5G啊5G,你是不是只比4G多一G?

原標題：5G啊5G，你是不是只比4G多一G？

1.早上，手機響了。

2.你醒了。

3.機器人管家來到你床邊，告知你昨晚的睡眠質量、健康指數並提供相關建議。他投影出了一個全息影像，開始播報你的日程，之後呈現了你可能會感興趣的新聞。

4.你和伴侶來到廚房，冰箱根據內存物提供了幾種營養美味的菜譜。吃過飯，機器人管家建議你們可以先看一部電影， 你們今天有些想要懷舊，機器人投射出全息《鐵達尼號》，海水湧上了你的腳面。

5.你們看完電影決定出門，站在試衣鏡前，它顯示了衣櫃中的衣服輪番搭配到你身上的樣子。選好衣服，你們乘上自動駕駛飛行器，確認目的地，隨即起飛，飛行器自動將你安全送達……

圖為億航智能(EHANG)自動駕駛載人飛行器

停——我知道現在對你來說，這一系列場景的發生順序是13452，不過別急，這一切並不永遠都是白日做夢，等一項神奇的技術應用之後，順序就是12345了。

那這項技術是什麼？為什麼能讓我們的生活方式升級換代？

它，就是傳說中的5G技術。

5G有什麼特性

5G和4G的區別可不是「啊~啊~啊~5G，你比4G多一G」那麼簡單，別看數字只是加了一位，帶來的變化卻是量級的。「G」代表「generation」，簡單來說，1G時我們用手機打電話，2G時我們能互發簡訊、看文字信息，3G時上網看圖片，而4G時我們看視頻和直播，從1G到4G，不僅信號越來越好，安全性越來越高，上網也越來越快了。

1G到4G，手機能做的事情越來越多|hellorf.com

那麼5G會比4G牛多少？根據國際通信標準組織3GPP的定義，5G將帶來三大應用場景：

eMBB大帶寬:下載速率理論值將達到每秒10GB，將是當前4G上網速率的10倍。

uRLLC低延時：5G的理論延時是1ms，是4G延時的幾十分之一，基本達到了準實時的水平。

mMTC廣聯接：5G單通信小區可以連接的物聯網終端數量理論值將達到百萬級別，是4G的十倍以上。

通信是數據時代的基石|hellorf.com

通訊技術具有基礎性的特點，因此它的任何微小進步帶來的影響都是巨大的。而天然具備大帶寬、低延時、廣聯接場景特性的5G技術定將為我們的世界帶來革命性的變化。

如AI技術，在5G的加持下，運算和數據傳輸的速率會大大提升，機器人將可以實現隨時隨地的與雲端交互，這使得AI機器人會更廣泛的應用於製造、醫療、建築、服務、家庭等場景，真正廣闊的應用於社會生產與普通人的生活。

未來你可能會擁有一個AI醫生|hellorf.com

再比如VR/AR技術與全息通信，雖然現在已經部分應用，但因為傳輸速率不夠，體驗並不好，經常出現卡頓、模糊甚至讓人暈眩。但如果有了5G，速率提高，360°的畫面都能夠清晰而穩定的呈現，我們就能真正體會到「遠隔萬裡卻身臨其境」的神奇了。

5G將帶來身臨其境的VR體驗|hellorf.com

特別是自動駕駛的汽車與前文看到的自動駕駛載人飛行器，也都將有望在5G時代真正實現廣泛應用。

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而這背後有無數科學家、基礎理論研究者、技術研究者、通信設備製造商、通信運營商等等一代代通信人的共同努力。如果說經濟學的目標之一是研究「如何使有限資源得到最有效的應用」，那麼無線通信技術所追求的就是「如何利用有限頻譜，讓更多的人，更少的成本，更好的傳遞更多的信息。」

這裡提到的頻譜指的就是一部分的無線電資源，無線電資源按照無線電磁波的頻率來劃分，屬於國（ren）家（lei）所（gong）有（you）的。就像土地一樣，任何組織和個人不能未經批准就佔用，必須向國家申請。國家會將一定頻率跨度的無線電資源進行分配，用於軍用及民用的通信，比如在我們國家，立體聲廣播會佔用917MHz-925MHz；民航通信會佔用1785MHz-1805MHz的頻率；衛星通信會佔用2170MHz-2200MHz等等。

