5G到底 是 什么 ？它 能 成为 创造 未来 的 新 科技 吗？ (1)
各位 同學 大家 好 我 是 李永樂 老師
有壹個 小朋友 給我 發來 私信 說
他 特別 崇拜 歷史 上 的 科學家 和 發明家
比如說 瓦特 改良 的 蒸汽機
把 人類 帶入 了 蒸汽 時代
法拉第 發明 了 發電機 又 把 人類 帶入 了 電氣 時代
現在 我們 已經 處於 了 計算機 時代 和 互聯網 時代
他 就 想問 我
如果 幾百年 後 我們 回頭 再 去 看 的話
現在 哪壹種 新 技術 的 誕生
能夠 把 人類 帶入 更加 高層次 的 未來 呢
其實 無論是 蒸汽機 發電機 還是 電子計算機
它們 的 背後 都 是 牛頓 麥克斯韋
法拉第 愛因斯坦 這樣 偉大 的 科學家
所 開拓 出來 的 新 的 理論
在 這些 新 的 理論 的 支持 下 新 的 技術 層出不窮
而 這些 技術 又 可以 用 在
工業 農業 運輸 等等 各個領域
我們 稱之為 通用 技術
如果 站 在 現在 的 視角
去 看 未來 的 通用 技術 的話
那 我 想 應該 是 5G 人工智能 和 雲 計算
相結合 的 技術
這種 技術 壹定 能夠 將 人類 帶入 更加 輝煌 的 未來
那 麽 我們 今天 就 想來 討論 壹下
這些 技術 中 的 第壹個 5G 技術
我們 首先 來回 顧壹下
移動 通訊 技術 它 的 發展 歷程
移動 通訊 技術
通訊 其實 是 人類 與生俱來 的 壹種 需要
比如說 從 這個 商周 時代
我們 中國 建 烽火臺
就是 為 了 實現 遠距離 快速 通訊 對 吧
這個 非洲 他們 用 大鼓
壹個 部落 的 人 敲 鼓 然後 隔壹段 有 壹 個人 接力
這樣 壹來 就 可以 把 信號
快速 地 傳播 到 幾十 公 裏 之外 的 壹個 部落 了
但是 在 人類 找到 電信號 之前
通訊 技術 其實 都 沒有 什 麽 太大 的 突破
直到 人們 發現 了 無線電波
人們 才 找到 了 壹種 容量 大 保密性 好
又 安全 又 快 的 這種 通訊 方式
那 如果 我們 把 最近 這壹 百多年 的 這個 通訊 技術
來 做 壹個 總結 的話
最快 的 其實 就是 在 最近 的 這 幾十年
我們 把 它 分成 了 幾個 階段
1980 年 到 1990 年
1990 年 到 2000 年
2000 年 到 2010 年
和 2010 年 到 2020 年
我們 大概 可以 把 它 分成 這 麽 幾個 階段
1980 到 1990 年
我們 稱之為 1G 時代
1990 到 2000 2G 時代
2000 到 2010 3G 時代
2010 到 2020 4G 時代
那 麽 每壹代 無線通訊 技術 都 有 什 麽 特征 呢
顯而易見 它 速度 越來越快 了 對 吧
首先 我們 先 來說 1G
第壹代 無線通訊 技術
那 麽 在 1960 年代 美國 有個 貝爾實驗室
這個 貝爾實驗室 的 科學家 就 提出 了 壹種 理論
說 我們 可以 通過 壹種 方式 進行 無線通訊
這種 方式 叫什 麽 呢 叫 移動 蜂窩
我們 經常 聽說 蜂窩 數據網
妳 知道 蜂窩 數據 是 什 麽 意思 嗎
其實 就是 每壹個 信號 塔 覆蓋 壹個 小塊 的 區域
很 多個 信號 塔 覆蓋 很 多個 區域
這些 個 小區 壹個 壹個連 起來 就 好像 蜂窩 壹樣
