5g技术的原理(详解)

5g技术的原理

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5G的频谱功率
从无线通讯开端，大家要处理的问题便是：怎么在有限的频谱资源内容纳更多的用户？一起让每个用户传递更多的信息。这就涉及到无线通讯中三大干流复用技能：FDMA、TMDA和CDMA。
FDMA（频分多址）：利用不同的频率分割成不同信道的复用技能。TMDA（时分多址）：允许多个用户在不一起间段（时隙）来运用相同的频率的复用技能，允许多用户同享同样的频率。CDMA（码分多址）：简言之便是将同享一条信道上的信息进行了不同方式的编码。FDMA、TDMA、CDMA三大技能大大提升了频谱利用功率。2G、3G、4G技能在频谱功率提升上都运用了这三项核心技能。
而5G技能其实是2G、3G、4G技能的大融合，将各种技能的优势结合在一起，属于2G、3G、4G的融合升级加强版。
融合越多，频谱利用率就越挨近香农极限。
香农公式
美国数学家克劳德·艾尔伍德·香农在1948年提出来一个闻名公式——香农定理：
其中C为最大信息传送速率，B为信道的宽度，S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。
这个公式的意义之一就在于推导出即使运用无限大的频谱带宽，传递信息的速率也是有极限的，由于噪声N会跟着频谱宽度B的扩展而扩展，使得传输速率最终到达一个极限。一起能够推导出，在给定带宽上信息传输速率所能到达的上限，并指明晰到达这个上限的研讨方向。这便是闻名的香农极限。
无线通讯科学家们便是期望传输速率能够挨近这个上限。而5G的频谱功率现已很大程度上的挨近乃至到达了香农极限。
2
5G的信号掩盖
提到信号掩盖就涉及到了基站的概念，基站便是咱们经过手机衔接到运营商网络的设备，衔接到运营商的网络之后，咱们才干实现打电话、发短信和上网。
基站与咱们经过无线电信号进行衔接，一般一个基站的掩盖规模是一个以基站为圆心的一个圆，在这个圆之内的手机都能够被这个基站的信号所掩盖。一般来讲，离基站近的当地信号就会好，咱们上网速度就会很快，打电话也会很清楚；离基站远的当地，信号就会不好。
一般在一个基站掩盖的圆里，持有手机的人也不是均匀分布的，假如信号是均匀掩盖的，掩盖的功率就会很低，使得应该有信号的掩盖的当地信号不够强，而没有人的当地却有信号。
微基站
由于5G毫米波穿透力较差并且在空气中衰减很大的缺点，假如5G依然采用以往在3G、4G时期运用的“宏基站”，就不能为稍远的用户提供满足的信号保障。
微基站
为了应对这个困难，5G开端才用全新的基站——微基站。望文生义，微基站做的满足小的基站。
为了更简单了解宏基站和微基站的差异，咱们用一个取暖的例子来形象的比方宏基站和微基站。
宏基站“取暖”计划（图片引自鲜枣讲堂）
宏基站：在一个寒冷的冬天，一个班级里边只有一个火炉，教师为了让班级温暖起来，将这个炽热的火炉放在班级的正中间。成果事与愿违，班级整体并没有都热起来，仅仅是间隔火炉比较近的几个学生温暖（事实上，由于温度太高，或许现已有灼热的感觉）而间隔这个火炉很远的在班级边缘的学生或许丝毫感觉不到火炉的温度，冻的瑟瑟发抖。
微基站“取暖”计划（图片引自鲜枣讲堂）
微基站：假如咱们将上述班级中心炽热的火炉“拆分开”，分红四五个火炉，尽管每个小火炉的功率不及原先的大火炉，但是咱们将这几个小火炉平均分到班级的各个区域，这样每个人都能感受到暖意了。
