5G除了速度比4G快十倍 還有哪些提升?

01毫米波是速度提升的關鍵

    相信關注電子產品、熱愛科技的你一定對「5G」這個詞毫不陌生，這個自去年一直被熱炒的通訊技術總是會時不時的進入我們的視線。而且在剛剛結束的CES上，高通也圍繞5G為我們描繪了一個觸手可及充滿科技感的未來。

    現在讓我們想像一下5G也許就像3G時期我們想像4G一樣，除了速度快似乎也想像不出4G對比3G在其他方面能有什麼提升。

5G速度堪比獵豹（圖源：infoxmation）

    的確，按照理論數據，5G的傳輸速率將可以實現1Gb/s，比目前4G的速度快十倍以上。這意味著使用5G技術下載一部1GB大小的高清電影僅僅需要10秒就可以下載完成！

    那麼5G從技術上到底有哪些改變才能使其相較4G的速度有「質」的飛躍呢？除了速度更快，5G對比4G還有哪些方面的提升呢？

5G比4G不止多「1G」（圖源：outfresh）

    接下來我就給各位揭示一下5G比4G多出來「1G」到底藏著哪些秘密。

毫米波是速度提升的關鍵

    眾所周知，現如今我們使用的手機所發射和接受的信號就是電磁波。不過由於電磁波的頻率是有限的，不同的工作所用到的電磁波又不能相互幹擾，所以，全球統一協商將有限的電磁波頻率統一划分出不同的用處，比如，極低頻率被應用於超遠距離導航、至高頻率被應用于波導通信。

無線電各頻率分段（圖源：wendangwang）

    而我們手機通訊用的電磁波頻率，則是被分配到了中頻—超高頻段。簡單來說，從2G到3G一直到5G，其實就是頻率的遞增。

    而隨著頻率的提高，頻段也在逐步加寬。

三大運營商網絡制式所佔頻段（圖源：sparkandshine）

    比如，4G時期，我國運營商採用的頻段大致是2555-2575MHz。而5G目前國際上主要採用28GHz進行試驗。

    很直觀的可以看出5G相較於4G的頻段不止高了一個數量級。

    如果我們將頻率代入到光速以及波長的公式就會得出很有意思的結果。以5G的28GHz為例子：

以28GHz為例計算波長

    然後我們就能得出5G下的波長約為10.7mm（毫米），這也就是我們常說的5G毫米波。

5G和4G形象對比（圖源：163）

    不過需要注意的是，雖然毫米波可以帶來更大的傳輸速度，但是毫米波也有致命的缺點——毫米波在空氣中衰減較大，且繞射能力較弱。簡單來說，用毫米波實現信號穿牆是非常困難的。

    為了解決這個問題，就要用到微基站技術了。

微基站使用戶均衡獲取信號

     前面說到，由於5G毫米波穿透力較差並且在空氣中衰減很大的弱點，如果5G仍然採用以往在3G、4G時期使用的「宏基站」，就不能為稍遠的用戶提供足夠的信號保障。

微基站（圖片引自臨汾日報社）

    為了應對這個困難，5G開始才用全新的基站——微基站。顧名思義，微基站做的足夠小的基站。

    為了更容易理解宏基站和微基站的區別，我們用一個取暖的例子來形象的比喻宏基站和微基站。

宏基站「取暖」方案（圖片引自新浪博客）

    宏基站：在一個寒冷的冬天，一個班級裡面只有一個熾熱的火爐，老師為了讓班級暖和起來，將這個熾熱的火爐放在班級的正中間。結果事與願違，班級整體並沒有都熱起來，僅僅是距離火爐比較近的幾個學生暖和（事實上，由於溫度太高，可能已經有灼熱的感覺）而距離這個火爐很遠的在班級邊緣的學生可能絲毫感覺不到火爐的溫度，凍的瑟瑟發抖。

微基站「取暖」方案（圖片引自新浪博客）

    微基站：如果我們將上述班級中心熾熱的火爐「拆分開」，分成四五個火爐，雖然每個小火爐的功率不及原先的大火爐，但是我們將這幾個小火爐平均分到班級的各個區域，這樣每個人都能感受到暖意了。

