图解:什么是5G?

栏目:头条 时间:2020-12-14 20:57:53热度:1000 ℃

5G 这么火

它到底是什么?

为什么那么屌?

看完就全知道了

引子

从 2020 年初开始,5G 好像一下子变得和新冠一样出名了

今年是 5G 商用的元年

从国家战略到百姓茶余饭后,5G 被广泛谈及,而且被赋予能改变世界的极大希望

国家层面,5G + 工业互联, 5G + 新基建,5G + 车联网,5G + 一切 (有点地摊大饼加一切的意思)

百姓层面,5G 手机来了,用 5G 能秒传电影、5G 玩游戏超顺畅

例如,一部 2G、3G 大小的电影,用 5G 网络秒秒钟就能下载下来

5G 如此神奇的说,那到底 5G 是个什么东东呢?

能讲明白的人应该是极少数的

本文用拆解 + 图解的方式,用最简单、易懂的语言把屌爆 的 5G 呈现出来

看完本文,你就全明白了 什么是 5G ? 为什么这么屌?

渊源

曾经的曾经,人们之间传递信息基本靠吼、靠飞鸽、靠狼烟烽火、靠书信

到后来,一个叫麦克斯韦的外国老头,发现空气中有一种看不见摸不着的东西

这种东西跑的比飞鸽快多了,能和光一样快

和光一样快有多快呢?

就这么说吧,人家绕着地球跑一圈只需要 0.13 秒

是不是惊掉下巴了?

你没有看错,就是大写的0.13 秒

也就是说,这个玄幻的东西,1 秒钟可以绕着地球跑 7 圈还多

你肯定会说了:别闹,这不是说胡话吗,看不见?摸不着?还跑的快的没影?

后来人家老头又说了,这玩意不但跑的飞快,还能带着信息跑

大家不信归不信,但是也有少数老头的信徒信了,拿来试了试

这一试,可了不得了,离得老远的距离,这头打一个字,那头马上能清楚的看到了

看来人家老头还真不是半夜说梦话,真是有这么个东西存在

后来老头管这玩意叫电磁波

傍上跑这么快的大佬,通信的发展就开始起飞了

一开始通过电磁波发电报,到后来就是人们比较熟悉的 2G ,再后来出了 3G, 又后来出了 4G

有些人就要问了,你搞 5G,这个 G 是什么意思呢?为什么不叫 2A, 3B, 4C, 5D 呢?

其实很简单,这个 G 是英文 generation 的第一个字母,表示一代的意思

2G 就是第二代,3G 就是第三代,这么说多明白,非得搞个外文拽一下,搞的很高深的样子

好像不把人拽迷糊了,就称不上高科技似的

为什么没有 1G 呢?

其实是有的,只不过离我们比较久远而已,听说过大哥大吗?

这哥们真有大哥的范,即能远距离通话,还能当搬砖防身,别在腰上还能显摆一下,果真多功能机

80、90 年代,一个这家伙得大几千块,甚至上万块

有没有这玩意,成了暴发户爆没爆起来的标志

因此,大哥大 也就成了 1G 的代名词

后来 2000 年左右的 2 代,2008年左右出了 3 代,2014年出了 4 代,就这样一代一代的演进到现在的 5 代

从上面这张图看出:

