图解：什么是 5G？ 5G 为什么那么厉害？

文章来源：娃紫（ID：massive_a）； 如需转载请联系原作者授权

5G 这么火

它到底是什么？

为什么那么厉害？

看完就全知道了

引子

从 2020 年初开始，5G 好像一下子变得和新冠一样出名了。今年是 5G 商用的元年，从国家战略到百姓茶余饭后，5G 被广泛谈及，而且被赋予能改变世界的极大希望国家层面，5G + 工业互联， 5G + 新基建，5G + 车联网，5G + 一切 （有点地摊 大饼加一切的意思）；百姓层面，5G 手机来了，用 5G 能秒传电影、5G 玩游戏超顺畅。

例如，一部 2G、3G 大小的电影，用 5G 网络 秒秒钟就能下载下来，5G 如此神奇的说，那到底 5G 是个什么东东呢？能讲明白的人应该是极少数的。本文用拆解 + 图解的方式，用最简单、易懂的语言把屌爆 的 5G 呈现出来

看完本文，你就全明白了 什么是 5G ? 为什么这么厉害？

渊源

曾经的曾经，人们之间传递信息基本靠吼、靠飞鸽、靠狼烟烽火、靠书信，到后来，一个叫麦克斯韦的外国老头，发现空气中有一种看不见摸不着的东西。这种东西跑的比飞鸽快多了，能和光一样快，和光一样快有多快呢？

就这么说吧，人家绕着地球跑一圈只需要 0.13 秒

是不是惊掉下巴了？你没有看错，就是大写的 0.13 秒。也就是说，这个玄幻的东西，1 秒钟可以绕着地球跑 7 圈还多。你肯定会说了：别闹，这不是说胡话吗，看不见？摸不着？还跑的快的没影？

后来人家老头又说了，这玩意不但跑的飞快，还能带着信息跑。大家不信归不信，但是也有少数老头的信徒信了，拿来试了试。这一试，可了不得了，离得老远的距离，这头打一个字，那头马上能清楚的看到了，看来人家老头还真不是半夜说梦话，真是有这么个东西存在，后来老头管这玩意叫电磁波。

傍上跑这么快的大佬，通信的发展就开始起飞了。一开始通过电磁波发电报，到后来就是人们比较熟悉的 2G ，再后来出了 3G， 又后来出了 4G，有些人问，你搞 5G，这个 G 是什么意思呢？为什么不叫 2A, 3B, 4C, 5D 呢？

其实很简单，这个 G 是英文 generation 的第一个字母，表示一代的意思。2G 就是第二代，3G 就是第三代，这么说多明白，非得搞个外文拽一下，搞的很高深的样子。好像不把人拽迷糊了，就称不上高科技似的，为什么没有 1G 呢？其实是有的，只不过离我们比较久远而已，听说过大哥大吗？这哥们真有大哥的范，即能远距离通话，还能当搬砖防身，别在腰上还能显摆一下，果真多功能机。80、90 年代，一个这家伙得大几千块，甚至上万块，有没有这玩意，成了暴发户爆没爆起来的标志。因此，大哥大也就成了 1G 的代名词。

后来 2000 年左右的 2 代，2008年左右出了 3 代，2014年出了 4 代，就这样一代一代的演进到现在的 5 代。

从上面这张图看出：

1G 能打电话，2G 增加了发短信功能，3G 可以多媒体了， 4G 能看电影了，5G 那就大饼 + 一切了，也是本文讲详谈的内容。在 2G 和 3G 之间还有一个不为绝大多数人所知的 2.5G，用来传输少量的网络数据，但还支持不了多媒体数据。不是必考内容，属于了解型的

规则

社会很复杂，但凡是人与人交往，都是有规矩的，不守规则可是行不通的。通信就是用来满足人与人之间交往的工具，所以自然少不了规则，移动通信繁琐复杂，为了用最简化的人话把通信讲清楚，将通信比较交通来讲述。

遵守规则的手机才能撩美女/ 帅哥，只要你知道号码，不守规则是撩不了的。和交通一样一样的，车辆要么都贴右边走，要么都贴左边走，反正得遵循一样的规则，不然，往哪开的车都有，肯定就撞乱套了，所以，和交通一样，通信也是要制定通信规则的。全世界给移动通信制定规则的组织有好几个，比较有名的有 3GPP, 3GPP2, ITU 等，最有名的就是这个 3GPP。

