5G的原理和應(yīng)用詳細(xì)講解

先引用一個(gè)馬克思政治經(jīng)濟(jì)學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)避避邪：生產(chǎn)力決定生產(chǎn)關(guān)系。把這個(gè)理論套用到全球來(lái)看，人類生產(chǎn)力發(fā)展到今天，新的生產(chǎn)關(guān)系正在逐漸浮現(xiàn)，這就是全球化。只要生產(chǎn)力發(fā)展是必然的，全球化趨勢(shì)就是必然的。反全球化就是一群衛(wèi)道士的自我安慰，就像項(xiàng)羽恢復(fù)分封制、***的結(jié)局一樣?！I(xiàn)給正遭美帝圍剿的華為5G。

本文來(lái)源：老和山下的小學(xué)僧

各位沒(méi)走錯(cuò)片場(chǎng)，下面才是正文。

電磁波

要說(shuō)5G，不懂點(diǎn)電磁波是不行的。提問(wèn)：仙人掌能防電腦輻射嗎？知道答案的大盆友直接看后半篇，下面這段寫(xiě)給小盆友。

日常生活中，除了原子電子之外，剩下的幾乎全是電磁波，紅外線、紫外線、太陽(yáng)光、電燈光、wifi信號(hào)、手機(jī)信號(hào)、電腦輻射、核輻射，等等。只要是波，就逃不過(guò)三個(gè)參數(shù)：波速、波長(zhǎng)、振幅。電磁波的速度是恒定的光速，因此只需考慮：波長(zhǎng)(或頻率)、振幅(不考慮方向)，其中頻率對(duì)于電磁波來(lái)說(shuō)，尤為重要。

頻率越高，對(duì)應(yīng)著電磁波的波長(zhǎng)越短，能量越高，衰減越快，穿透性越差，散射越少，對(duì)人體傷害越大。就著這個(gè)原則，咱從頭到尾捋一遍。

長(zhǎng)的電磁波波長(zhǎng)能到1億米，頻率3Hz，1秒鐘三個(gè)波，如果用來(lái)通信的話，等你一句話說(shuō)完，就可以過(guò)年了。

稍微正常點(diǎn)的電磁波，波長(zhǎng)幾萬(wàn)米，用這通信，就一個(gè)字：穩(wěn)！江河大山都擋不住，甚至能穿透幾十米深的海水(海水導(dǎo)電，是電磁波的克星)。不過(guò)就這點(diǎn)頻率，只能勉強(qiáng)攜帶點(diǎn)信息，發(fā)一個(gè)hello，大概需要半小時(shí)，也就比寫(xiě)信稍微強(qiáng)點(diǎn)。因?yàn)槌L(zhǎng)波實(shí)在是穩(wěn)，一般用在岸臺(tái)向潛艇單向發(fā)送命令。

再短點(diǎn)，幾十米波長(zhǎng)的電磁波，頻率就到了百萬(wàn)赫茲MHz級(jí)別，能攜帶的信息就很可觀了，一句話至少能說(shuō)利索了。而且照樣還能跑很遠(yuǎn)，幾百公里不在話下，所以收音機(jī)廣播、電報(bào)、業(yè)余無(wú)線電一般用這個(gè)頻段。

說(shuō)點(diǎn)有用的，假如你困在荒島上，有個(gè)飛機(jī)路過(guò)，趕緊用121.5MHz呼救，這是民用緊急通信頻率，還有個(gè)軍用緊急通信頻率243MHz，這些都是不加密的公共頻率。上次解放軍和臺(tái)軍戰(zhàn)機(jī)對(duì)峙，雙方用這個(gè)頻率對(duì)話，結(jié)果被無(wú)線電愛(ài)好者錄下來(lái)放網(wǎng)上了，吃瓜群眾喜聞樂(lè)見(jiàn)之余，又擔(dān)心我軍通信太容易被破解，真是阿彌陀佛了。

