1.早上，手機響了。

2.你醒了。

3.機器人管家來到你床邊，告知你昨晚的睡眠質(zhì)量、健康指數(shù)并提供相關(guān)建議。他投影出了一個全息影像，開始播報你的日程，之后呈現(xiàn)了你可能會感興趣的新聞。

4.你和伴侶來到廚房，冰箱根據(jù)內(nèi)存物提供了幾種營養(yǎng)美味的菜譜。吃過飯，機器人管家建議你們可以先看一部電影， 你們今天有些想要懷舊，機器人投射出全息《泰坦尼克號》，海水涌上了你的腳面。

5.你們看完電影決定出門，站在試衣鏡前，它顯示了衣柜中的衣服輪番搭配到你身上的樣子。選好衣服，你們乘上自動駕駛飛行器，確認目的地，隨即起飛，飛行器自動將你安全送達……

?！抑垃F(xiàn)在對你來說，這一系列場景的發(fā)生順序是13452，不過別急，這一切并不永遠都是白日做夢，等一項神奇的技術(shù)應(yīng)用之后，順序就是12345了。

那這項技術(shù)是什么?為什么能讓我們的生活方式升級換代?

它，就是傳說中的5G技術(shù)。

5G有什么特性

5G和4G的區(qū)別可不是“啊~啊~啊~5G，你比4G多一G”那么簡單，別看數(shù)字只是加了一位，帶來的變化卻是量級的?！癎”代表“generation”，簡單來說，1G時我們用手機打電話，2G時我們能互發(fā)短信、看文字信息，3G時上網(wǎng)看圖片，而4G時我們看視頻和直播，從1G到4G，不僅信號越來越好，安全性越來越高，上網(wǎng)也越來越快了。

1G到4G，手機能做的事情越來越多|hellorf.com

那么5G會比4G牛多少?根據(jù)國際通信標準組織3GPP的定義，5G將帶來三大應(yīng)用場景：

eMBB大帶寬:下載速率理論值將達到每秒10GB，將是當(dāng)前4G上網(wǎng)速率的10倍。

uRLLC低延時：5G的理論延時是1ms，是4G延時的幾十分之一，基本達到了準實時的水平。

mMTC廣聯(lián)接：5G單通信小區(qū)可以連接的物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量理論值將達到百萬級別，是4G的十倍以上。

通訊技術(shù)具有基礎(chǔ)性的特點，因此它的任何微小進步帶來的影響都是巨大的。而天然具備大帶寬、低延時、廣聯(lián)接場景特性的5G技術(shù)定將為我們的世界帶來革命性的變化。

如AI技術(shù)，在5G的加持下，運算和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕰蟠筇嵘瑱C器人將可以實現(xiàn)隨時隨地的與云端交互，這使得AI機器人會更廣泛的應(yīng)用于制造、醫(yī)療、建筑、服務(wù)、家庭等場景，真正廣闊的應(yīng)用于社會生產(chǎn)與普通人的生活。

再比如VR/AR技術(shù)與全息通信，雖然現(xiàn)在已經(jīng)部分應(yīng)用，但因為傳輸速率不夠，體驗并不好，經(jīng)常出現(xiàn)卡頓、模糊甚至讓人暈眩。但如果有了5G，速率提高，360°的畫面都能夠清晰而穩(wěn)定的呈現(xiàn)，我們就能真正體會到“遠隔萬里卻身臨其境”的神奇了。

5G將帶來身臨其境的VR體驗|hellorf.com

特別是自動駕駛的汽車與前文看到的自動駕駛載人飛行器，也都將有望在5G時代真正實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

而這背后有無數(shù)科學(xué)家、基礎(chǔ)理論研究者、技術(shù)研究者、通信設(shè)備制造商、通信運營商等等一代代通信人的共同努力。如果說經(jīng)濟學(xué)的目標之一是研究“如何使有限資源得到最有效的應(yīng)用”，那么無線通信技術(shù)所追求的就是“如何利用有限頻譜，讓更多的人，更少的成本，更好的傳遞更多的信息?！?/p>

