用一盆水讲清为什么5G这么快

你可能看过这个画面，一部5G手机运行着一个网速测试连接成功的瞬间速度直接拉满，指针死死的压在表盘的最大值。5G为什么能有这么快的速度？它比4G先进在哪里？它凭什么是新一代的移动通信技术？

要说清楚这些问题，我们需要一点水的帮助。为什么要来帮忙呢？大家都知道，无论是1G，3G还是5G，无线通信靠的是电磁波，但是通信用的电磁波人眼是看不见的，而水波就可以被轻松的观察到。所以这个视频开头先通过水波给大家讲讲无线通信的基本原理。

要说明白这个只需要三个道具，一个可以摆动的方片装做手机，一个海洋球装作基站，一个充气泳池装水。

他们的通信过程是这样的，压动海洋球也就是我们的基站产生水波，波把信息传递给方片，那这个波是如何携带信息的呢？

举一个最简单的例子，如果我们压它时用力一点水波就会比较大，就可以推起来方片；而我们压它时小心一点，水波就会比较小，就推不起来方片。如果我把推起来当作1推不起来当作0，那么我们就获得了一个非常低效的无线通信系统。

比如我想发一个字母Y给手机，查表发现Y的ASCII码是01011001，那我们只需要制造小大小大大小小大的水波就可以了。那么问题来了，在这种机制下，如果让数据传输的速度更快呢？很简单，你发波发的快点不就可以了吗？这就是5G速度快最重要的原因。

我们每秒发波一次，那我们的频率就是1HZ.4G的最大单载波带宽是20M，也就是20乘10的六次方HZ。现在商用的5G频谱带宽可有100MHZ，移动通信发展最明显的趋势就是频谱不断变宽，2G使频谱只有200kHZ只能满足语音和文字的传递，3G时频谱扩大到了5MHZ，让移动互联网成为可能，4G 20MHZ就可以流畅播放视频。而5G就可以支持AR等更需要网速的应用落地了。

但是为了安放更大的频段信号本身的频率也会变高，这就带来了一些问题，大家都知道电磁波的波长乘以频率等于光速，而光速是一个定值，频率变高了，波长就得变短，而波长变短的话，路径损耗会变大，信号的绕射能力也会降低，基站的覆盖面积就会变小。

那有什么办法能改善5G的覆盖呢？很简单，再建一个基站就可以了。5G时代除了很大的宏基站来保证信号的覆盖，还有很多微型基站来补充宏基站的盲区，但是光建基站肯定是不行的，所以下个技术就很重要了，也就是波束赋形。

还是在水里，现在这种模式下水波是全方位扩散出去的，但是用户只是一个点而已，这就意味着很大的资源都被浪费掉了，有没有什么办法把信息定向的发送给用户呢？还真有，根据高中物理，如果我们在一个波旁边放一个一样的波，那么这两个波波峰相遇的地方会传得更远，而波峰和波谷相遇的地方会抵消掉。

而当天线足够多时，我们就可以定向的发送电磁波给用户，不只是单纯的把它全方向扩散出去。这么做覆盖距离就更远，信号强度也更强。通过大规模天线还可以形成多个波束，同时服务多个用户，大大提升效率。

除了这些，5G还可能实现一个叫全双工的技术。什么叫全双工呢？

这里我们来两个锥形瓶举例，这两个瓶子，一个代表终端，一个代表基站，里面的水代表数据。终端可以收到基站的信息，也可以将信息发往基站，但是它并不能同时同频发出并接收信息，因为在同一频段里会有严重的干扰。

所谓全双工，就是上传和下载可以同时同频进行。那么可以打电话不就是全双工吗?是这样，现有的双工技术有两种，一种叫时分双工，就是把时间分开，在这种模式中上传和下载是在不同的时隙中进行，只是这个时间分割得太短，感觉不出来而已。还有一种叫频分双工，在这种模式下，把已有的频宽分开，分别用于上传和下载。这两种一种牺牲了时间的利用率，这种牺牲了频谱的利用率，而在5G下就有可能实现真正的同时同频全双工。这些就是5G高速的主要原因。