1G 能打电话,2G 增加了发短信功能,3G 可以多媒体了, 4G 能看电影了,5G 那就大饼 + 一切了,也是本文讲详谈的内容

在 2G 和 3G 之间还有一个不为绝大多数人所知的 2.5G,用来传输少量的网络数据,但还支持不了多媒体数据

规则

社会很复杂,但凡是人与人交往,都是有规矩的,不守规则可是行不通的

通信就是用来满足人与人之间交往的工具,所以自然少不了规则

移动通信繁琐复杂,为了用最简化的人话把通信讲清楚,将通信比较交通来讲述

遵守规则的手机才能撩美女/ 帅哥,只要你知道号码,不守规则是撩不了的

和交通一样一样的,车辆要么都贴右边走,要么都贴左边走,反正得遵循一样的规则

不然,往哪开的车都有,肯定就撞乱套了,所以,和交通一样,通信也是要制定通信规则的

全世界给移动通信制定规则的组织有好几个,比较有名的有 3GPP, 3GPP2, ITU 等,最有名的就是这个 3GPP

每年来自全世界搞通信的公司都派代表聚集到一块吵架,不,是讨论

一个议题一个议题 的讨论,最后多方举手达成一致,确定好每一条细致的通信规则

然后把确定的规则写成文章发往全世界

再然后,全世界的通信公司就按这个规则生产手机、基站、智能手表、路由器等等等设备了

之前的 2G, 3G, 4G 的规则都是这么来的,当然 5G 也是这么搞出来的

屌爆

前面做了这么多的铺垫,终于到本文的正题了

5G 和前面的 4G 相比主要有这么几个大方面的提升

传输的速度快了,还记得秒传高清电影不?

时间延迟低了,到底多低,毫秒级,下面详谈

能连接的手机数量多了,到底能连多少个?下面详谈

2017 年通信业内把 5G 性能的提升用一朵妖娆的小花概括了一下,号称5G 之花,就长下面这样的

婀娜不婀娜?

娇羞不娇羞?

妖娆的花瓣和花朵,连叶子都如此妙

花朵里面的黄色表示 4G 能干的事,外环粉红色部分是 5G 能支持的功能,整个大了一圈

具体概括起来,5G 主要从六个方面提升了性能:

用户体验,秒传高清电影

连接密度,1 平方米可以放一个手机

时延,消息从发送到接收是毫秒级的(须知1 秒 = 1000 毫秒)

移动性,在 500 公里每小时的火车上,高清晰电影照看不卡(现在最快的高铁时速为 350 公里每小时,打电话仍还会卡顿)

峰值速率20Gbps,概念就是如果是峰值速率,1 秒钟能下载 10 部高清电影

流量密度,30T 每平方公里,概念就是支持 1 平方公里内 1 秒钟能传 600 万张图片,或者 600 万首歌曲,或者秒传 20000 部 《红楼梦》长度的小说

够爽不够爽,还有谁?

5G之花就是描述上面六个方面的意思

怎么样?

是不是对 5G 能干啥有了大概的了解了

5G 牛逼的不行不行的,不禁会问,为什么 5G 这么屌?

马上来硬菜,详谈为什么 5G 这么屌

大带宽

在 4G 时代,手机的通信带宽是 20M, 也就是说现在的绝大多数手机就是在 20M 的宽带上刷剧、打的游戏

什么是 20M 带宽?

还记得前面说的麦克斯韦那老头发现的电磁波吗?