就 可以 實現 通訊 了
這就 叫 所謂 的 移動 蜂窩 技術
這種 技術 後來 在 1979 年 的 時候
被 日本 電報 電話公司 第壹個 用 在 商業 上
它 在 東京 開展 了 這項 服務
從此 之後 歐洲 美國 也 都 開始 1G 時代 了
那 麽 中國 的 這個 1G 服務 開 始於 1987 年
也 就是 我們 留在 很多 人 記憶 中 的
那個 大哥大 是 吧
那 就是 1G 時代 的 產物
漸漸 的 1G 已經 不能 滿足 人們 的 要求 了
因為 1G 傳輸 的 是 模擬信號
它 只能 傳輸 語音 不能 傳輸 文字 是 吧
而且 保密性 能 也 很 差
它 這個 通話質量 也 不好
於是 就 出現 了 2G
也 就是 第二代 移動 通信 技術
第二代 移動 通信 技術
它 采用 的 就 已經 是 數字信號 了
數字信號 的 意思 就是 妳 給我 壹段 語音
我 把 這段 語音 進行 采樣
采樣 了 之後 把 它 轉化成 壹 個數 字
然後 我 再 把 這個 數字 變成 二進制
用 這個 二進制 數傳 輸過去 對 不 對
通過 這種 方法 我 就 可以 實現
既 能 傳輸 語音 又 能 傳輸 文字
而且 我還 可以 對 信息 進行 加密
中國 的 這個 2G 是 始於 1996 年
我們 突然 發現 人 拿 了 壹個 手機
不光 可以 打電話 還 可以 發短信 壹 毛錢 壹條
大家 還 記得 那個 時代 嗎
我還 可以 玩 貪吃蛇 對 吧
我還 可以 拿 手機 拍照
那個 時代 的 功能 機
留給 了 我們 很多 的 美好 的 回憶
漸漸 的 這個 2G 也 不能 滿足 人們 的 需要 了
因為 它 傳輸速率 實在 太慢 了
於是 3G 就 呼之欲出 了
3G 的 出現 是 伴隨 著壹 系列 的 新 技術
舉 幾個 比較 重要 的
比如說 有壹個 新 技術
就是 高通公司 研發 的 CDMA 技術
CDMA 也 叫做 碼分多址 技術
這種 技術 出現 了 之後
徹底改變 了 這個 無線通訊 的 這個 行業 的 面貌
93 年 的 時候 CDMA 就 成為 行業標準 了
99 年 的 時候 國際電信聯盟
就 把 CDMA 定為 了 3G 的 基礎 技術 之壹
那 我們 聽說 過的 比如 CDMA2000
那 WCDMA 什 麽 TDSCDMA
其實 都 是 CDMA 時代 的 三種 不同 的 技術標準
雖然 說 技術 上 從 2000 年 開始
CDMA 就 已經 成熟 了
3G 就 已經 成熟
但是 直到 2008 年 3G 才 普及 開
大部分 人 都 喜歡 用 2G 手機
為什 麽 呢
那 是 因為 那個 時候 缺乏 殺手 級 的 應用
所以 賣 功能 機 的 廠商
比如說 摩托羅拉 諾基亞
他 憑 借賣 手機 就 能 賺 到 盆滿 缽 滿
結果 2008 年 的 時候 技術 突然 突破 了
這個 壹 大批 智能手機
以及 它們 的 應用 突然 出現 了
人們 突然 發現 原來 手機 這 麽 好玩
不光 可以 打電話 發短信
我還 可以 幹 很多 其他 的 事 對 不 對
於是 人們 紛紛 投向 了 智能機 的 市場
3G 也 就 逐漸 地 普及 起來 了
盡管 3G 時代 其實 來 的 並不 太久
但是 人們 已經 迫不及待 地
研究 第 4 代 移動 通訊 技術
那 就是 4G 了
