闲谈5G

　　还记得华为的第一款5G手机么！那时的华为，有一款搭载巴龙5000基带的mate20X，并且还是以外挂的方式搭载。之后就是麒麟的常青藤神U麒麟990，创造了销量奇迹，同时也是钉子户机型（因为功耗实在是令人满意）。最后，便是台积电代工的绝唱麒麟9000，麒麟9000的故事堪称传奇。
　　这次，就和大家一起聊聊5G的那些事（本次纯属闲聊，说到哪就讲到哪）。
　　首先，给大家写一个公式，就是它
　　上面这个公式，这是物理学的基本公式，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。
　　且听我慢慢道来
　　有线？无线？
　　通信技术，无论什么黑科技白科技，归根到底，就分为两种有线通信和无线通信。
　　我和你打电话，信息数据要么在空中传播（看不见、摸不着），要么在实物上传播（看得见、摸得着）。
　　如果是在实体物质上传播，就是有线通信，基本上就是用的铜线、光纤这些线缆，统称为有线介质。
　　在有线介质上传播数据，速率可以达到很高的数值。
　　以光纤为例，在实验室中，单条光纤最大带宽已达到了26Tbps是传统网线的两万六千倍。
　　光纤
　　而空中传播这部分，才是移动通信的瓶颈所在。
　　目前主流的移动通信标准，是4GLTE，理论带宽只有150Mbps（不包括载波聚合）。这个和有线是完全没办法相比的。
　　所以，5G如果要实现端到端的高速率，重点是突破无线这部分的瓶颈。
　　大家都知道，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。
　　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，高频的射线，具有很大的杀伤力，可以用来治疗肿瘤。
　　电磁波的不断频率
　　我们目前主要使用电波进行通信。当然，光波通信也在崛起，例如LiFi。
　　LiFi（LightFidelity），可见光通信
　　不偏题，回到电波先。
　　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。
　　不同频率电波的用途
　　请大家注意上面图中的红色字体。一直以来，我们主要是用中频超高频进行手机通信的。
　　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4GLTE技术标准，属于特高频和超高频。
　　我们国家主要使用超高频：
　　大家能看出来，随着1G、2G、3G、4G的发展，使用的电波频率是越来越高的。
　　这是为什么呢？
　　这主要是因为，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。
　　更高的频率更多的资源更快的速度
　　应该不难理解吧？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。
　　那么，5G使用的频率具体是多少呢？
　　如下图所示：
　　5G的频率范围，分为两种：一种是6GHz以下，这个和目前我们的234G差别不算太大。还有一种，就很高了，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：
　　好啦，这个就是5G的第一个技术特点毫米波
　　好了，既然，频率高这么好，你一定会问：为什么以前我们不用高频率呢？
　　原因很简单不是不想用，是成本太高。
　　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。
　　你看激光笔（波长635nm左右），射出的光是直的吧，挡住了就过不去了。
　　再看卫星通信和GPS导航（波长1cm左右），如果有遮挡物，就没信号了吧。
　　卫星那口大锅，必须校准瞄着卫星的方向，否则哪怕稍微歪一点，都会影响信号质量。
　　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。
　　基站数量意味着什么？成本啊！
　　频率越低，网络建设就越省钱，竞争起来就越有利。这就是为什么，这些年，电信、移动、联通为了低频段而争得头破血流。