波長(zhǎng)再短點(diǎn)，到了1米~1厘米，就有意思了。一方面，雖然衰減已經(jīng)很明顯了，但一口氣還能跑個(gè)百十公里，夠用；另一方面，頻率到了GHz級(jí)別，能攜帶足夠多的信息，不但話能說(shuō)利索了，還有多余功夫讓你加個(gè)密什么的。所以這個(gè)波段是通信的焦點(diǎn)，什么1G2G3G4G，什么衛(wèi)星通信雷達(dá)通信，全在這，統(tǒng)稱微波通信。

到了毫米級(jí)，電磁波就跑不了多遠(yuǎn)了，雖然毫米波不太發(fā)散，但很容易被周邊物質(zhì)吸收或反射，幾乎沒(méi)啥穿透性，用來(lái)通信很雞肋，不過(guò)用在導(dǎo)彈導(dǎo)引雷達(dá)或微波爐上棒棒的。但，畢竟頻率超過(guò)了30GHz，攜帶的信息量實(shí)在太饞人，要不還是試試吧！于是，5G來(lái)了。

5G同志先等等，繼續(xù)往下數(shù)，來(lái)到微米級(jí)。毫無(wú)疑問(wèn)，能攜帶的信息量繼續(xù)倍增，但波長(zhǎng)0.7微米的電磁波就已經(jīng)是可見(jiàn)光了?？梢?jiàn)光都見(jiàn)過(guò)吧，別說(shuō)穿墻了，一張紙都?jí)騿?，想接著按?G8G9G的套路肯定走不通啊。然后，就有了激光通信，發(fā)射端和接收端必須瞄得準(zhǔn)準(zhǔn)的，中間還不能有阻擋，這優(yōu)缺點(diǎn)自個(gè)兒體會(huì)體會(huì)。

波長(zhǎng)到了0.3微米，也就是300納米，先別管頻率的事了，這玩意兒就是我們熟知的紫外線，終于對(duì)人體有害了。太陽(yáng)光里的紫外線大約占了4%，如果你一天能曬上半小時(shí)太陽(yáng)的話，那么前面提到的那些電磁波輻射基本可以無(wú)視了(不要鉆電磁共振的牛角尖，咱只說(shuō)普遍情況)。

波長(zhǎng)200納米的紫外線，在太陽(yáng)光中幾乎是沒(méi)有的，所以在陽(yáng)光太強(qiáng)時(shí)，紫外線通信就成了激光通信很好的補(bǔ)充，不但隱蔽性更好，還不用對(duì)得那么準(zhǔn)，在幾公里的距離上非常好用，是近些年軍事通信的研究熱點(diǎn)。

接下來(lái)就和通信無(wú)關(guān)了，波長(zhǎng)到了納米級(jí)就成了X光，就是在醫(yī)院見(jiàn)到的那種，這么說(shuō)的話，X光其實(shí)也能叫納米技術(shù)(這是玩笑)。

最后，波長(zhǎng)短到了0.01納米以下，這就是聞之色變的伽馬射線，來(lái)自核輻射，全宇宙最強(qiáng)的能量形式之一！若是要?dú)缫粋€(gè)星系，伽馬射線是不二之選。實(shí)際上，科學(xué)家一直懷疑，超新星爆炸產(chǎn)生的伽馬射線爆已經(jīng)毀滅了絕大部分的宇宙文明，好在太陽(yáng)系處于比較角落的地帶，周邊恒星不多。

終于說(shuō)完了波長(zhǎng)頻率，那振幅呢？連仙人掌能不能防輻射都不知道，也就沒(méi)必要了解振幅的含義了，直接跳過(guò)。

1和0

回到微波通信。

為什么頻率越高，能攜帶的信息就越多？以數(shù)字信號(hào)為例，信息就是一串串的1和0，所以先搞清楚怎樣用電磁波表示1和0。

第一種方法叫“調(diào)幅”，基本思路是調(diào)整電磁波的振幅，振幅大的表示1，振幅小的表示0，如下圖。收音機(jī)的AM就是調(diào)幅，缺點(diǎn)頗多。