這里提到的頻譜指的就是一部分的無線電資源，無線電資源按照無線電磁波的頻率來劃分，屬于國(ren)家(lei)所(gong)有(you)的。就像土地一樣，任何組織和個人不能未經(jīng)批準就占用，必須向國家申請。國家會將一定頻率跨度的無線電資源進行分配，用于軍用及民用的通信，比如在我們國家，立體聲廣播會占用917MHz-925MHz;民航通信會占用1785MHz-1805MHz的頻率;衛(wèi)星通信會占用2170MHz-2200MHz等等。

而無線電頻譜總體上有一個特點，就是頻率越高，允許分配的帶寬范圍越大，單位時間內(nèi)所能傳遞的數(shù)據(jù)量就越大。

從通信1G(900MHz)到4G(1.8GHz以上)所應(yīng)用的無線電磁波的頻率越來越高，單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒁簿驮截S富，傳輸速率提高了，在我們看來，就是“網(wǎng)速變快了”。這就有點像路越修越寬，跑在上面的車就可以越來越多，也可以越來越快。

當(dāng)前我們國家分配給三大運營商的4G主力頻段位于1800MHz~2700MHz之間的一部分頻段，而國際電信標準組織定義的5G的主流頻段是3000MHz-6000MHz之間，比4G要高出很多，所以5G的信息傳輸速率較4G就會產(chǎn)生革命性變化。

既然5G技術(shù)這么厲害，那它的原理究竟是什么?

5G技術(shù)的原理

前文我們已經(jīng)提到，通信應(yīng)用的頻譜頻率越來越高，就好像是路越修越寬，理論上講，跑在上面的車就可以越跑越快，但實際情況好像不是這樣。比如，只比四環(huán)多一環(huán)的北京五環(huán)，路已經(jīng)非常寬了……但每天早高峰的場景是這樣的：

上五環(huán)，體驗從天亮堵到天黑|hellorf.com

第一是因為車太多了，第二是因為大家早高峰的時候都在搶時間，很多情況都在無序通行，所以非常堵。單純的一味把路修寬，并不能良好的解決出行效率的問題，而把路修寬也不是一朝一夕就能完成的事情，受很多客觀條件的限制，所以還是要想辦法怎么在現(xiàn)有的道路上提升利用率。

無序通行是堵車的充分不必要條件

而頻譜資源也一樣，是非常非常有限的。而使用手機的人卻越來越多，運營商只能在一段頻譜的跨度內(nèi)(帶寬)讓所有的用戶共同使用。所以從無線通信伊始，大家就都在想辦法——怎么才能在有限的頻譜資源內(nèi)容納更多的用戶，同時讓每個用戶傳遞更多的信息?這就涉及到無線通信中最重要的技術(shù)：復(fù)用，根據(jù)不同的特點，形成了三大主流復(fù)用技術(shù)：FDMA、TDMA、CDMA。

這仨兄弟長得好像，都快讓人弄混了，所以它們到底都是啥?

讓我們先從“大哥大”時代說起：第一代移動通信技術(shù)時代，也就是1G時代，那時人們接打電話用的是模擬信號，即用一段連續(xù)變化的電磁波，然后傳遞出去，這時候信號和傳遞信號的電磁波本身是同一回事。