　　有的频段甚至被称为黄金频段。
　　这也是为什么，5G时代，运营商拼命怼设备商，希望基站降价。
　　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。
　　首先，就是微基站。
　　微基站
　　基站有两种，微基站和宏基站。看名字就知道，微基站很小，宏基站很大！
　　宏基站：
　　室外常见，建一个覆盖一大片
　　室外常见，建一个覆盖一大片
　　微基站：
　　看上去是不是很酷炫？
　　还有更小的，巴掌那么大
　　其实，微基站现在就有不少，尤其是城区和室内，经常能看到。
　　以后，到了5G时代，微基站会更多，到处都会装上，几乎随处可见。
　　你肯定会问，那么多基站在身边，会不会对人体造成影响？
　　回答是不会。
　　其实，和传统认知恰好相反，事实上，基站数量越多，辐射反而越小！
　　你想一下，冬天，一群人的房子里，是一个大功率取暖器好，还是几个小功率取暖器好？
　　大功率方案
　　小功率方案
　　上面的图，一目了然了。基站小，功率低，对大家都好。如果只采用一个大基站，离得近，辐射大，离得远，没信号，反而不好。
　　天线去哪了？
　　大家有没有发现，以前大哥大都有很长的天线，早期的手机也有突出来的小天线，为什么现在我们的手机都没有天线了？
　　其实，我们并不是不需要天线，而是我们的天线变小了。
　　根据天线特性，天线长度应与波长成正比，大约在11014之间。
　　随着时间变化，我们手机的通信频率越来越高，波长越来越短，天线也就跟着变短啦！
　　毫米波通信，天线也变成毫米级。
　　这就意味着，天线完全可以塞进手机的里面，甚至可以塞很多根
　　这就是5G的第三大杀手锏
　　assiveMIMO（多天线技术）
　　MIMO就是多进多出（MultipleInputMultipleOutput），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。
　　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。
　　大家都见过灯泡发光吧？
　　其实，基站发射信号的时候，就有点像灯泡发光。
　　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。
　　我们能不能找到一只无形的手，把散开的光束缚起来呢？
　　这样既节约了能量，也保证了要照亮的区域有足够的光。
　　答案是：可以。
　　波束赋形
　　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，而且能根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。
　　直的都能掰成弯的还有什么是通信砖家干不出来的？
　　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。
　　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DevicetoDevice（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。
　　不过，如果你觉得这样就不用付钱，那你就图样图森破了。
　　控制消息还是要从基站走的，你用着频谱资源，运营商爸爸怎么可能放过你
　　相信大家通过本文，对5G和她背后的通信知识已经有了深刻的理解。而这一切，都只是源于一个小学生都能看懂的数学公式。
　　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。
　　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。
　　好吧，写了这么多，可能很多人没有整明白，在这里，我还是用简单的文字再简单的描述一下。