無線電望遠鏡|hellorf.com

而無線電頻譜總體上有一個特點，就是頻率越高，允許分配的帶寬範圍越大，單位時間內所能傳遞的數據量就越大。

從通信1G（900MHz）到4G（1.8GHz以上）所應用的無線電磁波的頻率越來越高，單位時間內傳輸的信息也就越豐富，傳輸速率提高了，在我們看來，就是「網速變快了」。這就有點像路越修越寬，跑在上面的車就可以越來越多，也可以越來越快。

當前我們國家分配給三大運營商的4G主力頻段位於1800MHz~2700MHz之間的一部分頻段，而國際電信標準組織定義的5G的主流頻段是3000MHz-6000MHz之間，比4G要高出很多，所以5G的信息傳輸速率較4G就會產生革命性變化。

既然5G技術這麼厲害，那它的原理究竟是什麼？

5G技術的原理

前文我們已經提到，通信應用的頻譜頻率越來越高，就好像是路越修越寬，理論上講，跑在上面的車就可以越跑越快，但實際情況好像不是這樣。比如，只比四環多一環的北京五環，路已經非常寬了……但每天早高峰的場景是這樣的：

上五環，體驗從天亮堵到天黑|hellorf.com

第一是因為車太多了，第二是因為大家早高峰的時候都在搶時間，很多情況都在無序通行，所以非常堵。單純的一味把路修寬，並不能良好的解決出行效率的問題，而把路修寬也不是一朝一夕就能完成的事情，受很多客觀條件的限制，所以還是要想辦法怎麼在現有的道路上提升利用率。

無序通行是堵車的充分不必要條件|hellorf.com

而頻譜資源也一樣，是非常非常有限的。而使用手機的人卻越來越多，運營商只能在一段頻譜的跨度內（帶寬）讓所有的用戶共同使用。所以從無線通信伊始，大家就都在想辦法——怎麼才能在有限的頻譜資源內容納更多的用戶，同時讓每個用戶傳遞更多的信息？這就涉及到無線通信中最重要的技術：復用，根據不同的特點，形成了三大主流復用技術：FDMA、TDMA、CDMA。

這仨兄弟長得好像，都快讓人弄混了，所以它們到底都是啥？

讓我們先從「大哥大」時代說起：第一代移動通信技術時代，也就是1G時代，那時人們接打電話用的是模擬信號，即用一段連續變化的電磁波，然後傳遞出去，這時候信號和傳遞信號的電磁波本身是同一回事。

基本只具備通話功能的大哥大|hellorf.com

如同使用磁帶來錄音，其實它們是在記錄模擬信號。這種方式的優點是連續，仿真度高，能最真實的還原所記錄的實際聲音。

但它也有個很大的缺點，就是在信息傳遞的過程中極易受到幹擾，同時毫無安全性可言，自製一個收音機就可以竊聽別人的通話，而且兩個人通話時必須佔有某一段範圍的頻譜。

竊聽電話從戰爭時期就開始了|hellorf.com

想像一下早尖峰時間的主路上，一輛車行駛在一條空蕩蕩的車道上，而其他的車輛必須等到這輛車到達目的地後才可上路。因為這種特性，1G時代模擬信號不可能承載太多的用戶。

為了解決這個問題，人們就發明了數位訊號，模擬信號是連續的，因此容易被幹擾，而數位訊號就是將一段連續的模擬信號進行切分，大概多少份呢，基本上是把1秒的信息切成幾千份，然後再每隔一份或幾份取出一個收集起來，傳遞出去，你接到信息之後再進行還原，基本和之前的信息沒有差別。

這就有點像我給你遞送一個拼圖，這個拼圖完整拼起來是一個飛機的照片，但即便我少給你幾塊，或者傳遞過程中弄丟了幾塊，你收到後拼起來，大致還是能看出是一個飛機，而且也能大概猜出丟掉的拼圖塊上的圖案是什麼。你可能覺得這樣方式根本不靠譜，但其實如果每個拼圖塊被分的足夠小，即便我丟掉了一半的拼圖塊給你，你還是可以看出是一架飛機。

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比如數位相機拍出的照片也是一種數位訊號，我們把相片按原尺寸看的時候很清楚，但當把它放大到一定程度，看到的就都是馬賽克了。

