关于 5G，我们从一个公式谈起
网络优化系列专题，面对复杂多变的移动网络，我们需要掌握哪些网络基础知识，以及该如何做好网络优化这项工作。
网络优化系列专题
- 网络优化背景知识（待完善）
《关于 5G，你应该知道的发展史》
《HTTP 发展的前世今生》
《网络安全 — HTTPS》
《关于网络优化，你需要了解什么？》
《HTTP 的第一次变革 — HTTP/2》
《展望更好 — HTTP/3》
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如何优化网络性能（待更）
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5G 距离我们的生活越来越近了，2019 年 3 月 31 日，首个 5G 网络行政区域在上海建成并开始试用。今天我们先来聊一聊有关 5G 的故事。
5G 归根结底属于一种通信方式。自从人类存在开始，通信就已经存在，通信的目的一直没有发生变化，变化的只是通信的方式。
今天的故事，我们要从一个简单的公式谈起，说它“简单”，是因为它只有 3 个字母；说它强大，是因为这个公式蕴含了博大精深的通信技术奥秘，它就是：
- 波速 C：单位时间内波在传播过程中的速度，波速只与传播介质有关。
例如在室温下，声波在空气中的传播速度约为 340m/s；光在真空中的理论值约等于 30 万公里每秒；电磁波在真空中的传播速度等于光速。
- 波长 λ：在波动中，振动相位总是相同的两个相邻质点的距离，叫做波长。或者说在波动中，相邻的两个振动情况始终相同的质点间的距离，叫做波长。
在横波中，两个相邻的波峰（或波谷）之间的距离等于波长。
在纵波中，两个相邻的密部（或疏部）之间的距离等于波长。
振源振动一个周期，波向前传递一个波长。
相隔 λ/2 的奇数倍两个质点的步调总是相反。
波长是波的一个重要特征指标，是波的性质的量度。例如，声波可以从它的频率来量度，人耳听到的声波从 20Hz ~ 20kHz，相应的波长从 17m ~ 17mm 不等；人眼的可见光从深红色的 760nm ~ 紫色的 390nm 波长。
- 频率 v：指单位时间内完成周期性变化的次数，是描述周期运动频繁程度的量。为了纪念德国物理学家赫兹的贡献，人们把频率的单位命名为赫兹（Hz）。
通信发展史
人类通信从远古时代就已经开始，人与人间的语言，肢体交流就是最早出现的通信。在中国古代，人们就学会利用飞鸽传书，烽火传信和旗语等通信方式，到了近现代，人们开始利用电磁波进行通信。
从 1835 年莫尔斯发明电报机；到 1876 年贝尔发明电话机，从此电磁波不仅可以传输文字还可以传输语音，大大加快了通信发展的进程。再到 1895 年，马可尼和波波夫发明无线电设备，从而开创了无线电通信发展的道路。
如今，电磁波的应用在人们生活的方方面面：打电话用的手机的无线信号是电磁波，物体的光也是电磁波，到医院去做透视 X 光也是电磁波。
移动通信发展简史
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1928 年，发明了工作于 2MHz 的超外差式无线电接收机；
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1946 年，贝尔系统建立了世界上第一个共用汽车电话网，称为“城市系统”；
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20 世纪 80 年代中期，欧洲和日本纷纷建立了自己的第一代蜂窝移动通信系统（1G 系统）；
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1992 年开始 GSM（2G系统）在全球范围内迅速扩张；
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1995 年 ITU 将第三代移动通信系统（3G系统）命名为国际移动通信 2000（IMT-2000）。
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计算机技术与通信技术的结合，计算机网络的产生，标志着人类史上信息通信时代的到来。
通信介质
对于通信双方，无论什么黑科技都需要通过介质进行传输，而介质归根结底就只有两种：有线介质和无线介质。例如有线介质包括铜和光纤，而空气则属于无线通信介质。
对于使用有线传输数据，其速率可以达到很高的数值。以光纤为例，在实验室中，单条光纤最大速度已经达到了 26Tbps..，是传统双绞线的近 3 万倍。
然而目前主流的移动通信标准是 4G LTE，其理论传输速率仅有 150Mbps（这里不包括载波聚合等技术），和有线通信是完全没法比的。故通信的真正挑战在于无线通信，也就是通过空气传播才是移动通信的瓶颈所在。
所以，5G 如果要实现高带宽的通信过程，重点是要突破无线通信的瓶颈。 我们知道无线通信就是利用电磁波进行通信，不同频率的电磁波具有不同的功能特性。
例如，X 射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质；而 γ 射线有更强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制；γ 射线对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤。
电磁波的频率资源是有限的，为了避免冲突和干扰，通信领域对频率进行频段的划分。
一直以来，我们主要是以中频 ~ 超高频进行手机通信。例如早期的 CDMA800，GSM900 指的是工作频率在 800MHz 的 CDMA 和 900MHz 的 GSM 。目前主流的 4G LTE 属于特高频和超高频。我们国家主要使用的超高频段划分如下：
第五代移动通信技术（5G）
在移动通信技术领域，随着 1G、2G、3G、4G 的发展，使用的频率越来越高，这是为什么呢？
