5G和香农定律

2021-09-16   出处:waveform.com  作/译者:Sina Khanifar 和 Sarvesh Mathi/ Apple  

       自20世纪80年代末以来,电气工程师和计算机科学家一直在物理定律和信息理论上进行争论。

       经过五年多的酝酿,新的5G标准为这场争论带来了几个新工具。在本文中,我们将探索5G的新无线电如何超越香农定律的极限,实现更快的数据速率。

文章架构:

  • 香农定律

  • 5G频谱

    • 中频和毫米波

    • 5G NR带宽

    • 频谱注意事项

  • 5G天线

    • 大规模分布式天线

  • 5G调制方式

       数据传输只能这么快。无论是通过铜线、光纤还是无线传输,每种介质都有理论上的极限。由于克劳德·香农(Claude Shannon)的开创性工作,这些极限自20世纪50年代初就已为人所知。香农和艾伦·图灵同个时代,被很多人认为是信息理论之父。

       第二次世界大战期间,香农在贝尔实验室的工作为现代密码学奠定了基础,之后他开发了噪声信道编码定理。该理论为数据通过有噪声的介质(即任何介质!)传输时所需的纠错算法的效率设置了一个上限。结合拉尔夫·哈特利(Ralph Hartley)更早之前的工作,香农定理为数据在任何通信信道上的传输速率设定了上限,无论是有线还是无线。

       在过去的二十年里,随着蜂窝通信的发展,我们已经迅速接近了香农定律设定的无线数据传输的理论极限。每一代蜂窝网络技术都带来了数据速率的急剧增长。2G网络提供的最大理论数据速率为40Kbps,但今天的4G LTE-Advanced网络的峰值理论数据速率为1Gbps。5G则更进一步,理论的下行数据速率峰值为20Gbps,上行数据速率峰值为10Gbps。

       理论峰值速率只是理论上的。你可能不会在你支持LTE的Android或iPhone手机上看到1Gbps的下载速度。更有用的度量是国际电信联盟(ITU) IMT-2020标准(基本就是5G的标准)定义的用户体验数据速率,就是在至少95%的网络部署地点的用户至少95%时间内的实际数据速率。按照这个标准,5G的速度至少要比4G平均速度快5倍,至少100Mbps。

       为了理解5G如何实现更高的数据速率,我们需要深入研究香农定律(Shannon’s Law),看看工程师们是如何解决前几代的每个限制因素的。

       请注意,我们完全忽略了时延。时延,或者说到达服务器所需的时间,不受香农定律的限制,对日常互联网使用有巨大的影响。我们将在未来的文章中讨论5G网络如何改善时延。

香农定律

       这是香农定律的简化版本:

       5G通过直接改进香农定律的前两个组成部分来提高数据速率:

  • 更多频谱(W): 5G在终端和基站之间使用更宽的频率范围进行通信。

  • 更多天线(n): 5G利用终端和基站的天线阵列来创造更多空间分集。

       此外,当信噪比(SNR)较高时,5G使用更高阶的调制方式来提高数据速率,使真实数据速率更接近理论的香农容量。

       让我们深入研究这里的每一个因素!

频谱

       频谱是一种稀缺资源:无线传输设备能够使用的频率总量是有限的。为了防止干扰,每个国家都规定了如何在其境内使用电波。在美国,由联邦通信委员会(FCC)向运营商拍卖频段。

       为了5G的发布,相比于当前4G频谱,FCC将通过两种主要方式来扩展频谱的可用性:

  • 它为蜂窝的应用授权了一个全新的频谱类别:高频段“毫米波”频率。

  • 它开启了更大的中频范围。(国内对应新增加的频谱范围叫SUB 6G)

新的中频和毫米波频率

       如今的4G LTE终端和基站之间传输使用的两个频率范围:

  • 4G 低频:所有低于1GHz的频段

  • 4G中频: 1GHz到2.6GHz中间的频段

       在美国,由国家和地方移动运营商运营的3G和4G LTE网络总共有大约700MHz的频谱可用。但现有的低频段和中频段频谱已经开始拥塞:到2020年,美国50%的4G基站将耗尽容量。

5G扩大了蜂窝网络可接入的中频频谱范围,同时也增加了新的高频带频谱:

  • 5G 低频:所有低于1GHz的频段

  • 5G中频:从1GHz到6GHz中间的频段

  • 5G高频:从24GHz以上的频段,也叫做毫米波(mmWave)

       在美国,FCC正在为5G网络提供额外的6 GHz带宽的频谱资源(1 GHz的中频段,5 GHz的mmWave高频段)。这几乎是目前4G LTE服务可用频谱的10倍。

5G NR并发带宽

       更大的频谱分配是有用的,但并不那么简单。基站和终端实际上需要能够使用更多的频谱。5G NR标准使这成为可能。

       频谱利用率的最大限制是在同一个时间,基站和终端之间能够同时用于收发的带宽有多少。2010年发布的第一批4G LTE设备可以使用最多20MHz的频谱从基站向用户发送数据。随着LTE规格的不断更新,这一数字也在不断增加。LTE Advanced和“载波聚合”技术的引入,使得如今的4G网络可以在基站和终端之间使用高达100MHz的频谱。

       5G标准明显走得更远。5G NR规格允许终端和基站在任何时间使用高达800MHz的频谱,而不是20MHz或者100MHz。将800MHz的射频信号解调成比特和字节的数字信号,是一项壮举,需要更复杂(和昂贵)的调制解调器芯片。