基本只具備通話功能的大哥大

如同使用磁帶來錄音，其實它們是在記錄模擬信號。這種方式的優(yōu)點是連續(xù)，仿真度高，能最真實的還原所記錄的實際聲音。

但它也有個很大的缺點，就是在信息傳遞的過程中極易受到干擾，同時毫無安全性可言，自制一個收音機就可以竊聽別人的通話，而且兩個人通話時必須占有某一段范圍的頻譜。

竊聽電話從戰(zhàn)爭時期就開始了

想象一下早高峰時間的主路上，一輛車行駛在一條空蕩蕩的車道上，而其他的車輛必須等到這輛車到達目的地后才可上路。因為這種特性，1G時代模擬信號不可能承載太多的用戶。

為了解決這個問題，人們就發(fā)明了數(shù)字信號，模擬信號是連續(xù)的，因此容易被干擾，而數(shù)字信號就是將一段連續(xù)的模擬信號進行切分，大概多少份呢，基本上是把1秒的信息切成幾千份，然后再每隔一份或幾份取出一個收集起來，傳遞出去，你接到信息之后再進行還原，基本和之前的信息沒有差別。

這就有點像我給你遞送一個拼圖，這個拼圖完整拼起來是一個飛機的照片，但即便我少給你幾塊，或者傳遞過程中弄丟了幾塊，你收到后拼起來，大致還是能看出是一個飛機，而且也能大概猜出丟掉的拼圖塊上的圖案是什么。你可能覺得這樣方式根本不靠譜，但其實如果每個拼圖塊被分的足夠小，即便我丟掉了一半的拼圖塊給你，你還是可以看出是一架飛機。

比如數(shù)碼相機拍出的照片也是一種數(shù)字信號，我們把相片按原尺寸看的時候很清楚，但當(dāng)把它放大到一定程度，看到的就都是馬賽克了。

這就是因為記錄影像信息的過程中“扔掉”很多很多“拼圖塊”，但并不影響你清楚的看到照片。

只看右邊的圖片，你能猜出這是什么嗎?

當(dāng)然，這也就是數(shù)字信號的好處。“扔掉拼圖塊”等于信息就可以被壓縮、抗干擾，可以不用按順序傳遞。只要之后在接收端統(tǒng)一拼裝組合，就能將信息還原出來，這樣受到的限制就小了很多。

最重要的是，這樣把信息分成很多的小塊，我們就可以將“信息”這種“貨物”分裝在不同的卡車上走不同的車道進行運輸。而不像模擬信號必須將所有的“信息貨物”裝在一輛卡車上走一條車道進行運輸，這就為頻譜的“復(fù)用”打下基礎(chǔ)。

再比如我們現(xiàn)在用的MP3格式，CD等都是和手機通信一樣，將模擬的聲音信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號再壓縮保存的，這當(dāng)然會有一定程度的失真，但你幾乎是感覺不到的。

MP3播放的音頻雖有失真但影響微乎其微|

現(xiàn)在我們大致了解了模擬信號和數(shù)字信號，也知道了復(fù)用的基礎(chǔ)就是數(shù)字化，就可以繼續(xù)解釋前文提到的FDMA、TDMA、CDMA“復(fù)用技術(shù)”三兄弟啦。

咱們還是用車道的例子來舉例：

頻分多址(FDMA)：利用不同的頻率分割成不同信道的復(fù)用技術(shù)。就好像一條劃分了多個車道的大路，你可以將一段完整的信息分成很多份的數(shù)字信號，轉(zhuǎn)載在不同的卡車上，每個卡車占用其中的一條車道幫你將信息運送到道路的另一端，然后在另一端將分裝在不同車道卡車上的信息收集下來組裝在一起，拼成完整的信息。

時分多址(TDMA)：允許多個用戶在不同的時間段(時隙)來使用相同的頻率的復(fù)用技術(shù)，允許多用戶共享同樣的頻率。這就像很多人共用一條高速公路，每個人有一個卡車車隊運送信息，不過你可以在別人的車隊中插空行駛，因為每輛卡并不是緊緊的前后貼在一起，中間都有空當(dāng)。