每年来自全世界搞通信的公司都派代表聚集到一块吵架，不，是讨论。一个议题一个议题的讨论，最后多方举手达成一致，确定好每一条细致的通信规则，然后把确定的规则写成文章发往全世界，再然后，全世界的通信公司就按这个规则生产手机、基站、智能手表、路由器等等等设备了。

之前的 2G, 3G, 4G 的规则都是这么来的，当然 5G 也是这么搞出来的

厉害

前面做了这么多的铺垫，终于到本文的正题了，5G 和前面的 4G 相比主要有这么几个大方面的提升。

• 传输的速度快了，还记得秒传高清电影不？

• 时间延迟低了，到底多低，毫秒级，下面详谈

• 能连接的手机数量多了，到底能连多少个？下面详谈

2017 年通信业内把 5G 性能的提升用一朵妖娆的小花概括了一下，号称 5G 之花，就长下面这样的。

婀娜不婀娜？娇羞不娇羞？妖娆的花瓣和花朵，连叶子都如此妙花朵里面的黄色表示4G能干的事，外环粉红色部分是5G能支持的功能，整个大了一圈。具体概括起来，5G 主要从六个方面提升了性能:

• 用户体验，秒传高清电影

• 连接密度，1 平方米可以放一个手机

• 时延，消息从发送到接收是毫秒级的（须知1 秒 = 1000 毫秒）

• 移动性，在 500  公里每小时的火车上，高清晰电影照看不卡（现在最快的高铁时速为 350 公里每小时，打电话仍还会卡顿）

• 峰值速率20Gbps，概念就是如果是峰值速率，1 秒钟能下载 10 部高清电影

• 流量密度，30T 每平方公里，概念就是支持 1 平方公里内 1 秒钟能传 600 万张图片，或者 600 万首歌曲，或者秒传 20000 部 《红楼梦》长度的小说

够爽不够爽，还有谁？5G之花就是描述上面六个方面的意思。怎么样？是不是对 5G 能干啥有了大概的了解了。5G 牛逼的不行不行的，不禁会问，为什么 5G 这么屌？马上来硬菜，详谈为什么 5G 这么厉害。

大带宽

在 4G 时代，手机的通信带宽是 20M, 也就是说现在的绝大多数手机就是在 20M 的宽带上刷剧、打的游戏。什么是 20M 带宽？还记得前面说的麦克斯韦那老头发现的电磁波吗？

在交通中，道路的宽度是用米来衡量的， 路宽3米，路宽5米。人们对电磁波的衡量是按带宽来衡量的，因此 20M 就是个电磁波里的量而已，和路宽3 米一样的概念。

到了5G ，手机最大可以在100M带宽上传电影、刷电视剧。5G和4G相比整整提升了5倍。就像原来3米宽的单行道，现在一条单行道修到了15米宽。

原来只能1辆车行走，现在同时可以跑5辆车，就是这么意思。所以，5G 比4G在带宽上就宽了5倍，能同时传输的数据量当然至少也就翻了5倍

高密度

这个密度指的是基站的密度，也就是1平方公里范围内基站的数量。基站这个概念对于非通信专业的人来说，应该不太了解。先科普一下基站这个概念，基站就是长这么个样子的。

世界从不缺乏美，只是缺乏被发现，它其实就是我们每个人身边。上面板砖样子的就是信号转发装备，所有手机通话、电影、游戏等业务都要经过这个东西才能被你收到。当然，你的手机发送的微信、拨打的电话也都要先统统经过这个东西才能到达目的地的。

例如，小A想给在另一个城市的女朋友打电话，过程是这样的。首先，小A拨打女朋友手机号，前面讲的电磁波就从手机上飞出去了，它总不能到处乱飞吧。它的下一站就是基站上的板砖，经过这个板砖的处理，再通过光纤将数据往后传，传到核心网后把小 A 想给女朋友说的话，进行系列检验。确定：嗯，是人话。

然后将数据继续往下一站转，直到传到小 A 女朋友所在城市的核心网，再传到女朋友所在位置的基站，经过这个基站再下发到小 A 的女朋友的手机，成功接收到后，把小 A 说的话解析出来。整个流程如下图：