這就是因為記錄影像信息的過程中「扔掉」很多很多「拼圖塊」，但並不影響你清楚的看到照片。

只看右邊的圖片，你能猜出這是什麼嗎？|hellorf.com

當然，這也就是數位訊號的好處。「扔掉拼圖塊」等於信息就可以被壓縮、抗幹擾，可以不用按順序傳遞。只要之後在接收端統一拼裝組合，就能將信息還原出來，這樣受到的限制就小了很多。

最重要的是，這樣把信息分成很多的小塊，我們就可以將「信息」這種「貨物」分裝在不同的卡車上走不同的車道進行運輸。而不像模擬信號必須將所有的「信息貨物」裝在一輛卡車上走一條車道進行運輸，這就為頻譜的「復用」打下基礎。

再比如我們現在用的MP3格式，CD等都是和手機通信一樣，將模擬的聲音信號轉化成數位訊號再壓縮保存的，這當然會有一定程度的失真，但你幾乎是感覺不到的。

MP3播放的音頻雖有失真但影響微乎其微|hellorf.com

現在我們大致了解了模擬信號和數位訊號，也知道了復用的基礎就是數位化，就可以繼續解釋前文提到的FDMA、TDMA、CDMA「復用技術」三兄弟啦。

咱們還是用車道的例子來舉例：

頻分多址（FDMA）：利用不同的頻率分割成不同信道的復用技術。就好像一條劃分了多個車道的大路，你可以將一段完整的信息分成很多份的數位訊號，轉載在不同的卡車上，每個卡車佔用其中的一條車道幫你將信息運送到道路的另一端，然後在另一端將分裝在不同車道卡車上的信息收集下來組裝在一起，拼成完整的信息。

時分多址（TDMA）：允許多個用戶在不同的時間段（時隙）來使用相同的頻率的復用技術，允許多用戶共享同樣的頻率。這就像很多人共用一條高速公路，每個人有一個卡車車隊運送信息，不過你可以在別人的車隊中插空行駛，因為每輛卡並不是緊緊的前後貼在一起，中間都有空當。

碼分多址（CDMA）：簡單的說指的就是將共享一條信道上的信息進行了不同方式的編碼。我們可以理解成這次既和別人共用了高速，也和別人共用了卡車。那怎麼運送信息呢？我們採用了一種方式，將不同的箱子塗上顏色，我們將自己的信號都分裝在了綠色的箱子裡，別人有的分裝在了紅的箱子裡，有的分裝在了黃色的箱子裡，然後在高速的另一頭，接受端的人將每輛車上綠色箱子裡的信號檢出來拼裝在一起，就組成了想要的信息。別人的接受端取出相應顏色的箱子，拼出各自想要的信息。這樣就實現了共用道路和卡車，大大提升了頻頻譜的利用率。

海蒂·拉瑪 Hedy Lamarr

1914年11月9日—2000年1月19日

CDMA理論基礎的發明者，同時也是好萊塢著名影星，小說都不敢寫這種人設

如果你還不明白，可以想像成一堆人在同處在一個教室，每兩個人互相聊天，頻分多址（FDMA）就是不同組的談話者用不同的聲調聊天，比如有的一對人聲音高亢，有的一對人聲音低沉，互相能聽清，不受幹擾；時分多址（TDMA）就是每個人都趁其他人說話的間隙說話，這樣也都能聽清；而碼分多址（CDMA）就是大家一起說話，但每兩個都用著不同的語言（英語、日語、法語、中文），這樣即便在一個屋子裡同時說話也能互不幹擾。

當大家坐在一起互相聊天，只看圖就很吵了|hellorf.com

FDMA、TDMA、CDMA這三兄弟大大提升了頻譜利用效率，也推動了通信技術的長足發展，其實我們當前的2/3/4G的技術標準在頻譜效率提升上都應用了這三項核心技術：

2/3/4G時期三大供應商應用的FDMA、TDMA、CDMA

而5G的技術標準，按照目前的定義，叫新空口（New Radio）。這其實是2/3/4G技術的大融合，將截至目前各種技術的優勢都結合在了一起，屬於2/3/4G的融合升級加強版。