碼分多址(CDMA)：簡單的說指的就是將共享一條信道上的信息進行了不同方式的編碼。我們可以理解成這次既和別人共用了高速，也和別人共用了卡車。那怎么運送信息呢?我們采用了一種方式，將不同的箱子涂上顏色，我們將自己的信號都分裝在了綠色的箱子里，別人有的分裝在了紅的箱子里，有的分裝在了黃色的箱子里，然后在高速的另一頭，接受端的人將每輛車上綠色箱子里的信號檢出來拼裝在一起，就組成了想要的信息。別人的接受端取出相應(yīng)顏色的箱子，拼出各自想要的信息。這樣就實現(xiàn)了共用道路和卡車，大大提升了頻頻譜的利用率。

海蒂·拉瑪 Hedy Lamarr

1914年11月9日—2000年1月19日

CDMA理論基礎(chǔ)的發(fā)明者，同時也是好萊塢著名影星，小說都不敢寫這種人設(shè)

如果你還不明白，可以想象成一堆人在同處在一個教室，每兩個人互相聊天，頻分多址(FDMA)就是不同組的談話者用不同的聲調(diào)聊天，比如有的一對人聲音高亢，有的一對人聲音低沉，互相能聽清，不受干擾;時分多址(TDMA)就是每個人都趁其他人說話的間隙說話，這樣也都能聽清;而碼分多址(CDMA)就是大家一起說話，但每兩個都用著不同的語言(英語、日語、法語、中文)，這樣即便在一個屋子里同時說話也能互不干擾。

當(dāng)大家坐在一起互相聊天，只看圖就很吵了|

FDMA、TDMA、CDMA這三兄弟大大提升了頻譜利用效率，也推動了通信技術(shù)的長足發(fā)展，其實我們當(dāng)前的2/3/4G的技術(shù)標準在頻譜效率提升上都應(yīng)用了這三項核心技術(shù)：

2/3/4G時期三大供應(yīng)商應(yīng)用的FDMA、TDMA、CDMA

而5G的技術(shù)標準，按照目前的定義，叫新空口(New Radio)。這其實是2/3/4G技術(shù)的大融合，將截至目前各種技術(shù)的優(yōu)勢都結(jié)合在了一起，屬于2/3/4G的融合升級加強版。

然而，融合越多，頻譜的利用率就越接近香農(nóng)極限，想要進步也就越艱難。

你可能要問了，香農(nóng)極限又是什么?我們再不妨提及另一位大神：

克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)博士

Dr. Claude Elwood Shannon

1916年4月30日—2001年2月24日

美國數(shù)學(xué)家、信息論的創(chuàng)始人

什么，你以為我錯把男模的照片放上來了?不，這位一眼萬年的翩翩公子就是信息論的創(chuàng)始人，克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)，他奠定了數(shù)字通信的基礎(chǔ)。

香農(nóng)在1948年提出過一個著名的公式

——香農(nóng)定理

香農(nóng)定理

其中C為最大信息傳送速率，B為信道的寬度，S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率，N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。

這是一個非常偉大的公式，因為她清晰的定義了無線通信領(lǐng)域理論上的傳輸速率由哪些因素決定以及他們之間的量化關(guān)系。對無線通信原理和技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動作用,為人們?nèi)绾卫糜邢揞l譜資源更快更好的傳遞信息指明了方向。

而這個公式另一個偉大的意義就在于可以推導(dǎo)出即便應(yīng)用無限大的頻譜帶寬，傳遞信息的速率也是有極限的，因為噪聲N會隨著頻譜寬度的B的擴大而擴大，使得傳輸速率最終達到一個極限。同時可以推導(dǎo)出，在給定帶寬上信息傳輸速率所能達到的上限，并指明了達到這個上限的研究方向。這就是著名的香農(nóng)極限。

這個比較抽象，如果再用道路來舉例子的話，通常我們認為，假如每輛車都可以以無窮大的速度行駛，那么如果把路修的足夠?qū)挘飞系能嚩紩詿o窮大的速度行駛，但香農(nóng)就證明了“即便路修的足夠?qū)?，車輛行駛速度也終究會有一個極限。同時，在有限寬的道路上，車速可以達到的上限是多少”。