　　第五代移动通信技术（英语：5thgenerationmobilenetworks或5thgenerationwirelesssystems、5thGeneration，简称5G或5G技术）是最新一代蜂窝移动通信技术，也是即4G（LTEA、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系统之后的延伸。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。Release15中的5G规范的第一阶段是为了适应早期的商业部署。Release16的第二阶段将于2020年4月完成，作为IMT2020技术的候选提交给国际电信联盟（ITU）。ITUIMT2020规范要求速度高达20Gbits，可以实现宽信道带宽和大容量MIMO。
　　基本概念
　　5G移动网络与早期的2G、3G和4G移动网络一样，5G网络是数字蜂窝网络，在这种网络中，供应商覆盖的服务区域被划分为许多被称为蜂窝的小地理区域。表示声音和图像的模拟信号在手机中被数字化，由模数转换器转换并作为比特流传输。蜂窝中的所有5G无线设备通过无线电波与蜂窝中的本地天线阵和低功率自动收发器（发射机和接收机）进行通信。收发器从公共频率池分配频道，这些频道在地理上分离的蜂窝中可以重复使用。本地天线通过高带宽光纤或无线回程连接与电话网络和互联网连接。与现有的手机一样，当用户从一个蜂窝穿越到另一个蜂窝时，他们的移动设备将自动切换到新蜂窝中的天线。
　　5G网络的主要优势在于，数据传输速率远远高于以前的蜂窝网络，最高可达10Gbits，比当前的有线互联网要快，比先前的4GLTE蜂窝网络快100倍。另一个优点是较低的网络延迟（更快的响应时间），低于1毫秒，而4G为3070毫秒。由于数据传输更快，5G网络将不仅仅为手机提供服务，而且还将成为一般性的家庭和办公网络提供商，与有线网络提供商竞争。以前的蜂窝网络提供了适用于手机的低数据率互联网接入，但是一个手机发射塔不能经济地提供足够的带宽作为家用计算机的一般互联网供应商。
　　网络特点
　　1、峰值速率需要达到Gbits的标准，以满足高清视频，虚拟现实等大数据量传输。
　　2、空中接口时延水平需要在1ms左右，满足自动驾驶，远程医疗等实时应用。
　　3、超大网络容量，提供千亿设备的连接能力，满足物联网通信。
　　4、频谱效率要比LTE提升10倍以上。
　　5、连续广域覆盖和高移动性下，用户体验速率达到100Mbits。
　　6、流量密度和连接数密度大幅度提高。
　　7、系统协同化，智能化水平提升，表现为多用户，多点，多天线，多摄取的协同组网，以及网络间灵活地自动调整。
　　以上是5G区别于前几代移动通信的关键，是移动通信从以技术为中心逐步向以用户为中心转变的结果。
　　关键技术超密集异构网络
　　5G网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向发展。随着各种智能终端的普及，面向2020年及以后，移动数据流量将呈现爆炸式增长。在未来5G网络中，减小小区半径，增加低功率节点数量，是保证未来5G网络支持1000倍流量增长的核心技术之一。因此，超密集异构网络成为未来5G网络提高数据流量的关键技术。
　　未来无线网络将部署超过现有站点10倍以上的各种无线节点，在宏站覆盖区内，站点间距离将保持10m以内，并且支持在每1km2范围内为25000个用户提供服务。同时也可能出现活跃用户数和站点数的比例达到11的现象，即用户与服务节点一一对应。密集部署的网络拉近了终端与节点间的距离，使得网络的功率和频谱效率大幅度提高，同时也扩大了网络覆盖范围，扩展了系统容量，并且增强了业务在不同接入技术和各覆盖层次间的灵活性。虽然超密集异构网络架构在5G中有很大的发展前景，但是节点间距离的减少，越发密集的网络部署将使得网络拓扑更加复杂，从而容易出现与现有移动通信系统不兼容的问题。
　　在5G移动通信网络中，干扰是一个必须解决的问题。网络中的干扰主要有：同频干扰，共享频谱资源干扰，不同覆盖层次间的干扰等。现有通信系统的干扰协调算法只能解决单个干扰源问题，而在5G网络中，相邻节点的传输损耗一般差别不大，这将导致多个干扰源强度相近，进一步恶化网络性能，使得现有协调算法难以应对。
