5G ist derzeit eines der heiß diskutierten Themen. “Autonomes Fahren”, “Smart Home” und das “Internet of Everything” stehen alle mehr oder weniger im Zusammenhang mit der zunehmenden Verbreitung von 5G. Derzeit drückt mein Land bei der 5G-Entwicklung auf die “Schnellvorlauftaste”, treibt den Aufbau neuer Infrastruktur voran, vertieft die integrierte Entwicklung mit allen Bereichen des gesellschaftlichen Lebens und leistet einen Beitrag zur Entwicklung der internationalen digitalen Wirtschaft.
Vielleicht wissen Sie bereits viel über 5G: größere Bandbreite, höhere Geschwindigkeiten, eine höhere Dichte an Basisstationen sowie Millimeterwellen, Makro-Basisstationen, Mikro-Basisstationen, D2D usw. Heute möchte die Redaktion Ihnen die andere Seite von 5G näherbringen.
Ich glaube, dass in den Augen vieler Menschen “5G = höhere Netzwerkgeschwindigkeit” eine verbesserte Version von “Super-4G” ist. Ist 5G also einfach nur schneller als 4G? Vielleicht ist die Antwort nicht ganz so einfach…
Quelle｜Sina
Warum ist 4G manchmal schnell und manchmal langsam?
Schauen wir uns zunächst einmal 4G an. Wenn Sie schon einmal 4G genutzt haben, kennen Sie diese Erfahrung sicher. In der U-Bahn, die morgens und abends zu den Stoßzeiten mit Menschen überfüllt ist, wird die 4G-Netzgeschwindigkeit Ihres Mobiltelefons extrem langsam. Sobald Sie sich an einem offenen Ort befinden, normalisiert sich die Internetgeschwindigkeit wieder.
Warum lässt die Internetgeschwindigkeit an Orten mit vielen Menschen nach? Gibt es im Internet auch Staus? Wenn Sie das herausfinden möchten, müssen Sie sich auch ansehen, wie 4G-Basisstationen funktionieren.
Die von einer 4G-Basisstation ausgesendeten elektromagnetischen Wellen breiten sich wie Wasserwellen in alle Richtungen aus. Diese elektromagnetischen Wellen enthalten die Informationen, die Ihr Mobiltelefon empfängt.
Die Wellen, die sich in alle Ecken der Welt ausbreiteten
Wenn viele Mobiltelefone gleichzeitig mit dieser Basisstation verbunden sind, muss die Basisstation die Informationen, die alle Teilnehmer lesen müssen, an ihre jeweiligen Mobiltelefone senden.
Zu diesem Zeitpunkt wird das System die von jeder Person benötigten Informationen herausfiltern, sie in “kleine Pakete” bündeln und gemäß der vorgegebenen Reihenfolge mittels elektromagnetischer Wellen in alle Ecken des Landes übertragen.
4G arbeitet mit einem Modus mit 8 Eingängen und 8 Ausgängen. Das bedeutet, dass das System die aus dem Netzwerk hochgeladenen Daten in 8 kleine Teile aufteilt und diese jeweils über 8 Kanäle versendet. Der Empfänger sammelt die 8 Informationsteile und fügt sie wieder zusammen, um die vollständige Information zu erhalten. Dies ist vergleichbar mit einer zweispurigen Straße mit acht Fahrspuren in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung. Jeder in “kleine Pakete” aufgeteilte Informationsteil entspricht dabei einem Auto.
Wenn also besonders viele Mobiltelefone verbunden sind, verlangsamt sich Ihre Internetgeschwindigkeit – genau wie bei Staus während der morgendlichen Hauptverkehrszeit.
Herkunft｜Antenna System Industry Alliance
Wie lässt sich also die Internetgeschwindigkeit erhöhen? Wir haben zwei Möglichkeiten!
Die erste Methode ist sehr intuitiv: Es geht darum, Informationen schneller zu übertragen, das heißt, jedes Auto fährt schneller. Die begrenzten elektromagnetischen Wellen sollen mehr Informationen transportieren, was eine Erhöhung der Bandbreite bedeutet.