在交通中,道路的宽度是用 米 来衡量的, 路宽 3 米,路宽 5 米

人们对电磁波的衡量是按带宽来衡量的,因此 20M 就是个电磁波里的量而已,和 路宽3 米一样的概念

到了 5G ,手机最大可以在 100M 带宽上传电影、刷电视剧

5G 和 4G 相比整整提升了 5 倍

就像原来 3 米宽的单行道,现在一条单行道修到了 15 米宽

原来只能 1 辆车行走,现在同时可以跑 5 辆车,就是这么意思

所以, 5G 比 4G 在带宽上就宽了 5 倍,能同时传输的数据量当然至少也就翻了 5 倍

高密度

这个密度指的是基站的密度,也就是 1 平方公里范围内基站的数量

基站这个概念对于非通信专业的人来说,应该不太了解

先科普一下基站这个概念,基站就是长这么个样子的

世界从不缺乏美,只是缺乏被发现,它其实就是我们每个人身边

上面板砖样子的就是信号转发装备,所有手机通话、电影、游戏等业务都要经过这个东西才能被你收到

当然,你的手机发送的微信、拨打的电话也都 要先统统经过这个东西才能到达目的地的

例如,小 A 想给在另一个城市的女朋友打电话,过程是这样的

首先,小 A 拨打女朋友手机号

前面讲的电磁波就从手机上飞出去了,它总不能到处乱飞吧

它的下一站就是基站上的板砖

经过这个板砖的处理,再通过光纤将数据往后传

传到核心网后把小 A 想给女朋友说的话,进行系列检验

确定:嗯,是人话

然后将数据继续往下一站转,直到传到小 A 女朋友所在城市的核心网,再传到女朋友所在位置的基站

经过这个基站再下发到小 A 的女朋友的手机,成功接收到后,把小 A 说的话解析出来

整个流程如下图

一个基站下面能接入的手机个数是受限的,当数量达到上限以后

要么新的想接入的接不进去了,要么大家的速度都下降,匀一部分资源给新来的

两种情况都严重影响到用户的体验了

所以,在 5G 里增加了基站数量,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

仍然按图说话吧

然和 4G 对比,同样大小的区域范围内,5G 基站的数量是 4G 时候的 3 倍多

以前 4G 时,一个区域内所有手机往一个基站上发信号

到了 5G 把这个区域又细分成了若干份,每一份中部署一个基站,在每一小份中的手机可以把信号发到小区域的基站上

这样一来,自然是基站密度越大能接入的手机数量越多

另外,从专业的角度,5G 基站多了,手机离基站的位置比 4G 就更近了,距离近了信号自然就更好了

所以,从信号强度的角度 5G 也远强于 4G 的

从基站密度和信号强度来综合比较, 5G 比 4G 强至少 5 倍以上

多天线

多天线技术在 4G 时就引入了,只是当时基站一侧天线数量普遍还比较少

一般基站侧为 8 根,手机端天线数只有 1-2 根

看官是不是转着手机找天线呢?

不用找了,随着天线技术的演进,天线都集成到了手机内部了

不像以前的手机,天线是露在外面的

上图对比一下

最左边大哥大的天线是露在外面的,而且很长

到了 2G、3G 时代,天线变小了一点,但是仍然得露在外面

,看中间曾经的诺基亚神机

到了 4G、5G 时代,手机的天线基本就是最右边图中绿色贴片的样子了,在外面是看不到的

天线是干啥的呢?

几乎所有数据的发送都是要通过天线发射出去的

连孩儿的遥控汽车都不例外的,如果没有天线,遥控的距离就大大的缩水了

为了方便表述,我们假设每根天线能传输 1 路数据

如果手机里面集成了 1 片天线,就只能收、发 1 路数据

如果手机里面贴了 2 片天线,就能同时收、发 2 路数据了

现在,在 5G 最新的手机里面贴了 4 片天线,因此,最多可以同时发 4 路数据

如此算来,那 5G 比 2G、3G 时代手机就又快了 2-4 倍

再来看一下基站一侧的天线情况

还是直接上图说话吧

图中戴的红帽子就是天线,2G 基站天线只有 2 根,最多也就是能传 2 路数据,所以 2G 只能打电话、发短信

而且,在 2G 时代,一到晚上打电话的人多了,就不容易拨通电话,因为资源有限,抢的人多,僧多粥少

到了 3G 升级到了 4 根天线了,支持多媒体了

再往后发展到了 4G 升级到 8 根天线,现在的电影和电视剧就是通过这 8 根天线发到你手机上的

到了 5G 时代,基站天线的画风大变,天线数量升级到了 192 根,甚至 256 根

看图中最右边图,基站上除了天线就是天线了,密集恐惧症的可能要纠结了

和 4G 相比,5G 基站的天线数整整扩展了 24 倍,甚至 32 倍

这就是上面提到的为什么 5G 能在 1 平方公范围内传输 30Tbps 数据的原因

仅从天线数量和能传输的数据路数来看,一个 5G 基站支持的手机数量就是 4G 时候的 20、30倍

5G 技术仍然如此犀利,提升仍然如此明显

波束赋形

什么叫波束赋形?

简单的说,就是将信号对准目标方向发射

在 2G, 3G 中信号都是向四面八方发射的,不管接收信号的对象在哪

4G 里大部分信号也是这样毫无目标的发射的

这就会导致一个问题,信号能量有限,跑不远

同样的一锅粥,分成 8 份和分成 1 份相比,哪种情况分得粥多?

