5G仅仅是网速快吗？或许答案并没有那么简单……

2020年10月1日，我们的祖国迎来了第71个生日！

从第一颗人造卫星发射升空，到北斗系统成功组网；从第一株杂交水稻落地种植，到智慧农业普及乡村；从第一辆高速动车驶离站台，到高铁线路贯穿全国，71年来我国取得了一个又一个举世瞩目的科技成果。在决胜全面小康的新时代，科技与每个人的生活更加紧密地联系在了一起，科技事业也被赋予了新的使命。

国庆佳节之际，数字北京科学中心为大家带来了特别栏目“更智慧的小康生活”，盘点新时代下你身边的那些“黑科技”。本期，我们将带你了解一下5G的那些事儿～

审核专家：黄育侦

军事科学院国防科技创新研究院 副研究员

要说最近人们热议的话题，5G算是一个。“无人驾驶”“智能家居”“万物互联”都与5G的普及有着或多或少的联系。当前，中国正按下5G发展“快进键”，推动新型基础设施建设，深化与各行各业的融合发展，为世界数字经济发展贡献方案。

也许你已经对5G了解过很多：更宽的带宽、更快的速率、更密集的基站，还有诸如毫米波、宏基站、微基站、D2D等等……今天，小编跟你聊聊5G的另一面。

相信在很多人眼中“5G=更快的网速”，是个升级版的“超级4G”。那么5G仅仅是比4G网速更快吗？或许答案并没有那么简单……

来源｜新浪

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4G为什么时快时慢

我们先来看看4G。用过4G的你一定有过这样的经历，早晚高峰挤满人的地铁上，手机的4G网速会变得特别慢。到了空旷的地方，网速就会恢复正常。

为什么人多的地方网速会变差呢？网络也会堵车吗？要想一探究竟，还要看看4G基站是怎么工作的。

一个4G基站发射出的电磁波会如同水波一般向四面八方传播，这些电磁波中就包含着你手机即将接收到的信息。

向四面八方传播的水波

来源｜知否KnowHow

当有很多很多手机同时连接到这个基站时，基站就需要将每个人浏览的信息发送到各自的手机上。

这时系统会将每个人所需的信息拆散，打包成一个个“小份装”，按照指定的顺序，借由电磁波向四面八方传播出去。

4G采取的是8输入8输出模式，也就是系统会把网络上传来的信息分为8小份，分别从8个通道发出。接收者凑齐8份信息，将它们拼在一起才能获得完整的信息。这就好比一条正反向各8车道的双行线，被拆成“小份装”的每一份信息就像一辆车。

那么如果接入的手机数量特别多时，就如同早高峰堵车一般，你的网速会变慢。

来源｜天线系统产业联盟

那么怎么让网速变快呢？我们有两个办法！

第一个方法很直观，就是让信息发得更快，也就是每辆车都开得快一点。让有限的电磁波内承载的信息更多，也就是提高带宽。

第二个方法是把“路”修得更宽，甚至给每个手机开通一条“专用车道”。这也是5G中最亮眼的技术——Massive MIMO与波束赋形。

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你的专属“快车道”

5G和4G类似，也利用了多输入多输出的方法把一整个庞大的信息，拆分成许许多多小份，依次发送或接收，让每台手机都能快速地与基站之间交互信息。

不同的是，5G有多达64个发送通道，64个接收通道！路修得更宽了，“拥堵”问题自然能得到缓解。（这被称为Massive MIMO技术）

然而，5G的变化并不止于此。

4G基站的电磁波是接近均匀向外发射的。而5G基站会瞄着接入的手机发射信号。

当基站“发现”手机后，会形成一束范围很窄的电磁波向着这台手机的方向发射出去，并随着手机的移动时时刻刻跟踪着手机。当有多台手机同时接入时，它也会发射出多个波束指向每个手机，并跟踪。

波束赋形

来源｜天线系统产业联盟

相比于4G的大家共同沐浴在一个范围较大的电磁波下，5G则为每一个手机提供了自己的“专有车道”。

这样做有什么好处呢？一个是让电磁波能量的利用效率更高，只需要在有手机的方向发射一束电磁波，没必要像四面八方无差别地发射电磁波。

第二，由于电磁波集中在很窄的一个区域，手机能接收到的信号会更强，这些信号大部分都是有用的，无用的干扰信号会更少。我们知道要想让网速变快除了常说的提高带宽，增强有用的信号也是一个可行的方法。

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相控阵技术与最厉害的雷达

读到这里小伙伴们可能会问，5G是怎么实现让带有信息的电磁波束指着手机并一直跟踪的呢？

这还要从雷达说起。无论是在游戏里，还是影视作品中，大多数雷达总是需要不停旋转的。这是因为，早期的雷达只能向某个特定的方向发射用于探测敌机位置的电磁波，为了监视整个天空，雷达基座必须带着发射装置一起转动，以扫过整个天空。

旋转的雷达

来源｜坎巴拉太空计划

但如果你是一个军迷，你一定会发现，现代的雷达大多是呈一个平板状，并且通常不转动，这种雷达叫相控阵雷达。

战机上的相控阵雷达

来源｜军事网

相控阵雷达

来源｜中新网

我们不妨做这样一个小实验。将两石子同时投入水中，观察水的波纹，你会发现，此时水波不是均匀地向四面八方扩散，而是有的方向波动强，有的方向波动弱，甚至几乎没有波动，这便是波的叠加原理。

来源｜知否KnowHow

下面我们还是向水中投入两个石子，不过这回让一个石子先入水，另一个石子后入水。你会发现，依然出现了波动强弱不同的现象，但是方向发生了改变，好像旋转了一定的角度。

来源｜知否KnowHow

如果稍稍改变石子先后入水的时间差，你还会发现这个角度会发生变化。换句话说，我们能通过激起2个水波时间差的大小，控制水波强弱分布的方向。

改变相差可以改变波束方向

来源｜知否KnowHow

人们把几个波先后的差异称为相位差，而相位差是可以改变这几个波叠加在一起后形成的新的波动的强弱分布与方向。这就是相控阵雷达的原理。

相控阵雷达上面有上百个电磁波发射器，它们都能各自独立地产生电磁波。通过改变数百束电磁波之间的相位差，就能改变他们叠加产生的新的电磁波的方向与强弱分布，这样不需要雷达基座转动就能让电磁波扫过大部分天空。

而相控阵雷达在发现敌机后，还能通过改变每个电磁波的相位，让最终形成的波束死死地跟随着敌机，让它无处遁形。

读到这里小伙伴们有没有想到什么？没错，5G基站与相控阵雷达用了同样的原理，而你的手机则扮演了“敌机”的角色。

不想做相控阵雷达的基站不是好5G

来源｜搜狐

在5G基站上，也有着上百个发射电磁波的单元，通过调节电磁波的相位，5G基站可以在空间中形成许许多多波动强的区域，还能改变它们的方向，并随时跟踪你的手机，让强度高、干扰小的电磁信号时刻指向你的手机。

你知道吗！除了5G，相控阵技术也应用在医学超声影像上，也就是我们俗称的B超。

除了“Massive MIMO”与相控阵技术，在5G的实际应用中还涉及到更多更细微的技术问题，感兴趣的小伙伴点这里（5G时代来了，你做好准备了吗？）回顾一下吧！

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