5G 很屌嗎？

5G 這么火

它到底是什么？

為什么那么屌？

看完就全知道了

引入

從 2020 年初開始，5G 好像一下子變得和新冠一樣出名了

今年是 5G 商用的元年

從國家戰(zhàn)略到百姓茶余飯后，5G 被廣泛談及，而且被賦予能改變世界的極大希望

國家層面，5G 工業(yè)互聯(lián)， 5G 新基建，5G 車聯(lián)網(wǎng)，5G 一切 （有點地攤 大餅加一切 的意思）

百姓層面，5G 手機來了，用 5G 能秒傳電影、5G 玩游戲超順暢

例如，一部 2G、3G 大小的電影，用 5G 網(wǎng)絡 秒秒鐘 就能下載下來

5G 如此神奇的說，那到底 5G 是個什么東東呢？

能講明白的人應該是極少數(shù)的

本文用拆解 圖解的方式，用最簡單、易懂的語言把屌爆 的 5G 呈現(xiàn)出來

看完本文，你就全明白了 什么是 5G ? 為什么這么屌？

淵源

曾經(jīng)的曾經(jīng)，人們之間傳遞信息基本靠吼、靠飛鴿、靠狼煙烽火、靠書信

到后來，一個叫麥克斯韋的外國老頭，發(fā)現(xiàn)空氣中有一種看不見摸不著的東西

這種東西跑的比飛鴿快多了，能和光一樣快

和光一樣快有多快呢？

就這么說吧，人家繞著地球跑一圈只需要 0.13 秒

是不是驚掉下巴了？

你沒有看錯，就是大寫的 0.13 秒

也就是說，這個玄幻的東西，1 秒鐘可以繞著地球跑 7 圈還多

你肯定會說了：別鬧，這不是說胡話嗎，看不見？摸不著？還跑的快的沒影？

后來人家老頭又說了，這玩意不但跑的飛快，還能帶著信息跑

大家不信歸不信，但是也有少數(shù)老頭的信徒信了，拿來試了試

這一試，可了不得了，離得老遠的距離，這頭打一個字，那頭馬上能清楚的看到了

看來人家老頭還真不是半夜說夢話，真是有這么個東西存在

后來老頭管這玩意叫 電磁波

傍上跑這么快的大佬，通信的發(fā)展就開始起飛了

一開始通過電磁波發(fā)電報，到后來就是人們比較熟悉的 2G ，再后來出了 3G， 又后來出了 4G

有些人問娃紫，你搞 5G，這個 G 是什么意思呢？為什么不叫 2A, 3B, 4C, 5D 呢？

其實很簡單，這個 G 是英文 generation 的第一個字母，表示一代的意思

2G 就是第二代，3G 就是第三代，這么說多明白，非得搞個外文拽一下，搞的很高深的樣子

好像不把人拽迷糊了，就稱不上高科技似的

為什么沒有 1G 呢？

其實是有的，只不過離我們比較久遠而已，聽說過 大哥大 嗎？

這哥們真有大哥的范，即能遠距離通話，還能當搬磚防身，別在腰上還能顯擺一下，果真多功能機

80、90 年代，一個這家伙得大幾千塊，甚至上萬塊

有沒有這玩意，成了暴發(fā)戶爆沒爆起來的標志

因此，大哥大 也就成了 1G 的代名詞

后來 2000 年左右的 2 代，2008年左右出了 3 代，2014年出了 4 代，就這樣一代一代的演進到現(xiàn)在的 5 代

從上面這張圖看出：

1G 能打電話，2G 增加了發(fā)短信功能，3G 可以多媒體了， 4G 能看電影了，5G 那就大餅 一切了，也是本文講詳談的內容

在 2G 和 3G 之間還有一個不為絕大多數(shù)人所知的 2.5G，用來傳輸少量的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，但還支持不了多媒體數(shù)據(jù)