第二種方法叫“調(diào)頻”，基本思路是調(diào)整頻率來(lái)表示1和0，比如，用密集的波形表示1，疏松的波形表示0。收音機(jī)的FM就是調(diào)頻，優(yōu)點(diǎn)多多的。

很顯然，在單位時(shí)間內(nèi)，發(fā)出的波越多，能表示的1和0就越多，換句話說(shuō)，頻率越高能攜帶的信息就越多。

這樣算起來(lái)，頻率800MHz意味著每秒產(chǎn)生800萬(wàn)個(gè)波，都用來(lái)表示1和0的話，1秒鐘可以傳輸100M數(shù)據(jù)，這速度很快??！為啥我們感覺(jué)不到呢？

古語(yǔ)有云，重要的事情說(shuō)三遍，通信也是如此。無(wú)線電拔山涉水，弄丟幾個(gè)1,0太正常了，防止走丟的土辦法就是抱團(tuán)。比如，用一萬(wàn)個(gè)連續(xù)的1表示一個(gè)1，哪怕路上走丟了兩千個(gè)1，最后咱還能認(rèn)得這是1。

這種傻辦法只能用在民用通信，因?yàn)樘卣魈黠@，很容易被破解。還記得北斗民用信號(hào)被破解的新聞吧，原因就在此。

民用信號(hào)只要能和其他信號(hào)區(qū)分開(kāi)就行，不會(huì)弄得太復(fù)雜，不然傳輸效率太低。按2G技術(shù)那樣，800MHz的頻率，傳輸數(shù)據(jù)大不過(guò)每秒幾十K。

軍用就兩碼事了，為了防止被破解，要用很復(fù)雜的組合來(lái)表示1和0，中間說(shuō)不定還有很多無(wú)效信息，各種跳頻技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù)，還不停變換組合，總之越花哨越好。所以同樣一句話，軍事通信要用掉更多的1,0，因此為了保證傳輸效率，軍用頻率就比民用高很多。

就目前來(lái)說(shuō)，頂級(jí)破解技術(shù)還干不過(guò)頂級(jí)加密技術(shù)，這里不包括尚未成熟的量子通信。

軍事對(duì)抗是無(wú)止境的，干不過(guò)也不能認(rèn)慫！那怎辦？既然弄不清楚你的1,0，那我就索性再送你一堆1,0，把你原有的組合搞亂，讓你自己人都懵逼。這就是電子對(duì)抗的環(huán)節(jié)，跑題了，還是說(shuō)回5G。

關(guān)鍵技術(shù)

前面說(shuō)的，都是不值錢(qián)的原理，下面看看值錢(qián)的技術(shù)。5G關(guān)鍵技術(shù)有一堆說(shuō)法，咱給粗暴地歸個(gè)類。

振蕩電路插個(gè)天線就可以產(chǎn)生電磁波，用特定方法改變電磁波的頻率或振幅，變成各種復(fù)雜的組合，這個(gè)過(guò)程叫調(diào)制。對(duì)應(yīng)的，豎個(gè)天線就能收到空中的電磁波，按預(yù)定方法變回1,0，這個(gè)過(guò)程叫解調(diào)。

把電磁波發(fā)到空中，或者把空中的電磁波收下來(lái)，都需要天線，別以為現(xiàn)在手機(jī)光溜溜的就不需要天線了。手機(jī)與手機(jī)是無(wú)法直接通信的，而是通過(guò)周邊的基站與別的手機(jī)聯(lián)系。于是，問(wèn)題來(lái)了，5G使用的毫米波在空氣中衰減非常嚴(yán)重，但又不能無(wú)限制提高發(fā)射功率，怎么辦呢？只能在天線上做文章了。

5G的第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：大規(guī)模多天線陣列。大白話就是，增加天線的數(shù)量，不是增加一個(gè)兩個(gè)，而是幾百個(gè)。這個(gè)思路很好理解，但是呢，用那么多天線發(fā)射同一個(gè)信號(hào)，稍不留神就亂成一鍋粥。

