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從網速1G到5G,手機究竟是如何連上網的?

你現在正在看的這條視頻,將用掉你45MB流量,網速至少要150KB/s,才能流暢播放。

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這些視頻資料將從伺服器送往離你最近的基站,也就是這個你經常在路上看到的鐵塔。

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它會調製這些資料,再通過天線發送電磁波信號。你手機的天線會收到這些資料,解調收到的信號,由基帶處理器轉為二進位資料存入記憶體。

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CPU會將這些資料幀解碼,這條視頻就可以在你的手機上播放了。而你的手機使用的通信標準,就直接影響你的上網體驗。

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1979年日本NTT部署了第一個1G通信標準的網路,1G網路把人說話的聲波疊加在無線電載波上,這種信號也被稱為類比信號,只能用來打電話。那個時代的手機就是大哥大。

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90年代開始,通信技術進入2G時代,類比信號被0和1組成的數位信號取代,手機也可以上網了。

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很長一段時間,手機的網速只有每秒40kb左右,用手機偷菜的時候只有文字。

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這是因為2G網路的頻寬太小。這張圖中,我們用不同的顏色,標注出不同無線通訊技術使用的頻段。

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無線通訊必須在規定好的頻段內進行,每個頻段佔用一段連續的電磁波譜,然後被分為多個通道。

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而頻寬指的是通道所允許的最高頻率,和最低頻率的差。就像管道越寬,水流量越大一樣。根據香農-哈特利定律,頻寬越大,網速越快。

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GSM的頻寬只有200kHz,而3G通信標準WCDMA則達到了5MHz,相差25倍。這樣,你的網速從2G時代的40kb/s進化到了以Mb為單位。

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而4G時代,頻寬被提升到20MHz。配合更加高效的調製方案提升頻譜效率,4G可以提供100Mbps以上的網速。

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網路的進步和移動應用的發展是互相推動的智慧手機的出現,促成了3G網路2009年在中國的大規模商用,而4G網路則帶動了近兩年來短視頻應用的增長。

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如今手機應用對網路的性能,又提出了更高的要求。比如實現3D結構光視頻通信、將你的三維形象傳輸到對方的螢幕上就需要近1Gbps的頻寬。而物聯網、自動駕駛等業務還對網路的容量和延遲有很高的要求。

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5G網路應運而生。首先,為了實現最高20Gbps的網速,5G必然要進一步提高頻寬到1GHz以上。

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但是6GHz以下沒有足夠的空餘來安放頻寬如此龐大的頻段,因此5G網路使用了波長在1到10mm的高頻電磁波,也稱毫米波。

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那麼問題來了,毫米波雖然可以帶來更快的網速,但是短波的衍射能力很差,長距離的信號衰減也很嚴重。

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這時候,我們就需要將電磁波的能量更加集中地利用起來,直接發往接收方的方向。就像將一個普通的燈泡換成手電筒一樣。

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為此5G引入了相控陣天線來配合毫米波,與傳統的一根天線發射另一根天線接受不同,相控陣天線上有多根天線,因此可以通過干涉增強特定方向的信號。

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干涉指的是兩列以上的波在空間上產生疊加形成新波的現象。
電磁波也是一種波,天線陣列的每一根天線都可以調節自己發射的電磁波的相位,在空間中形成干涉,實現波束成型。

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這樣不但提高了能量效率,還可以降低不同用戶之間通信的相互干擾允許單一基站接入海量的設備,提升基站容量,使得物聯網真正成為可能。

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比起頻寬和容量,延遲可能是5G真正讓人震撼的地方。
單天線系統發射的電磁波會因為建築物反射等原因,引起干涉進而導致信號衰落,這就需要交織編碼來改善衰落導致的信號差錯。這一過程會產生至少33ms的延遲。

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5G的相控陣天線由於有多個天線組成陣列,可以大大減少由於隨機的干涉產生的衰落,因而簡化交織編碼過程,將延遲降低到1ms。

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5G雖然帶來了巨大的性能提升,但射頻晶片、天線和相關演算法的升級也大幅提升了研發難度,帶來諸如手機自干擾、毫米波球面覆蓋等技術問題。

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隨著5G的鋪開,手機也將出現更多顛覆性應用,雲遊戲讓大量資料在雲端被計算再傳輸回手機,用手機就能流暢體驗3A大作。

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3D全息影像等各類技術也終於有機會真正落地,3D虛擬社交等會為用戶帶來身臨其境的感受。

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5G手機將成為萬物互聯的中樞,也許在不久以後,你也可以拿著下一代的5G手機,像Sheldon一樣,宅在臥室裡掌控全家的智慧設備,身臨其境般和朋友互動。

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