一个基站下面能接入的手机个数是受限的,当数量达到上限以后，要么新的想接入的接不进去了，要么大家的速度都下降，匀一部分资源给新来的。两种情况都严重影响到用户的体验了。所以，在 5G 里增加了基站数量，提高了基站的密度，提高了多少呢？

5G的基站密度是4G基站的3-5倍，仍然按图说话吧。

仍然和4G对比，同样大小的区域范围内，5G基站的数量是4G时候的3倍。以前 4G 时，一个区域内所有手机往一个基站上发信号，到了 5G 把这个区域又细分成了若干份，每一份中部署一个基站，在每一小份中的手机可以把信号发到小区域的基站上。这样一来，自然是基站密度越大能接入的手机数量越多。另外，从专业的角度，5G基站多了，手机离基站的位置比 4G就更近了，距离近了信号自然就更好了，所以，从信号强度的角度 5G 也远强于4G的。从基站密度和信号强度来综合比较， 5G比4G强至少5倍以上。

多天线

多天线技术在 4G 时就引入了，只是当时基站一侧天线数量普遍还比较少，一般基站侧为 8 根，手机端天线数只有 1-2 根。看官是不是转着手机找天线呢？

不用找了，随着天线技术的演进，天线都集成到了手机内部了，不像以前的手机，天线是露在外面的，上图对比一下。

最左边大哥大的天线是露在外面的，而且很长。到了 2G、3G 时代，天线变小了一点，但是仍然得露在外面，看中间曾经的诺基亚神机。到了 4G、5G 时代，手机的天线基本就是最右边图中绿色贴片的样子了，在外面是看不到的，天线是干啥的呢？

几乎所有数据的发送都是要通过天线发射出去的，连孩儿的遥控汽车都不例外的，如果没有天线，遥控的距离就大大的缩水了。为了方便表述，我们假设每根天线能传输 1 路数据，如果手机里面集成了 1 片天线，就只能收、发 1 路数据。如果手机里面贴了 2 片天线，就能同时收、发 2 路数据了

现在，在5G最新的手机里面贴了4片天线，因此，最多可以同时发4路数据。如此算来，那5G比2G、3G时代手机就又快了 2-4 倍。再来看一下基站一侧的天线情况，还是直接上图说话吧。

图中戴的红帽子就是天线，2G基站天线只有2根，最多也就是能传2路数据，所以2G只能打电话、发短信。而且，在2G时代，一到晚上打电话的人多了，就不容易拨通电话，因为资源有限，抢的人多，僧多粥少。

到了3G升级到了4根天线了，支持多媒体了，再往后发展到了4G升级到8 根天线，现在的电影和电视剧就是通过这8根天线发到你手机上的。到了5G时代，基站天线的画风大变，天线数量升级到了192根，甚至256根。看图中最右边图，基站上除了天线就是天线了，密集恐惧症的可能要纠结了。和4G相比，5G基站的天线数整整扩展了24倍，甚至32倍。这就是上面提到的为什么 5G 能在 1 平方公范围内传输 30Tbps 数据的原因，仅从天线数量和能传输的数据路数来看，一个 5G 基站支持的手机数量就是 4G 时候的 20、30倍。5G 技术仍然如此犀利，提升仍然如此明显。

波束赋形

什么叫波束赋形？

简单的说，就是将信号对准目标方向发射，在 2G, 3G 中信号都是向四面八方发射的，不管接收信号的对象在哪。4G 里大部分信号也是这样毫无目标的发射的。这就会导致一个问题，信号能量有限，跑不远；同样的一锅粥，分成 8 份和分成 1 份相比，哪种情况分得粥多？显然，是分成一份的时候分得的多，分 8 份只能得 八分之一， 分 80 份就只能得到 八十分之一了。

波束赋形和向四面八方发射信号就像分粥一样。波束赋形中，发射信号的能量都集中在一个方向，四面八方发射中，信号的能量被分成了无数份，每一份的能量就极大的衰弱了。主席曾说过：伤其十指，不如断其一指；只在目标方向上发力，不四面出击，波束赋形就是这个意思。直接上图对比说明吧：