频率越高，能使用的频率资源越丰富；频率资源越丰富，能实现的传输速率就越高。我们可以把频率资源比作高铁车厢，频率越高表示车厢越多，相同时间内通过的车厢越多，通信的带宽就越高。但是频率越高，波长越短，越趋近于直线传播，绕射能力越差；频率越高，在传播介质中的衰减也越大
那么，5G 使用的频率具体是多少呢？如下图所示：
5G 的频率范围分为两种：一种是 6GHz 以下，这个和目前的 4G 没有太大差距；还有一种是 24GHz 以上。目前，国际上主要使用 28GHz 进行试验，这个频段也有可能成为 5G 最先商用的频段。
1. 毫米波
如果按照 28GHz 来计算，根据波速公式计算得到：
这就是 5G 的第一个技术特点 — 毫米波。通过上面的介绍，频率越高，频率资源越丰富，那为什么一开始我们不选用高频率通信呢？
根据波速公式，我们知道：电磁波的特点是频率越高，波长则越短，就越趋近于直线传播，这也意味着其衍生能力（指脉冲波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象）就越差。
例如激光，激光的波长仅有 635nm （纳米波）左右。发射出的光是一条直线，遇到遮挡物就被拦截，无法穿透。下图显示了可见光光谱的颜色和用纳米表示的光波长：
5G 采用极高频段使传输速率大幅度提高，但是问题也非常明显，频率越高，其覆盖面积相对就会越小，覆盖同一块儿区域需要的基站数量就越多。对于运行商而言，意味着投入成本就会越高。
如上图，为了达到相同的信号覆盖率， 5G 基站的部署量要远多于 4G。
2. 微基站
那么如果想用 5G，难道城市里要建满基站？针对这个问题，5G 技术当然是有解决方案 — 将基站体积减小，以前是一个超大的宏基站可以覆盖很大一片区域，现在建设成微基站。
5G 的第二个技术特点 — 微基站。到处安装随处可见，而且微基站能够完美融入到城市景观，不会使城市环境受到影响。
对于使用 5G 上网，微基站能够让设备上网更加稳定。这就好比冬天的取暖炉，一个大功率的取暖器，和几个小功率的取暖器带给人们的热辐射体验效果：
而采用微基站，数量多，覆盖就越好，上网信号更稳定。
3. 波束赋形
基站发射信号，很像灯泡发光。光线是向四周发射的，会照亮整个房间。信号发射也类似，对于信号如果只是想覆盖某个方位，那么大部分信号都浪费了。那能不能把发散的光束收集起来，将它发送给特定的需求的方位呢？
这个就是 5G 的第三个特点 — 波束赋形。波束赋形又叫波束成型、是一种使用传感器阵列定向发送和接受信号的信号处理技术。
波束赋形能使电磁波指向它所提供服务的设备，而且能够根据设备的移动而转变方向。这样每束光都能照亮一个人，大家不用抢位置，更不用担心信号干扰问题。
4. D2D
如今的手机通信，数据包要通过基站进行传播，不仅延时高，效率还低。而 5G 时代，手机之间直接传递数据，只需要“知会”基站一下就可以了，这样使传输效率大大提高。
这就是 5G 的第四个特点 — D2D（设备到设备），也就是两个设备之间不需要经过基站可以直接数据传递。
5G 有多快？
其实生活中对于绝大多数人都不 care 5G 到底是个什么东西，更不要说这样的科技或那样的瓶颈，你只需要告诉我 5G 到底有多快？相比较现在会有哪些更好的体验？
5G 网络的理论峰值速率可以达到 10Gb/s，最低速率至少为 100Mb/s，峰值和最低值差了 100 倍，这到底是怎么回事呢？
前面我们有说过，按照国际标准，5G 的网络有两个频率范围：450MHz ~ 6000MHz，24250MHz ~ 52600MHz。低频信号虽然带宽小，但穿透力强，在 5G 基站覆盖不理想的区域也能保证用户的正常上网。
实际上即使速率只有 100Mb/s，也完全能满足日常生活的基本需求，也就是说，5G 虽然很难达到理论峰值，但日常生活中的需求是基本能满足的。
- 不过任何问题我们也要辩证的看，如果在覆盖不理想的情况下，大家选用 5G 的套餐资费，却体验着与之前一样的通信速率，这显然不合理。目前 5G 还处在定制阶段，具体要根据基站的建设情况。
移动通信未来
在未来，手机和电脑的应用水平不再受限于设备本身性能，而是可以借力云计算的强大处理能力。
- 智能家居
在智能家居领域，随着智能化电器的不断普及，包括智能手机在内的产品物联网体验得以提升，加速智慧城市的建设，将普通生活环境变成一个智能社会生活。
- 无人驾驶
5G 将无人驾驶汽车能够使用基于云的人工智能和数据，并与路上其他汽车和路灯等交通基础设施近乎实时地“沟通”。这将改善交通拥堵，带来更安全、高效和轻松的驾驶体验。
- 智慧城市
随着 5G 建设的推进，它能够连接数以亿计的物联网设备，让智慧城市成为现实，这将带来环境(能效、空气质量、清洁水)和社会效益(应急响应的无人机、城市结构的安全性)。
中国正在规划超过 285 个智慧城市项目，以改善和提高市民的生活质量。
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最后
2019 年 6 月 6 日工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电发放 5G 商用牌照。5G 将会把生活带到一个更为广阔的世界，但是 5G 要想更好地服务于用户、行业，则需要全领域的合力。
通过今天的介绍，相信大家对 5G 和它背后的原理有了新的认识，而这一切不都是基于文章开头的物理学公式吗 — C = λv！
其实 5G 并不是什么遥不可及的创新革命性技术，它更多是对现有通信技术的演进。这里引用一句话：
- 通信技术的极限，并不是技术工艺方面的限制，而是建立在严谨数学基础上的推论，在可以预见的未来是基本不可能突破的。
彩蛋 — 波长越短，天线越短
从“大哥大”时代的外置式手机天线到现在内置天线，手机天线的进化史恰恰也反映了移动通信的进化历程，而这两者的关系源自于天线与波长的关系。
天线的长短和波长成正比，所以和频率成反比，频率越高，波长越短，天线也就可以做得越短。实践证明，当天线的长度为无线电信号波长的 1/4 时，天线的发射和接受转换效率最高。
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