【5G来了】5G为什么这么快

粉丝福利 

严伯钧的硬派科普秀交流群来啦，跟着严老师一起聊聊科普、了解物理界新动向、第一时间get严老师的活动消息，还有不定期的社群活动福利哦。

入群方式

微信添加yan_bojun，并回复：科普秀，我们将会邀请你入群。

欢迎每一位在听《严伯钧的硬派科普秀》的你的到来。

精华笔记 

昨天我们讲了为什么5G对我们的生活会有那么重大的影响，主要的原因是因为它特别快。今天我就来给你讲讲看为什么5G可以做到这么快。

对于大多数人来说，我相信你可能有一个粗略的理解，是因为5G信号的发射频率特别高的电磁波，所以导致它的传输速度特别快。电磁波基本上长得就跟海浪一样，它是由一连串连续的叫波包组成的。

那频率高意味着什么？所谓的频率就是电磁波信号在单位时间内震荡的次数，上下波动一下叫震荡一次。在物理学上用赫兹这个单位来表征频率，一赫兹就是每秒震动一次，你的频率越高，就说明你在一秒钟震动的次数越多，相应的电磁波波包的数量就越多，如果是1万赫兹一秒钟就可以传输1万个波包。我们无线网传输传播的信息，都是承载于这些波包当中发出去的。这个东西就跟寄快递一样，频率低，单位时间内能够寄的包裹数量就少。比方说4G时代可能你一天能寄十个包裹，但是到了5G时代，很有可能一天能寄几千个。所以说频率高了，单位时间内传递的信息就更多，于是网速就更快。

在无线网络通信的情况下，有一个更重要的影响网络传输速度的因素叫带宽，举个例子，比方说中国移动作为一个运营商，它的4G信号的范围：

第一段是1880兆赫兹到1890兆赫兹；

第二段是2320兆赫兹到2350兆赫兹；

第三段是2575兆赫兹到2635兆赫兹。

就是说中国移动它的4G信号只有这三个段落里的频率是可以使用的。

那再给你对比一下，比方说中国联通它的频率信号就不一样了，它也分三段，分别是：

2300兆赫兹到2320兆赫兹，是第一段；

2555兆赫兹到2575兆赫兹，是第二段；

1850兆赫兹到1860兆赫兹，是第三段。

所以说中国移动和中国联通，它们的频段信号是不重叠的，它们不能用相同频率范围内的电波。

那么我们再对比一下，中国移动这三段频率加起来，它总共有120兆赫兹范围的电磁波可以用，所以说它的带宽就是120兆赫兹。而中国联通的这三个频段加起来只有50兆赫兹，也就是说中国联通的带宽是没有中国移动的带宽宽的。

所以对无线通信网络来说带宽也是一个非常重要的影响因素，然而带宽每个运营商可以用哪一段，其实是政府部门分配的，并不是说你想用哪一段就用哪一段。

之前有部非常火的电视剧叫做《神探伽利略》，是一部日剧，其中有一集嫌疑人的犯罪手法就是用所谓的违法电波。我当时看到这个电视剧非常奇怪，电波这个东西还能违法。后来我了解到，电磁波你去发射使用的信号频段范围其实是要被严格规定的，所以说你能用多宽的频率范围的电磁波，你的带宽就有多宽。。

举个例子，那种非常老式的公寓楼，大家倒垃圾都会把垃圾从一个管道当中扔下去，然后垃圾就会滑到统一的垃圾处理中心。如果你是往窗外扔垃圾，你能一口气扔多少垃圾，基本上只跟你的垃圾袋大小有关，你的垃圾袋越大，你就可以一口气扔越多的垃圾出去；但是现在有了一个管道，那么这时候你最多一口气能扔多少垃圾，就跟管道的粗细有关了。如果是一个很细的管子，你的垃圾袋再大你也扔不下去。

带宽这个概念在通信领域中就很像我们刚才说的垃圾管道，一定要你的带宽够宽的情况下，你的数据量才能上去。

为什么又说粗略情况下频率高速度就快，是因为在有线网或者比方说你家的Wi-Fi，在这两种情况下有线网它是只服务于你一个人的，那它给你传递的信号带宽是非常宽的。可以说在可能的范围内是无限宽的，你不用跟别人去抢带宽，所有的带宽都是你的，这个时候你能一口气扔多少垃圾，那真的就只跟你的垃圾袋大小有关了，你的频率越高，你单位时间内能发送出去的内容越多，就相当于你的垃圾袋非常大。

所以我们在昨天曾经举过一个例子，不要把5G的移动通讯网络跟5G的Wi-Fi搞混，现在我们主流的Wi-Fi其实是有所谓的5G和2.4G这两种。这里的5G和2.4G它仅仅就指信号发射的频率。5G赫兹的G就是5后面跟九个0赫兹，然后2.4G就是24，后面跟8个0赫兹，它仅仅是一个频率。这两种Wi-Fi确实是5G 的速度更快，因为它发射的频率高，这个时候大家都没有带宽的限制。

