你可能看过这个画面,一部5G手机运行着一个网速测试连接成功的瞬间速度直接拉满,指针死死的压在表盘的最大值。5G为什么能有这么快的速度?它比4G先进在哪里?它凭什么是新一代的移动通信技术?
要说清楚这些问题,我们需要一点水的帮助。为什么要来帮忙呢?大家都知道,无论是1G,3G还是5G,无线通信靠的是电磁波,但是通信用的电磁波人眼是看不见的,而水波就可以被轻松的观察到。所以这个视频开头先通过水波给大家讲讲无线通信的基本原理。
要说明白这个只需要三个道具,一个可以摆动的方片装做手机,一个海洋球装作基站,一个充气泳池装水。
他们的通信过程是这样的,压动海洋球也就是我们的基站产生水波,波把信息传递给方片,那这个波是如何携带信息的呢?
举一个最简单的例子,如果我们压它时用力一点水波就会比较大,就可以推起来方片;而我们压它时小心一点,水波就会比较小,就推不起来方片。如果我把推起来当作1推不起来当作0,那么我们就获得了一个非常低效的无线通信系统。
比如我想发一个字母Y给手机,查表发现Y的ASCII码是01011001,那我们只需要制造小大小大大小小大的水波就可以了。那么问题来了,在这种机制下,如果让数据传输的速度更快呢?很简单,你发波发的快点不就可以了吗?这就是5G速度快最重要的原因。
我们每秒发波一次,那我们的频率就是1HZ.4G的最大单载波带宽是20M,也就是20乘10的六次方HZ。现在商用的5G频谱带宽可有100MHZ,移动通信发展最明显的趋势就是频谱不断变宽,2G使频谱只有200kHZ只能满足语音和文字的传递,3G时频谱扩大到了5MHZ,让移动互联网成为可能,4G 20MHZ就可以流畅播放视频。而5G就可以支持AR等更需要网速的应用落地了。
但是为了安放更大的频段信号本身的频率也会变高,这就带来了一些问题,大家都知道电磁波的波长乘以频率等于光速,而光速是一个定值,频率变高了,波长就得变短,而波长变短的话,路径损耗会变大,信号的绕射能力也会降低,基站的覆盖面积就会变小。
那有什么办法能改善5G的覆盖呢?很简单,再建一个基站就可以了。5G时代除了很大的宏基站来保证信号的覆盖,还有很多微型基站来补充宏基站的盲区,但是光建基站肯定是不行的,所以下个技术就很重要了,也就是波束赋形。
还是在水里,现在这种模式下水波是全方位扩散出去的,但是用户只是一个点而已,这就意味着很大的资源都被浪费掉了,有没有什么办法把信息定向的发送给用户呢?还真有,根据高中物理,如果我们在一个波旁边放一个一样的波,那么这两个波波峰相遇的地方会传得更远,而波峰和波谷相遇的地方会抵消掉。
而当天线足够多时,我们就可以定向的发送电磁波给用户,不只是单纯的把它全方向扩散出去。这么做覆盖距离就更远,信号强度也更强。通过大规模天线还可以形成多个波束,同时服务多个用户,大大提升效率。
除了这些,5G还可能实现一个叫全双工的技术。什么叫全双工呢?
这里我们来两个锥形瓶举例,这两个瓶子,一个代表终端,一个代表基站,里面的水代表数据。终端可以收到基站的信息,也可以将信息发往基站,但是它并不能同时同频发出并接收信息,因为在同一频段里会有严重的干扰。
所谓全双工,就是上传和下载可以同时同频进行。那么可以打电话不就是全双工吗?是这样,现有的双工技术有两种,一种叫时分双工,就是把时间分开,在这种模式中上传和下载是在不同的时隙中进行,只是这个时间分割得太短,感觉不出来而已。还有一种叫频分双工,在这种模式下,把已有的频宽分开,分别用于上传和下载。这两种一种牺牲了时间的利用率,这种牺牲了频谱的利用率,而在5G下就有可能实现真正的同时同频全双工。
这些就是5G高速的主要原因,你看懂了吗?
编辑:jq
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原文标题:一盆水讲清楚为什么5G那么快
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