而無線通信科學(xué)家們的“工作方向”，就是希望“車速”可以接近這個極限。我們前文所講到的復(fù)用技術(shù)三兄弟(FDMA/CDMA/TDMA)以及其他一些通信編碼和復(fù)用技術(shù)的研究和應(yīng)用，都是為了貼近這個極限。

而5G的頻譜效率已經(jīng)在很大程度上的接近甚至達到了香農(nóng)極限。

5G的信號覆蓋

如果說頻譜的有效應(yīng)用決定了能否讓更多人傳遞更多的信息，那么信號覆蓋則決定了我們能不能更好的傳遞信息，

說到信號覆蓋就涉及到基站的概念了，基站就是我們通過手機連接到運營商網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，連接到運營商的網(wǎng)絡(luò)之后，我們才能實現(xiàn)打電話、發(fā)短信和上網(wǎng)。

基站與我們通過無線電信號進行連接，通常一個基站的覆蓋范圍是一個以基站為圓心的一個圓，在這個圓之內(nèi)的手機都可以被這個基站的信號所覆蓋。通常來講，離基站近的地方信號就會好，我們上網(wǎng)速度就會很快，打電話也會很清楚;離基站遠的地方，信號就會不好。

WIFI就是家里的“基站”

通常在一個基站覆蓋的圓里，持有手機的人也不是均勻分布的，如果信號是均勻覆蓋的，覆蓋的效率就會很低，使得應(yīng)該有信號的覆蓋的地方信號不夠強，而沒有人的地方卻有信號。

而在5G時代，要保證每一個基站所覆蓋的用戶無論距離遠近，無論人們是否均勻的分布在基站覆蓋的范圍內(nèi)，都要有大帶寬和低時延的上網(wǎng)體驗，就對信號覆蓋提出了很大的技術(shù)難題，通信技術(shù)人員為了解決這些問題，進行了一些重要的技術(shù)創(chuàng)新：

1 Massive-MIMO大容量多入多出技術(shù)

目前我們手機信號連接的是運營商基站，準確的說是基站上天線，室外的天線長這樣：

它們主要出沒在樓頂以及信號塔上。以往一個天線可以理解成一個探照燈，通常覆蓋120度角的扇面(每個基站的三個天線覆蓋一個圓)，被“照射”的區(qū)域就有信號，但這有一個問題：使用手機的人不會總是均勻分布在這120度角的扇面區(qū)域中，可能扎堆在一扇面中的小部分區(qū)域，這就造成了“探照燈”照射的浪費，因為它沒有聚焦。

原“單入單出”的探照燈式信號覆蓋

到了4G時代，我們有了“多入多出”和“波束賦形”技術(shù)，就好像將一個大的信號覆蓋的天線“探照燈”變成了多個“聚光燈”，“聚光燈”可以找到這個扇形區(qū)域中手機都聚集在哪里，然后就能更為聚焦地進行信號覆蓋。當(dāng)前主流應(yīng)用的是“4T(Transit)4R(Receive)”技術(shù)，顧名思義，就是一個天線可以有4個“聚光燈”負責(zé)向多個手機傳遞信號，同時有4個“聚光燈”負責(zé)接收手機上行回傳到基站的信號。

多入多出的“聚光燈”式信號覆蓋

而在5G階段，由于對信號覆蓋有更高的要求，當(dāng)前5G全球通信設(shè)備制造商已經(jīng)將5G天線的主流技術(shù)推進到了“8T8R”，但中國的華為公司已經(jīng)可以做到“64T64R”(64個“聚光燈”!大概是家里有礦)，遠遠領(lǐng)先于業(yè)界。

2 上下行解耦技術(shù)

5G應(yīng)用的主流頻譜是3GHz-6GHz，這個波段也被業(yè)界稱為C-Band(C波段)或稱黃金波段，這個波段頻率很高，頻率高傳遞的信息量就大，然而頻率越高的無線電波長也越短，波越短，傳遞的距離就短，還容易被阻擋，衰減的非常厲害，用戶體驗上就會不達標。

當(dāng)然，為了穩(wěn)定的信號，運營商可以多多建基站，然而，最后可能會變成這樣：

顯然，這樣一來工程量巨大，不僅浪費資源，多出的成本當(dāng)然也會分攤到消費者頭上——難道以后只有土豪用得起5G嗎?