不是必考內容，屬于了解型的

后續(xù)將另起文《圖解：5G 從哪里來？》詳細談論每一代的發(fā)展過程

規(guī)則

社會很復雜，但凡是人與人交往，都是有規(guī)矩的，不守規(guī)則可是行不通的

通信就是用來滿足人與人之間交往的工具，所以自然少不了規(guī)則

移動通信繁瑣復雜，為了用最簡化的人話把通信講清楚，將通信比較交通來講述

遵守規(guī)則的手機才能撩美女/ 帥哥，只要你知道號碼，不守規(guī)則是撩不了的

和交通一樣一樣的，車輛要么都貼右邊走，要么都貼左邊走，反正得遵循一樣的規(guī)則

不然，往哪開的車都有，肯定就撞亂套了，所以，和交通一樣，通信也是要制定通信規(guī)則的

全世界給移動通信制定規(guī)則的組織有好幾個，比較有名的有 3GPP, 3GPP2, ITU 等，最有名的就是這個 3GPP

每年來自全世界搞通信的公司都派代表聚集到一塊吵架，不，是討論

一個議題一個議題 的討論，最后多方舉手達成一致，確定好每一條細致的通信規(guī)則

然后把確定的規(guī)則寫成文章發(fā)往全世界

再然后，全世界的通信公司就按這個規(guī)則生產(chǎn)手機、基站、智能手表、路由器等等等設備了

之前的 2G, 3G, 4G 的規(guī)則都是這么來的，當然 5G 也是這么搞出來的

屌爆

前面做了這么多的鋪墊，終于到本文的正題了

5G 和前面的 4G 相比主要有這么幾個大方面的提升

• 傳輸?shù)乃俣瓤炝?，還記得秒傳高清電影不？

• 時間延遲低了，到底多低，毫秒級，下面詳談

• 能連接的手機數(shù)量多了，到底能連多少個？下面詳談

2017 年通信業(yè)內把 5G 性能的提升用一朵妖嬈的小花概括了一下，號稱 5G 之花，就長下面這樣的

婀娜不婀娜？

嬌羞不嬌羞？

妖嬈的花瓣和花朵，連葉子都如此妙

花朵里面的 黃色 表示 4G 能干的事，外環(huán) 粉紅色 部分是 5G 能支持的功能，整個大了一圈

具體概括起來，5G 主要從六個方面提升了性能:

• 用戶體驗，秒傳高清電影

• 連接密度，1 平方米可以放一個手機

• 時延，消息從發(fā)送到接收是毫秒級的（須知1 秒 = 1000 毫秒）

• 移動性，在 500 ?公里每小時的火車上，高清晰電影照看不卡（現(xiàn)在最快的高鐵時速為 350 公里每小時，打電話仍還會卡頓）

• 峰值速率20Gbps，概念就是如果是峰值速率，1 秒鐘能下載 10 部高清電影

• 流量密度，30T 每平方公里，概念就是支持 1 平方公里內 1 秒鐘能傳 600 萬張圖片，或者 600 萬首歌曲，或者秒傳 20000 部 《紅樓夢》長度的小說

夠爽不夠爽，還有誰？

5G之花 就是描述上面六個方面的意思

怎么樣？

是不是對 5G 能干啥有了大概的了解了

5G 牛逼的不行不行的，不禁會問，為什么 5G 這么屌？

馬上來硬菜，詳談為什么 5G 這么屌

大帶寬

在 4G 時代，手機的通信帶寬是 20M, 也就是說現(xiàn)在的絕大多數(shù)手機就是在 20M 的寬帶上刷劇、打的游戲

什么是 20M 帶寬？

還記得前面說的麥克斯韋那老頭發(fā)現(xiàn)的電磁波嗎？

在交通中，道路的寬度是用 米 來衡量的， 路寬 3 米，路寬 5 米

人們對電磁波的衡量是按帶寬來衡量的，因此 20M 就是個電磁波里的量而已，和 路寬3 米一樣的概念

到了 5G ，手機最大可以在 100M 帶寬上傳電影、刷電視劇

5G 和 4G 相比整整提升了 5 倍

就像原來 3 米寬的單行道，現(xiàn)在一條單行道修到了 15 米寬

原來只能 1 輛車行走，現(xiàn)在同時可以跑 5 輛車，就是這么意思

所以， 5G 比 4G 在帶寬上就寬了 5 倍，能同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量當然至少也就翻了 5 倍

