(xiàn)在美國的LTE速度仍然只有每秒16到30兆位，我們現(xiàn)在看到的5G網(wǎng)絡(luò)基本上是原型，雖然公司將繼續(xù)擴(kuò)大容量，但現(xiàn)在這些網(wǎng)絡(luò)上也幾乎沒有手機(jī)，一旦有更多的5G手機(jī)出現(xiàn)，也很難知道它們的速度會(huì)有多快。當(dāng)前我們的手機(jī)還不能支持5G技術(shù)，5G手機(jī)的價(jià)格也比較昂貴。在世界其他地區(qū)，中頻5G似乎確實(shí)有更大的潛力，它在仍有可能提高速度的同時(shí)，避免了毫米波的距離問題。

目前，5G的大筆投資也集中在那些已經(jīng)有相當(dāng)不錯(cuò)的互聯(lián)網(wǎng)接入的城市。一些運(yùn)營商在計(jì)劃限制5G速度，在美國，AT&T（一家美國電信公司）甚至提出了分層系統(tǒng)的可能性，在這種系統(tǒng)中，你需要額外付費(fèi)才能獲得全速?，F(xiàn)階段，5G技術(shù)最為領(lǐng)先的還屬華為。
（責(zé)任編輯：fqj）