并非所有频段都平等

       虽然1GHz的新中频频谱将显著提高数据速率,但5G的真正承诺是FCC正在开放的5 GHz带宽的高频段毫米波频谱。

       然而,不幸的是,并不是所有的频谱都是平等的。2G、3G和4G LTE网络从中低频段开始,而不是5G新的毫米波频段,这是有原因的。射频信号的频率越高,它在自由空间中的传播距离就越短,也越容易被障碍物吸收。

       24 GHz及以上的毫米波信号频率如此之高,以至于单个5G信号塔的覆盖区域要小得多。一个典型的4G LTE基站可以为10公里外的用户提供服务,但一个5G 毫米波基站可能只能覆盖100米半径。

       高频段,毫米波5G需要巨大的基站密度。这意味着我们可能只会在城市和近郊区看到高频段的5G。凭借其巨大的带宽和超高的数据速率,毫米波5G短期内不会在农村地区出现。5G基站将不再是“信号塔”,而是“小蜂窝”,安装在灯杆上的迷你蜂窝基站,只覆盖一小块区域。

毫米波的另一个限制是它不能穿透建筑物。24 GHz以上的毫米波频率如此之高,不仅被石膏板阻挡,甚至会被玻璃阻挡。这是一个巨大的缺点:除非大楼安装了信号增强器,否则室外的5G网络无法在室内使用。

       为了解决这一问题,运营商开发了5G“小蜂窝”和5G分布式天线系统,允许毫米波5G在建筑物内服务,目前第一次试验部署将在体育场进行。

5G NR天线

       香农定律方程式中的第二个因素天线数量,可能有点误导:更多的天线并不意味着更快的数据速率。这些天线必须配置成能够实现“空间多路复用”——这增加了基站和终端用户之间可以发送的物理信号流的数量。

单用户MIMO(SU-MIMO)

       在今天的4G LTE网络中,SU-MIMO被简单地称为“多输入多输出”或“MIMO”。所有LTE手机都支持这种类型的MIMO,您的智能手机可能支持2x2或4x4 SU-MIMO。

SU-MIMO利用信号偏振和信号反射路径(称为“多径效应”)的组合来实现空间多路复用。结果是多个数据流同时被发送到用户,以提高数据速率-所有这些都不需要更多的频谱。

多用户MIMO(MU-MIMO)

       MU-MIMO也利用了相同的多径效应,但不是为任何单一个用户增加容量,而是使用不同的空间流连接到不同的用户。因此,MU-MIMO增加了系统的总容量。对于MU-MIMO,系统的天线数量必须跟连接到基站的用户数量一样。

大规模(天线阵列)MIMO(波束赋形)

       大规模天线阵列MIMO是一项5G上才有的新技术。毫米波频率的非常微小的亚厘米波长将允许设备封装更多的天线来创建“相控阵”。这些相控阵天线允许5G网络实现更高级别的空间多路复用。

       例如,一款标准的手机可以安装工作在39ghz毫米波频段的72天线阵列。一个类似的在700 MHz低频带频率的72天线阵列的尺寸比家里的门还大。

高密度的天线支撑了“波束赋形”。通过调整发送到每一个天线的信号相位,5G毫米波小区可以创建一个无线“波束”,指向它需要的任何方向。

       波束赋形有极大地提高容量和数据速率的潜力。通过引导多波束信号,5G网络可以大幅提高每个用户设备的信噪比。

       较高的信噪比是(香农定律)公式的另一半。高信噪比增加了系统的总香农容量,但为了从这些高信噪比中获益,我们需要更高阶调制方式。

更高阶调制方式

       数字调制是将数字数据(1和0)转换成无线电波的过程(数模转换)。在过去的20年里,正交调幅(QAM)已经成为数字调制的事实标准,从蜂窝网络到Wi-Fi再到有线调制解调器都在使用。

我们不会在这里讨论QAM的技术细节。但关键的是,在更高水平的信号质量(信噪比)下,有可能增加QAM信号的“星座大小”,以提高数据速率和频谱效率。当4G LTE首次发布时,它支持最多64个QAM的“星座大小”。后来4G LTE的更新增加了对256个星座的支持,5G NR承诺在未来的版本中支持1024个QAM,甚至更多。

       这些高阶调制方案只有在信号质量非常高时才有用。由于5G毫米波网络使用覆盖更小区域的“小小区”,相邻小区之间的干扰就可以大大减少。随着波束形成,这将使更高质量的信号电平和高阶调制更加普遍,能够增加基站和终端用户之间的数据传输速率。

更高的调制方式不仅帮助个人用户:它们还增加了整个网络的容量,使其更接近香农容量。4G的下行频谱效率在0.074到6.1bits/s/Hz(比特每秒/赫兹)之间,而未来的5G网络承诺频谱效率在0.12到30bits/s/Hz之间。

       随着物联网设备变得越来越普遍,对更高容量的支持至关重要。4G网络理论上每平方公里最多支持1万活跃用户,5G最终将支持每平方公里超过100万活跃设备。

5G才刚刚开始

       通过利用更高频率的物理特性,5G能够利用更多的频谱、更多的天线和更高阶调制方式。这反过来又推动了香农定律的上限,让我们获得更快的数据速率和更高的网络容量。4G在过去的十年中不断发展,进行了数百次改进,5G也将在未来几年不断发展和突破界限,以满足对数据的不断增长的需求和对速度的永不满足的渴望。5G仍处于起步阶段,又一个挑战香农定律极限的十年才刚刚开始。


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