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(nèi)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(fù)用技術(shù)：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(fù)用技術(shù)。
 

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(fù)用技術(shù)，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(jìn)行了不同方式的編碼。
 

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

而5G技術(shù)其實是2G、3G、4G技術(shù)的大融合，將各種技術(shù)的優(yōu)勢結(jié)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(nóng)極限。
 

（美國數(shù)學(xué)家克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)在1948年提出來一個著名公式——香農(nóng)定理）
 

香農(nóng)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(nèi)所傳信號的平均功率，N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。
 

這個公式的意義之一就在于推導(dǎo)出即便應(yīng)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(dá)到一個極限。同時可以推導(dǎo)出，在給定帶寬上信息傳輸速率所能達(dá)到的上限，并指明了達(dá)到這個上限的研究方向。這就是著名的香農(nóng)極限。
 

無線通信科學(xué)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(jīng)很大程度上的接近甚至達(dá)到了香農(nóng)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(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，連接到運營商的網(wǎng)絡(luò)之后，我們才能實現(xiàn)打電話、發(fā)短信和上網(wǎng)。
 

基站與我們通過無線電信號進(jìn)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(nèi)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(wǎng)速度就會很快，打電話也會很清楚；離基站遠(yuǎn)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(yīng)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(yuǎn)近，無論人們是否均勻的分布在基站覆蓋的范圍內(nèi)，都要有大帶寬和低時延的上網(wǎng)體驗，就對信號覆蓋提出了很大的技術(shù)難題，通信技術(shù)人員為了解決這些問題，進(jìn)行了一些重要的技術(shù)創(chuàng)新：
 

1 .Massive-MIMO大容量多入多出技術(shù)
 

目前我們手機信號連接的是運營商基站，準(zhǔn)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(qū)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(qū)域中，可能扎堆在一扇面中的小部分區(qū)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(shù)，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(qū)域中手機都聚集在哪里，然后就能更為聚焦地進(jìn)行信號覆蓋。當(dāng)前主流應(yīng)用的是“4T（Transit）4R（Receive）”技術(shù)，顧名思義，就是一個天線可以有4個“聚光燈”負(fù)責(zé)向多個手機傳遞信號，同時有4個“聚光燈”負(fù)責(zé)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(dāng)前5G全球通信設(shè)備制造商已經(jīng)將5G天線的主流技術(shù)推進(jìn)到了“8T8R”，但中國的華為公司已經(jīng)可以做到“64T64R”（64個“聚光燈”！大概是家里有礦），遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于業(yè)界。
 

2. 上下行解耦技術(shù)
 

5G應(yīng)用的主流頻譜是3GHz-6GHz，這個波段也被業(yè)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(dá)標(biāo)。
 

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(dāng)基站向手機通信時用5G高頻傳輸，因為基站可以加大發(fā)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(wǎng)成本的技術(shù)，比如愛立信提出的CommonPI atform技術(shù)，華為Single RAN技術(shù)，以及應(yīng)對室內(nèi)覆蓋的LamSite和DOT system技術(shù)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(nèi)容流、更高質(zhì)量的語言和視頻通話、更多的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和更豐富的包括自動駕駛、智慧城市等在內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)。
 

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簡介
 

該PPT作者為王喜文。王喜文博士是國內(nèi)第一本“工業(yè)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(yè)家講座的完整內(nèi)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。
 

部分截屏
 

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