要說最近人們熱議的話題，5G算是一個。"無人駕駛""智慧家居""萬物互聯"都與5G的普及有著或多或少的聯絡。當前，中國正按下5G發展"快進鍵"，推動新型基礎設施建設，深化與各行各業的融合發展，為世界數位經濟發展貢獻方案。

 

也許你已經對5G瞭解過很多：更寬的頻寬、更快的速率、更密集的基站，還有諸如毫米波、宏基站、微基站、D2D等等……今天，小編跟你聊聊5G的另一面。

 

相信在很多人眼中"5G=更快的網速"，是個升級版的"超級4G"。那麼5G僅僅是比4G網速更快嗎？或許答案並沒有那麼簡單……

 

來源｜新浪

4G為什麼時快時慢

我們先來看看4G。用過4G的你一定有過這樣的經歷，早晚高峰擠滿人的地鐵上，手機的4G網速會變得特別慢。到了空曠的地方，網速就會恢復正常。

 

為什麼人多的地方網速會變差呢？網路也會堵車嗎？要想一探究竟，還要看看4G基站是怎麼工作的。

 

一個4G基站發射出的電磁波會如同水波一般向四面八方傳播，這些電磁波中就包含著你的手機即將接收到的資訊。

 

向四面八方傳播的水波

 

當有很多很多手機同時連線到這個基站時，基站就需要將每個人需要瀏覽的資訊傳送到各自的手機上。

 

這時系統會將每個人所需的資訊拆散，打包成一個個"小份裝"，按照指定的順序，藉由電磁波向四面八方傳播出去。

 

4G採取的是8輸入8輸出模式，也就是系統會把網路上傳來的資訊分為8小份，分別從8個通道發出。接收者湊齊8份資訊，將它們拼在一起才能獲得完整的資訊。這就好比一條正反向各8車道的雙行線，被拆成"小份裝"的每一份資訊就像一輛車。

 

那麼如果接入的手機數量特別多時，就如同早高峰堵車一般，你的網速會變慢。

 

來源｜天線系統產業聯盟

那麼怎麼讓網速變快呢？我們有兩個辦法！

 

第一個方法很直觀，就是讓資訊發得更快，也就是每輛車都開得快一點。讓有限的電磁波內承載的資訊更多，也就是提高頻寬。

 

第二個方法是把"路"修得更寬，甚至給每個手機開通一條"專用車道"。這也是5G中最亮眼的技術——Massive MIMO與波束賦形。

 

你的專屬"快車道"

5G和4G類似，也利用了多輸入多輸出的方法把一整個龐大的資訊，拆分成許許多多小份，依次傳送或接收，讓每臺手機都能快速地與基站之間互動資訊。

 

不同的是5G有多達64個傳送通道，64個接收通道！路修得更寬了，"擁堵"問題自然能得到緩解。（這被稱為Massive MIMO技術）

 

然而，5G的變化並不止於此。

 

4G基站的電磁波是接近均勻向外發射的。而5G基站會瞄著接入的手機發射訊號。

 

當基站"發現"手機後，會形成一束範圍很窄的電磁波向著這臺手機的方向發射出去，並隨著手機的移動時時刻刻跟蹤著手機。當有多臺手機同時接入時，它也會發射出多個波束指向每個手機，並跟蹤。

 

波束賦形

來源｜天線系統產業聯盟

 

相比於4G的大家共同沐浴在一個範圍較大的電磁波下，5G則為每一個手機提供了自己的"專有車道"。

 

這樣做有什麼好處呢？一個是讓電磁波能量的利用效率更高，只需要在有手機的方向發射一束電磁波，沒必要像四面八方無差別的發射電磁波。

 

第二，由於電磁波集中在很窄的一個區域，手機能接收到的訊號會更強，這些訊號大部分都是有用的，無用的干擾訊號會更少。我們知道要想讓網速變快除了常說的提高頻寬，增強有用的訊號也是一個可行的方法。

 

相控陣技術與最厲害的雷達

讀到這裡小夥伴們可能會問，5G是怎麼實現讓帶有資訊的電磁波束指著手機並一直跟蹤的呢？

 

這還要從雷達說起。

 

無論是在遊戲裡，還是影視作品中，大多數雷達總是需要不停旋轉的。這是因為，早期的雷達只能向某個特定的方向發射用於探測敵機位置的電磁波，為了監視整個天空，雷達基座必須帶著發射裝置一起轉動，以掃過整個天空。

 

旋轉的雷達

來源｜坎巴拉太空計劃

但如果你是一個軍迷，你一定會發現，現代的雷達大多是呈一個平板狀，並且通常不轉動，這種雷達叫相控陣雷達。

 

戰機上的相控陣雷達

來源｜軍事網

 

相控陣雷達

來源｜中新網

我們不妨做這樣一個小實驗。將兩石子同時投入水中，觀察水的波紋，你會發現，此時水波不是均勻地向四面八方擴散，而是有的方向波動強，有的方向波動弱，甚至幾乎沒有波動，這便是波的疊加原理。

 

下面我們還是向水中投入兩個石子，不過這回讓一個石子先入水，另一個石子後入水。你會發現，依然出現了波動強弱不同的現象，但是方向發生了改變，好像旋轉了一定的角度。

 

如果稍稍改變石子先後入水的時間差，你還會發現這個角度會發生變化。換句話說，我們能通過激起2個水波時間差的大小，控制水波強弱分佈的方向。

 

改變相差可以改變波束方向

 

人們把幾個波先後的差異稱為相位差，而相位差是可以改變這幾個波疊加在一起後形成的新的波動的強弱分佈與方向。這就是相控陣雷達的原理。

 

相控陣雷達上面有上百個電磁波發射器，它們都能各自獨立地產生電磁波。通過改變數百束電磁波之間的相位差，就能改變他們疊加產生的新的電磁波的方向與強弱分佈，這樣不需要雷達基座轉動就能讓電磁波掃過大部分天空。

 

而相控陣雷達在發現敵機後，還能通過改變每個電磁波的相位，讓最終形成的波束死死地跟隨著敵機，讓它無處遁形。

 

讀到這裡小夥伴們有沒有想到什麼？沒錯，5G基站與相控陣雷達用了同樣的原理，而你的手機則扮演了"敵機"的角色。

 

不想做相控陣雷達的基站不是好5G

來源｜搜狐

在5G基站上，也有著上百個發射電磁波的單元，通過調節電磁波的相位，5G基站可以在空間中形成許許多多波動強的區域，還能改變它們的方向，並隨時跟蹤你的手機，讓強度高、干擾小的電磁訊號時刻指向你的手機。

 

你知道嗎！除了5G相控陣技術也應用在醫學超聲影像上，也就是我們俗稱的B超。

 

除了"Massive MIMO"與相控陣技術，在5G的實際應用中還涉及到更多更細微的技術問題，感興趣的小夥伴可以自己瞭解下哦！

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