高密度

這個密度指的是基站的密度，也就是 1 平方公里范圍內基站的數(shù)量

基站這個概念對于非通信專業(yè)的人來說，應該不太了解

先科普一下基站這個概念，基站就是長這么個樣子的

世界從不缺乏美，只是缺乏被發(fā)現(xiàn)，它其實就是我們每個人身邊

上面板磚樣子的就是信號轉發(fā)裝備，所有手機通話、電影、游戲等業(yè)務都要經(jīng)過這個東西才能被你收到

當然，你的手機發(fā)送的微信、撥打的電話也都 要先統(tǒng)統(tǒng)經(jīng)過這個東西才能到達目的地的

例如，小 A 想給在另一個城市的女朋友打電話，過程是這樣的

首先，小 A 撥打女朋友手機號

前面講的電磁波就從手機上飛出去了，它總不能到處亂飛吧

它的下一站就是基站上的板磚

經(jīng)過這個板磚的處理，再通過光纖將數(shù)據(jù)往后傳

傳到核心網(wǎng)后把小 A 想給女朋友說的話，進行系列檢驗

確定：嗯，是人話

然后將數(shù)據(jù)繼續(xù)往下一站轉，直到傳到小 A 女朋友所在城市的核心網(wǎng)，再傳到女朋友所在位置的基站

經(jīng)過這個基站再下發(fā)到小 A 的女朋友的手機，成功接收到后，把小 A 說的話解析出來

整個流程如下圖

一個基站下面能接入的手機個數(shù)是受限的,當數(shù)量達到上限以后

要么新的想接入的接不進去了，要么大家的速度都下降，勻一部分資源給新來的

兩種情況都嚴重影響到用戶的體驗了

所以，在 5G 里增加了基站數(shù)量，提高了基站的密度，提高了多少呢？

5G 的基站密度是 4G 基站的 3-5 倍

仍然按圖說話吧

仍然和 4G 對比，同樣大小的區(qū)域范圍內，5G 基站的數(shù)量是 4G 時候的 3 倍多

以前 4G 時，一個區(qū)域內所有手機往一個基站上發(fā)信號

到了 5G 把這個區(qū)域又細分成了若干份，每一份中部署一個基站，在每一小份中的手機可以把信號發(fā)到小區(qū)域的基站上

這樣一來，自然是基站密度越大能接入的手機數(shù)量越多

另外，從專業(yè)的角度，5G 基站多了，手機離基站的位置比 4G 就更近了，距離近了信號自然就更好了

所以，從信號強度的角度 5G 也遠強于 4G 的

從基站密度和信號強度來綜合比較， 5G 比 4G 強至少 5 倍以上

多天線

多天線技術在 4G 時就引入了，只是當時基站一側天線數(shù)量普遍還比較少

一般基站側為 8 根，手機端天線數(shù)只有 1-2 根

看官是不是轉著手機找天線呢？

不用找了，隨著天線技術的演進，天線都集成到了手機內部了

不像以前的手機，天線是露在外面的

上圖對比一下

最左邊大哥大的天線是露在外面的，而且很長

到了 2G、3G 時代，天線變小了一點，但是仍然得露在外面
，看中間曾經(jīng)的諾基亞神機

到了 4G、5G 時代，手機的天線基本就是最右邊圖中綠色貼片的樣子了，在外面是看不到的

天線是干啥的呢？

幾乎所有數(shù)據(jù)的發(fā)送都是要通過天線發(fā)射出去的

連孩兒的遙控汽車都不例外的，如果沒有天線，遙控的距離就大大的縮水了

為了方便表述，我們假設每根天線能傳輸 1 路數(shù)據(jù)

如果手機里面集成了 1 片天線，就只能收、發(fā) 1 路數(shù)據(jù)

如果手機里面貼了 2 片天線，就能同時收、發(fā) 2 路數(shù)據(jù)了

現(xiàn)在，在 5G 最新的手機里面貼了 4 片天線，因此，最多可以同時發(fā) 4 路數(shù)據(jù)

