电磁波谱与通讯技术，5G特点

通讯技术是建立在麦克斯韦电磁场理论的基础上

电磁场理论有着非常严谨的数学推理，通讯只是利用电磁理论的一种技术手段，它只是一门工程学科，在可以遇见的未来是基本不可能突破的。
通信技术可以用八个字概括，那就是 调制、解调、编码、解码 调 制 、 解 调 、 编 码 、 解 码 ，这些技术发展到现在，已经普遍到了平台期，例如编码的效率已经接近了极限，内部挖潜增效的余地越来越小，有些业界大牛甚至觉得通信已经没啥搞头了，转行去了其他行业。

5G也不是什么遥不可及的创新革命技术，它更多是对现有通信技术的演进。对于通讯行业来说，他们的追求只能是在电磁理论原理的范畴内，进一步发掘通信的潜力 。

在电磁波谱范围内，通讯所采用的频谱，远远小于光波，与光波不住一个数量级上。

可见光是纳米波，5G是厘米波到毫米波(超高频SHF:3 30GHz)，4G是分米波（特高频UHF:300 3000MHz。 可 见 光 是 纳 米 波 ， 5 G 是 厘 米 波 到 毫 米 波 ( 超 高 频 S H F : 3   30 G H z ) ， 4 G 是 分 米 波 （ 特 高 频 U H F : 300   3000 M H z 。
可见光波长范围：大约400nm～760nm（纳米） 可 见 光 波 长 范 围 ： 大 约 400 n m ～ 760 n m （ 纳 米 ）

4G之前使用是特高频段，5G就得往超高频甚至更高的频段发展了。根据国际电信联盟的专家预测，将来有可能使用30GHz~60GHz的频段，俄罗斯专家甚至提出了80GHz的方案。

高中物理学过的波长公式：

波长=波速*周期

λ=v∗T=vf λ = v ∗ T = v f

v=λ∗f v = λ ∗ f

电磁波

1. 麦克斯韦建立电磁波理论： 1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。 1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。

2. 光也是一种电磁波： 之后，人们又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别。按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。
   如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及r射线。

3. 现有的通讯技术是建立在麦克斯韦电磁场理论的基础上，建立在严谨的数据推理上，利用电磁理论的一种技术手段，它只是一门工程学科，在可以遇见的未来是基本不可能突破的。5G也不是什么遥不可及的创新革命技术，它更多是对现有通信技术的演进。

电磁波速，即光速

1. 光是一种电磁波，电磁波速就是光速。光速是指光波或电磁波在真空或介质中的传播速度。真空中的光速是目前所发现的自然界物体运动的最大速度。

2. 光在真空中的速度 c=3x10^8m/s ，c=λf。
   30万公里每秒。

3. 光从真空射入介质，频率不变，波长减小。

4. 光在介质中的速度：v=c/n，波长：λ=λ0/n。

由光速导出的时间膨胀与质量膨胀，狭义相对论

真空中的光速是目前所发现的自然界物体运动的最大速度。

光速永远都是c，它与观测者相对于光源的运动速度无关，即相对于光源静止和运动的惯性系中测到的光速是相同的，这就是狭义相对论的时间膨胀的原因 光 速 永 远 都 是 c ， 它 与 观 测 者 相 对 于 光 源 的 运 动 速 度 无 关 ， 即 相 对 于 光 源 静 止 和 运 动 的 惯 性 系 中 测 到 的 光 速 是 相 同 的 ， 这 就 是 狭 义 相 对 论 的 时 间 膨 胀 的 原 因 。

狭义相对论中,时间膨胀公式

时间膨胀（又称爱因斯坦延缓）：
t=t01−(vc)2√ t = t 0 1 − ( v c ) 2

设某物体静止时的时间是t0，假设该物体以v速度匀速运行，该物体的时间为t；
其中，c是光速，t0为静止时间，t为新的时间，v为物体速度，c为真空中的光速。

此外，
物体的质量将随着速度的增大而增大，当物体的速度接近光速时，它的质量将趋于无穷大，所以有质量的物体达到光速是不可能的。只有静止质量为零的光子，才始终以光速运动着，这是相对论中质量膨胀的原理。 物 体 的 质 量 将 随 着 速 度 的 增 大 而 增 大 ， 当 物 体 的 速 度 接 近 光 速 时 ， 它 的 质 量 将 趋 于 无 穷 大 ， 所 以 有 质 量 的 物 体 达 到 光 速 是 不 可 能 的 。 只 有 静 止 质 量 为 零 的 光 子 ， 才 始 终 以 光 速 运 动 着 ， 这 是 相 对 论 中 质 量 膨 胀 的 原 理 。