4G 相比 於 3G 還是 那句話
它 速率 有 很大 的 壹個 提升 對 吧
技術 也 有 很多 的 進步
比如說 有壹個 技術 叫做 OFDMA 技術
叫 正交 頻分多址 技術
這種 技術 是 什 麽 意思 呢
就是 以前 我們 通信 的 時候 用 電磁波
那 麽 每壹個 信號 的 電磁波 頻率
不能 是 重疊 的 是 吧
咱們 倆 信號 中間 還得 隔 壹 段
否則 的話 頻率 互相 影響
信號 不 就 幹擾 了 嗎
但是 正交 頻分多址 技術
它 可以 在 同壹個 頻段 內 傳輸 很 多個 信號
為什 麽 呢
因為 這些 信號 彼此 是 正交 的
我們 可以 這 麽 理解
就是 壹個 信號 最強 的 時候
其他 信號 壹 定都 為 零
那 這樣 壹來 它們 之間 雖然 都 在 壹個 頻段 內
但是 它們 卻 不會 彼此 幹擾 對 吧
這就 OFDMA 技術
在 壹 大批 新 技術 帶領 之下 4G 就 出現 了
在 4G 時代 平均 的 網速
可以 達到 幾十 兆比特 每秒
8 個 比特 是 1 個 字節
所以 相當於 下載速度
是 10 兆 字節 每秒 左右 是 吧
如果 妳 再 加入 壹些 新 的 技術 比如 像 載波 聚合
那 妳 就 可以 讓 網速 達到 千兆比特 每秒
也 就 相當於 下載速度 每秒鐘
可以 下載 100 兆 字節 左右 是 吧
這個 速度 就 非常 快
那 麽 更 高 的 數據 傳輸速率 就 催生 了 更 多 的 應用
所以 移動 互聯網 時代 就 正式 來臨 了
人們 現在 已經 熟悉 了
用 手機 去 買菜 打車 去 看 電影 玩遊戲
甚至 上網 學習
於是 又 催生 了 像 今日 頭條 抖音 快手 B 站
西瓜 視頻 這樣 的 短 視頻 平臺
新型 的 互聯網 巨頭 像 美團 滴滴
也 都 無疑 不 得益於 4G 的 發展
就連 現在 發紅包 我們 都 不 去 買 紅包 來發 了
都 直接 在 手機 上 轉個 賬 就 結束 了 是 吧
我們 回顧 壹下 移動 通訊 技術 的 發展 簡史
就 會 發現
每隔 10 年 左右 通訊 技術 就 會 進步 壹代
那 現在 到 了 2020 年 了
於是 5G 技術 正式 到來 了
那 下面 我們 就 來 討論 壹下 5G
以及 5G 毫米波 技術
5G 其實 還分 兩類
我們 來 介紹 壹下
工信部 的 統計 告訴 我們
在 2020 年 的 1 月份 到 11 月份
中國 出貨 手機 有 1.44 億部
在 這些 手機 裏面 有 51.4% 都 是 5G 手機
而且 在 2020 年 的 後 半年
每壹個 月 中國 的 5G 手機 出貨量
都 占 總 出貨量 的 60% 以上
所以 中國 正在 跑步 進入 5G 時代
那 麽 5G 相比 於 4G 到底 有什 麽 優勢 呢
我們 可以 總結 三條
那 就是 高速率 低 延遲 和 大容量
我們 現在 說 第壹條 高速率
我們 都 知道 5G 的 速度快
那 麽 它 到底 有 多 快 呢
我們 把 它 和 現在 已經 很快 的 4G 做壹個 比較
4G 我們 感覺 網絡 已經 非常 快 了
它 可以 達到 100Mbps
100 兆比特
我剛 才 說 了 8 個 比特 是 1 個 字節
所以 相當於 下載速度
大約 是 10 兆 字節 每秒
大概 這 麽 個 速度