如此算來，那 5G 比 2G、3G 時代手機就又快了 2-4 倍

再來看一下基站一側的天線情況

還是直接上圖說話吧

圖中戴的紅帽子就是天線，2G 基站天線只有 2 根，最多也就是能傳 2 路數(shù)據(jù)，所以 2G 只能打電話、發(fā)短信

而且，在 2G 時代，一到晚上打電話的人多了，就不容易撥通電話，因為資源有限，搶的人多，僧多粥少

到了 3G 升級到了 4 根天線了，支持多媒體了

再往后發(fā)展到了 4G 升級到 8 根天線，現(xiàn)在的電影和電視劇就是通過這 8 根天線發(fā)到你手機上的

到了 5G 時代，基站天線的畫風大變，天線數(shù)量升級到了 192 根，甚至 256 根

看圖中最右邊圖，基站上除了天線就是天線了，密集恐懼癥的可能要糾結了

和 4G 相比，5G 基站的天線數(shù)整整擴展了 24 倍，甚至 32 倍

這就是上面提到的為什么 5G 能在 1 平方公范圍內傳輸 30Tbps 數(shù)據(jù)的原因

僅從天線數(shù)量和能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)路數(shù)來看，一個 5G 基站支持的手機數(shù)量就是 4G 時候的 20、30倍

5G 技術仍然如此犀利，提升仍然如此明顯

波束賦形

什么叫波束賦形？

簡單的說，就是將信號對準目標方向發(fā)射

在 2G, 3G 中信號都是向四面八方發(fā)射的，不管接收信號的對象在哪

4G 里大部分信號也是這樣毫無目標的發(fā)射的

這就會導致一個問題，信號能量有限，跑不遠

同樣的一鍋粥，分成 8 份和分成 1 份相比，哪種情況分得粥多？

顯然，是分成一份的時候分得的多，分 8 份只能得 八分之一， 分 80 份就只能得到 八十分之一了

波束賦形和向四面八方發(fā)射信號就像分粥一樣

波束賦形中，發(fā)射信號的能量都集中在一個方向

四面八方發(fā)射中，信號的能量被分成了無數(shù)份，每一份的能量就極大的衰弱了

主席曾說過：傷其十指，不如斷其一指

只在目標方向上發(fā)力，不四面出擊，波束賦形就是這個意思

直接上圖對比說明吧

上面這張圖表示的就是全方向發(fā)射信號的情況

在中心位置綠色的地方有一個基站，向四周發(fā)射信號

你作為上帝之眼在上面往下看就是這么個樣子，信號的能量（紅色表示）在四面八方都會有，近似均等的分配

在一個方向上信號能量有多少，可想而知了

總發(fā)射能量的 N 等份之一

再來看這張圖

上面這張圖是波束賦形方式發(fā)射信號，這是同時服務于多個手機的情況

假設只有一個手機，那么基站就把所有的能量往這一個手機的方向打

這個方向所獲得的能量就是全部的發(fā)射能量

和上一張圖中四面八方的發(fā)射相比，能量得到了極大的集中

能量集中了肯定傳的距離就遠

對于對象手機而言，信號肯定就會好很多很多

因此，波束賦形技術被 5G 全面采用了，5G 里面所有的信號都是波束賦形的方式發(fā)射和接收的了

性能顯然得到了大大的提升

服務下沉

這個技術在行業(yè)里叫作 邊緣計算， 英文叫 MEC, 聽起來是不是很屌

這是個怎么回事呢？

容我慢慢道來

以前的數(shù)據(jù)傳輸是這樣的畫風，直接上圖

你想要看片，得經(jīng)過這樣的步驟：

1. 手機發(fā)送要看電影的請示“我要看《金剛川》”

2. 你的請示從手機發(fā)出去以后，下一站是基站

3. 基站經(jīng)過層層網(wǎng)關再把你的請示發(fā)送到核心網(wǎng)