但是移动通信网络就不是这样了，因为移动通信网络相当于在这个区域内的大家都共用一根管道，它的频率资源是要去大家分配的，并不是每一个运营商都可以占据所有的带宽。

到这你就应该明白了，因为我们的无线通信网络它是所有的人去共享网络资源，所以说每一家运营商他获得的频率范围都是有限的，不然大家信息交叠在一起那不就打架了？所以说带宽更宽才是无线通信网络速度能够更快的一个更加重要的指标，光频率高是没有用的。

那么这里要把一个因果关系给理清楚：5G之所以频率高，不是因为频率高导致它速度快，而是频率高的地方，它的带宽资源更丰富。

我再给你打一个比方，房地产商我们都知道他们肯定是要去抢占那些最黄金的地皮，可能市中心价格就非常贵。那么在以前3G、4G的时代，它的频率比较低，大概就只有几千兆赫兹，那一个运营商它再强大，它最多也就占到几千兆赫兹的频段，不可能再大了。更不要说这么多运营商都来分享几千兆赫兹，到现在3G、4G，频段基本已经被瓜分殆尽了。

那么这个时候出现了5G为什么要去高频段？去高频段，就好像房地产商们发现了一块新大陆一样，而且这块新大陆的面积非常大，它的赫兹数就不是几千兆赫兹了，都是几十万兆赫兹。这样每一个房地产商或者说每一个运营商，它就有更多的带宽资源可以分享，比方说以前在D频段可能只有3000兆赫兹，10个运营商分每人分300。但是如果我们能够到3万兆赫兹这么高频的领域呢？10个运营商分每人都能分到3000兆赫兹的带宽，这是一个非常巨大的提升。

所以这个里面的因果关系不是说因为频率高所以速度快，而是在高频区域有丰富的带宽资源，带宽宽了之后速度就可以更快，它是一个自然选择的结果。我们讲了这么多一直在强调，对于无线通信网络，带宽是一个比频率更加重要的因素。当然除了这个因素以外，5G还有很多技术手段可以提升你的网络传输速度。

比方说有一个技术叫做Massive Mimo，叫多进多出，什么东西多进多出呢？当然是信号多进多出。不知道你对90年代的大哥大还有没有印象，跟个砖头一样，天线特别的长。但是之后，到摩托罗拉、诺基亚开始做手机，天线越做越短，一直到我们现在智能手机，天线你都看不见，这是为什么？恰恰是因为随着我们技术的进步，所用的频率在不断的提高。

为什么频率提高天线要做小？恰恰是因为频率越高的电磁波，它的波长就越短。不知道你有没有了解过钢琴的内部构造，在钢琴上越高的音，相对应的那根发出音的钢琴的琴弦就越短。所以说频率越高的信号你要有越小的设备去产生它和接收它。

多进多出就是说当5G时代由于频率非常高，所以天线可以做得超小。5G手机里面的天线可能密密麻麻有无数根，当天线多了之后肯定接收的信息量也就越大。

第二个技术叫做波束赋形。传统的3G、4G信号，基站发信号的时候是东南西北各向均匀的发射，它不管你的手机具体在什么地方，这种发射方式其实是非常浪费能量的。波束赋型这种技术就是说，5G时代的基站可以探测出你的手机大概在哪个方位，然后只对准你手机的方位进行信号发射。这样的话就能节省很多的能量，那么接收数据和发射数据的效率就更高。

第三个就是5G时代，基站的数量会非常多。我们知道在物理学上有一个现象叫做衍射，就是一个波遇到障碍物它的绕行能力或者拐弯能力如何？而频率越高的波，它的拐弯能力是越差的，这样就导致一个结果，5G信号虽然速度很快，但是它的覆盖性很小。

传统的3G、4G的基站，一个基站估计可以覆盖方圆三公里左右的范围，但是到了5G时代，一个基站就只有1%的覆盖面积。不过没关系，恰恰因为5G的频率很高，所以它的基站可以做得很小，就跟天线可以做得很小道理一样。一个5G的基站大小可能就跟一台笔记本电脑差不多大，不像3G、4G时代，你恨不得要造一座小塔才可以做成一个基站。覆盖面积小，体积也小，所以在5G时代基站数量会非常多，恨不得一个街区就有好几个基站，可能每一栋大楼里面都有两三个基站。在这样的情况下，手机在接收信号的时候就不只对准这个区域当中的一个基站接收信号，而是可以接收多个基站的信号，接收信号的效率也更高。

总结一下我们这节讲了什么，最核心的一个信息就是5G之所以快，表面看上去是因为频率高，但其实是因为在高频的区域带宽的资源更多，每一家运营商有更多的带宽，所以才能让你的传输速率更快。那么除此以外5G还有各种各样的技术，比方说多进多出，比方说波束赋形，让你的传输效率更高。

最后我想请你来思考一个问题，刚才我们说了5G时代基站是非常多的，可能电磁辐射到处都是，电磁信号弥漫在整个空中，你觉得5G网速这么快，频率这么高，能量这么高，会不会对我们的现实生活产生一定的隐患？你觉得这些隐患大概会是什么？非常期待在留言区看到你的留言。