讓萬物互聯(lián)更簡單
更新日期：2019-06-04
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工信部于6月3日發(fā)布消息稱，近期將發(fā)放5G商用牌照，我國將正式進(jìn)入5G商用元年。5G標(biāo)準(zhǔn)是全球產(chǎn)業(yè)共同參與制定的統(tǒng)一國際標(biāo)準(zhǔn)，我國聲明的標(biāo)準(zhǔn)必要占比超過30%。在技術(shù)試驗(yàn)階段，諾基亞、愛立信、高通、英特爾等多家國外企業(yè)已深度參與，在多方共同努力下，我國5G已經(jīng)具備商用基礎(chǔ)。
因?yàn)?/span>5G的商用不僅僅意味著消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)速的提升，更意味著車聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)這些低時延、高可靠通信以及智能井蓋、智能路燈等海量物聯(lián)網(wǎng)通信接入。30%的標(biāo)準(zhǔn)占比也彰顯著我國在5G通信中的重要地位。
不過可能大家對于5G還是有些陌生，今天我們就來聊聊5G的技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用場景及其發(fā)展現(xiàn)狀。
5G，就是5th Generation Mobile Networks（第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)），也可以稱為5th Generation Wireless Systems（第五代無線通信系統(tǒng)）。
從名稱可以看出，5G是4G的下一代演進(jìn)。4G是目前我們正在使用的主流移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
簡單說，5G就是第五代通信技術(shù)，主要特點(diǎn)是波長為毫米級，超帶寬，超高速度，超低延時，支持海量連接。
1G實(shí)現(xiàn)了模擬語音通信，大哥大沒有屏幕只能打電話；2G實(shí)現(xiàn)了語音通信數(shù)字化，功能機(jī)有了小屏幕可以發(fā)短信了；3G實(shí)現(xiàn)了語音以外圖片等的多媒體通信，屏幕變大可以看圖片了；4G實(shí)現(xiàn)了局域高速上網(wǎng)，大屏智能機(jī)可以看視頻了。
1G到4G都是著眼于人與人之間更方便快捷的通信，而5G將實(shí)現(xiàn)隨時、隨地、萬物互聯(lián)，讓人類敢于期待與地球上的萬物通過網(wǎng)絡(luò)相互連接。
無論是1G、2G、3G，還是4G、5G，萬變不離其宗，全部都是在一個簡單的公式身上做文章，沒有跳出它的“五指山”。
這個公式，就是它--
c=λv
解釋一下，這是物理學(xué)的基本公式，光速=波長×頻率。
光速公式
有線和無線
通信技術(shù)歸根到底，就分為兩種——有線通信和無線通信。
以打電話為例，信息數(shù)據(jù)要么在空中傳播（看不見、摸不著），要么在實(shí)物上傳播（看得見、摸得著）。
如果是在實(shí)體物質(zhì)上傳播，就是有線通信，基本上就是用的銅線、光纖這些線纜，統(tǒng)稱為有線介質(zhì)。
在有線介質(zhì)上傳播數(shù)據(jù)，速率可以達(dá)到很高的數(shù)值。以光纖為例，在實(shí)驗(yàn)室中，單條光纖最大速度已達(dá)到了26Tbps。是傳統(tǒng)網(wǎng)線的兩萬六千倍。
而空中傳播這部分，才是移動通信的瓶頸所在。
目前主流的移動通信標(biāo)準(zhǔn)，是4G LTE，理論速率只有150Mbps（不包括載波聚合）。這個和有線是完全沒辦法相比的。
有線和無線通信對比
所以，5G如果要實(shí)現(xiàn)端到端的高速率，重點(diǎn)是突破無線這部分的瓶頸。
好大一個波
無線通信就是利用電磁波進(jìn)行通信。電波和光波，都屬于電磁波。電磁波的功能特性，是由它的頻率決定的。不同頻率的電磁波，有不同的屬性特點(diǎn)，從而有不同的用途。
例如，高頻的γ射線，具有很大的殺傷力，可以用來治療腫瘤。
電磁波頻率
我們目前主要使用電波進(jìn)行通信。當(dāng)然，光波通信也在崛起，例如LiFi（Light Fidelity，可見光通信）。
電波屬于電磁波的一種，它的頻率資源是有限的。為了避免干擾和沖突，我們在電波這條公路上進(jìn)一步劃分車道，分配給不同的對象和用途。