多天線加毫米波，對(duì)比原先的少天線加厘米波，無(wú)線電傳播的物理特征肯定不一樣，得重新建立信道模型。那信道模型怎么建立呢？相信我，你不會(huì)感興趣的。

天線一多，不但能解決毫米波衰減的問(wèn)題，傳輸效率、抗干擾等性能也是蹭蹭漲，算是5G必須課。

曾與華為齊名的大唐電信于2015年率先發(fā)布了256大規(guī)模天線，引爆全球通信業(yè)，一時(shí)風(fēng)光無(wú)限！可惜后來(lái)突然閃崩，淪落到賣科研大樓求生，令人唏噓！

基站天線搞定，下面就輪到終端機(jī)的天線了，這貨也有術(shù)語(yǔ)：全雙工技術(shù)。

一般手機(jī)的通信天線只有一個(gè)，收發(fā)信號(hào)交替進(jìn)行，費(fèi)勁的很！全雙工技術(shù)，就是把發(fā)信號(hào)的天線和收信號(hào)的天線分開(kāi)，收發(fā)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行，優(yōu)點(diǎn)就不說(shuō)了。不過(guò)，這很難嗎？

你想想，把話筒和音響挨在一起，還要求兩者能正常工作，你說(shuō)難嗎？大體上分兩個(gè)思路，其一，物理方法，比如在倆天線之間加屏蔽材料；其二，信號(hào)處理，比如無(wú)源模擬對(duì)消等。

2016年4月華為宣布已于成都5G外場(chǎng)率先完成第一階段5G關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果完全達(dá)到預(yù)期。其中兩個(gè)重要驗(yàn)證就是大規(guī)模天線技術(shù)和全雙工技術(shù)。

天線搞定了，再來(lái)就是"新多址接入技術(shù)"，這詞聽(tīng)著真拗口，別急，馬上就順了！

舉個(gè)例子(數(shù)字是胡謅的)：

假設(shè)手機(jī)基站用100Hz表示1，105Hz表示0，這時(shí)又接進(jìn)一個(gè)新電話，那新電話的1可以用110Hz，0用115Hz，如果再來(lái)新電話，依次類推。這就是1G的思路，簡(jiǎn)稱FDMA。

這樣2個(gè)電話就用掉了從100Hz到115Hz的頻段，占用的15Hz就叫帶寬。外行也看出來(lái)了，這路子太費(fèi)帶寬了。好在那會(huì)的手機(jī)只是傳個(gè)語(yǔ)音，數(shù)據(jù)量不大，但也架不住手機(jī)數(shù)量的增加，很快就不夠用了！

換個(gè)思路，大家都用100Hz表示1，105Hz表示0，但是第1秒給甲用，第2秒給乙用，第3秒給丙用，只要輪換的好，5Hz的帶寬就夠3個(gè)手機(jī)用，就是延時(shí)嚴(yán)重點(diǎn)而已。這就是2G的思路，簡(jiǎn)稱TDMA。

再到后來(lái)，數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，2G也玩不轉(zhuǎn)了。不過(guò)，只要有需求，就不怕沒(méi)套路：在各自的信號(hào)前面加上序列碼，再揉成一串發(fā)送，接收端按序列號(hào)只接受自己的信號(hào)。就好像快遞員一次性送了一疊信過(guò)來(lái)，大家按照信封上的名字打開(kāi)各自的信。這就是3G的思路，簡(jiǎn)稱CDMA。本僧這把年紀(jì)的人，應(yīng)該都被聯(lián)通的CDMA廣告轟炸過(guò)吧？

再發(fā)展就是正交頻分多址技術(shù)，把2個(gè)互不干擾的正交信號(hào)揉成一串發(fā)送。所謂正交信號(hào)，和量子力學(xué)的疊加態(tài)有點(diǎn)類似。把信號(hào)疊在一起發(fā)送，就是4G的思路，簡(jiǎn)稱OFDMA。