所以，微基站不仅在体积上要远远小于宏基站，在功耗上也会有所降低。
Massive－MIMO大容量多入多出技能
目前咱们的运营商室外基站上的天线，是长这样的：
这些天线，咱们能够了解成他们是像探照灯相同的东西，射出去的光掩盖120度角的扇面（每个基站的三个天线掩盖一个圆），被“照耀”到的区域就有信号。
由于“照耀的光线”是均匀的，但是区域内的设备的分布并不均匀，就会形成咱们上面所说的浪费，所以咱们发明晰“多入多出”技能。
经过PatentCloud检索相关专利信息，咱们能够找到下面这个华为的专利。
而在5G阶段，由于对信号掩盖有更高的要求，当时5G全球通讯设备制造商现已将5G天线的干流技能推进到了“8T8R”，但中国的华为公司现已能够做到“64T64R”（64个“聚光灯”！大概是家里有矿），远远领先于业界。
上下行解耦技能
5G运用的干流频谱是3GHz-6GHz，这个波段也被业界称为C-Band（C波段）或称黄金波段，这个波段频率很高，频率高传递的信息量就大，然而频率越高的无线电波长也越短，波越短，传递的间隔就短，还简单被阻挠，衰减的非常厉害，用户体会上就会不合格。
于是，华为提出了“上下行解耦”计划，能够了解为“下行5G频率，上行4G频率”。当基站向手机通讯时用5G高频传输，由于基站能够加大发出的信号功率以处理信号穿透的问题。但手机的电量和功率是有约束的，所以手机向基站的上行不能经过加大信号强度处理，这时候，咱们就能够让手机与基站的通讯用较低的4G频段传输，4G的频段频率低，波长长，能够更好的衍射穿透障碍物。
此外，在5G上还有很多处理信号掩盖和降低建网成本的技能，比如爱立信提出的CommonPIatform技能，华为SingleRAN技能，以及应对室内掩盖的LamSite和DOTsystem技能等。
3
5G背后的黑科技
黑科技一：毫米波
频率对照表：
请注意看最下面一行，是不是便是“毫米波”？
电磁波的显著特点：频率越高，波长越短，越趋近于直线传播（绕射才能越差）。频率越高，在传播介质中的衰减也越大。
移动通讯假如用了高频段，那么它最大的问题，便是传输间隔大幅缩短，掩盖才能大幅削弱。
掩盖同一个区域，需要的5G基站数量，将大大超越4G。
黑科技二：MassiveMIMO
MIMO便是“多进多出”（Multiple-InputMultiple-Output），多根天线发送，多根天线接纳。
在LTE年代，咱们就现已有MIMO了，但是天线数量并不算多，只能说是初级版的MIMO。
到了5G年代，继续把MIMO技能发扬光大，现在变成了加强版的MassiveMIMO（Massive：大规模的，很多的）。
手机里边都能塞好多根天线，基站就更不用说了。
以前的基站，天线就那么几根：
5G年代，天线数量不是按根来算了，是按“阵”。。。“天线阵列”。。。一眼看去，要得密集恐惧症的节奏。。。
不过，天线之间的间隔也不能太近。
由于天线特性要求，多天线阵列要求天线之间的间隔保持在半个波长以上。假如间隔近了，就会相互搅扰，影响信号的收发。
黑科技三：D2D
5G年代，同一基站下的两个用户，假如相互进行通讯，他们的数据将不再经过基站转发，而是直接手机到手机。。。
这样，就节约了很多的空中资源，也减轻了基站的压力。

5g技术的原理详解

先引用一个马克思政治经济学的观点来避避邪：生产力决定生产关系。把这个理论套用到全球来看，人类生产力发展到今日，新的生产关系正在逐渐浮现，这便是全球化。只需生产力发展是必定的，全球化趋势便是必定的。反全球化便是一群卫道士的自我安慰，就像项羽康复分封制、袁世凯康复帝制的结局相同。——献给正遭美帝围剿的华为5G。
