5G的頻譜效率

從無線通信伊始，大家要解決的問題就是：怎么在有限的頻譜資源內容納更多的用戶？同時讓每個用戶傳遞更多的信息。這就涉及到無線通信中三大主流復用技術：FDMA、TMDA和CDMA。
 

FDMA（頻分多址）：利用不同的頻率分割成不同信道的復用技術。
 

TMDA（時分多址）：允許多個用戶在不同時間段（時隙）來使用相同的頻率的復用技術，允許多用戶共享同樣的頻率。
 

CDMA（碼分多址）：簡言之就是將共享一條信道上的信息進行了不同方式的編碼。
 

FDMA、TDMA、CDMA三大技術大大提升了頻譜利用效率。2G、3G、4G技術在頻譜效率提升上都應用了這三項核心技術。
 

而5G技術其實是2G、3G、4G技術的大融合，將各種技術的優勢結合在一起，屬于2G、3G、4G的融合升級加強版。
 

融合越多，頻譜利用率就越接近香農極限。
 

（美國數學家克勞德·艾爾伍德·香農在1948年提出來一個著名公式——香農定理）
 

香農定理
 

其中C為最大信息傳送速率，B為信道的寬度，S為信道內所傳信號的平均功率，N為信道內部的高斯噪聲功率。
 

這個公式的意義之一就在于推導出即便應用無限大的頻譜帶寬，傳遞信息的速率也是有極限的，因為噪聲N會隨著頻譜寬度B的擴大而擴大，使得傳輸速率最終達到一個極限。同時可以推導出，在給定帶寬上信息傳輸速率所能達到的上限，并指明了達到這個上限的研究方向。這就是著名的香農極限。
 

無線通信科學家們就是希望傳輸速率可以接近這個上限。而5G的頻譜效率已經很大程度上的接近甚至達到了香農極限。
 

5G的信號覆蓋

說到信號覆蓋就涉及到了基站的概念，基站就是我們通過手機連接到運營商網絡的設備，連接到運營商的網絡之后，我們才能實現打電話、發短信和上網。
 

基站與我們通過無線電信號進行連接，通常一個基站的覆蓋范圍是一個以基站為圓心的一個圓，在這個圓之內的手機都可以被這個基站的信號所覆蓋。通常來講，離基站近的地方信號就會好，我們上網速度就會很快，打電話也會很清楚；離基站遠的地方，信號就會不好。
 

通常在一個基站覆蓋的圓里，持有手機的人也不是均勻分布的，如果信號是均勻覆蓋的，覆蓋的效率就會很低，使得應該有信號的覆蓋的地方信號不夠強，而沒有人的地方卻有信號。
 

而在5G時代，要保證每一個基站所覆蓋的用戶無論距離遠近，無論人們是否均勻的分布在基站覆蓋的范圍內，都要有大帶寬和低時延的上網體驗，就對信號覆蓋提出了很大的技術難題，通信技術人員為了解決這些問題，進行了一些重要的技術創新：
 

1 .Massive-MIMO大容量多入多出技術
 

目前我們手機信號連接的是運營商基站，準確的說是基站上天線，室外的天線長這樣：
 

室外天線
 

它們主要出沒在樓頂以及信號塔上。以往一個天線可以理解成一個探照燈，通常覆蓋120度角的扇面（每個基站的三個天線覆蓋一個圓），被“照射”的區域就有信號，但這有一個問題：使用手機的人不會總是均勻分布在這120度角的扇面區域中，可能扎堆在一扇面中的小部分區域，這就造成了“探照燈”照射的浪費，因為它沒有聚焦。
 

“探照燈”式信號覆蓋
 

原“單入單出”的探照燈式信號覆蓋到了4G時代，我們有了“多入多出”和“波束賦形”技術，就好像將一個大的信號覆蓋的天線“探照燈”變成了多個“聚光燈”，“聚光燈”可以找到這個扇形區域中手機都聚集在哪里，然后就能更為聚焦地進行信號覆蓋。當前主流應用的是“4T（Transit）4R（Receive）”技術，顧名思義，就是一個天線可以有4個“聚光燈”負責向多個手機傳遞信號，同時有4個“聚光燈”負責接收手機上行回傳到基站的信號。
 

多入多出的“聚光燈”式信號覆蓋。
 

而在5G階段，由于對信號覆蓋有更高的要求，當前5G全球通信設備制造商已經將5G天線的主流技術推進到了“8T8R”，但中國的華為公司已經可以做到“64T64R”（64個“聚光燈”！大概是家里有礦），遠遠領先于業界。
 

2. 上下行解耦技術
 

5G應用的主流頻譜是3GHz-6GHz，這個波段也被業界稱為C-Band（C波段）或稱黃金波段，這個波段頻率很高，頻率高傳遞的信息量就大，然而頻率越高的無線電波長也越短，波越短，傳遞的距離就短，還容易被阻擋，衰減的非常厲害，用戶體驗上就會不達標。
 

于是，華為提出了“上下行解耦”方案，可以理解為“下行5G頻率，上行4G頻率”。當基站向手機通信時用5G高頻傳輸，因為基站可以加大發出的信號功率以解決信號穿透的問題。但手機的電量和功率是有限制的，所以手機向基站的上行不能通過加大信號強度解決，這時候，我們就可以讓手機與基站的通信用較低的4G頻段傳輸，4G的頻段頻率低，波長長，可以更好的衍射穿透障礙物。
 

此外，在5G上還有很多解決信號覆蓋和降低建網成本的技術，比如愛立信提出的CommonPI atform技術，華為Single RAN技術，以及應對室內覆蓋的LamSite和DOT system技術等。
 

5G對我們普通人來說，就意味著：更快的下載和上傳速度、更流暢的在線內容流、更高質量的語言和視頻通話、更多的聯網設備和更豐富的包括自動駕駛、智慧城市等在內的先進技術。
 

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簡介
 

該PPT作者為王喜文。王喜文博士是國內第一本“工業4.0”方面專著的作者，這個課件是王喜文博士給地方政府和企業家講座的完整內容，通過對5G、人工智能、智能制造等未來科技的分享，希望有助于大家拓展思路、開拓視野。
 

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