    所以，微基站不僅在體積上要遠遠小於宏基站，在功耗上也會有所降低。

    你也許想問，為什麼宏基站的天線都那麼大，而微基站的天線這麼小？或者引申一下，為什麼以前我們的手機都要長長的天線，而現在我們的手機都「沒有」天線了？

天線的長度與波長的關係

    這是因為，隨著頻率逐漸升高，該頻率相對應的波長在逐漸的縮短，而天線也就跟著變短了！根據實驗得出的數據顯示，天線的長度大約為波長的1/10~1/4。

    所以，5G的毫米波，也就使得天線達到了「毫米」的級別。

Ｍassive MIMO使帶寬容量提升數十倍

    5G時代的「毫米」天線能帶來一個巨大的好處，那就是可以在微小的基站中放入更多的天線。

MIMO技術（圖源：wikimedia）

    這就用到了MIMO技術，英文全稱是Multiple-Input Multiple-Output，意為「多進多出」，說白了就是基站的天線變多了，並且手機的接受能力也變強了，源頭上多根天線發送，接收對象多根天線接受。

    而5G由於可以放入更多的天線，也就成為了加強版的Ｍassive（海量的） MIMO技術。

老式大天線基站（圖片引自網際網路）

    雖然4G時期已經開始使用MIMO技術，但是4G時期由於天線比較大，一般都是使用4天線、8天線居多，並沒有做到「大規模、海量」的Ｍassive MIMO天線。

5G Ｍassive MIMO（圖源：sharetechnote）

    到了5G時期，當頻率處於30Ghz時，基站最多可使用256個天線同時收發信號，5G可以將行動網路的帶寬容量提升數十倍乃至更大。

信號像手電筒「精準打擊」用戶

    雖然現在信號和天線的問題都解決了，但是5G還有一個問題困擾著我們，就是我們放射信號的時候能不能不像4G那樣漫無目的的放射，雖然有一個很大的覆蓋面，但是利用率卻有高有低。能不能「精準打擊」只給有需要的人用，從而節省資源。

4G像電燈的信號發射形式（圖片引自網際網路）

    通俗的說，4G就像電燈一樣，打開電燈後，不管某一個地方需不需要光，這束「4G」之光都會覆蓋到，一定程度上造成了資源的浪費。

波束賦形技術（圖片引自mbcom）

    到了5G，為了解決這種資源浪費的行為，開始使用波束賦形技術。

    波束賦形是什麼？來看下維基百科的解釋：

    「波束賦形（Beamforming）又叫波束成型、空域濾波，是一種使用傳感器陣列定向發送和接收信號的信號處理技術。 波束賦形技術通過調整相位陣列的基本單元的參數，使得某些角度的信號獲得相長幹涉，而另一些角度的信號獲得相消幹涉。波束賦形既可以用於信號發射端，又可以用於信號接收端。」

5G像手電筒的信號發射形式（圖片引自網際網路）

    簡單來說，5G將4G的電燈變成了「手電筒」，如果在一間黑屋子裡點亮這盞5G「手電筒」，他不會使整個屋子都亮，而是尋求特定的有需求的方向打擊。

D2D技術使終端點對點溝通

    5G另一項領先的地方就是可以實現基於蜂窩網絡的D2D通信，也被稱為鄰近服務，通過此技術，用戶的數據可以不經基站中轉就可以直接在兩個終端之間進行傳輸。

D2D通信網絡架構示意圖（圖源：zte）

    使用D2D技術，一舉兩得——即可以節約大量空中資源，同時也減輕了基站的壓力。

    不過，你不要認為這樣就可以逃過運營商的「魔爪」，不用交通信費了，因為總的信號控制和資源分配還是通過基站來進行調控的，所以，我們還是要乖乖給運營商交錢。

    總的來說，5G雖然只比4G多了「1G」，但是這「1G」蘊含的內容和進步可是太多了，無論是帶寬還是基站，5G相較於4G都有了「質」的飛躍。

    雖然現在階段我們5G離我們的日常生活還有些遙遠，但是現在就像像暴風雨來臨前夜沉寂的安靜，一旦等到5G這場風暴來襲，無人駕駛、物聯網這些與我們日常生活息息相關的科技產品將隨著5G共同顛覆我們的日常生活。

    當然，最重要的，還是網速的提升。