然而，融合越多，頻譜的利用率就越接近香農極限，想要進步也就越艱難。

你可能要問了，香農極限又是什麼？我們再不妨提及另一位大神：

克勞德·艾爾伍德·香農博士

Dr. Claude Elwood Shannon

1916年4月30日—2001年2月24日

美國數學家、資訊理論的創始人

什麼，你以為我錯把男模的照片放上來了？不，這位一眼萬年的翩翩公子就是資訊理論的創始人，克勞德·艾爾伍德·香農，他奠定了數字通信的基礎。

香農在1948年提出過一個著名的公式

——香農定理

香農定理

其中C為最大信息傳送速率，B為信道的寬度，S為信道內所傳信號的平均功率，N為信道內部的高斯噪聲功率。

這是一個非常偉大的公式，因為她清晰的定義了無線通信領域理論上的傳輸速率由哪些因素決定以及他們之間的量化關係。對無線通信原理和技術的發展起到了巨大的推動作用,為人們如何利用有限頻譜資源更快更好的傳遞信息指明了方向。

而這個公式另一個偉大的意義就在於可以推導出即便應用無限大的頻譜帶寬，傳遞信息的速率也是有極限的，因為噪聲N會隨著頻譜寬度的B的擴大而擴大，使得傳輸速率最終達到一個極限。同時可以推導出，在給定帶寬上信息傳輸速率所能達到的上限，並指明了達到這個上限的研究方向。這就是著名的香農極限。

這個比較抽象，如果再用道路來舉例子的話，通常我們認為，假如每輛車都可以以無窮大的速度行駛，那麼如果把路修的足夠寬，路上的車都會以無窮大的速度行駛，但香農就證明了「即便路修的足夠寬，車輛行駛速度也終究會有一個極限。同時，在有限寬的道路上，車速可以達到的上限是多少」。

而無線通信科學家們的「工作方向」，就是希望「車速」可以接近這個極限。我們前文所講到的復用技術三兄弟（FDMA/CDMA/TDMA）以及其他一些通信編碼和復用技術的研究和應用，都是為了貼近這個極限。

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而5G的頻譜效率已經在很大程度上的接近甚至達到了香農極限。

5G的信號覆蓋

如果說頻譜的有效應用決定了能否讓更多人傳遞更多的信息，那麼信號覆蓋則決定了我們能不能更好的傳遞信息，

說到信號覆蓋就涉及到基站的概念了，基站就是我們通過手機連接到運營商網絡的設備，連接到運營商的網絡之後，我們才能實現打電話、發簡訊和上網。

基站與我們通過無線電信號進行連接，通常一個基站的覆蓋範圍是一個以基站為圓心的一個圓，在這個圓之內的手機都可以被這個基站的信號所覆蓋。通常來講，離基站近的地方信號就會好，我們上網速度就會很快，打電話也會很清楚；離基站遠的地方，信號就會不好。

WIFI就是家裡的「基站」|hellorf.com

通常在一個基站覆蓋的圓裡，持有手機的人也不是均勻分布的，如果信號是均勻覆蓋的，覆蓋的效率就會很低，使得應該有信號的覆蓋的地方信號不夠強，而沒有人的地方卻有信號。

而在5G時代，要保證每一個基站所覆蓋的用戶無論距離遠近，無論人們是否均勻的分布在基站覆蓋的範圍內，都要有大帶寬和低時延的上網體驗，就對信號覆蓋提出了很大的技術難題，通信技術人員為了解決這些問題，進行了一些重要的技術創新：

1 Massive-MIMO大容量多入多出技術

目前我們手機信號連接的是運營商基站，準確的說是基站上天線，室外的天線長這樣：

運營商基站|hellorf.com

它們主要出沒在樓頂以及信號塔上。以往一個天線可以理解成一個探照燈，通常覆蓋120度角的扇面（每個基站的三個天線覆蓋一個圓），被「照射」的區域就有信號，但這有一個問題：使用手機的人不會總是均勻分布在這120度角的扇面區域中，可能扎堆在一扇面中的小部分區域，這就造成了「探照燈」照射的浪費，因為它沒有聚焦。