　　准确有效地感知相邻节点是实现大规模节点协作的前提条件。在超密集网络中，密集的部署使得小区边界数量剧增，加之形状的不规则，导致频繁复杂的切换。为了满足移动性需求，势必出现新的切换算法；另外，网络动态部署技术也是研究的重点。由于用户部署的大量节点的开启和关闭具有突发性和随机性，使得网络拓扑和干扰具有大范围动态变化特性；而各小站中较少的服务用户数也容易导致业务的空间和时间分布出现剧烈的动态变化。自组织网络
　　传统移动通信网络中，主要依靠人工方式完成网络部署及运维，既耗费大量人力资源又增加运行成本，而且网络优化也不理想。在未来5G网络中，将面临网络的部署、运营及维护的挑战，这主要是由于网络存在各种无线接入技术，且网络节点覆盖能力各不相同，它们之间的关系错综复杂。因此，自组织网络（selforganizingnetwork，SON）的智能化将成为5G网络是必不可少的一项关键技术。
　　自组织网络技术解决的关键问题主要有以下2点：网络部署阶段的自规划和自配；网络维护阶段的自优化和自愈合。自配置新增网络节点的配置可实现即插即用，具有低成本、安装简易等优点。自优化的目的是减少业务工作量，达到提升网络质量及性能的效果，其方法是通过UE和eNB测量，在本地eNB或网络管理方面进行参数自优化。自愈合指系统能自动检测问题、定位问题和排除故障，大大减少维护成本并避免对网络质量和用户体验的影响。自动规划的目的是动态进行网络规划并执行，同时满足系统的容量扩展、业务监测或优化结果等方面的需求。内容分发网络
　　在5G中，面向大规模用户的音频、视频、图像等业务急剧增长，网络流量的爆炸式增长会极大地影响用户访问互联网的服务质量。如何有效地分发大流量的业务内容，降低用户获取信息的时延，成为网络运营商和内容提供商面临的一大难题。仅仅依靠增加带宽并不能解决问题，它还受到传输中路由阻塞和延迟、网站服务器的处理能力等因素的影响，这些问题的出现与用户服务器之间的距离有密切关系。内容分发网络（contentdistributionnetwork，CDN）会对未来5G网络的容量与用户访问具有重要的支撑作用。
　　内容分发网络是在传统网络中添加新的层次，即智能虚拟网络。CDN系统综合考虑各节点连接状态、负载情况以及用户距离等信息，通过将相关内容分发至靠近用户的CDN代理服务器上，实现用户就近获取所需的信息，使得网络拥塞状况得以缓解，降低响应时间，提高响应速度。CDN网络架构在用户侧与源server之间构建多个CDN代理server，可以降低延迟、提高QoS（qualityofservice）。当用户对所需内容发送请求时，如果源服务器之前接收到相同内容的请求，则该请求被DNS重定向到离用户最近的CDN代理服务器上，由该代理服务器发送相应内容给用户。
　　因此，源服务器只需要将内容发给各个代理服务器，便于用户从就近的带宽充足的代理服务器上获取内容，降低网络时延并提高用户体验。随着云计算、移动互联网及动态网络内容技术的推进，内容分发技术逐步趋向于专业化、定制化，在内容路由、管理、推送以及安全性方面都面临新的挑战。D2D通信
　　在5G网络中，网络容量、频谱效率需要进一步提升，更丰富的通信模式以及更好的终端用户体验也是5G的演进方向。设备到设备通信（devicetodevicecommunication，D2D）具有潜在的提升系统性能、增强用户体验、减轻基站压力、提高频谱利用率的前景。因此，D2D是未来5G网络中的关键技术之一。
　　D2D通信是一种基于蜂窝系统的近距离数据直接传输技术。D2D会话的数据直接在终端之间进行传输，不需要通过基站转发，而相关的控制信令，如会话的建立、维持、无线资源分配以及计费、鉴权、识别、移动性管理等仍由蜂窝网络负责。蜂窝网络引入D2D通信，可以减轻基站负担，降低端到端的传输时延，提升频谱效率，降低终端发射功率。当无线通信基础设施损坏，或者在无线网络的覆盖盲区，终端可借助D2D实现端到端通信甚至接入蜂窝网络。在5G网络中，既可以在授权频段部署D2D通信，也可在非授权频段部署。
　　M2M通信
