IM开发者的零基础通信技术入门(十)：零基础，史上最强5G技术扫盲

【来源申明】本文引用了微信公众号“鲜枣课堂”的《史上最强5G科普》文章内容。为了更好的内容呈现，即时通讯网在引用和收录时内容有改动，转载时请注明原文来源信息，尊重原作者的劳动。

1、系列文章引言

1.1适合谁来阅读？

本系列文章尽量使用最浅显易懂的文字、图片来组织内容，力求通信技术零基础的人群也能看懂。但个人建议，至少稍微了解过网络通信方面的知识后再看，会更有收获。如果您大学学习过《计算机网络》这门课，那么一定不要错过本系列文章。

特别推荐即时通讯开发者来阅读，因为针对移动弱网的问题，确实可以找到很多有价值的答案。

友情提示：本系列文章可能涉及以下通信技术范畴，如您有兴趣，也可自行系统地学习：

1.2本系列文章的初衷

作为即时通讯（IM、消息推送等应用场景）相关技术的开发者人员来说，似乎了解跨专业的通信技术（这是大学通信工程专业类学生的学习内容），有点过于深入和底层了，因为一般来说熟练掌握逻辑层的TCP\IP相关协议、网络编程相关的应用技术就差不多能胜任这方面的本职工作了。

没错，确实是这样。但在开发IM、推送这类应用系统时，尤其在移动网络下，各种弱网问题，让人非常痛苦。

典型的弱网问题，比如：

• 1）频繁掉线；
• 2）丢包严重；
• 3）网络抖动；
• 4）网络延迟；
• ........
  

那么，针对以上现象，怎么才能有底气的跟老板、客户、产品经理地解释以下问题？

• 1）导致这些现象的根本原因到底是什么？
• 2）怎么跟老板解释，要搞定在高铁上用好音视频聊天功能很困难？
• 3）怎么跟客户解释P2P在3G、4G甚至5G网络下的成功率问题？
• 4）怎么向客户说明，商场或人多场合下，明明信号很好，但你的APP确用不了？
• .......
  

你说这些都是网络问题，APP代码无能为力。那么，你倒是讲讲到底是什么样的网络问题？能把人讲信服了，就可以甩锅给网络，不然只能是APP代码背锅了。现实吧！

所以，我们还是老老实实花点功夫来研究研究通信技术吧（通信技术直面的是网络通信物理层），至少遇到问题，不说给别人，至少给自已找到一个说的过去的解释。这才是一个优秀程序员的修养！

1.3本系列文章的价值

网上能找到的通信技术资料都太过专业或太不专业，要么都是搞网络工程方面的内行人编写的（内容专业但很枯燥难懂），要么就是外行的IT开发人员写的（很少见，且价值不大，因为不够专业，所以内容并不准确，参考价值很有限）。

既能让外行的普通程序员看懂，还能准确地讲明白通信技术知识，这样的资料简直比找金矿还难。因为普通程序员能接触到的网络编程、网络通信方面的资料多针对数据通信的逻辑层（比如：tcpip、socket等知识范畴），而通信技术涉及的是数据通信的物理层（交换机、路由器、天线、网络制式等），某种意义上来说，这是完全不同的技术方向。

好消息是，经过长时间的资料搜集，终于有了本系列文章，希望能给你带来帮助。

1.4拓展阅读

即时通讯网之前已经整理过《移动端IM开发者必读(一)：通俗易懂，理解移动网络的“弱”和“慢”》、《移动端IM开发者必读(二)：史上最全移动弱网络优化方法总结》、《现代移动端网络短连接的优化手段总结：请求速度、弱网适应、安全保障》这几篇初涉通信层的文章，但都因技术广度和深度有限，能带给读者的帮助比较局限。如果您看过这几篇文章，那么一定不要错过本次的《IM开发者的零基础通信技术入门》系列文章。

另外，如果您对最基本的程序员本该掌握的网络编程知识都还不怎么了解的话，建议首先阅读《网络编程懒人入门系列文章》、《脑残式网络编程入门系列》，以及更高深一点的《不为人知的网络编程系列文章》。

1.5番外：通信技术女神镇楼

▲ 史上最高颜值科学杂志封面，人物为 “CDMA之母”——海蒂·拉玛（一个被演艺事业耽误的科学女神）

2、本系列文章目录

《IM开发者的零基础通信技术入门(一)：通信交换技术的百年发展史(上)》
《IM开发者的零基础通信技术入门(二)：通信交换技术的百年发展史(下)》
《IM开发者的零基础通信技术入门(三)：国人通信方式的百年变迁》
《IM开发者的零基础通信技术入门(四)：手机的演进，史上最全移动终端发展史》
《IM开发者的零基础通信技术入门(五)：1G到5G，30年移动通信技术演进史》
《IM开发者的零基础通信技术入门(六)：移动终端的接头人——“基站”技术》
《IM开发者的零基础通信技术入门(七)：移动终端的千里马——“电磁波”》
《IM开发者的零基础通信技术入门(八)：零基础，史上最强“天线”原理扫盲》
《IM开发者的零基础通信技术入门(九)：无线通信网络的中枢——“核心网”》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十)：零基础，史上最强5G技术扫盲》（* 本文）
《IM开发者的零基础通信技术入门(十一)：为什么WiFi信号差？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十二)：上网卡顿？网络掉线？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十三)：手机信号差？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十四)：高铁上无线上网有多难？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十五)：理解定位技术，一篇就够》