各位没走错片场，下面才是正文。
电磁波
要说5G，不懂点电磁波是不行的。提问：仙人掌能防电脑辐射吗？知道答案的大盆友直接看后半篇，下面这段写给小盆友。
日常日子中，除了原子电子之外，剩余的简直全是电磁波，红外线、紫外线、太阳光、电灯光、wifi信号、手机信号、电脑辐射、核辐射，等等。只需是波，就逃不过三个参数：波速、波长、振幅。电磁波的速度是恒定的光速，因此只需考虑：波长(或频率)、振幅(不考虑方向)，其间频率关于电磁波来说，尤为重要。
频率越高，对应着电磁波的波长越短，能量越高，衰减越快，穿透性越差，散射越少，对人体伤害越大。就着这个原则，咱自始至终捋一遍。
长的电磁波波长能到1亿米，频率3Hz，1秒钟三个波，假设用来通讯的话，等你一句话说完，就能够春节了。
略微正常点的电磁波，波长几万米，用这通讯，就一个字：稳！江河大山都挡不住，甚至能穿透几十米深的海水(海水导电，是电磁波的克星)。不过就这点频率，只能勉强带着点信息，发一个hello，大约需求半小时，也就比写信略微强点。由于超长波真实是稳，一般用在岸台向潜艇单向发送指令。
再短点，几十米波长的电磁波，频率就到了百万赫兹MHz等级，能带着的信息就很可观了，一句话至少能说利索了。并且照样还能跑很远，几百公里不在话下，所以收音机播送、电报、业余无线电一般用这个频段。
说点有用的，假设你困在荒岛上，有个飞机路过，赶紧用121.5MHz呼救，这是民用紧迫通讯频率，还有个军用紧迫通讯频率243MHz，这些都是不加密的公共频率。上次解放军和台军战机对峙，双方用这个频率对话，结果被无线电爱好者录下来放网上了，吃瓜群众脍炙人口之余，又忧虑我军通讯太简单被破解，真是阿弥陀佛了。
波长再短点，到了1米~1厘米，就有意思了。一方面，尽管衰减现已很显着了，但一口气还能跑个百十公里，够用；另一方面，频率到了GHz等级，能带着足够多的信息，不光话能说利索了，还有多余功夫让你加个密什么的。所以这个波段是通讯的焦点，什么1G2G3G4G，什么卫星通讯雷达通讯，全在这，总称微波通讯。
到了毫米级，电磁波就跑不了多远了，尽管毫米波不太发散，但很简单被周边物质吸收或反射，简直没啥穿透性，用来通讯很鸡肋，不过用在导弹导引雷达或微波炉上棒棒的。但，究竟频率超越了30GHz，带着的信息量真实太馋人，要不仍是试试吧！所以，5G来了。
5G同志先等等，持续往下数，来到微米级。毫无疑问，能带着的信息量持续倍增，但波长0.7微米的电磁波就现已是可见光了。可见光都见过吧，别说穿墙了，一张纸都够呛，想接着按照7G8G9G的套路肯定走不通啊。然后，就有了激光通讯，发射端和接收端必须瞄得准准的，中心还不能有阻挡，这优缺陷自个儿领会领会。
波长到了0.3微米，也便是300纳米，先别管频率的事了，这玩意儿便是咱们熟知的紫外线，总算对人体有害了。太阳光里的紫外线大约占了4%，假设你一天能晒上半小时太阳的话，那么前面说到的那些电磁波辐射基本能够无视了(不要钻电磁共振的牛角尖，咱只说遍及状况)。
波长200纳米的紫外线，在太阳光中简直是没有的，所以在阳光太强时，紫外线通讯就成了激光通讯很好的弥补，不光隐蔽性更好，还不必对得那么准，在几公里的间隔上十分好用，是近些年军事通讯的研讨热点。
接下来就和通讯无关了，波长到了纳米级就成了X光，便是在医院见到的那种，这么说的话，X光其实也能叫纳米技能(这是玩笑)。
