5G到底是如何工作的，关于5G技术的详细讲解

（文章来源：EDA365网）
如今，在合适的城市使用合适的手机，你可以获得超过1G / s的下载速度，这比典型的4G LTE快20至30倍，但是关键是有合适的电话和合适的城市。5G并没有被广泛的应用，组成5G的一系列技术仍然是一团糟，而这一系列技术是关键。5G不是由一项技术决定，它是各种技术改进的集合，包括天线设计、手机信号塔和更广泛的无线电频谱，目前尚不清楚哪种变化会带来最大的不同。由于不同的运营商专注于不同的技术，所以你对5G的体验也可能大不相同。当我们谈到5G会带来什么好处或者什么坏处时，首先让我们回答一个基本问题：什么是蜂窝网络？

什么是蜂窝网络？之所以叫蜂窝网络，是因为网络像蜂窝一样被分成许多块。设想一下，在一个早期手机网络中，手机通过一个特定的无线频率(比如可用频谱的一部分)与一个发射塔相连，而每一个发射塔都对连接人数有一个限制。为了获得更多的客户，手机公司建立了更多的发射塔，并让这些发射塔尽可能多地广播频率或频道。但是，如果两个发射塔相邻，并且使用相同的频率，这将变得很棘手，它实际上会限制可以使用它们的人数。因为如果两个人试图在同一频道上使用同一频段，则可能会受到干扰，甚至可能接听陌生人的电话。

因此我们让彼此靠近的塔使用不同的频段，但只有这么多的频段可以工作，并且我们希望有尽可能多的人同时在网络上，所以我们让四个塔距离足够远，这时可以重用一些频谱并且不用担心重叠。如果塔与塔之间有足够的物理距离，使用相同的频道就不会受到干扰，最终你会得到一个蜂窝模式。如今，大多数基站都是三角形的，在三个方向上分别广播不同的频道，以尽可能少的基站覆盖最大的范围。距离较近的较小的塔可以提高密集城市的容量，而距离较远的较大塔可以覆盖农村地区，大多数蜂窝技术都是为了让这些频谱片段编码越来越多的数据，让更多的人同时连接到每个塔上。

5G将如何改变这一切呢？早期的手机信号塔可能最多只支持十几个人进行语音电话，但是现代网络使用诸如分时、高级编码和调制等技巧来支持成百上千的人同时使用Netflix和Verizon Facebook。其实，这个改变并不是指硬件上的改变，5G是范围更广的e/m频谱，也就是说，它给人们更大的频段，传统的手机信号在e/m频谱上的频率大多在500到2500MHz之间，但5G可以使用比这高20倍的频率。新的无线电规范分为两个部分：FR1大约覆盖400至6000MHz，FR2大约覆盖24至50GHz（毫米波）。

手机信号是一种电磁波，就像光一样，赫兹是频率或每秒波携带的波峰和波谷的数量，较低的频率更容易传输更长的距离，它们可以环绕或穿过大多数物体。让我们想想声波，你可以从邻居的音响听到低音，但是高音的高频信号在到达你之前就被吸收了。正因为如此，美国的t-mobile和AT＆T等公司已经推出了600和850兆赫的所谓的低频段5G网络， 这些设备覆盖范围广，所需的塔数相对较少。但是它们在低频范围内存在很大的缺点，即带宽不多，速度也慢得多。

在低频下，没有那么多的频谱可以分割。在600至1000兆赫兹之间没有很大的选择范围，所以频道往往很小，比如10或20兆赫，通道小，速度就越慢，在某些情况下，速度实际上并不比4G快多少。正因为如此，世界上大多数的宽带提供商实际上都把注意力放在了中频上，中频目前运行在大约2500到4700兆赫之间，但以后可能会扩展到7000兆赫。这是比目前大多数蜂窝系统更高的频率，它可能需要更多的塔才能获得相同的覆盖范围。但是它具有更多可用频谱，信道的带宽可以在50或100兆赫兹之间，这可能使数据传输速度更快。

除了Sprint（美国第四大无线运营商）外，美国运营商目前基本上忽略了中频段，而是专注于24到50千兆赫之间的高端毫米波。这里有很多可用的频谱，可以支持宽至800兆赫的频道，但它也有一些大的缺点。在讨论这些之前，我们先来谈谈实际技术中发生了什么变化。单元信号使用一种称为QAM（Quadrature Amplitude Modulation）即正交幅度调制技术，它将正弦信号扭曲成各种形状，然后将其解码为1和0的集合，4QAM有四种形状，分别对应于0 0 、0 1 、1 0 和 1 1。16 QAM有16个要编码的形状，您可以理解为，调制越复杂，可以传递的数据就越多。