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

波束赋形和向四面八方发射信号就像分粥一样

波束赋形中,发射信号的能量都集中在一个方向

四面八方发射中,信号的能量被分成了无数份,每一份的能量就极大的衰弱了

主席曾说过:伤其十指,不如断其一指

只在目标方向上发力,不四面出击,波束赋形就是这个意思

直接上图对比说明吧

上面这张图表示的就是全方向发射信号的情况

在中心位置绿色的地方有一个基站,向四周发射信号

你作为上帝之眼在上面往下看就是这么个样子,信号的能量(红色表示)在四面八方都会有,近似均等的分配

在一个方向上信号能量有多少,可想而知了

总发射能量的 N 等份之一

再来看这张图

上面这张图是波束赋形方式发射信号,这是同时服务于多个手机的情况

假设只有一个手机,那么基站就把所有的能量往这一个手机的方向打

这个方向所获得的能量就是全部的发射能量

和上一张图中四面八方的发射相比,能量得到了极大的集中

能量集中了肯定传的距离就远

对于对象手机而言,信号肯定就会好很多很多

因此,波束赋形技术被 5G 全面采用了,5G 里面所有的信号都是波束赋形的方式发射和接收的了

性能显然得到了大大的提升

服务下沉

这个技术在行业里叫做边缘计算, 英文叫MEC, 听起来是不是很屌

这是个怎么回事呢?

容我慢慢道来

以前的数据传输是这样的画风,直接上图

你想要看片,得经过这样的步骤:

手机发送要看电影的请示“我要看《金刚川》”

你的请示从手机发出去以后,下一站是基站

基站经过层层网关再把你的请示发送到核心网

核心网再把你的请示经过网关、防火墙发到因特网上

因特网根据你的请示把内容找出来,再按原路返回来

须说明的一点是,回来的路和去的路基本是一样的,也得经过这么多关口、走这么长的路,才能到达你手机上

你肯定会想了,走这么长的路,过这么多关卡,传输速度肯定会下降很多

恭喜你,答对了

你又说了,走这么长的路,时间消耗肯定也很长

恭喜你,又答对了

那怎么办呢?

把距离缩短一些,就能完美解决以上问题

恭喜你,非常对

边缘计算就是这么干的

你看,所谓的高科技,其实往往思想都是很朴素简单的,远远没有你想象的那么复杂

有些人喜欢把问题搞复杂了,好显示自己做的很有技术含量,怕别人抢了自己的饭碗,那纯是唬人了

没必要,年轻人要讲武德啊

直接上图

这张图中,看到最高的本地数据网络这个圆圈了吗?

再看一下最后面的那个数据网络圆圈

比较一下,以前所有的电影、电视剧、新闻、视频都是放在最后那个圆圈里的

你想要啥内容,得经过前面一系列的关卡,才能拿到

现在把一部分内容移到前面那个本地数据网络圈里去了

你的服务请示从手机(就是图中的那个 UE)来了以后,过了基站就直接到达存放内容的地方了

不会再通过后面的那一大坨关卡了,即省时又省力

边缘计算就是这么干的,把服务下沉到离用户更近的位置,把用户需要的信息提前下载到本地数据网络中

当用户需要时,伸手一拿

“啪”一下就能拿到,很快啊!

这个东东,虽然思想很简单,但是真是太牛叉了

记得前面说的那朵妖娆的小花吗?

现在时延的减少主要靠这个东东了,它可以极大的减少数据传输时延

设想在高铁上你想看个电影,如果你的请示经过列车传到外面,再经过基站,路由,核心网,网关,防火墙等到因特网,然后数据再经过同样的路返回来

这一来一去耗费多少时间,再说车跑那么快,你收到收不到还是个问题

搞了这个边缘计算,可以在列车停靠在中间站点时,就把数据都下载到列车的本地存储里了

你可能会疑惑,每个站停个几分钟,能传完吗?