最终，波长短到了0.01纳米以下，这便是闻之色变的伽马射线，来自核辐射，全世界最强的能量形式之一！若是要消灭一个星系，伽马射线是不贰之选。实际上，科学家一直置疑，超新星爆破发生的伽马射线爆现已消灭了绝大部分的世界文明，好在太阳系处于比较旮旯的地带，周边恒星不多。
总算说完了波长频率，那振幅呢？连仙人掌能不能防辐射都不知道，也就没必要了解振幅的含义了，直接跳过。
1和0
回到微波通讯。
为什么频率越高，能带着的信息就越多？以数字信号为例，信息便是一串串的1和0，所以先搞清楚怎样用电磁波表明1和0。
榜首种办法叫“调幅”，基本思路是调整电磁波的振幅，振幅大的表明1，振幅小的表明0，如下图。收音机的AM便是调幅，缺陷颇多。
第二种办法叫“调频”，基本思路是调整频率来表明1和0，比方，用密布的波形表明1，疏松的波形表明0。收音机的FM便是调频，长处多多的。
很显然，在单位时间内，宣布的波越多，能表明的1和0就越多，换句话说，频率越高能带着的信息就越多。
这样算起来，频率800MHz意味着每秒发生800万个波，都用来表明1和0的话，1秒钟能够传输100M数据，这速度很快啊！为啥咱们感觉不到呢？
古语有云，重要的事情说三遍，通讯也是如此。无线电拔山涉水，弄丢几个1,0太正常了，避免走丢的土办法便是抱团。比方，用一万个接连的1表明一个1，哪怕路上走丢了两千个1，最终咱还能认得这是1。
这种傻办法只能用在民用通讯，由于特征太显着，很简单被破解。还记得斗极民用信号被破解的新闻吧，原因就在此。
民用信号只需能和其他信号区分隔就行，不会弄得太杂乱，不然传输功率太低。按2G技能那样，800MHz的频率，传输数据大不过每秒几十K。
军用就两码事了，为了避免被破解，要用很杂乱的组合来表明1和0，中心说不定还有许多无效信息，各种跳频技能扩频技能，还不停改换组合，总之越花哨越好。所以相同一句话，军事通讯要用掉更多的1,0，因此为了确保传输功率，军用频率就比民用高许多。
就目前来说，尖端破解技能还干不过尖端加密技能，这里不包含尚未老练的量子通讯。
军事对抗是无止境的，干不过也不能认怂！那怎办？已然弄不清楚你的1,0，那我就干脆再送你一堆1,0，把你原有的组合搞乱，让你自己人都懵逼。这便是电子对抗的环节，跑题了，仍是说回5G。
关键技能
前面说的，都是不值钱的原理，下面看看值钱的技能。5G关键技能有一堆说法，咱给粗犷地归个类。
振荡电路插个天线就能够发生电磁波，用特定办法改动电磁波的频率或振幅，变成各种杂乱的组合，这个过程叫调制。对应的，竖个天线就能收到空中的电磁波，按预定办法变回1,0，这个过程叫解调。
把电磁波发到空中，或许把空中的电磁波收下来，都需求天线，别以为现在手机光溜溜的就不需求天线了。手机与手机是无法直接通讯的，而是通过周边的基站与别的手机联系。所以，问题来了，5G使用的毫米波在空气中衰减十分严重，但又不能无限制提高发射功率，怎样办呢？只能在天线上做文章了。
5G的榜首个关键技能：大规模多天线阵列。大白话便是，增加天线的数量，不是增加一个两个，而是几百个。这个思路很好理解，可是呢，用那么多天线发射同一个信号，稍不留神就乱成一锅粥。
多天线加毫米波，对比原先的少天线加厘米波，无线电传达的物理特征肯定不相同，得重新建立信道模型。那信道模型怎样建立呢？相信我，你不会感兴趣的。
天线一多，不光能处理毫米波衰减的问题，传输功率、抗搅扰等功能也是蹭蹭涨，算是5G必须课。
曾与华为齐名的大唐电信于2015年首先发布了256大规模天线，引爆全球通讯业，一时风景无限！惋惜后来突然闪崩，沦落到卖科研大楼求生，令人唏嘘！