质量膨胀公式

c为光速，
m1=m01−(vc)2√ m 1 = m 0 1 − ( v c ) 2
在参考系中静止的物体质量为 m0 m 0 ,以速度v运动的物体质量为 m1 m 1

光速与任何速度叠加，得到的仍然是光速。速度的合成不遵从经典力学的法则，而遵从相对论的速度合成法则，这就是狭义相对论的基本原理。 光 速 与 任 何 速 度 叠 加 ， 得 到 的 仍 然 是 光 速 。 速 度 的 合 成 不 遵 从 经 典 力 学 的 法 则 ， 而 遵 从 相 对 论 的 速 度 合 成 法 则 ， 这 就 是 狭 义 相 对 论 的 基 本 原 理 。 。

电磁波的存在 , 凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。且温度越高，放出的电磁波波长就越短

从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。且温度越高，放出的电磁波波长就越短。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，除光波外，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。

电磁波的传播速度与光速相等，在自由空间中，为c=3×108m/s。电磁波的行进还伴随着功率的输送。

电磁场是物质的特殊形式，它具有一般物质的主要属性，如质量、能量、动量等。 客观上永远存在着与观察条件无关的统一的电磁场 客 观 上 永 远 存 在 着 与 观 察 条 件 无 关 的 统 一 的 电 磁 场 ，把它分成电场与磁场两部分是相对的，是与试验条件有关的。

电磁波频率低时，主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。

电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。

其速度等于光速c（3×10^8m/s）。在空间传播的电磁波，距离最近的电场（磁场）强度方向相同，其量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长λ，电磁每秒钟变动的次数便是频率f。三者之间的关系可通过公式c=λf。

电磁波的传播不需要介质，同频率的电磁波，在不同介质中的速度不同。不同频率的电磁波，在同一种介质中传播时，频率越大折射率越大，速度越小。且电磁波只有在同种均匀介质中才能沿直线传播，若同一种介质是不均匀的，电磁波在其中的折射率是不一样的，在这样的介质中是沿曲线传播的。通过不同介质时，会发生折射、反射、衍射、散射及吸收等等。电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少，电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。机械波与电磁波都能发生折射、反射、衍射、干涉，因为所有的波都具有波动性。衍射、折射、反射、干涉都属于波动性。

电磁波谱

电磁波谱 按正弦电磁波在自由空间中的波长λ或频率f（λf=c=3×108m/s）的顺序排列而成的表称为电磁波频谱。为了方便，常把波谱分成频段或波段，如表所示。300GHz以上，便依次进入远红外、可见光、x射线和γ射线区域了。

可见光波长范围：大约 400nm～760nm （纳米）

全频段电磁波谱：

可见光范围：

通讯及生活中所使用的电磁波段（全部都是频率小于光波）：

计算

公式
c=λf
c：波速(光速是一个常量，真空中约等于3×108m/s) 单位：m/s
f：频率（单位：Hz,1MHz=1000kHz=1×106Hz）
λ：波长（单位：m）
真空中电磁波的波速为c，它等于波长λ和频率f的乘积
c=λf
真空中电磁波传播的速度c—大约30万千米每秒，是宇宙间物质运动的最快速度。c是物理学中一个十分重要的常数，目前公认的数值是：
c=299792.458km/s≈3×108m/s
单位
电磁波频率的单位也是赫兹（Hz）。但常用的单位是千赫（KHz）和兆赫（MHz）。

通讯及5G技术

通讯技术是建立在电磁波理论基础上的。在可以遇见的未来是基本不可能突破的。
如何在科学原理的范畴内，进一步发掘通信的潜力，是通信行业众多奋斗者们孜孜不倦的追求。

5G的频段具体是多少呢？
日前，我们国家工信部下发通知，明确了我国的5G初始中频频段：3.3-3.6GHz、4.8-5GHz两个频段。
同时，24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高频频段正在征集意见。
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）。
如果按28GHz来算，根据前文我们提到的公式：

好啦，这个就是5G的第一个技术特点——

毫米波

（比较一下可见光波长：大约 400纳米～760纳米，还是长了几个数量级）

可见光是纳米波，5G是毫米波，4G是厘米波。 可 见 光 是 纳 米 波 ， 5 G 是 毫 米 波 ， 4 G 是 厘 米 波 。

既然，频率高这么好，你一定会问：“为什么以前我们不用高频率呢？”
原因很简单——不是不想用，是用不起！

电磁波的一个显著特点：频率越高（波长越短），就越趋近于直线传播（绕射能力越差）。而且，频率越高，传播过程中的衰减也越大。
你看激光笔（波长635nm左右），射出的光是直的吧，挡住了就过不去了。
再看卫星通信和GPS导航（波长1cm左右），如果有遮挡物，就没信号了吧。
而且，卫星那口大锅，必须校准瞄着卫星的方向。稍微歪一点，都会有影响。