但信号越强，你就越需要能够读取和破译它，你的手机和信号塔将根据你的接收情况放大或缩小QAM，在一个理想的情况下，在一个全新的LTE手机塔旁边，你可以想象，你可以接收256 QAM，每个数据块发送8个零或1。有了这些，你可能会惊讶地发现，5G信号目前的最大值为64 QAM。5G信号通常较弱，频率较高，这意味着保持信号强度至关重要。所以总的来说，他们降低了这种编码方式，这意味着5G的速度提升实际上是由于那些更宽的信道和更高的频率，而不是过于调制信号，更复杂的1024 QAM也许有一天还会出现，但它甚至需要好几年才能走出实验室。

什么是massive MIMO？为了最大限度地利用这些高带宽数据通道，他们实际上已经与一种名为massive MIMO的新技术配对，这种技术代表多输入、多输出。传统的4G发射塔通常具有4到32个天线，在良好条件下，你的手机可能实际上能够同时与多个天线通信，从而增加了它可以发送或接收的数据量，目前大多数高端手机都支持4x4MIMO，这意味着它们可以与发射塔有4个活动连接。大规模MIMO基站将具有64至256个独立天线，5G电话应该能够实现8个甚至16个连接。随着基站速度的进一步提高，毫米波实际上具有足够的信道带宽，因此该部分频谱只需要2x2或4x4 MIMO。

但是对于中、低频段的连接来说，大规模的MIMO技术应该是一个很大的提升，这实际上要求手机制造商生产一种有十几根或更多天线的设备，这会增加电池使用成本,并可能会遇到物理限制，即很多天线要塞进手机。但随着时间的流逝，这项技术应该会成熟并变得更便宜。这种大规模MIMO设计的一个优点是还利用了波束成形，这是一种将信号定向到实际需要它的设备的技术。这并不是说天线会指向你的手机，而是通过使用天线阵列。如果你从两个天线相互靠近的地方广播相同的信号，那么它们的信号会在一些地方交叉重叠，这种重叠会比任何一个单独的天线都能产生的信号都强。

通过将更多的天线组合在一起，你可以增强这种效果，在每个天线的所有波同时到达的地方创建一个波束。通过改变天线的相位，实际上，你可以弯曲并引导这束光束。塔台将测量你手机发出的信号，以及从建筑物和地形反射回来的所有信号，它可以用它来帮助确定你的方向，并将其回复对准正确的位置。所以它不像激光，甚至也不像手电筒，但是通过把来自多个弱天线的信号结合起来，你可以用它们广播的重叠来产生定向信号。这使得来自5G塔台的中频信号的传输距离接近目前的4G LTE，尽管频率更高，并且每个塔台都能支持更多用户。

更高频率的信号会更容易被吸收，而毫米波有足够小的波长，它会被几乎所有的东西挡住，树，墙，玻璃都会挡住这些信号。毫米波确实有可能变得非常非常快，但从物理上讲，它不太可能在密集的城市中心之外扩展，在户外，我们可能每隔几百米就需要一座塔，在室内，也许每50米就需要一座塔，但实际上在室内可能最终会成为这项技术的最佳方案。在商场、机场、办公楼和体育场内使用小型蜂窝网络，本质上是用手机自动识别和连接的超高速网络取代Wi-Fi。

速度高达每秒千兆位，令人印象深刻。奇怪的是，美国公司通常忽略了中频带，这实际上是全球大多数5G网络正在建设的频带，虽然它可能无法实现数千兆位的速度，但中频带应该可以实现数百兆位的数据速率，而且这样做没有毫米波的距离损失，那么您可以用这样的速度做什么呢？这样的超快速度可能会使存储设备可以立即检索所有文件和媒体，或者想象一台没有存储卡的相机，可以直接将4k视频发送到云端。

在基础设施、制造和研究等不那么令人兴奋的领域，也存在巨大的潜力。高分辨率传感器有可能将大量数据实时传送到服务器进行分析，帮助计算机网络和自动化系统适应不断变化的条件。5G的另一个优势是延迟更低，5G声称能够将手机与基站通信的延迟降低至1毫秒。这些数据速度可能是真正的汽车自动化的要求，自动驾驶汽车接收来自传感器、红绿灯和十字路口的数据，并与周围的汽车共享它们的位置和意图，甚至可能与一个市政计算机共享，该计算机可以帮助减少交通流量，部署应急车辆并监控情况。

这一切听起来都很惊人，但是仍有疑惑之处。现在美国的LTE速度仍然只有每秒16到30兆位，我们现在看到的5G网络基本上是原型，虽然公司将继续扩大容量，但现在这些网络上也几乎没有手机，一旦有更多的5G手机出现，也很难知道它们的速度会有多快。当前我们的手机还不能支持5G技术，5G手机的价格也比较昂贵。在世界其他地区，中频5G似乎确实有更大的潜力，它在仍有可能提高速度的同时，避免了毫米波的距离问题。

目前，5G的大笔投资也集中在那些已经有相当不错的互联网接入的城市。一些运营商在计划限制5G速度，在美国，AT&T（一家美国电信公司）甚至提出了分层系统的可能性，在这种系统中，你需要额外付费才能获得全速。现阶段，5G技术最为领先的还属华为。
（责任编辑：fqj）