不同電波的用途
一直以來，我們主要是用中頻~超高頻來進(jìn)行手機(jī)通信的。例如經(jīng)常說的“GSM900”、“CDMA800”，其實(shí)意思就是指，工作頻段在900MHz的GSM，和工作頻段在800MHz的CDMA。
目前全球主流的4G LTE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，屬于特高頻和超高頻。
我們國家主要使用超高頻：
不同運(yùn)營商頻譜劃分
隨著1G、2G、3G、4G的發(fā)展，使用的電波頻率是越來越高的。這主要是因?yàn)?，頻率越高，能使用的頻率資源越豐富。頻率資源越豐富，能實(shí)現(xiàn)的傳輸速率就越高。
更高的頻率→更多的資源→更快的速度
頻率資源就像車廂，越高的頻率，車廂越多，相同時間內(nèi)能裝載的信息就越多。
那么，5G使用的頻率具體是多少呢？
5G使用的頻率
5G的頻率范圍，分為兩種：一種是6GHz以下，這個和目前我們的2/3/4G差別不算太大。還有一種，在24GHz以上。
目前，國際上主要使用28GHz進(jìn)行試驗(yàn)。
如果按28GHz來算，根據(jù)前文我們提到的公式：
波長計(jì)算
這個就是5G的第一個技術(shù)特點(diǎn)——
毫 米 波
請注意看最下面一行，是不是就是“毫米波”？
“為什么以前我們不用高頻率呢？”
原因很簡單——不是不想用，是用不起。
電磁波的顯著特點(diǎn)：頻率越高，波長越短，越趨近于直線傳播（繞射能力越差）。頻率越高，在傳播介質(zhì)中的衰減也越大。
激光筆（波長635nm左右），射出的光是直的，擋住了就過不去了。衛(wèi)星通信和GPS導(dǎo)航（波長1cm左右），如果有遮擋物，就沒信號了。衛(wèi)星那口大鍋，必須校準(zhǔn)瞄著衛(wèi)星的方向，否則哪怕稍微歪一點(diǎn)，都會影響信號質(zhì)量。
移動通信如果用了高頻段，那么它最大的問題，就是傳輸距離大幅縮短，覆蓋能力大幅減弱。
覆蓋同一個區(qū)域，需要的5G基站數(shù)量將大大超過4G。更多的基站數(shù)量意味更高的成本。
頻率越低，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)就越省錢，競爭起來就越有利。這就是為什么，這些年電信、移動、聯(lián)通為了低頻段而爭得頭破血流。
有的頻段甚至被稱為——黃金頻段。
這也是為什么，5G時代，運(yùn)營商拼命懟設(shè)備商，希望基站降價。（如果真的上5G，按以往的模式，設(shè)備商就發(fā)大財了。）
所以，基于以上原因，在高頻率的前提下，為了減輕網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面的成本壓力，5G必須尋找新的出路。
出路有哪些呢？
首先，就是微基站。
微 基 站
基站有兩種，微基站和宏基站?？疵志椭溃⒒竞苄?，宏基站很大！
宏基站：
宏基站
室外常見，建一個覆蓋一大片
微基站：
其實(shí)，微基站現(xiàn)在就有不少，尤其是城區(qū)和室內(nèi)，經(jīng)常能看到。
以后，到了5G時代，微基站會更多，到處都會裝上，幾乎隨處可見。
那么多基站在身邊，會不會對人體造成影響？
其實(shí)，和傳統(tǒng)認(rèn)知恰好相反，事實(shí)上，基站數(shù)量越多，輻射反而越??！
想一下，冬天，一群人的房子里，一個大功率取暖器好，還是幾個小功率取暖器好。
基站小，功率低，對大家都好。如果只采用一個大基站，離得近，輻射大，離得遠(yuǎn)，沒信號，反而不好。
天線去哪了？
以前大哥大都有很長的天線，早期的手機(jī)也有突出來的小天線，為什么現(xiàn)在我們的手機(jī)都沒有天線了？
其實(shí)，我們并不是不需要天線，而是我們的天線變小了。
根據(jù)天線特性，天線長度應(yīng)與波長成正比，大約在1/10~1/4之間。
隨著手機(jī)通信頻率的越來越高，波長越來越短，天線也就跟著變短了。
毫米波通信，天線也變成毫米級。
這就意味著，天線完全可以塞進(jìn)手機(jī)里，甚至可以塞很多根。
這就是5G的第三大殺手锏——
Massive MIMO（多天線技術(shù)）
MIMO就是“多進(jìn)多出”（Multiple-Input Multiple-Output），多根天線發(fā)送，多根天線接收。
在LTE時代，我們就已經(jīng)有MIMO了，但是天線數(shù)量并不算多，只能說是初級版的MIMO。