基站天线搞定，下面就轮到终端机的天线了，这货也有术语：全双工技能。
一般手机的通讯天线只有一个，收发信号替换进行，费劲的很！全双工技能，便是把发信号的天线和收信号的天线分隔，收发信号一起进行，长处就不说了。不过，这很难吗？
你想想，把话筒和音响挨在一同，还要求两者能正常工作，你说难吗？大体上分两个思路，其一，物理办法，比方在俩天线之间加屏蔽材料；其二，信号处理，比方无源模仿对消等。
2016年4月华为宣布已于成都5G外场首先完结榜首阶段5G关键技能验证，测试结果完全到达预期。其间两个重要验证便是大规模天线技能和全双工技能。
天线搞定了，再来便是”新多址接入技能”，这词听着真拗口，别急，马上就顺了！
举个例子(数字是胡诌的)：
假设手机基站用100Hz表明1，105Hz表明0，这时又接进一个新电话，那新电话的1能够用110Hz，0用115Hz，假设再来新电话，顺次类推。这便是1G的思路，简称FDMA。
这样2个电话就用掉了从100Hz到115Hz的频段，占用的15Hz就叫带宽。外行也看出来了，这路子太费带宽了。好在那会的手机仅仅传个语音，数据量不大，但也架不住手机数量的增加，很快就不够用了！
换个思路，我们都用100Hz表明1，105Hz表明0，可是第1秒给甲用，第2秒给乙用，第3秒给丙用，只需轮换的好，5Hz的带宽就够3个手机用，便是延时严要点罢了。这便是2G的思路，简称TDMA。
再到后来，数据量越来越大，2G也玩不转了。不过，只需有需求，就不怕没套路：在各自的信号前面加上序列码，再揉成一串发送，接收端按序列号只承受自己的信号。就好像快递员一次性送了一叠信过来，我们按照信封上的姓名打开各自的信。这便是3G的思路，简称CDMA。本僧这把年纪的人，应该都被联通的CDMA广告轰炸过吧？
再发展便是正交频分多址技能，把2个互不搅扰的正交信号揉成一串发送。所谓正交信号，和量子力学的叠加态有点类似。把信号叠在一同发送，便是4G的思路，简称OFDMA。
每个终端在网络上都有一个地址，所以这种让许多手机一同打电话的技能，从1G到4G，总称：多址接入技能。咱5G特别时尚，叫“新多址接入技能”，这货怎样个“新”法呢？
稀少码多址接入、非正交多址接入、图分多址接入……好吧，我供认有点云里雾里了，总体思路便是叠加更多信号或许把前面的技能混到一同，这里触及大量的数学知识，奉劝各位好自为之吧！
暂时就说这么多吧，5G要完成10Gb/秒的峰值速率、1百万的衔接数密度、1毫秒的时延，必须要先处理这三大关键技能。
2016年4月，华为的榜首阶段“关键技能验证”，主要也是验证这仨技能。新多址接入采用滤波正交频分复用、稀少码多址接入、极化码，结合大规模天线，吞吐率提高10倍以上，在100MHz带宽下，平均吞吐量到达3.6Gb/秒；全双工采用了无源模仿对消、有源模仿对消和数字对消三重对消框架，能够完成113dB的自搅扰消除才干，获得了90%以上的吞吐率增益。
2017年6月，华为完结第二阶段“多种关键技能融合测试及单基站功能测试”，在200MHz带宽下，单用户下行吞吐率超越6Gb/秒，小区峰值超越18Gb/秒，配套业界首个小型化5G测试终端，单个5G基站可一起支持上百路超高清4K视频。
2018年9月，华为完结第三阶段“基于独立组网的5G核心网关键技能与业务流程测试”。
这三个阶段测试，华为均以100%通过率顺利完结。