微基站

5G特点2，比起4G，基站功率小，基站数量多，
如果5G用高频段，那么它最大的问题，就是覆盖能力会大幅减弱。 5G覆盖同一个区域，需要的基站数量将大大超过4G 5 G 覆 盖 同 一 个 区 域 ， 需 要 的 基 站 数 量 将 大 大 超 过 4 G 。

这就是为什么这些年，电信、移动、联通为了低频段而争得头破血流。
基站就是要花钱买的啊，能不玩命争取么？有的频段甚至被称为——黄金频段。

这也是为什么5G时代，运营商拼命怼设备商，甚至威胁要自己研发通信设备。
所以，基于以上原因。

在高频率的前提下，为了减轻覆盖方面的成本压力，5G必须寻找新的出路。

首先，是微基站。

微基站

基站有两种，微基站和宏基站。看名字就知道，微基站很小，宏基站很大！以前都是大的基站，建一个覆盖一大片：

以前的大基站样子：

现在的微基站样子：

微基站的造型有很多种，灵活地与周围的环境相融合（伪装），不会让用户在心理上产生不适。

提醒基站对人体健康不会造成影响。

而且，恰好相反，其实基站数量越多，辐射反而越小！你想一下，冬天，一群人的房子里，一个大功率取暖器好，还是几个小功率取暖器好？

基站越小巧，数量越多，覆盖就越好，速度就越快。

短天线，天线阵列

5G特点3，比起4G， 手机天线小，天线排列多

大家有没有发现，以前大哥大都有很长的天线，早期的手机也有突出来的小天线，为什么后来我们就看不到带天线的手机了？

有人说，是因为信号好了，不需要天线了。
其实不对。信号再好，也不能没有天线。更主要的原因是——天线变小了。
根据天线特性，天线长度应与波长成正比，大约在1/10~1/4之间。

好，假如按照前面的计算结果，5G的波长大约是10mm的话，那么天线的长度就大概只有 1mm ~ 2.5mm之间了。
频率越高，波长越短，天线也就跟着变短啦！毫米波，天线也变成毫米级。这就意味着，天线完全可以塞进手机的里面，甚至可以塞很多根。

这就是5G的第三大杀手锏—— Ｍassive MIMOMIMO 就是“多进多出”（Multiple-Input Multiple-Output），多根天线发送，多根天线接收。在LTE时代就已经有MIMO了，5G继续发扬光大，变成了加强版的Massive　MIMO（Massive：大规模的，大量的）。

手机都能塞好多根，基站就更不用说了。

以前的基站，天线就那么几根

5G时代，就不是按根来算了，是按“阵”。。。“天线阵列”

波形赋形

5G特点4， 波形赋形
不过，天线之间的距离也不能太近。因为天线特性要求，多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上。

你是直的？还是弯的？

大家都见过灯泡发光吧？

其实，基站发射信号的时候，就有点像灯泡发光。信号是向四周发射的，对于光，当然是照亮整个房间，如果只是想照亮某个区域或物体，那么，大部分的光都浪费了。

基站也是一样，大量的能量和资源都浪费了。我们能不能找到一只无形的手，把散开的光束缚起来呢？这样既节约了能量，也保证了要照亮的区域有足够的光。答案是：可以。

这就是——

波束赋形

波束赋形：在基站上布设天线阵列，通过对射频信号相位的控制，使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常狭窄，并指向它所提供服务的手机，而且能跟据手机的移动而转变方向。

这种空间复用技术，由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务，波束之间不会干扰，在相同的空间中提供更多的通信链路，极大地提高基站的服务容量。

直的都能掰成弯的。。。

点对点

5G特点5， D2D通讯
在目前的通信网络中，即使是两个人面对面拨打对方的手机（或手机对传照片），信号都是通过基站进行中转的，包括控制信令和数据包。

而在5G时代，这种情况就不一定了。
5G的第三大特点——D2D，也就是Device to Device。
Ｄ２Ｄ
5G时代，同一基站下的两个用户，如果互相进行通信，他们的数据将不再通过基站转发，而是直接手机到手机。

这样，就节约了大量的空中资源，也减轻了基站的压力。不过，如果你觉得这样就不用付钱，那你就错了。控制消息还是要从基站走的，而且用着频谱资源，运营商怎么可能放过你。

综合分析

　　加大带宽是起点，由此而产生的毫米波、微基站、高阶MIMO、波束赋型等都是顺理成章的技术趋势。只要把基站做得足够小，其服务范围变窄了，单个用户获得的资源就能足够大，速度就可以提高到足够快。所以说，5G的任何一项关键技术都不会有革命性的突破，其上千倍综合能力的提升，更多地是来自移动网络的重新布局

参考资源：

5G和4G到底有什么区别？

最后

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