上面这张图表示的就是全方向发射信号的情况。在中心位置绿色的地方有一个基站，向四周发射信号。你作为上帝之眼在上面往下看就是这么个样子，信号的能量（红色表示）在四面八方都会有，近似均等的分配。在一个方向上信号能量有多少，可想而知了。总发射能量的 N 等份之一，再来看这张图：

上面这张图是波束赋形方式发射信号，这是同时服务于多个手机的情况。假设只有一个手机，那么基站就把所有的能量往这一个手机的方向打。这个方向所获得的能量就是全部的发射能量。和上一张图中四面八方的发射相比，能量得到了极大的集中。能量集中了肯定传的距离就远，对于对象手机而言，信号肯定就会好很多很多。

因此，波束赋形技术被 5G 全面采用了，5G 里面所有的信号都是波束赋形的方式发射和接收的了。性能显然得到了大大的提升。

服务下沉

这个技术在行业里叫作 边缘计算， 英文叫 MEC, 听起来是不是很牛。这是个怎么回事呢？

容我慢慢道来，以前的数据传输是这样的画风，直接上图。

你想要看片，得经过这样的步骤：

1. 手机发送要看电影的请示“我要看《金刚川》”

2. 你的请示从手机发出去以后，下一站是基站

3. 基站经过层层网关再把你的请示发送到核心网

4. 核心网再把你的请示经过网关、防火墙发到因特网上

5. 因特网根据你的请示把内容找出来，再按原路返回来

须说明的一点是，回来的路和去的路基本是一样的，也得经过这么多关口、走这么长的路，才能到达你手机上。你肯定会想了，走这么长的路，过这么多关卡，传输速度肯定会下降很多。恭喜你，答对了。你又说了，走这么长的路，时间消耗肯定也很长，恭喜你，又答对了。那怎么办呢？

把距离缩短一些，就能完美解决以上问题。恭喜你，非常对。边缘计算就是这么干的。你看，所谓的高科技，其实往往思想都是很朴素简单的，远远没有你想象的那么复杂。有些人喜欢把问题搞复杂了，好显示自己做的很有技术含量，怕别人抢了自己的饭碗，那纯是唬人了。

这张图中，看到最高的 本地数据网络这个圆圈了吗？再看一下最后面的那个 数据网络圆圈。比较一下，以前所有的电影、电视剧、新闻、视频都是放在最后那个圆圈里的。你想要啥内容，得经过前面一系列的关卡，才能拿到。现在把一部分内容移到前面那个 本地数据网络圈里去了。你的服务请示从手机（就是图中的那个 UE）来了以后，过了基站就直接到达存放内容的地方了。不会再通过后面的那一大坨关卡了，即省时又省力。

边缘计算就是这么干的，把服务下沉到离用户更近的位置，把用户需要的信息提前下载到本地数据网络中。当用户需要时，伸手一拿。“啪”一下就能拿到，很快啊！这个东东，虽然思想很简单，但是真是太牛叉了。

记得前面说的那朵妖娆的小花吗？现在时延的减少主要靠这个东东了，它可以极大的减少数据传输时延。设想在高铁上你想看个电影，如果你的请示经过列车传到外面，再经过基站，路由，核心网，网关，防火墙等到因特网，然后数据再经过同样的路返回来。这一来一去耗费多少时间，再说车跑那么快，你收到收不到还是个问题。

搞了这个边缘计算，可以在列车停靠在中间站点时，就把数据都下载到列车的本地存储里了。你可能会疑惑，每个站停个几分钟，能传完吗？别忘了，5G 传东西是以 毫秒来计算的，所以下载些视频、新闻、小说类的完全没有问题。

就这样，MEC 把 5G 的时延问题又给解决的非常漂亮

编码升级

用快递运送易碎物品时，要在箱子里加很多细软的东东，泡沫板、气泡膜等，防止道路颠簸，导致物品损坏。画风是这个样子的。

一个箱子里不可能鸡蛋挨鸡蛋的放，全是鸡蛋。要用很大的空间来用泡沫板隔开，可以增加抗震性。这样做可以防止鸡蛋运输过程中被震碎，但是泡沫板会占去箱子很大的空间。在通信中也是一样的，你刷的剧是放在数据包中发送的。信道和大道是一样的，有的地方是平坦的，有的地方会很颠簸。为了防止数据包中的数据在信道颠簸的地方被震坏，要在数据包中加入些像泡沫板似的东西。当然，这些东西也会占去数据包内很大的空间，就会导致运送有用数据的空间被压缩了。