到了5G時代，繼續(xù)把MIMO技術(shù)發(fā)揚(yáng)光大，現(xiàn)在變成了加強(qiáng)版的Massive MIMO（Massive：大規(guī)模的，大量的）。
天線數(shù)量對比
手機(jī)里面都能塞好多根天線，基站就更不用說了。
以前的基站，天線就那么幾根：
5G時代，天線數(shù)量不是按根來算了，是按“陣”、“天線陣列”。
不過，天線之間的距離也不能太近。
因?yàn)樘炀€特性要求，多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個波長以上。如果距離近了，就會互相干擾，影響信號的收發(fā)。
直的？還是彎的？
其實(shí)，基站發(fā)射信號的時候，就有點(diǎn)像燈泡發(fā)光。
信號是向四周發(fā)射的，對于光，當(dāng)然是照亮整個房間，如果只是想照亮某個區(qū)域或物體，那么，大部分的光都浪費(fèi)了。
基站也是一樣，大量的能量和資源都浪費(fèi)了。
我們能不能找到一只無形的手，把散開的光束縛起來呢？
這樣既節(jié)約了能量，也保證了要照亮的區(qū)域有足夠的光。
答案是：可以。
這就是——
波 束 賦 形
波束賦形
在基站上布設(shè)天線陣列，通過對射頻信號相位的控制，使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常狹窄，并指向它所提供服務(wù)的手機(jī)，而且能根據(jù)手機(jī)的移動而轉(zhuǎn)變方向。
波束賦形
這種空間復(fù)用技術(shù)，由全向的信號覆蓋變?yōu)榱司珳?zhǔn)指向性服務(wù)，波束之間不會干擾，在相同的空間中提供更多的通信鏈路，極大地提高基站的服務(wù)容量。
別收費(fèi)，行不行？
在目前的移動通信網(wǎng)絡(luò)中，即使是兩個人面對面撥打?qū)Ψ降氖謾C(jī)（或手機(jī)對傳照片），信號都是通過基站進(jìn)行中轉(zhuǎn)的，包括控制信令和數(shù)據(jù)包?！?/span>
而在5G時代，這種情況就不一定了。
5G的第五大特點(diǎn)——D2D，也就是Device to Device（設(shè)備到設(shè)備）。
D2D
5G時代，同一基站下的兩個用戶，如果互相進(jìn)行通信，他們的數(shù)據(jù)將不再通過基站轉(zhuǎn)發(fā)，而是直接手機(jī)到手機(jī)。
這樣，就節(jié)約了大量的空中資源，也減輕了基站的壓力。
不過，控制消息還是要從基站走的，你用著頻譜資源，運(yùn)營商還是要收取費(fèi)用的。
5G的三大應(yīng)用場景
2015年9月，ITU正式確認(rèn)了5G的三大應(yīng)用場景，分別是eMBB，uRLLC和mMTC。
eMBB，就是Enhance Mobile Broadband，增強(qiáng)型移動寬帶。
顧名思義，這種場景就是現(xiàn)在人們使用的移動寬帶（移動上網(wǎng)）的升級版，主要是服務(wù)于消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)的需求。在這種場景下，強(qiáng)調(diào)的是網(wǎng)絡(luò)的帶寬（速率）。前面所說的5G指標(biāo)中，速率達(dá)到10Gbps以上，就是服務(wù)于eMBB場景的。
uRLLC，是Ultra Reliable & Low Latency Communication，低時延、高可靠通信。
這主要是服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)場景的。例如車聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等。
在這類場景下，對網(wǎng)絡(luò)的時延有很高的需求。例如車聯(lián)網(wǎng)，如果時延較長，網(wǎng)絡(luò)無法在極短時間內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)，就有可能發(fā)生嚴(yán)重的交通事故，甚至危害人身安全。這類場景對網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求也很高，不像手機(jī)上網(wǎng)，如果網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，最多引起用戶的不滿。