　　M2M（machinetomachine，M2M）作为物联网最常见的应用形式，在智能电网、安全监测、城市信息化、环境监测等领域实现了商业化应用。3GPP已经针对M2M网络制定了一些标准，并已立项开始研究M2M关键技术。M2M的定义主要有广义和狭义2种。广义的M2M主要是指机器对机器、人与机器间以及移动网络和机器之间的通信，它涵盖了所有实现人、机器、系统之间通信的技术；从狭义上说，M2M仅仅指机器与机器之间的通信。智能化、交互式是M2M有别于其它应用的典型特征，这一特征下的机器也被赋予了更多的智慧。信息中心网络
　　随着实时音频、高清视频等服务的日益激增，基于位置通信的传统TCPIP网络无法满足数据流量分发的要求。网络呈现出以信息为中心的发展趋势。信息中心网络（informationcentricnetwork，ICN）的思想最早是1979年由Nelson提出来的，后来被Baccala强化。作为一种新型网络体系结构，ICN的目标是取代现有的IP。
　　ICN所指的信息包括实时媒体流、网页服务、多媒体通信等，而信息中心网络就是这些片段信息的总集合。因此，ICN主要概念是信息的分发、查找和传递，不再是维护目标主机的可连通性。不同于传统的以主机地址为中心的TCPIP网络体系结构，ICN采用的是以信息为中心的网络通信模型，忽略IP地址的作用，甚至只是将其作为一种传输标识。全新的网络协议栈能够实现网络层解析信息名称、路由缓存信息数据、多播传递信息等功能，从而较好地解决计算机网络中存在的扩展性、实时性以及动态性等问题。ICN信息传递流程是一种基于发布订阅方式的信息传递流程。
　　首先，内容提供方向网络发布自己所拥有的内容，网络中的节点就明白当收到相关内容的请求时如何响应该请求。然后，当第一个订阅方向网络发送内容请求时，节点将请求转发到内容发布方，内容发布方将相应内容发送给订阅方，带有缓存的节点会将经过的内容缓存。其他订阅方对相同内容发送请求时，邻近带缓存的节点直接将相应内容响应给订阅方。
　　因此，信息中心网络的通信过程就是请求内容的匹配过程。传统IP网络中，采用的是推传输模式，即服务器在整个传输过程中占主导地位，忽略了用户的地位，从而导致用户端接收过多的垃圾信息。ICN网络正好相反，采用拉模式，整个传输过程由用户的实时信息请求触发，网络则通过信息缓存的方式，实现快速响应用户。此外，信息安全只与信息自身相关，而与存储容器无关。针对信息的这种特性，ICN网络采用有别于传统网络安全机制的基于信息的安全机制。和传统的IP网络相比，ICN具有高效性、高安全性且支持客户端移动等优势。
　　应用领域车联网与自动驾驶
　　车联网技术经历了利用有线通信的路侧单元（道路提示牌）以及2G3G4G网络承载车载信息服务的阶段，正在依托高速移动的通信技术，逐步步入自动驾驶时代。根据中国、美国、日本等国家的汽车发展规划，依托传输速率更高、时延更低的5G网络，将在2025年全面实现自动驾驶汽车的量产，市场规模达到1万亿美元。外科手术
　　2019年1月19日，中国一名外科医生利用5G技术实施了全球首例远程外科手术。这名医生在福建省利用5G网络，操控30英里（约合48公里）以外一个偏远地区的机械臂进行手术。在进行的手术中，由于延时只有0。1秒，外科医生用5G网络切除了一只实验动物的肝脏。5G技术的其他好处还包括大幅减少了下载时间，下载速度从每秒约20兆字节上升到每秒50千兆字节相当于在1秒钟内下载超过10部高清影片。5G技术最直接的应用很可能是改善视频通话和游戏体验，但机器人手术很有可能给专业外科医生为世界各地有需要的人实施手术带来很大希望。
　　5G技术将开辟许多新的应用领域，以前的移动数据传输标准对这些领域来说还不够快。5G网络的速度和较低的延时性首次满足了远程呈现、甚至远程手术的要求。智能电网
　　因电网高安全性要求与全覆盖的广度特性，智能电网必须在海量连接以及广覆盖的测量处理体系中，做到99。999的高可靠度；超大数量末端设备的同时接入、小于20ms的超低时延，以及终端深度覆盖、信号平稳等是其可安全工作的基本要求。
　　上述内容可谓是非常详细的解释了5G的技术与应用，依靠国家强大的基础设施建设，会很快全国普及5G的。到那时国内5G的相关行业都会飞速发展，同时还可以降低5G的各项成本。最终受益的还是普罗大众。
　　我是六六科技人，让我们一起畅谈科技
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