4. 核心網(wǎng)再把你的請示經(jīng)過網(wǎng)關、防火墻發(fā)到因特網(wǎng)上

5. 因特網(wǎng)根據(jù)你的請示把內容找出來，再按原路返回來

須說明的一點是，回來的路和去的路基本是一樣的，也得經(jīng)過這么多關口、走這么長的路，才能到達你手機上

你肯定會想了，走這么長的路，過這么多關卡，傳輸速度肯定會下降很多

恭喜你，答對了

你又說了，走這么長的路，時間消耗肯定也很長

恭喜你，又答對了

那怎么辦呢？

把距離縮短一些，就能完美解決以上問題

恭喜你，非常對

邊緣計算就是這么干的

你看，所謂的高科技，其實往往思想都是很樸素簡單的，遠遠沒有你想象的那么復雜

有些人喜歡把問題搞復雜了，好顯示自己做的很有技術含量，怕別人搶了自己的飯碗，那純是唬人了

娃紫覺得沒必要，年輕人要講武德啊

直接上圖

這張圖中，看到最高的 本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡 這個圓圈了嗎？

再看一下最后面的那個 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡 圓圈

比較一下，以前所有的電影、電視劇、新聞、視頻都是放在最后那個圓圈里的

你想要啥內容，得經(jīng)過前面一系列的關卡，才能拿到

現(xiàn)在把一部分內容移到前面那個 本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡 圈里去了

你的服務請示從手機（就是圖中的那個 UE）來了以后，過了基站就直接到達存放內容的地方了

不會再通過后面的那一大坨關卡了，即省時又省力

邊緣計算就是這么干的，把服務下沉到離用戶更近的位置， 把用戶需要的信息提前下載到本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中

當用戶需要時，伸手一拿

“啪”一下就能拿到，很快?。?/strong>

這個東東，雖然思想很簡單，但是真是太牛叉了

記得前面說的那朵妖嬈的小花嗎？

現(xiàn)在時延的減少主要靠這個東東了，它可以極大的減少數(shù)據(jù)傳輸時延

設想在高鐵上你想看個電影，如果你的請示經(jīng)過列車傳到外面，再經(jīng)過基站，路由，核心網(wǎng)，網(wǎng)關，防火墻等到因特網(wǎng)，然后數(shù)據(jù)再經(jīng)過同樣的路返回來

這一來一去耗費多少時間，再說車跑那么快，你收到收不到還是個問題

搞了這個邊緣計算，可以在列車?？吭谥虚g站點時，就把數(shù)據(jù)都下載到列車的本地存儲里了

你可能會疑惑，每個站停個幾分鐘，能傳完嗎？

別忘了，5G 傳東西是以 毫秒 來計算的，所以下載些視頻、新聞、小說類的完全沒有問題

就這樣，MEC 把 5G 的時延問題又給解決的非常漂亮

編碼升級

用快遞運送易碎物品時，要在箱子里加很多細軟的東東，泡沫板、氣泡膜等，防止道路顛簸，導致物品損壞

畫風是這個樣子的

一個箱子里不可能雞蛋挨雞蛋的放，全是雞蛋

要用很大的空間來用泡沫板隔開，可以增加抗震性

這樣做可以防止雞蛋運輸過程中被震碎，但是泡沫板會占去箱子很大的空間

在通信中也是一樣的，你刷的劇是放在數(shù)據(jù)包中發(fā)送的

信道和大道是一樣的，有的地方是平坦的，有的地方會很顛簸

為了防止數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)在信道顛簸的地方被震壞，要在數(shù)據(jù)包中加入些像泡沫板似的東西

當然，這些東西也會占去數(shù)據(jù)包內很大的空間，就會導致運送有用數(shù)據(jù)的空間被壓縮了

到了 5G 通信中，會根據(jù)信道的好壞添加不同數(shù)量的防震板

如果全是高速公路，運雞蛋的盒子里基本不用放板子，也沒多大問題

如果是在坑坑洼洼的路上走，即使放很多泡沫板仍然會有雞蛋被震碎，所以要多放些細軟

5G 中先對道路進行評估，如果是較差的信道，就在一個盒子里多加入些防震板子，少放點有用數(shù)據(jù)

如果通信信道非常好，像鐵路似的，基本沒有顛簸，那就放很少量的防震板，多放些數(shù)據(jù)就 OK 了

因此，5G 在 4G 的基礎上進一步挖掘了數(shù)據(jù)包的可用空間，用來傳送有用的數(shù)據(jù)