莫慌，聰明的老伙計們已經(jīng)想到了迂回的解決辦法。

比如華為提出的“上下行解耦”方案，可以理解為“下行5G頻率，上行4G頻率”。當(dāng)基站向手機通信時用5G高頻傳輸，因為基站可以加大發(fā)出的信號功率以解決信號穿透的問題。但手機的電量和功率是有限制的，所以手機向基站的上行不能通過加大信號強度解決，這時候，我們就可以讓手機與基站的通信用較低的4G頻段傳輸，4G的頻段頻率低，波長長，可以更好的衍射穿透障礙物。

此外，在5G上還有很多解決信號覆蓋和降低建網(wǎng)成本的技術(shù)，比如愛立信提出的Common Platform技術(shù)，華為的Single RAN技術(shù)，以及應(yīng)對室內(nèi)覆蓋的LampSite和DOT system技術(shù)等。

當(dāng)夢想照進現(xiàn)實

前面我們講到了5G的厲害之處和原理，但這些高大上的內(nèi)容好像還是有些抽象，那么，5G對我們普通人來說意味著什么?

那將是——

更快的下載和上傳速度。秒級下完一部高清電影。

更流暢的在線內(nèi)容流。再見了，加載中的小圈圈。

更高質(zhì)量的語音和視頻通話。不用擔(dān)心畫面卡在奇怪的地方然后被對方截圖了!

更多的連網(wǎng)設(shè)備。冰箱、空調(diào)、水表、甚至穿衣鏡都能聯(lián)網(wǎng)。

更豐富的包括自動駕駛汽車和智慧城市在內(nèi)的先進技術(shù)。

……

這skr什么神仙生活呀，到底真能實現(xiàn)，還是科學(xué)家們?yōu)榱松暾埥?jīng)費吹出來的?

可能你還不知道，5G技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)來了。

2018年2月22日在西班牙巴薩羅那，華為公司合作英國電信運營商沃達豐打通了全球5G的第一個電話。

在北京、杭州、深圳，中國三大運營商已經(jīng)建成了5G的實驗站點，工信部也已經(jīng)完成了5G的組網(wǎng)測試，很快就將發(fā)布5G的頻譜牌照，5G時代的來臨指日可待。

人類社會建立在信息溝通的基礎(chǔ)之上，從狼煙烽火，到郵政印刷，再到電報廣播直至如今的網(wǎng)絡(luò)通信，信息交流的領(lǐng)域已經(jīng)覆蓋全球甚至進展到了外太空。信息傳輸速度越快，傳播的資源越豐富，我們能做到的事情就更多。我們能了解與感知的世界有多大，我們的世界就有多大，是通信技術(shù)讓人類無限延伸了自己的生命。通信的發(fā)達，會帶來經(jīng)濟效率的提高，從而從根本上改變每個人的生活。

路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索?？萍歼M步從來都是不一朝一夕，立竿見影的事情，可還是有很多人忍受著失敗，誤解和孤寂，歷盡艱辛去尋找突破點和技術(shù)應(yīng)用的方法，讓我們的生活更加便捷，也讓我們的時代值得被后人銘記。

當(dāng)你每天用手機看頭條、發(fā)微信、追美劇、刷微博、逛淘寶、掃碼支付的時候，不要忘了這背后是一個個通信人的辛苦付出。

向每一位勇于探索、砥礪前行的通信人致敬!