每個(gè)終端在網(wǎng)絡(luò)上都有一個(gè)地址，所以這種讓很多手機(jī)一起打電話的技術(shù)，從1G到4G，統(tǒng)稱：多址接入技術(shù)。咱5G特別時(shí)髦，叫“新多址接入技術(shù)”，這貨怎么個(gè)“新”法呢？

稀疏碼多址接入、非正交多址接入、圖分多址接入……好吧，我承認(rèn)有點(diǎn)云里霧里了，總體思路就是疊加更多信號(hào)或者把前面的技術(shù)混到一起，這里涉及大量的數(shù)學(xué)知識(shí)，奉勸各位好自為之吧！

暫時(shí)就說(shuō)這么多吧，5G要實(shí)現(xiàn)10Gb/秒的峰值速率、1百萬(wàn)的連接數(shù)密度、1毫秒的時(shí)延，必須要先解決這三大關(guān)鍵技術(shù)。

2016年4月，華為的第一階段“關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證”，主要也是驗(yàn)證這仨技術(shù)。新多址接入采用濾波正交頻分復(fù)用、稀疏碼多址接入、極化碼，結(jié)合大規(guī)模天線，吞吐率提升10倍以上，在100MHz帶寬下，平均吞吐量達(dá)到3.6Gb/秒；全雙工采用了無(wú)源模擬對(duì)消、有源模擬對(duì)消和數(shù)字對(duì)消三重對(duì)消框架，可以實(shí)現(xiàn)113dB的自干擾消除能力，獲得了90%以上的吞吐率增益。

2017年6月，華為完成第二階段“多種關(guān)鍵技術(shù)融合測(cè)試及單基站性能測(cè)試”，在200MHz帶寬下，單用戶下行吞吐率超過(guò)6Gb/秒，小區(qū)峰值超過(guò)18Gb/秒，配套業(yè)內(nèi)首個(gè)小型化5G測(cè)試終端，單個(gè)5G基站可同時(shí)支持上百路超高清4K視頻。

2018年9月，華為完成第三階段“基于獨(dú)立組網(wǎng)的5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與業(yè)務(wù)流程測(cè)試”。

這三個(gè)階段測(cè)試，華為均以100%通過(guò)率順利完成。

除了三大關(guān)鍵技術(shù)之外，無(wú)數(shù)用戶要組成網(wǎng)絡(luò)，事情自然少不了。比如，分配傳輸資源和指揮交通一樣讓人頭大，一條道路分配不合理，半個(gè)城市就得跟著癱瘓，所以，華為完成關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證后，又花了2年時(shí)間才進(jìn)行獨(dú)立組網(wǎng)測(cè)試。再比如，能耗不能太離譜，價(jià)格不能高上天，諸如此類的基本要求。

又是芯片

可以看到，5G要處理的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于4G，所謂數(shù)據(jù)就是1,0，但凡涉及1,0的東西，基本都用芯片。控制電磁波發(fā)射要用射頻芯片，編碼解碼要用基帶芯片，等等，這些也屬于5G核心關(guān)鍵技術(shù)。

2019年1月24日，華為發(fā)布了全球首款5G基站核心芯片：天罡，以及，全球首款單芯片多模5G基帶芯片：巴龍5000。既然是世界首款，免不了拿下N個(gè)全球第一。

把條件放寬到調(diào)制解調(diào)芯片，玩家就比較多了。5G的主流頻率是28GHz，有能力處理這個(gè)頻段的芯片，目前是4家。

高通是最早的，三星是唯一做到39GHz的，華為是工藝最先進(jìn)的，英特爾是哪里都不掉隊(duì)的，***聯(lián)發(fā)科據(jù)說(shuō)馬上也要來(lái)了。

多說(shuō)一句，華為2018年2月發(fā)布的這款巴龍5G01芯片，因塊頭太大無(wú)法用在手機(jī)上，2019年1月就推出了手機(jī)使用的巴龍5000，同時(shí)還沒(méi)耽誤手機(jī)處理器芯片麒麟和服務(wù)器芯片鯤鵬，這進(jìn)展還是不錯(cuò)的！