到了 5G 通信中，会根据信道的好坏添加不同数量的防震板。如果全是高速公路，运鸡蛋的盒子里基本不用放板子，也没多大问题。如果是在坑坑洼洼的路上走，即使放很多泡沫板仍然会有鸡蛋被震碎，所以要多放些细软。5G 中先对道路进行评估，如果是较差的信道，就在一个盒子里多加入些防震板子，少放点有用数据。如果通信信道非常好，像铁路似的，基本没有颠簸，那就放很少量的防震板，多放些数据就 OK 了

因此，5G 在 4G 的基础上进一步挖掘了数据包的可用空间，用来传送有用的数据。4G 一个箱子中最多放 6 个鸡蛋，到了 5G 每个箱子中最多可以放 8 个了，提升了 三分之一， 33 %。再加上防震细软的减少，提升可是非常可观的

设计升级

对 5G 拆解到这，基本上也拆的差不多了，再有就是比较抽象的了。你会说 5G 也太简单了吧，就这么点东西，用个例子类比一下，还有些具体的细节提升，非常抽象的。不太好讲清楚的细节就不讲了，容易绕迷糊了。独孤九剑学个 7 成基本上就能算高手了，5G 了解到这些，能说明白，你就已经不简单了。

再说一说这个比较抽象的 设计升级。在通信中要传输的数据不仅仅是你关心的影片，还要有控制数据。什么叫控制数据呢？

比如上节中，你发上去的“我要看金刚川”的请示就是控制信号。这类信号也是要占带宽资源的，但是它没有给你提供需要的东西。打个比方，公交车是用来运送乘客的，但是并不是车内所有的座位都是给乘客用的。还有司机、乘务人员、安保人员，这些人也是要占一些座位的，但是这些人不能算是乘客。5G 里面的控制信号就像是公交车里的乘务人员，乘务人员越多，能载的乘客就越少。而希望的是乘务人员越少越好，那样，能载的乘客就会越多。5G 的设计也是按这个朴素的思想来的，看看，也挺简单的。

基于这个原理，上面开 3GPP 会议的人就开始盘算了，怎么能将控制信号缩减到最少，这样在带宽一定的情况下，能传输的有用的数据就会多了，在经过不断的争吵后，将 2G, 3G, 4G 中一些控制性的信号就和平的砍掉了。重新设计数据的调度方法和资源结构，最大限度的减少控制的数量，使传输有用数据的资源就相对变多了。以参考信号为例表述，一些参考信号进行了重新设计和升级。

上图中是 4G 参考信号的样子，里面花花绿绿的都是控制信号，白色的小框才是用来发有用数据的，数一数，算一算，控制信号差不多占去了将近一半的资源了。如果一辆公交车上有一半的工作人员，就有人该发疯了，设计升级以后，5G 参考信号的画风是这样的。

控制信号只有中间黑色的几个了，和上面一张图比，少了很多吧。剩下的资源都可以用来发送有用数据了。把问题搞复杂往往不是难事，难的是把复杂的事搞简单，真的是太难了，但 5G 在设计上，大家费了老大劲，总算做到了。你就知道，一些占资源的控制信号被砍掉了，剩下更多的资源留给了有用数据传输了，从而，极大的增加了有用数据的传输资源。

结

5G 性能牛到爆基本上就是从这些地方作的改进。总结起来主要这么几点：

• 道路弄的宽了，带宽变大了

• 基站的密度变大了，间距变小了，信号变好了

• 天线数量变多了，同时能传的路数变多了

• 将波束对准目标，传得远且信号好

• 服务下沉到离你最近，节省传输的时间

• 编码升级，道路状况好的时候，箱子里放的泡沫板少了

• 设计升级，把公交车上的乘务人员数量减少，容纳的乘客就多了

按上面分条拆解的算一下，5G 比 4G牛多少倍？几倍几倍的乘起来，没有 1000 倍，也得有大几百倍了吧。4G 看电影，刷个剧，搞个在线游戏都还算可以，用上 5G 后，什么体验？自己想吧。

说 5G 牛爆了，一点都不过分吧。

编辑：六块钱的鱼