别忘了,5G 传东西是以毫秒来计算的,所以下载些视频、新闻、小说类的完全没有问题

就这样,MEC 把 5G 的时延问题又给解决的非常漂亮

编码升级

用快递运送易碎物品时,要在箱子里加很多细软的东东,泡沫板、气泡膜等,防止道路颠簸,导致物品损坏

画风是这个样子的

一个箱子里不可能鸡蛋挨鸡蛋的放,全是鸡蛋

要用很大的空间来用泡沫板隔开,可以增加抗震性

这样做可以防止鸡蛋运输过程中被震碎,但是泡沫板会占去箱子很大的空间

在通信中也是一样的,你刷的剧是放在数据包中发送的

信道和大道是一样的,有的地方是平坦的,有的地方会很颠簸

为了防止数据包中的数据在信道颠簸的地方被震坏,要在数据包中加入些像泡沫板似的东西

当然,这些东西也会占去数据包内很大的空间,就会导致运送有用数据的空间被压缩了

到了 5G 通信中,会根据信道的好坏添加不同数量的防震板

如果全是高速公路,运鸡蛋的盒子里基本不用放板子,也没多大问题

如果是在坑坑洼洼的路上走,即使放很多泡沫板仍然会有鸡蛋被震碎,所以要多放些细软

5G 中先对道路进行评估,如果是较差的信道,就在一个盒子里多加入些防震板子,少放点有用数据

如果通信信道非常好,像铁路似的,基本没有颠簸,那就放很少量的防震板,多放些数据就 OK 了

因此,5G 在 4G 的基础上进一步挖掘了数据包的可用空间,用来传送有用的数据

4G 一个箱子中最多放 6 个鸡蛋,到了 5G 每个箱子中最多可以放 8 个了,提升了 三分之一, 33 %

再加上防震细软的减少,提升可是非常可观的

设计升级

对 5G 拆解到这,基本上也拆的差不多了,再有就是比较抽象的了

你会说 5G 也太简单了吧,就这么点东西

这是笔者绞尽脑汁,把问题都简单化,用个例子类比一下,还有些具体的细节提升,非常抽象的

不太好讲清楚的细节就不讲了,容易绕迷糊了

独孤九剑学个 7 成基本上就能算高手了

5G 了解到这些,能说明白,你就已经不简单了

再说一说这个比较抽象的设计升级

在通信中要传输的数据不仅仅是你关心的影片,还要有控制数据

什么叫控制数据呢?

比如上节中,你发上去的“我要看金刚川”的请示就是控制信号

这类信号也是要占带宽资源的,但是它没有给你提供需要的东西

打个比方,公交车是用来运送乘客的,但是并不是车内所有的座位都是给乘客用的

还有司机、乘务人员、安保人员

这些人也是要占一些座位的,但是这些人不能算是乘客

5G 里面的控制信号就像是公交车里的乘务人员

乘务人员越多,能载的乘客就越少

而希望的是乘务人员越少越好,那样,能载的乘客就会越多

5G 的设计也是按这个朴素的思想来的,看看,也挺简单的

基于这个原理,上面开 3GPP 会议的人就开始盘算了,怎么能将控制信号缩减到最少,这样在带宽一定的情况下,能传输的有用的数据就会多了

在经过不断的争吵后,将 2G, 3G, 4G 中一些控制性的信号就和平的砍掉了

重新设计数据的调度方法和资源结构,最大限度的减少控制的数量,使传输有用数据的资源就相对变多了

以参考信号为例表述,一些参考信号进行了重新设计和升级

直接上图

上图中是 4G 参考信号的样子,里面花花绿绿的都是控制信号

白色的小框才是用来发有用数据的

数一数,算一算,控制信号差不多占去了将近一半的资源了

如果一辆公交车上有一半的工作人员,就有人该发疯了

设计升级以后,5G 参考信号的画风是这样的

控制信号只有中间黑色的几个了,和上面一张图比,少了很多吧

剩下的资源都可以用来发送有用数据了

把问题搞复杂往往不是难事,难的是把复杂的事搞简单,真的是太难了

但 5G 在设计上,大家费了老大劲,总算做到了

你就知道,一些占资源的控制信号被砍掉了,剩下更多的资源留给了有用数据传输了

从而,极大的增加了有用数据的传输资源

结尾

5G 性能屌到爆基本上就是从这些地方作的改进

总结起来主要这么几点:

道路弄的宽了,带宽变大了

基站的密度变大了,间距变小了,信号变好了

天线数量变多了,同时能传的路数变多了

将波束对准目标,传得远且信号好

服务下沉到离你最近,节省传输的时间

编码升级,道路状况好的时候,箱子里放的泡沫板少了

设计升级,把公交车上的乘务人员数量减少,容纳的乘客就多了

按上面分条拆解的算一下,5G 比 4G 屌多少倍?

几倍几倍的乘起来,没有 1000 倍,也得有大几百倍了吧

4G 看电影,刷个剧,搞个在线游戏都还算可以,用上 5G 后,什么体验?自己想吧

说 5G 屌爆了,一点都不过分吧

,防走失

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the end
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