標(biāo)準(zhǔn)

5G涉及的技術(shù)實(shí)在太多太雜，得訂個(gè)規(guī)矩。立規(guī)矩的重要性不比技術(shù)研發(fā)低，待會(huì)你看看歐萌就明白了。

5G標(biāo)準(zhǔn)第一階段的第一部分已于2018年6月完成并發(fā)布，標(biāo)志著首個(gè)真正完整意義的國(guó)際5G標(biāo)準(zhǔn)出爐，剩余部分陸續(xù)到2020年才能完工。

這次標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布一共有50家公司參與，中國(guó)有中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、華為、中興、大唐電信等16家，美國(guó)8家，歐洲8家，日本13家，韓國(guó)5家。

從數(shù)量上看，咱還是不錯(cuò)的。從質(zhì)量上看，咱應(yīng)該也還是不錯(cuò)的。舉個(gè)例子：

在信道編碼問(wèn)題上，歐萌一直用Turbo碼，美帝高通習(xí)慣用LDPC碼，華為擅長(zhǎng)用Polar碼。于是，第一回合歐萌就被干掉了，不但積累的Turbo技術(shù)打了水漂，還得重新學(xué)LDPC和Polar。

華為和高通繼續(xù)交鋒了兩輪。

信道編碼分“控制信道編碼”和“數(shù)據(jù)信道編碼”，高通的方案是兩者都用LDPC碼，華為的方案是數(shù)據(jù)信道用你家的LDPC碼，控制信道用Polar碼。

然后，聯(lián)想對(duì)華為的方案投了反對(duì)票……

當(dāng)然，聯(lián)想的投票對(duì)結(jié)局毫無(wú)影響。因?yàn)榉制邕^(guò)大，當(dāng)天只確定數(shù)據(jù)信道用LDPC碼，至于控制信道擇日再議。

等擇好日，再次投票時(shí)，高通、三星、英特爾、愛(ài)立信等巨頭搜羅了31家公司組成陣營(yíng)，要求全部用LDPC碼，華為則組織了包括聯(lián)想在內(nèi)的55家公司力爭(zhēng)。最終，華為Polar成為控制信道編碼，高通LDPC成為數(shù)據(jù)信道編碼，大家平分秋色。

這事被翻出來(lái)后，聯(lián)想引起眾怒，但華為很貼心地幫著解圍。

順便說(shuō)個(gè)常識(shí)：行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都還沒(méi)全出來(lái)，5G離全面成熟應(yīng)用還是有一段路的。

場(chǎng)景和意義

因?yàn)閾?dān)心小盆友的想象力不夠，所以國(guó)際電信聯(lián)盟召開(kāi)的ITU-RWP5D第22次會(huì)議，確定了5G的三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景：

這圖畫(huà)得實(shí)在太差，解釋一下：三個(gè)角上的三句話是5G的三大功能特點(diǎn)，藍(lán)色小塊是應(yīng)用場(chǎng)景，小塊越靠近哪個(gè)角就說(shuō)明對(duì)這個(gè)功能的依賴越大。后來(lái)，這三個(gè)角又改成了四個(gè)：連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接、低時(shí)延高可靠……

說(shuō)暈了，還是本僧用大白話總結(jié)一下吧。

就技術(shù)而言，5G就三句話：網(wǎng)速快、信號(hào)廣、延時(shí)少。但技術(shù)帶來(lái)的改變卻超越了想象力，5G是全信息化的基石，完全可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)年物聯(lián)網(wǎng)吹過(guò)的牛：萬(wàn)物互聯(lián)。

如果非要找個(gè)參考的話，可以想象一下：把2G3G4G去掉，回到大哥大時(shí)代……不認(rèn)識(shí)大哥大的00后小盆友，可以問(wèn)問(wèn)身邊的80后老爺爺。

我覺(jué)著，5G與4G的差異，比得上4G和1G的差異。