除了三大关键技能之外，很多用户要组成网络，事情自然少不了。比方，分配传输资源和指挥交通相同让人头大，一条道路分配不合理，半个城市就得跟着瘫痪，所以，华为完结关键技能验证后，又花了2年时间才进行独立组网测试。再比方，能耗不能太离谱，价格不能高上天，诸如此类的基本要求。
又是芯片
能够看到，5G要处理的数据量远大于4G，所谓数据便是1,0，凡是触及1,0的东西，基本都用芯片。操控电磁波发射要用射频芯片，编码解码要用基带芯片，等等，这些也归于5G核心关键技能。
2019年1月24日，华为发布了全球首款5G基站核心芯片：天罡，以及，全球首款单芯片多模5G基带芯片：巴龙5000。已然是世界首款，免不了拿下N个全球榜首。
把条件放宽到调制解调芯片，玩家就比较多了。5G的干流频率是28GHz，有才干处理这个频段的芯片，目前是4家。
高通是最早的，三星是仅有做到39GHz的，华为是工艺最先进的，英特尔是哪里都不掉队的，台湾联发科据说马上也要来了。
多说一句，华为2018年2月发布的这款巴龙5G01芯片，因块头太大无法用在手机上，2019年1月就推出了手机使用的巴龙5000，一起还没耽误手机处理器芯片麒麟和服务器芯片鲲鹏，这进展仍是不错的！
规范
5G触及的技能真实太多太杂，得订个规则。立规则的重要性不比技能研制低，待会你看看欧萌就理解了。
5G规范榜首阶段的榜首部分已于2018年6月完结并发布，标志着首个真正完好含义的世界5G规范出炉，剩余部分连续到2020年才干完工。
这次规范发布一共有50家公司参加，中国有中国电信、中国移动、中国联通、华为、中兴、大唐电信等16家，美国8家，欧洲8家，日本13家，韩国5家。
从数量上看，咱仍是不错的。从质量上看，咱应该也仍是不错的。举个例子：
在信道编码问题上，欧萌一直用Turbo码，美帝高通习惯用LDPC码，华为拿手用Polar码。所以，榜首回合欧萌就被干掉了，不光积累的Turbo技能打了水漂，还得重新学LDPC和Polar。
华为和高通持续比武了两轮。
信道编码分“操控信道编码”和“数据信道编码”，高通的计划是两者都用LDPC码，华为的计划是数据信道用你家的LDPC码，操控信道用Polar码。
然后，联想对华为的计划投了反对票……
当然，联想的投票对结局毫无影响。由于分歧过大，当天只确认数据信道用LDPC码，至于操控信道择日再议。
等择好日，再次投票时，高通、三星、英特尔、爱立信等巨头网罗了31家公司组成阵营，要求全部用LDPC码，华为则组织了包含联想在内的55家公司力求。最终，华为Polar成为操控信道编码，高通LDPC成为数据信道编码，我们不相上下。
这事被翻出来后，联想引起众怒，但华为很贴心地帮着解围。
趁便说个知识：行业规范都还没全出来，5G离全面老练使用仍是有一段路的。
场景和含义
由于忧虑小盆友的想象力不够，所以世界电信联盟举行的ITU-RWP5D第22次会议，确认了5G的三个使用场景：
这图画得真实太差，解释一下：三个角上的三句话是5G的三大功能特点，蓝色小块是使用场景，小块越靠近哪个角就说明对这个功能的依赖越大。后来，这三个角又改成了四个：接连广域掩盖、热点高容量、低功耗大衔接、低时延高可靠……
说晕了，仍是本僧用大白话总结一下吧。
就技能而言，5G就三句话：网速快、信号广、延时少。但技能带来的改动却超越了想象力，5G是全信息化的基石，完全能够完成当年物联网吹过的牛：万物互联。
假设非要找个参考的话，能够想象一下：把2G3G4G去掉，回到大哥大时代……不认识大哥大的00后小盆友，能够问问身边的80后老爷爷。
我觉着，5G与4G的差异，比得上4G和1G的差异。