5G是什么？了解5G的基本原理和具体应用

随着三大运营商分别拿下了5G的商用牌照之后，5G似乎离我们的生活越来越近了。相比4G网络，5G网络具有极高的速率、极大的容量以及极低的延迟。

5G技术的商用，使得此前受通信基础设施限制的行业和领域将得到快速发展，通信、在线医疗、远程教育、物联网、自动驾驶、VR/AR等产业的想象空间进一步释放。

5G是什么？

首先，我们来看物理学的基本公式：光速=波长×频率

对于这个公式，可以这么说：无论是1G、2G、3G，还是 4G、5G，万变不离其宗，全部都是在它身上做文章，没有跳出它的“五指山”。

众所周知，通讯技术通常分为有线和无线，无线通信就是利用电磁波进行通信。电波和光波，都属于电磁波。而电磁波的功能特性，是由它的频率决定的。不同频率的电磁波，有不同的属性特点，从而有不同的用途。

例如，高频的 γ 射线，具有很大的杀伤力，可以用来治疗肿瘤。

电波属于电磁波的一种，它的频率资源是有限的。

为了避免干扰和冲突，我们在电波这条公路上进一步划分车道，分配给不同的对象和用途。其中用于手机的主要为中频到超高频。例如经常说的“GSM900”、“CDMA800”，其实意思就是指，工作频段在900MHz的 GSM，和工作频段在800MHz的CDMA。

目前全球主流的4G LTE技术标准，属于特高频和超高频。

也就是说随着 1G、2G、3G、4G的发展，使用的电波频率是越来越高的。频率越高，能使用的频率资源越丰富。频率资源越丰富，能实现的传输速率就越高。

打个比方，频率资源就像车厢，越高的频率，车厢越多，相同时间内能装载的信息就越多。

5G技术的优势1毫米波

那么，5G 使用的频率具体是多少呢？

5G的频率范围，分为两种：一种是6GHz以下，这个和目前我们的2/3/4G差别不大。还有一种，在24GHz以上。

目前，国际上主要使用28GHz进行试验（这个频段也有可能成为5G最先商用的频段）。

如果按28GHz来算，根据前文我们提到的公式：

这就构成了5G的第一个特点——毫米波。

2微基站

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，那么目前5G应用就出现了问题，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。而基站数量的增加则意味着成本的增加。

所以，基于以上原因，在高频率的前提下，为了减轻网络建设方面的成本压力，5G必须寻找新的出路——微基站。

其实，微基站现在就有不少，尤其是城区和室内，经常能看到。到了5G时代，微基站将会更多，几乎会随处可见。

3多天线技术

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”，也就是Ｍassive MIMO（多天线技术）。

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，现在变成了加强版的Massive MIMO。

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。

4波束赋形

基站发射信号的时候，有点像灯泡发光。信号是向四周发射的，对于光，当然是照亮整个房间，如果只是想照亮某个区域或物体，那么，大部分的光都浪费了。基站也是一样，大量的能量和资源都浪费了。

而5G的不同则是，找到一只无形的手，把散开的光束缚起来。这样既节约了能量，也保证了要照亮的区域有足够的光，这就是——波束赋形。

在基站上布设天线阵列，通过对射频信号相位的控制，使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常狭窄，并指向它所提供服务的手机，而且能跟据手机的移动而转变方向。

这种空间复用技术，由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务，波束之间不会干扰，在相同的空间中提供更多的通信链路，极大地提高基站的服务容量。

5D2D

在目前的移动通信网络中，即使是两个人面对面拨打对方的手机（或手机对传照片），信号都是通过基站进行中转的，包括控制信令和数据包等等。

而在5G时代，这种情况就不一定了。

5G的第五大特点——D2D，也就是Device to Device（设备到设备）。

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。

关于5G的疑问

1、5G对我们生活会有什么影响？

最直观的变化会是网速更快，1Gbps的下载速度会成为常态。比4G网络的传输速度快数百倍。相比4G网络，5G网络具有极高的速率、极大的容量以及极低的延迟。

举个例子：你的生活、工作，甚至是娱乐都可以完全交给云技术来处理，即便你想播放一个4K视频，10Gbps的5G网络也能够轻轻松松做到即时播放。大型游戏也会因为高速率、低时延变得更流畅，也可以在线观看高清大片，足不出户在家模拟滑雪等场景。

5G的设计初衷是去支持多种不同的应用，比如物联网、联网可穿戴设备、增强现实和沉浸式游戏。

2、微基站的增多，会产生辐射危害健康吗？

之前的文章我们已经探讨过关于手机信号塔（基站）对于人体辐射是否有害的问题，答案是否定的，基站的辐射并不会对人体健康造成影响。

事实上，基站数量越多，辐射反而越小。手机信号不好时所产生的辐射量要远远大于基站，而基站小，功率低，保证了手机的信号，对大家都好。

3、用5G要换手机吗？资费会更贵吗？

需要换手机。2019年1月，工信部部长苗圩表示，今年将加快5G商用步伐。预计到今年下半年，像5G手机、5GPad，会投放市场。中国移动预测，2019年年底5G终端价格在5000元左右，到2020年年底，5G终端价格会下降，部分可能会降至1000元左右。

资费上，短期内因为基站建设成本等原因会偏贵，后续随着5G的大规模商用可能会慢慢降下来。业内人士指出，不建议普通用户短期之内换5G手机，基站建设的密度可能会影响体验，而且，短期内手机和套餐的价格也会偏高。

4、在应用方面，5G会促进哪些产业和行业发展？

5G时代将定义三大应用场景，分别是：

eMBB：增强移动宽带，即大流量移动宽带业务；

uRLLC：高可靠低时延通信，例如无人驾驶等业务；

mMTC：海量物联，针对大规模物联网业务。

其中最快商用的将是eMBB场景，大约能在2020年实现。具体来说，通信、在线医疗、远程教育、物联网、芯片、自动驾驶、云游戏、VR/AR、智能制造等领域会在5G基础上有较大的想象空间。

5、我们什么时候能用上5G网络？什么时候能覆盖大部分城市？

获得牌照后，运营商还需要采购设备，建设基站，网络搭建完成后再向下游提供服务、收取资费。业内普遍认为，5G大规模商用大概需要两年时间。

三大电信运营商已分别在全国十多个城市开展5G组网试验，并开展用户招募工作。

中国移动规划在2019年完成5G基站建设3万至5万个，投资为172亿元；中国联通预计建设2万个基站，投资计划为60亿至80亿元；中国电信计划建设2万个基站，投资为90亿元。

需要注意的是，5G网络建设也将是从数据网络消费热点区域开始建设，并不是全面普及。预计3-5年内将是4G与5G网络长期并存，在农村等区域还将主要是4G普遍覆盖。

结语：通信技术并不神秘，5G作为通信技术皇冠上最耀眼的宝石，也不是什么遥不可及的创新革命技术，它更多是对现有通信技术的演进。正如一位高人所说：通信技术的极限，并不是技术工艺方面的限制，而是建立在严谨数学基础上的推论，在可以遇见的未来是基本不可能突破的。

编辑：大群

部分内容及图片来源于鲜枣课堂