4G 一個箱子中最多放 6 個雞蛋，到了 5G 每個箱子中最多可以放 8 個了，提升了 三分之一， 33 %

再加上防震細軟的減少，提升可是非?？捎^的

設計升級

對 5G 拆解到這，基本上也拆的差不多了，再有就是比較抽象的了

你會說 5G 也太簡單了吧，就這么點東西

這是娃紫絞盡腦汁，把問題都簡單化，用個例子類比一下，還有些具體的細節(jié)提升，非常抽象的

不太好講清楚的細節(jié)就不講了，容易繞迷糊了

獨孤九劍學個 7 成基本上就能算高手了

5G 了解到這些，能說明白，你就已經(jīng)不簡單了

再說一說這個比較抽象的 設計升級

在通信中要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不僅僅是你關心的影片，還要有控制數(shù)據(jù)

什么叫控制數(shù)據(jù)呢？

比如上節(jié)中，你發(fā)上去的“我要看金剛川”的請示就是控制信號

這類信號也是要占帶寬資源的，但是它沒有給你提供需要的東西

打個比方，公交車是用來運送乘客的，但是并不是車內所有的座位都是給乘客用的

還有司機、乘務人員、安保人員

這些人也是要占一些座位的，但是這些人不能算是乘客

5G 里面的控制信號就像是公交車里的乘務人員

乘務人員越多，能載的乘客就越少

而希望的是乘務人員越少越好，那樣，能載的乘客就會越多

5G 的設計也是按這個樸素的思想來的，看看，也挺簡單的

基于這個原理，上面開 3GPP 會議的人就開始盤算了，怎么能將控制信號縮減到最少，這樣在帶寬一定的情況下，能傳輸?shù)挠杏玫臄?shù)據(jù)就會多了

在經(jīng)過不斷的爭吵后，將 2G, 3G, 4G 中一些控制性的信號就和平的砍掉了

重新設計數(shù)據(jù)的調度方法和資源結構，最大限度的減少控制的數(shù)量，使傳輸有用數(shù)據(jù)的資源就相對變多了

以參考信號為例表述，一些參考信號進行了重新設計和升級

直接上圖

上圖中是 4G 參考信號的樣子，里面花花綠綠的都是控制信號

白色的小框才是用來發(fā)有用數(shù)據(jù)的

數(shù)一數(shù)，算一算，控制信號差不多占去了將近一半的資源了

如果一輛公交車上有一半的工作人員，就有人該發(fā)瘋了

設計升級以后，5G 參考信號的畫風是這樣的

控制信號只有中間黑色的幾個了，和上面一張圖比，少了很多吧

剩下的資源都可以用來發(fā)送有用數(shù)據(jù)了

把問題搞復雜往往不是難事，難的是把復雜的事搞簡單，真的是太難了

但 5G 在設計上，大家費了老大勁，總算做到了

你就知道，一些占資源的控制信號被砍掉了，剩下更多的資源留給了有用數(shù)據(jù)傳輸了

從而，極大的增加了有用數(shù)據(jù)的傳輸資源。

寫在結尾

5G 性能屌到爆基本上就是從這些地方作的改進

總結起來主要這么幾點：

• 道路弄的寬了，帶寬變大了

• 基站的密度變大了，間距變小了，信號變好了

• 天線數(shù)量變多了，同時能傳的路數(shù)變多了

• 將波束對準目標，傳得遠且信號好

• 服務下沉到離你最近，節(jié)省傳輸?shù)臅r間

• 編碼升級，道路狀況好的時候，箱子里放的泡沫板少了

• 設計升級，把公交車上的乘務人員數(shù)量減少，容納的乘客就多了

按上面分條拆解的算一下，5G 比 4G 屌多少倍？

幾倍幾倍的乘起來，沒有 1000 倍，也得有大幾百倍了吧

4G 看電影，刷個劇，搞個在線游戲都還算可以，用上 5G 后，什么體驗？自己想吧

說 5G 屌爆了，一點都不過分吧？

5G 發(fā)展的這么牛叉，那它是從哪來的呢？又要到哪里去呢？

后續(xù)將分 2 期分別詳談這兩個問題，用最簡單、樸素的語言把 5G 的來龍去脈搞清楚。

-END-

我是張巧龍，一名教電子的大學老師，歡迎關注！