現在我們使用手機看一條5分鐘的視訊

大約用掉45M的流量

而網速則至少150KB/S才能流暢播放

這些視訊資料從它的伺服器送往離你最近的基站

也就是我們經常在路上看到的鐵塔

它會調製這些資料

再通過天線傳送電磁波訊號

你手機的天線會收到這些資料

解調收到的訊號

由基帶處理器轉換成二進位制資料存入記憶體

CPU會將這些資料幀解碼

這條視訊就可以在你的手機上播放了

而手機使用的通訊標準就直接影響你的上網體驗

1979年日本NTT部署了第1個1G通訊標準的網路

1G網路把人說話的聲波疊加在無線電載波上

這種訊號也被稱為模擬訊號

只能用來打電話

那個時代手機就是大哥大

90年代開始通訊技術進入2G時代

模擬訊號被0和1組成的數字訊號取代

手機可以上網

很長一段時間

手機的網速只有每秒40KB左右

用手機偷菜的時候只有文字

這是因為2G網路的頻寬太小

這張圖中我們用不同的顏色標註出不同無線通訊技術使用的頻段

無線通訊必須在規定好的頻段內進行

每個頻段佔用一段連續的電磁波譜

然後被分為多個通道

而頻寬指的是通道所允許的最高頻率和最低頻率的差

就像管道越寬水流量越大一樣

根據夏農-哈特利定律

頻寬越大網速越快

GSM的頻寬只有200KHz

把3G通訊標準CDMA則達到5MHz赫茲相差25倍

這樣你的網速從2G時代的40KB/S進化到以Mb為單位

而4G時代頻寬被提升到了20MHz

配合更加高效的調製方案

提升頻譜效率

4G可以提供每秒100Mbps以上的網速

網路的進步和移動應用的發展是互相推動的

智慧手機的出現

促成了3G網路2009年在中國的大規模商用

而4G網路則帶動了近兩年來短視訊應用的增長

現在手機應用對網路的效能又提出了更高的要求

比如實現3D結構光視訊通訊

將你的三維形象傳輸到對方的螢幕上

就需要近1Gbps的頻寬

而物聯網自動駕駛等業務

還對網路的容量和延遲有很高的要求

5G網路應運而生

首先為了實現最高20Gb/s的網速

5G必然要進一步提高頻寬到1GHz以上

但是6GHz以下沒有足夠的空餘來安放頻寬如此龐大的頻段

因此5G網路使用了波長在1~10毫米的高頻電磁波也稱毫米波

那麼問題來了

毫米波雖然可以帶來更快的網速

但短波的掩飾能力很差

長距離訊號衰竭也很嚴重

這時候我們就需要將電磁波的能量更加集中的利用起來

直接發往接收方的方向

就像一個普通的燈泡換成手電筒一樣

為此5G引入了相控陣天線來配合毫米波

與傳統的一根天線發射

另一個天線接收不同

相控陣天線上有多根天線

因此可以通過干涉增強特定方向的訊號

干涉指的是兩列以上的波在空間上產生疊加形成新波的現象

電磁波也是一種波

天線陣列的每一根天線都可以調節自己發射的電磁波的相位

在空間中形成干涉

實現波束成型

這樣不但提高能量效率

還可以降低不同使用者之間通訊的互相干擾

允許單一基站接入海量的裝置

提升基站容量

使物聯網真正成為可能

比起頻寬和容量

延遲可能是5G真正讓人的震撼的地方

單天線系統發射的電磁波會因為建築反射的原因引起干涉

進而導致訊號衰落

這就需要交織編碼來改善衰落導致的訊號差錯

這一過程會產生至少33s的延遲

5G的相控陣天線

由於有多個天線組成陣列

可以大大減少由於隨機的干涉而產生的衰落

因而簡化交織編碼過程

將延遲降低到1ms

5G雖然帶來了巨大的效能提升

但射頻晶片、天線和相關演算法的升級也大幅提升了研發難度

帶來諸如手機自干擾、毫米波球面覆蓋等技術問題

這也給移動終端廠商提出了更大的挑戰

雲遊戲讓大量資料在雲端被計算再傳輸回手機

用手機就能流暢體驗3A大作

3D全息影像等各類技術也終於有機會真正落地

5G手機將成為萬物互聯的中樞