Die zweite Methode besteht darin, die “Straße” breiter zu bauen und sogar für jedes Mobiltelefon eine “eigene Fahrspur” einzurichten. Dies ist auch die auffälligste Technologie im 5G-Bereich – Massive MIMO und Beamforming.
Ihre exklusive “Überholspur”
5G funktioniert ähnlich wie 4G. Auch hier werden MIMO-Verfahren (Multiple Input, Multiple Output) eingesetzt, um große Datenmengen in viele kleine Teile aufzuteilen, die nacheinander gesendet oder empfangen werden, sodass jedes Mobiltelefon schnell Daten mit der Basisstation austauschen kann. .
Der Unterschied besteht darin, dass 5G über bis zu 64 Sendekanäle und 64 Empfangskanäle verfügt! Durch den Ausbau breiterer Straßen wird das Problem der “Überlastung” ganz natürlich gemildert. (Dies wird als „Massive-MIMO“-Technologie bezeichnet.)
Doch damit sind die Veränderungen im Bereich 5G noch nicht zu Ende.
Die elektromagnetischen Wellen der 4G-Basisstation werden nahezu gleichmäßig ausgestrahlt. Die 5G-Basisstation sendet Signale aus, die gezielt auf das verbundene Mobiltelefon gerichtet sind.
Wenn die Basisstation ein Mobiltelefon “erkennt”, bildet sie einen sehr schmalen Strahl elektromagnetischer Wellen und sendet diesen in Richtung des Mobiltelefons aus, wobei sie das Mobiltelefon während seiner Bewegung ständig verfolgt. Sind mehrere Mobiltelefone gleichzeitig verbunden, sendet sie zudem mehrere Strahlen aus, die auf jedes einzelne Mobiltelefon gerichtet sind, und verfolgt diese.
Beamforming
Herkunft｜Antenna System Industry Alliance
Im Vergleich zu 4G, bei dem wir alle von einer großflächigen elektromagnetischen Welle umgeben sind, bietet 5G jedem Mobiltelefon eine eigene “exklusive Spur”.
Was sind die Vorteile dieser Vorgehensweise? Ein Vorteil besteht darin, dass die elektromagnetische Wellenenergie effizienter genutzt wird. Es muss lediglich ein Strahl elektromagnetischer Wellen in Richtung des Mobiltelefons ausgesendet werden. Es ist nicht notwendig, elektromagnetische Wellen wahllos in alle Richtungen auszustrahlen.
Zweitens sind die Signale, die Mobiltelefone empfangen können, stärker, da die elektromagnetischen Wellen auf einen sehr engen Bereich konzentriert sind. Die meisten dieser Signale sind brauchbar, und es gibt weniger störende Signale. Wir alle wissen, dass zur Steigerung der Internetgeschwindigkeit – neben der oft erwähnten Erhöhung der Bandbreite – auch die Verbesserung der effektiven Signale eine praktikable Methode ist.
Kenntnisse im Bereich Phased-Array-Technologie und das leistungsstärkste Radar
Freunde, die dies lesen, fragen sich vielleicht: Wie funktioniert es bei 5G, dass elektromagnetische Strahlen, die Informationen übertragen, auf Mobiltelefone gerichtet sind und diese verfolgen?
Das beginnt mit dem Radar.
Ob in Spielen oder in Film- und Fernsehproduktionen – die meisten Radargeräte müssen sich stets ununterbrochen drehen. Das liegt daran, dass frühe Radargeräte elektromagnetische Wellen nur in eine bestimmte Richtung aussenden konnten, um die Position feindlicher Flugzeuge zu ermitteln. Um den gesamten Himmel zu überwachen, muss sich die Radarstation zusammen mit der Sendeanlage drehen, um den gesamten Himmel abzutasten.
Drehradar
Herkunft | Kerbal Space Program
Wenn Sie sich jedoch für Militärtechnik interessieren, werden Sie feststellen, dass die meisten modernen Radarsysteme flach sind und in der Regel nicht rollen. Diese Art von Radar wird als Phased-Array-Radar bezeichnet.