原「單入單出」的探照燈式信號覆蓋

到了4G時代，我們有了「多入多出」和「波束賦形」技術，就好像將一個大的信號覆蓋的天線「探照燈」變成了多個「聚光燈」，「聚光燈」可以找到這個扇形區域中手機都聚集在哪裡，然後就能更為聚焦地進行信號覆蓋。當前主流應用的是「4T（Transit）4R（Receive）」技術，顧名思義，就是一個天線可以有4個「聚光燈」負責向多個手機傳遞信號，同時有4個「聚光燈」負責接收手機上行回傳到基站的信號。

多入多出的「聚光燈」式信號覆蓋

而在5G階段，由於對信號覆蓋有更高的要求，當前5G全球通信設備製造商已經將5G天線的主流技術推進到了「8T8R」，但中國的華為公司已經可以做到「64T64R」（64個「聚光燈」！大概是家裡有礦），遠遠領先於業界。

2 上下行解耦技術

5G應用的主流頻譜是3GHz-6GHz，這個波段也被業界稱為C-Band（C波段）或稱黃金波段，這個波段頻率很高，頻率高傳遞的信息量就大，然而頻率越高的無線電波長也越短，波越短，傳遞的距離就短，還容易被阻擋，衰減的非常厲害，用戶體驗上就會不達標。

當然，為了穩定的信號，運營商可以多多建基站，然而，最後可能會變成這樣：

圖：哪吒大魔王

顯然，這樣一來工程量巨大，不僅浪費資源，多出的成本當然也會分攤到消費者頭上——難道以後只有土豪用得起5G嗎？

莫慌，聰明的老夥計們已經想到了迂迴的解決辦法。

比如華為提出的「上下行解耦」方案，可以理解為「下行5G頻率，上行4G頻率」。當基站向手機通信時用5G高頻傳輸，因為基站可以加大發出的信號功率以解決信號穿透的問題。但手機的電量和功率是有限制的，所以手機向基站的上行不能通過加大信號強度解決，這時候，我們就可以讓手機與基站的通信用較低的4G頻段傳輸，4G的頻段頻率低，波長長，可以更好的衍射穿透障礙物。

此外，在5G上還有很多解決信號覆蓋和降低建網成本的技術，比如愛立信提出的Common Platform技術，華為的Single RAN技術，以及應對室內覆蓋的LampSite和DOT system技術等。

當夢想照進現實

前面我們講到了5G的厲害之處和原理，但這些高大上的內容好像還是有些抽象，那麼，5G對我們普通人來說意味著什麼?

那將是——

更快的下載和上傳速度。秒級下完一部高清電影。

更流暢的在線內容流。再見了，加載中的小圈圈。

更高質量的語音和視頻通話。不用擔心畫面卡在奇怪的地方然後被對方截圖了！

更多的連網設備。冰箱、空調、水錶、甚至穿衣鏡都能聯網。

更豐富的包括自動駕駛汽車和智慧城市在內的先進技術。

……

自動駕駛將不再只是一張概念圖|hellorf.com

這skr什麼神仙生活呀，到底真能實現，還是科學家們為了申請經費吹出來的？

可能你還不知道，5G技術現在已經來了。

2018年2月22日在西班牙巴薩羅那，華為公司合作英國電信運營商沃達豐打通了全球5G的第一個電話。

在北京、杭州、深圳，中國三大運營商已經建成了5G的實驗站點，工信部也已經完成了5G的組網測試，很快就將發布5G的頻譜牌照，5G時代的來臨指日可待。

人類社會建立在信息溝通的基礎之上，從狼煙烽火，到郵政印刷，再到電報廣播直至如今的網絡通信，信息交流的領域已經覆蓋全球甚至進展到了外太空。信息傳輸速度越快，傳播的資源越豐富，我們能做到的事情就更多。我們能了解與感知的世界有多大，我們的世界就有多大，是通信技術讓人類無限延伸了自己的生命。通信的發達，會帶來經濟效率的提高，從而從根本上改變每個人的生活。

5G真的來了|hellorf.com

路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。科技進步從來都是不一朝一夕，立竿見影的事情，可還是有很多人忍受著失敗，誤解和孤寂，歷盡艱辛去尋找突破點和技術應用的方法，讓我們的生活更加便捷，也讓我們的時代值得被後人銘記。

當你每天用手機看頭條、發微信、追美劇、刷微博、逛淘寶、掃碼支付的時候，不要忘了這背後是一個個通信人的辛苦付出。

向每一位勇於探索、砥礪前行的通信人致敬！

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