深度解析5G背后的技术原理

“G”代表“generation”，5G网络即是第五代移动通信网络。简单来说，1G我们用手机打电话，2G我们能互发短信、看文字信息，3G上网看图片，而4G我们看视频和直播，从1G到4G，不仅信号越来越好，安全性越来越高，上网也越来越快了。

小的1G之差，将颠覆我们的网上冲浪生活，5G 是全新的移动通信技术， 对比前几代移动通信， 5G 的速度更快；覆盖范围更广。

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5G的频谱效率

从无线通信开始，大家要解决的问题就是：怎么在有限的频谱资源内容纳更多的用户？同时让每个用户传递更多的信息。这就涉及到无线通信中三大主流复用技术：FDMA、TMDA和CDMA。

FDMA（频分多址）：利用不同的频率分割成不同信道的复用技术。TMDA（时分多址）：允许多个用户在不同时间段（时隙）来使用相同的频率的复用技术，允许多用户共享同样的频率。CDMA（码分多址）：简言之就是将共享一条信道上的信息进行了不同方式的编码。FDMA、TDMA、CDMA三大技术大大提升了频谱利用效率。2G、3G、4G技术在频谱效率提升上都应用了这三项核心技术。

而5G技术其实是2G、3G、4G技术的大融合，将各种技术的优势结合在一起，属于2G、3G、4G的融合升级加强版。

融合越多，频谱利用率就越接近香农极限。

香农公式

美国数学家克劳德·艾尔伍德·香农在1948年提出来一个著名公式——香农定理：

其中C为最大信息传送速率，B为信道的宽度，S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。

这个公式的意义之一就在于推导出即便应用无限大的频谱带宽，传递信息的速率也是有极限的，因为噪声N会随着频谱宽度B的扩大而扩大，使得传输速率最终达到一个极限。同时可以推导出，在给定带宽上信息传输速率所能达到的上限，并指明了达到这个上限的研究方向。这就是著名的香农极限。

无线通信科学家们就是希望传输速率可以接近这个上限。而5G的频谱效率已经很大程度上的接近甚至达到了香农极限。

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5G的信号覆盖

说到信号覆盖就涉及到了基站的概念，基站就是我们通过手机连接到运营商网络的设备，连接到运营商的网络之后，我们才能实现打电话、发短信和上网。

基站与我们通过无线电信号进行连接，通常一个基站的覆盖范围是一个以基站为圆心的一个圆，在这个圆之内的手机都可以被这个基站的信号所覆盖。通常来讲，离基站近的地方信号就会好，我们上网速度就会很快，打电话也会很清楚；离基站远的地方，信号就会不好。

通常在一个基站覆盖的圆里，持有手机的人也不是均匀分布的，如果信号是均匀覆盖的，覆盖的效率就会很低，使得应该有信号的覆盖的地方信号不够强，而没有人的地方却有信号。

微基站

由于5G毫米波穿透力较差并且在空气中衰减很大的弱点，如果5G仍然采用以往在3G、4G时期使用的“宏基站”，就不能为稍远的用户提供足够的信号保障。

微基站

为了应对这个困难，5G开始才用全新的基站——微基站。顾名思义，微基站做的足够小的基站。

为了更容易理解宏基站和微基站的区别，我们用一个取暖的例子来形象的比喻宏基站和微基站。

宏基站“取暖”方案（图片引自鲜枣课堂）

宏基站：在一个寒冷的冬天，一个班级里面只有一个火炉，老师为了让班级暖和起来，将这个炽热的火炉放在班级的正中间。结果事与愿违，班级整体并没有都热起来，仅仅是距离火炉比较近的几个学生暖和（事实上，由于温度太高，可能已经有灼热的感觉）而距离这个火炉很远的在班级边缘的学生可能丝毫感觉不到火炉的温度，冻的瑟瑟发抖。

微基站“取暖”方案（图片引自鲜枣课堂）

微基站：如果我们将上述班级中心炽热的火炉“拆分开”，分成四五个火炉，虽然每个小火炉的功率不及原先的大火炉，但是我们将这几个小火炉平均分到班级的各个区域，这样每个人都能感受到暖意了。

所以，微基站不仅在体积上要远远小于宏基站，在功耗上也会有所降低。

Massive－MIMO大容量多入多出技术

目前我们的运营商室外基站上的天线，是长这样的：

这些天线，我们可以理解成他们是像探照灯一样的东西，射出去的光覆盖120度角的扇面（每个基站的三个天线覆盖一个圆），被“照射”到的区域就有信号。

因为“照射的光线”是均匀的，但是区域内的设备的分布并不均匀，就会造成我们上面所说的浪费，所以我们发明了“多入多出”技术。

通过PatentCloud检索相关专利信息，我们可以找到下面这个华为的专利。

而在5G阶段，由于对信号覆盖有更高的要求，当前5G全球通信设备制造商已经将5G天线的主流技术推进到了“8T8R”，但中国的华为公司已经可以做到“64T64R”（64个“聚光灯”！大概是家里有矿），远远领先于业界。

上下行解耦技术

5G应用的主流频谱是3GHz-6GHz，这个波段也被业界称为C-Band（C波段）或称黄金波段，这个波段频率很高，频率高传递的信息量就大，然而频率越高的无线电波长也越短，波越短，传递的距离就短，还容易被阻挡，衰减的非常厉害，用户体验上就会不达标。

于是，华为提出了“上下行解耦”方案，可以理解为“下行5G频率，上行4G频率”。当基站向手机通信时用5G高频传输，因为基站可以加大发出的信号功率以解决信号穿透的问题。但手机的电量和功率是有限制的，所以手机向基站的上行不能通过加大信号强度解决，这时候，我们就可以让手机与基站的通信用较低的4G频段传输，4G的频段频率低，波长长，可以更好的衍射穿透障碍物。

此外，在5G上还有很多解决信号覆盖和降低建网成本的技术，比如爱立信提出的CommonPI atform技术，华为Single RAN技术，以及应对室内覆盖的LamSite和DOT system技术等。

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5G背后的黑科技

黑科技一：毫米波

频率对照表：

请注意看最下面一行，是不是就是“毫米波”？

电磁波的显著特点：频率越高，波长越短，越趋近于直线传播（绕射能力越差）。频率越高，在传播介质中的衰减也越大。

移动通信如果用了高频段，那么它最大的问题，就是传输距离大幅缩短，覆盖能力大幅减弱。

覆盖同一个区域，需要的5G基站数量，将大大超过4G。

黑科技二：Massive MIMO

MIMO就是“多进多出”（Multiple-Input Multiple-Output），多根天线发送，多根天线接收。

在LTE时代，我们就已经有MIMO了，但是天线数量并不算多，只能说是初级版的MIMO。

到了5G时代，继续把MIMO技术发扬光大5g天线技术，现在变成了加强版的MassiveMIMO（Massive：大规模的，大量的）。

手机里面都能塞好多根天线，基站就更不用说了。

以前的基站，天线就那么几根：

5G时代，天线数量不是按根来算了，是按“阵”。。。“天线阵列”。。。一眼看去，要得密集恐惧症的节奏。。。

不过，天线之间的距离也不能太近。

因为天线特性要求，多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上。如果距离近了，就会互相干扰，影响信号的收发。

黑科技三：D2D

5G时代，同一基站下的两个用户，如果互相进行通信，他们的数据将不再通过基站转发，而是直接手机到手机。。。

这样，就节约了大量的空中资源，也减轻了基站的压力。

（编辑：南平站长网）

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