3、本文内容概述

➊ 5G技术的关注度越来越高：

在此之前，5G技术对于普通老百姓来说，似乎还很遥远，关注度并不高。但从去年开始，美帝赤裸裸打压中兴和华为的国际事件，让5G技术在国内有了很高的关注度。美帝打压中兴、华为固然是坏事，但因为这个事情，相当于反过来为5G技术在国外做起了免费广告，这或许对于接下来5G商用在国内的推广有很大的促进作用，没想到坏事变好事。

➋ 专家们为什么要搞5G技术呢？

搞通信的都知道，国际上有个叫国际电联的组织，所有跟通信有关的技术都由它来管。国际电联认为，4G已经全球开花，随着苹果乔老爷子对手机的重新定义，上网流量爆炸性增长，多少都不够用了，这可咋办？是时候搞一个面向2020年及以后，能近一步满足人民群众日益增长的流量需求的新技术了！

国际电联把这个要搞的新技术叫做 IMT-2020，IMT的英文是 International Mobile Telecommunications，合起来的意思就是面向2020年及以后的国际移动通信标准。其他的俗人可没这么严谨，4G再往后不就轮到5G了么，那么直接干脆就叫5G得了。


▲ 5G是国际电联为广大的“手机党”们准备的面向2020年后的技术


▲ 5G网速有多快？通过上图可以直观了解

➌ 程序员们为什么要学习5G技术？

那么作为IM开发者，或者移动端开发者来说，提前了解5G技术显然是很有必要的。那么什么是5G技术？技术原理是怎么样的？5G技术将带来哪些技术革新？本文将以零基础的应用程序开发者为阅读对象，帮你找到这些问题的答案。

好了，费话少说，我们开始正文部分。。。

4、一个简单且神奇的公式   

今天的故事，从一个公式开始讲起。这是一个既简单又神奇的公式。

说它简单，是因为它一共只有3个字母。而说它神奇，是因为这个公式蕴含了博大精深的通信技术奥秘，这个星球上有无数的人都在为之魂牵梦绕。

这个公式，就是它：


我相信很多同学都认出这个公式了，如果没认出来，而且你又是一个理科生的话，请记得有空多给你的中学物理老师打打电话！



解释一下，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。。。

5、有线通信？无线通信？  

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，单条光纤最大速度已达到了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4G LTE，理论速率只有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。

6、电波通信

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γ射线，具有很大的杀伤力，可以用来治疗肿瘤。


▲ 电磁波的频率分布

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（Light Fidelity），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4G LTE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：

• 1）6GHz以下，这个和目前我们的2/3/4G差别不算太大；
• 2）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。请继续看下节。

7、毫米波

请允许我再发一遍刚才那个频率对照表：


请注意看最下面一行，是不是就是“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，是用不起。

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？钱啊！投资啊！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。（如果真的上5G，按以往的模式，设备商就发大财了。）





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。

出路有哪些呢？首先，就是微基站。

8、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。

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？我的回答是——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，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。

9、5G通信的3大核心技术

9.1概述

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？（关于天线技术的详细科普，请看本序列文章的第8篇：《IM开发者的零基础通信技术入门(八)：零基础，史上最强“天线”原理扫盲》）


▲ 天线去哪儿了？

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1/10~1/4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的三大杀手锏：Ｍassive MIMO（多天线技术）、波束赋形、D2D。下现跟我来一一学习。

9.25G关键技术1：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（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。

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。这就是——波束赋。

9.35G关键技术2：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。



直的都能掰成弯的。。。还有什么是通信砖家干不出来的？

9.35G关键技术3：D2D

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的重要特点——D2D，也就是Device to Device（设备到设备）。

D2D的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。。。

10、写在最后

相信大家通过本文，对5G和它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。不是么？

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。

如何在科学原理的范畴内，进一步发掘通信的潜力，是通信行业众多奋斗者们孜孜不倦的追求。



好啦，今天就到这里吧。谢谢大家的观看，下一篇文章再见！

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运营商爸爸怎么可能放过你。。。

引用：lzg 发表于 2019-03-11 08:54
运营商爸爸怎么可能放过你。。。

哈哈 5G的D2D确实是好东西，如果被破解了就好了。。。

学习一个

通俗易懂，赞！！！

写的好，仿佛在看博士论文一样。

不错不错

吐泱吐滲坡