【5G科普】只要9张图,看懂什么是5G
从一条基础物理公式说起
谈5G之前,我们先从一个基础的电磁波原理说起,也就是:光速=波长 X 频率。当光速固定在每秒30万公里时,波长愈长,每秒震动的次数也就愈少。换言之,电磁波的波长与频率是互为反比的。
当今的无线通信(Wireless Communication),即是利用电磁波来进行各种信息交换。不同频率的电磁波,又决定了不同的特性及应用,我们可从下面的“通讯电磁波频谱”来略知一二。
就物理特性而言,频率愈高,波长愈短,穿透能力也就愈强,这就像是医院里X射线的频率极高,波长仅0.01~10纳米,可用来穿透身体的部分组织一样。然而,高频信号的指向性也较强,它们遇到障碍物会想直接穿过去,而不是绕过去(也就是绕射能力差),因此其穿透障碍物所带来的能量消耗,也会使传输距离变短。
以目前主流的4G LTE (Long Term Evolution)来看,常用的频段多集中于450MHz~3,800MHz区间。然而,由于此区间已非常壅挤,因此我们渐渐把脑筋动到介于30GHz~300GHz的毫米波频段,那里能使用的频段资源相对丰富 (一般来说,高频段「比较可能」会拥有高带宽,进而带动传输速度的提升)。
好了,谈谈5G吧!
所谓5G 通讯,是指第 5 代移动通讯网络(5th Generation Mobile Networks),它是在4G 通讯技术成熟后,我们对下一代通讯网络的统称,不外乎就是追求更快的速度以及更低的延迟。
虽然国际上对5G的标准尚未完全确定,不过大致可涵盖两种主流频段,一为sub 6GHz(也就是6GHz以下),这与我们目前采用的4G LTE频段差异不大;另一种则是在24GHz以上,也就是最近很常听到的「毫米波」频段。
也就是说,其实5G 网络结合了既有的4G LTE 频段,是一种异质性网络(HetNet)。其透过主打速度的毫米波(mmWave)宽带技术,及主打低功耗、覆盖能力广的sub 6GHz窄频技术,在不同的环境下提供最适的无线网络,以同时满足短距离及长距离的通讯要求。
例如,当场域要求高带宽(eMBB)、低延迟(URLLC)等特性时,就适合运用高频的毫米波频段,例如自驾车、远距手术等应用场景;当场域要求低功耗、大范围覆盖以及稳定连接等特性(MMTC)时,则较适合sub 6GHz低频频段,例如智慧城市的相关应用。
5G热门词汇之一:微基站
当通讯技术往更高的频段部署时,电磁波的绕射能力就变得更弱,传输距离及覆盖范围也会相对缩小。因此,不同于频段较低的4G采用一个大型基地台 (Macro Cell)即可覆盖2~40公里,5G时代必须采用多个微型基地台 (Small Cell)才能覆盖到同样的区域。
5G热门词汇之二:Massive MIMO
MIMO指的是多进多出(Multiple-Input Multiple-Output),即透过多根天线发送,多根天线接收,让数据传输的速度变得更快。又根据电磁波原理,波长越短,天线就可做的愈小的情况下,到了5G时代,随着天线渐成为毫米级尺寸,我们就可以将更多的天线塞入手机终端及微型基地台里,让既有的MIMO强化为Massive MIMO,使速度更上一层楼。
5G热门词汇之三:波束成型
电磁波的传输,就像是发光的灯泡,是向四周发射的方式来传递讯号。然而,通常我们只需将讯号朝某个方向传递即可,大多数的电磁波能量都是浪费的。那么,我们有没有可能将这些四散的电磁波束缚起来呢?答案是有的,它叫做波束成型(Beamforming)。
波束成型(Beamforming),是一种透过天线数组定向发送和接收讯号的技术,其透过在特定方向上发射或接收讯号的迭加,将既有的全向覆盖,转换为精准的指向性传输,不仅延长了传送距离,也大幅减少讯号的干扰。
5G热度高,但商业化还尚未明朗
OK,以上就是5G的一些重要概念,包含像是毫米波、微基站、Massive MIMO、波束成型等等。随着这些技术演进,一些卡关已久的应用如VR直播、车联网、无人机、远程医疗、智慧城市等场景,将有机会突破阀值,破茧而出。
然而,虽然5G目前在市场上喊的火热,但实际落地似乎还没那么快。除了各国的频谱分配尚悬而未决外,电信运营商也得冒着不确定的风险,来投入更多基地台的建置成本,以加速普及速度。整体而言,当前5G的商业化还尚未明朗,相关的产业投资仍需保守看待。
作者:蕭佑和
出处:大和有話說
文章出处:https://dahetalk.com/%E5%85%A8%E7%AB%99%E7%B8%BD%E8%A6%BD/
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