那 麽 這個 速度 已經 可以 滿足 我們 通常 的 使用 了
但是 如果 要 場景 加 的 更 復 雜壹點
比如說 像 4K 8K 的 高清 數據流
它 傳輸 不了
比如說 AR VR 的 數據流 它 傳輸 不了
以後 要 有 自動 駕駛 汽車
自動 駕駛 汽車 壹天 的 數據量 有 4000G
它 也 傳輸 不了
而 5G 可以 在 4G 的 基礎 之上 再 提升 壹個 量級
5G 的 平均 網速 可以 達到 1Gbps 是 吧
峰值 網速 可以 達到 2Gbps
2Gbps 跟 剛才 100Mbps 相比
大約 是 高 了 20 倍 是 吧
5G 的 速度 大約 可以 達到 4G 到 20 倍 以上
國外 有壹個 小夥 用 5G 和 4G 做 了 壹個 對比
這也 證實 了 這個 結果 的確 有 這 麽 快
它 是 它 的 20 倍
為什 麽 5G 可以 達到 4G 的 20 倍 呢
除了 壹些 新 的 技術 應用 以外
這個 5G 信號 和 4G 信號 的 物理 特性 不同
也 是 它們 速率 不同 的 壹個 原因
我們 首先 要說 壹個 公式
信息論 有壹位 奠基者 名字 叫做 香農
這個 香農 我們 後面 會講 他 他 是 個 天才
那 麽 香農 提出 了 壹個 關於 信息論 的 壹個 公式
叫做 香農 公式
香農 公式 就是說 我們 如果 想 傳輸 壹個 信號
那 麽 傳輸 的 最大 速率 或者 叫 香農 極限
等於 什 麽 呢
等於 Wlog₂(1+S/N)
這 就是 所謂 的 香農 公式
我們 來 解釋 壹下 香農 公式 什 麽 意思
首先 我們 先說 這個 C
這個 C 其實 就是 傳輸 的 速率
比如說 妳 每秒鐘 傳輸 多少 個 比特
就是 速率 的 極限
最多 妳 能 傳輸 這 麽 多
妳 再 怎 麽 編碼 再 怎 麽 調整 妳 的 設備
妳 的 傳輸速率 也 不 可能 超過 這個 值
它 是 個 極限
然後 第二個 就是 W
W 就是 頻段 的 寬度
什 麽 叫 頻段 寬度 呢
比如說 我們 傳輸 電磁波 信號
我 是從 900M 到 1000M
這有 100M 的 頻段 可以 給 我們 傳輸
那 我 的 頻寬 那 就是 100M
我 如果 要 是從 1GHz 的 頻率 到 2GHz 頻率 之間
這壹段 頻率 是給 我 的
我 就 有 1G 的 頻寬
頻寬 越 寬 我 的 這個 速率 極限 就 越 大
第三個 就是 S
這個 S 就 叫做 信號 功率 平均 信號 功率
而 這個 N 就 叫做 噪聲 功率
這個 傳輸 信號 的 時候 壹定 會 有 噪聲
就 比如說 那些 原子 什 麽 的 布朗運動 是 吧
這也會 產生 壹些 白 噪聲
那 麽 S/N 就 叫 信噪比
信噪比 越高 那 麽 妳 傳輸速率 的 極限 就 越 大
香農 就 提出 了 這樣 壹個 公式
所以 妳 看 在 信噪比 壹定 的 情況 下
如果 妳 能夠 讓 這個 電磁波 的 頻段 越 寬
它 占有 更 寬 的 帶寬
那 麽 它 的 這個 傳輸速率 的 極限 就 會 更 大壹些
我們 來畫 壹個 電磁波 的 這個 頻段 情況
畫壹個 頻段 情況
比如說 這是 個 電磁波 頻段
這是 頻率 單位 是 Hz 是 吧
我們 原來 通訊 的 時候
大部分 都 是 在 900MHz 這個 量級
900MHz 附近
是 電磁波 比較 好 的 壹個 通訊 的 頻段