Phased-Array-Radar an einem Kampfflugzeug
Quelle｜Military Network
Phased-Array-Radar
Quelle｜China News Service
Wir könnten doch einmal ein kleines Experiment durchführen. Werft zwei Steine gleichzeitig ins Wasser und beobachtet die Wellen. Ihr werdet feststellen, dass sich die Wasserwellen nicht gleichmäßig in alle Richtungen ausbreiten, sondern in manchen Richtungen stark schwanken, in anderen schwach oder gar nicht. Das ist die Natur der Wellen. Das Prinzip der Überlagerung.
Als Nächstes werfen wir wieder zwei Steine ins Wasser, lassen diesmal jedoch einen Stein zuerst ins Wasser fallen und den anderen erst später. Sie werden feststellen, dass es nach wie vor ein Phänomen unterschiedlicher Stärke und Schwäche der Wellen gibt, sich die Richtung jedoch geändert hat, als wäre sie um einen bestimmten Winkel gedreht worden.
Wenn Sie den Zeitabstand zwischen dem Eintreffen der Steine im Wasser geringfügig verändern, werden Sie feststellen, dass sich auch diese Perspektive erheblich verändert. Mit anderen Worten: Wir können die Richtung der Verteilung der Wellenstärke steuern, indem wir den Zeitabstand zwischen zwei Wasserwellen variieren.
Durch eine Änderung der Phasendifferenz lässt sich die Strahlrichtung verändern
Die Abweichung im zeitlichen Ablauf mehrerer Wellen wird als Phasendifferenz bezeichnet, und diese Phasendifferenz kann die Intensitätsverteilung und die Richtung der neuen Schwingung beeinflussen, die durch die Überlagerung dieser Wellen entsteht. Dies ist das Prinzip des Phased-Array-Radars.
Das Phased-Array-Radar verfügt über Hunderte von Sendern für elektromagnetische Wellen, die unabhängig voneinander elektromagnetische Wellen erzeugen können. Durch Veränderung der Phasendifferenz zwischen Hunderten von elektromagnetischen Wellenstrahlen lassen sich die Richtung und die Intensitätsverteilung der durch deren Überlagerung erzeugten neuen elektromagnetischen Wellen verändern, sodass die elektromagnetischen Wellen den größten Teil des Himmels abtasten können, ohne dass sich die Radarstation drehen muss.
Nachdem das Phased-Array-Radar ein feindliches Flugzeug erfasst hat, kann es zudem die Phase jeder elektromagnetischen Welle so verändern, dass der endgültige Strahl dem feindlichen Flugzeug dicht auf den Fersen bleibt und diesem keine Fluchtmöglichkeit lässt.
Ist euch nach dem Lesen dieses Artikels etwas eingefallen? Genau, 5G-Basisstationen und Phased-Array-Radare funktionieren nach dem gleichen Prinzip, und euer Handy übernimmt dabei die Rolle des “feindlichen Flugzeugs”.
Eine Basisstation, die kein Phased-Array-Radar sein will, ist kein gutes 5G-System.
Quelle｜Sohu
An der 5G-Basisstation befinden sich zudem Hunderte von Einheiten, die elektromagnetische Wellen aussenden. Durch die Anpassung der Phase der elektromagnetischen Wellen kann die 5G-Basisstation zahlreiche Bereiche mit starken räumlichen Schwankungen erzeugen, deren Richtung ändern und Ihr Mobiltelefon jederzeit orten. Sorgen Sie dafür, dass das elektromagnetische Signal mit hoher Intensität und geringer Störung stets auf Ihr Mobiltelefon gerichtet ist.
Wusstest du das? Neben der 5G-Phased-Array-Technologie kommt sie auch in der medizinischen Ultraschallbildgebung zum Einsatz, die wir gemeinhin als B-Ultraschall bezeichnen.
Neben “Massive MIMO” und Phased-Array-Technologien umfasst der praktische Einsatz von 5G auch detailliertere technische Aspekte. Interessierte können sich selbst darüber informieren!
