通信频段详解（5G）

• 1. 频率相关公式以及计算
• 2. 频率分布以及为何向高频发展
• 3. 信号增强
  • 3.1 增强信号的理解
  • 3.2 所以得出增强信号的方案就是如下：
• 4 5G相关以及与4G对比
  • 4.1 5G趋势：
  • 4.2 4G与5G对比

1. 频率相关公式以及计算

频率相关公式：$v=f\lambda$，

该式对于5G频率的计算：$\frac{{\text{ Speed }}_{-}{\text{of }}_{-}\text{lightc }}{\text{ frequency }(30\sim 300\times GHZ)}=\frac{3.0\times 10^8\mathrm{m}/\mathrm{s}}{3.0\times 10^{10\sim 11}}=0.01\sim 0.001\mathrm{m}=10\sim 1\mathrm{mm}=\lambda$

2. 频率分布以及为何向高频发展

各个领域频率分布：

频率在趋向于高频发展，其相关原因如下（这里是我自己的理解并没有找到根据）：

• 由于高低频如上图已经对频段进行了划分，所以对应的低频和中高频都是已经固定，那么从对应频段上面我们可以知道低频段比中高频的频宽是少很多的，自然可以利用的资源就少很多
• 之前没有使用高频的原因有两种：
  1. 原来对于高频的使用技术还有所欠缺，这些年利用学术界以及公司研发使之技术一步步地完善；
  2. 根据频率公式$v=f\lambda$可以得到$f$越高自然$\lambda$就越低，并且波长越短越容易被阻挡传播因为就越接近直线传播（这一点可以参考光的传播），为了保证覆盖到每一个点就必须多进行基站的建设，不过由于每一个基站更小范围的覆盖肯定也会使单一基站成本降低，但是基站增多自然就会使总的成本增加，这也是之前没有采用高频的原因之一；
     • 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。——电磁波的显著特点；

3. 信号增强

3.1 增强信号的理解

一种形象的理解就是如何弹出琴声最强的音：

1. 所要的声音只能是弦的固有频率；——这一点很难做到，因为影响频率的因素有很多，各点振动状态都不一样，并且还有空气中推力的影响；
2. 驱动点的张力与摆幅之比要恰当，即驱动源要和弦上驱动点的阻抗相匹配。——就是弹的位置要合适恰当

3.2 所以得出增强信号的方案就是如下：

1. 通用情形：

   • 驻波比（为1是最佳理想状态，所以尽可能接近）：衡量部件之间的匹配是否良好（其实有一部分就是使频率与固有频率一致）

   • 产生谐振：振幅之比恰当产生共振

2. 多天线：

   • 波束成型：多天线之间形成信号的增强
     • 实现：智能天线阵列原理并不复杂，主要涉及的知识范围是高中物理教的波的干涉。当由两个波源产生的两列波互相干涉时，有的方向两列波互相增强，而有的方向两列波正好抵消（主要由于电磁波衍射能力过强，不好用自然光那样形成光束，自然光可以通过类似手电筒原理实现）

4 5G相关以及与4G对比

4.1 5G趋势：

多基站覆盖，更强信号更宽频宽

• 频宽够宽传输不拥挤，自然传输速度就提高了；

  • 5G使用的频率

    

• 更先进的波束赋形，用来极大的增强了信号

• 传输延时低，减少不必要的信令：

  1. 通过全双工技术减少信道估计时间；
  2. 缩减 OFDM （正交频分复用）信号的 CP 前缀（循环前缀——主要实现时间的预估计和频率同步），压缩 OFDM 长度；
  3. 网格化设计毫米波基站，降低干扰和时延。

• 压缩网络处理（网格变化是4G->5G很大的改进）

• 「不经过不必要的处理单元」，换句话说就是控制结构和数据传输结构分离。主要使用「雾计算」（下方重复性工作，使用基站作为计算出单元）和「无线缓存」（缓存内容，降低传输延迟）技术。

  

• 天线和波长成正比，频率越长波长越短自然天线也就越短（不过现在手机厂商可以通过一些特殊方法进行天线长度的缩短）；

  • 加感的方式来缩短长度，实际上把里面一圈一圈的线材拉直，长度也接近波长的1/4或者5/8

• 由于波长较短不易发生衍射现象也就是接近直线传播容易对信号产生损耗，那么5G基站的覆盖范围自然也就更少，这就是为什么4G对应宏基站，而5G对应宏基站的原因

  
  

• 天线以及信号相关：

  • 电压驻波比（VSWR）**是射频技术中最常用的参数，用来衡量部件之间的匹配是否良好
    • 发射机与天线匹配的条件是两者阻抗的电阻分量相同、感抗部分互相抵消。如果发射机的阻抗不同，要求天线的阻抗也不同。
    • 天线的VSWR需要在天线的馈电端（与出线相对应，也就是系统入电的部分）测量。但天线馈电点常常高悬在空中，我们只能在天线电缆的下端测量VSWR，这样测量的是包括电缆的整个天线系统的VSWR。当天线本身的阻抗确实为50欧姆纯电阻、电缆的特性阻抗也确实是50欧姆时，测出的结果是正确的。但是这样的条件不一定能够达到，所以尤其在UHF以上频段（4G与5G都包括在内），不要忽略电缆的影响。
  • 如果使用某一个频点信号不是太好（有相应的驻波影响信号强度），可以使用修剪天线进行调试，使之频率与固有频率相近并且更易产生共振；
    • 驻波：由于气体或者某一些物质的不断膨胀以及收缩，造成大萝卜头和小萝卜头的现象，这就是驻波形成的，也会产生一种特殊的现象——马赫环(超音速气流内压缩波和膨胀波相互干涉形成的驻波)

4.2 4G与5G对比

1. 信号范围覆盖

   • 5G对应4G的不同之处可以用冬天取暖的一个形象图来表示，集中取暖势必会造成某一些地方没有照顾到，那么分布式的取暖的好处就是每人一个取暖器能够将热度集中到自己的身上，但是同时也会将设备的数量增多。

2. 频段覆盖：

   • 4G普遍覆盖在3GHZ以下频段

   • 5G全球使用频段在30-300GHZ

   • 目前国内使用：

     • 4G

       • 频段分类：TDD（分时）频段和FDD（分频）频段

         

       • 国内三大运营商：

         1. 中国移动4G目前使用的制式是TD-LTE和FDD-LTE混合组网，使用的FDD B3/B8,TDD B34/B38/B39/B40/B41。
         2. 中国电信目前是纯FDD-LTE组网，原本的TD-LTE频段已经移交中国移动，相关TD-LTE已经退网。中国电信使用的4G频段为FDD B1/B3/B5。
         3. 中国联通目前同样是纯FDD-LTE组网，使用的4G频段为B1/B3/B8。

       • 4G的频段，还包括了以往的2/3G占用的频率，一些国家对原来的2/3G进行翻頻重耕，另外还有一些新增的频段

         

     • 5G

       1. 低频段的Sub6G （FR1：450 MHz - 6000 MHz）；

          • 中国移动：2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz，两段共260M
          • 中国电信：3400MHz-3500MHz，共100M
          • 中国联通：3500MHz-3600MHz，共100M

       2. 高频段的毫米波（FR2：24250 MHz - 52600 MHz）

     参考文章：

     1. 天线和波长的关系
     2. 频段分布
     3. 4G与5G频段分布特点
     4. 驻波原理以及相关现象
     5. 由于驻波产生的马赫环
     6. 波束成型
     7. 天线驻波比的几个实用问题也是馈线出现的地方
     8. 馈线与出线

最后

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