mMTC，是Massive Machine Type Communication，海量物聯(lián)網(wǎng)通信。
這個也是典型的物聯(lián)網(wǎng)場景。例如智能井蓋、智能路燈、智能水表電表等，在單位面積內(nèi)有大量的終端，需要網(wǎng)絡(luò)能夠支持這些終端同時接入，指的就是mMTC場景。
5G三大應(yīng)用場景
這三大應(yīng)用場景，只有一個是主要為人聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的，另外兩個都是主要為物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的。這就給5G做了一個定性：它的物聯(lián)網(wǎng)屬性要強(qiáng)于人聯(lián)網(wǎng)屬性。
需要注意的是，三大應(yīng)用場景并不是指三種不同的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)只有一種，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)只有一種，就是5G。
三大應(yīng)用場景，是指5G將采用網(wǎng)絡(luò)切片等方式，使一張網(wǎng)絡(luò)同時為不同的用戶提供服務(wù)。也就是說，5G不是多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的合集（如3G，包括了WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA），而是整合了多種關(guān)鍵技術(shù)于一身的、真正意義上的融合網(wǎng)絡(luò)。
目前5G進(jìn)展
ITU主要負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)和成果鑒定，并不負(fù)責(zé)具體的技術(shù)研究。真正的標(biāo)準(zhǔn)研究和制定工作，被ITU交給了3GPP組織負(fù)責(zé)。3GPP接到任務(wù)之后，就開始具體著手各項(xiàng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)研究工作。
5G標(biāo)準(zhǔn)的制定，一共分為兩個階段。
第一階段（Phase 1）的標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)布的是3GPP Release15（簡稱R15）版本，重點(diǎn)是確定eMBB。也就是說，先滿足人聯(lián)網(wǎng)的要求。2018年6月，這個階段已經(jīng)如期完成。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)正式發(fā)布。
第二階段（Phase 2），將發(fā)布3GPP Release16（簡稱R16）版本，即最終的完整版5G，包括uRLLC和mMTC的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前來看，這個階段的完成時間是2020年。
5G發(fā)展階段
也就是說，目前5G標(biāo)準(zhǔn)只是完成了一半，真正重要的部分，還要等到2020年才能完成。
包括韓國在內(nèi)的很多國家，推出的5G網(wǎng)絡(luò)，并不是真正意義上的完整版本5G網(wǎng)絡(luò)，將來有待第二階段標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)之后，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的升級和改造。
所以目前來看我國5G商用初期，能夠?yàn)橄M(fèi)互聯(lián)網(wǎng)帶來更快的網(wǎng)絡(luò)速度，車聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等低時延、高可靠通信以及智能井蓋、智能路燈、智能水表電表等海量通信接入還有待5G標(biāo)準(zhǔn)的完成。不過從我國在5G標(biāo)準(zhǔn)中的占比能夠看出我們在5G中的地位優(yōu)勢，相信未來我國的5G商用不管是在國內(nèi)還是國際都會有不錯的成績。
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