白天看了@老師好我叫何同學(xué)的視頻《一看就懂！用水講明白為什么5G更快》昧碉，用水波模擬電磁波進行演示確實十分生動，但更重要的是他在視頻中提出5G使用了更高頻率的電磁波來傳輸信息因此極大提高了傳輸效率踱启，相信大部分人都看懂了這一點俏讹。再聯(lián)想起前兩天看過的@小白測評的視頻《5G現(xiàn)狀大體驗 我們離5G到底還有多遠》中對“5G為什么不用頻率低波長長的頻段”這一問題的回答：1.低頻率的頻段基本都被占用完了；2.低頻率帶寬低纵势，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較少踱阿。結(jié)合他們倆的觀點仔細一琢磨，感覺他們都說的好有道理钦铁，那我……只能假裝突然對5G的頻率很感興趣软舌，站在極不專業(yè)的角度來談一談了……

就是因為很不專業(yè)，所以一開始查資料的時候我就在極力避免那些看上去高大上的專業(yè)名詞和理論育瓜，可最終發(fā)現(xiàn)天道好輪回葫隙，香農(nóng)公式是繞不開的，雖然大家可能對它已經(jīng)很熟悉了躏仇，我們還是再來復(fù)習一下恋脚？C=W*log2（1+S/N)，這就是大名鼎鼎的香農(nóng)公式（或者叫香農(nóng)定理焰手，在我查資料的過程中發(fā)現(xiàn)了另外一個形式C=B*log2（1+S/N)糟描，區(qū)別在于這個B表示碼元速率，尼奎斯特定理指出最大碼元速率為B=2W书妻，但是為了下文表示更加方便船响，這里還是統(tǒng)一采用了W，所以其實我也沒搞懂這里W和B的區(qū)別）躲履，式中C代表信道容量（最大傳輸速率）见间，單位為bit/s；W代表信道帶寬工猜，單位為Hz米诉；S和N分別代表信號功率和噪聲功率，單位均為W（瓦）篷帅，一般習慣把S/N統(tǒng)稱為SNR（信噪比史侣，單位為dB）=10 lg（S/N)。從公式中可以很明顯地發(fā)現(xiàn)魏身，信道容量與帶寬和信噪比成正比惊橱，但是帶寬和信號功率都是有一定限度的，不能無限提升箭昵。

香農(nóng)? 信息論和數(shù)字通信的奠基者

所以我們需要再引入兩個新的概念：信道編碼税朴，SISO/MIMO。信道編碼用人話說，無線信號在傳播過程中易受干擾正林，再加上覆蓋范圍不夠等問題茧跋，發(fā)送的數(shù)據(jù)和接受到的數(shù)據(jù)有時不一致，因此就需要對傳輸中的信息進行編碼和相應(yīng)的譯碼以此來提高信道可靠性和信息完整性卓囚，這就是信道編碼瘾杭，我們在這里引入它主要是因為在香農(nóng)公式中，信道容量受編碼技術(shù)的影響哪亿，不同的編碼技術(shù)編碼效率不同粥烁，所以編碼技術(shù)在通信標準中占據(jù)著重要的地位，對于芯片復(fù)雜度蝇棉，終端成本讨阻，功耗，以及專利費用都有很大的影響篡殷。從1949年最早出現(xiàn)的漢明碼到后來的Golay碼钝吮、RM碼和循環(huán)碼，這些早起的編碼技術(shù)都屬于分組碼板辽，分組碼主要有兩大缺點：一是在譯碼過程中必須等待整個碼字全部接收到之后才能開始進行譯碼奇瘦，二是需要精確的幀同步，從而導(dǎo)致時延較大劲弦、增益損失大耳标。1955年出現(xiàn)的卷積碼改善了分組碼的缺點，其中具有代表性的是1967年出現(xiàn)的Viterbi譯碼算法邑跪，它廣泛應(yīng)用于2G次坡、3G及衛(wèi)星通信中，可是卷積碼在應(yīng)用過程中因為“計算復(fù)雜性”的影響始終無法達到香農(nóng)公式的理論極限画畅，然后砸琅，Turbo碼在1993年姍姍來遲，使得信道編碼效率接近了香農(nóng)極限轴踱。Turbo碼因具有兩個分量編碼器症脂，譯碼在兩個分量譯碼器之間進行迭代譯碼，故整個譯碼過程類似渦輪（turbo）工作而得名寇僧，它恰逢其時地被應(yīng)用到世紀交替之際的3G和4G技術(shù)中摊腋，但由于Turbo碼采用迭代解碼沸版，必然會產(chǎn)生時延嘁傀，所以不能滿足5G對超低延時和超高速率的需求，這樣故事就自然地來到了我們喜聞樂見的Polar碼（極化碼）和LDPC碼（低密度奇偶校驗碼）之爭了视粮。

信道編碼示意圖? 圖自搜狐

但是關(guān)于那兩次3GPP（通訊標準化機構(gòu)）會議投票的問題大家討論的實在夠多了细办，珠玉在前我怎么好意思再開口，我們還是先來看看為什么5G為什么會面臨編碼標準的爭議罷。現(xiàn)在大家應(yīng)該都已經(jīng)曉得笑撞，目前所討論的5G峰值速率是4G的20倍（4G的峰值速率為1Gbps岛啸，而5G的峰值速率高達20Gbps），延時是4G的1/10（4G的用戶面時延為5ms茴肥，而5G的用戶面時延要低至0.5ms）坚踩，這就意味著5G編碼技術(shù)需在有限的時延內(nèi)支持更快的處理速度，比如20Gbps就相當于譯碼器每秒鐘要處理幾十億bit數(shù)據(jù)瓤狐，即譯碼器數(shù)據(jù)吞吐率比4G高得多瞬铸。越高的譯碼器數(shù)據(jù)吞吐率就意味著硬件實現(xiàn)復(fù)雜度越高，處理功耗越大础锐，而譯碼器是手機基帶處理的重要組成部分嗓节，占據(jù)了近72%的基帶處理硬件資源和功耗，因此皆警，要實現(xiàn)5G應(yīng)用落地拦宣，選擇高效的信道編碼技術(shù)非常重要。上文我們已經(jīng)提到在5G高速率低延遲的特性面前信姓，3G和4G時代采用的Turbo碼已經(jīng)不夠用了鸵隧，新的編碼標準呼之欲出，事實上在第86次會議上首次討論時除了我們后來熟知的那兩種方案還出現(xiàn)了第三種提案——由LG意推、大法掰派、法國電信等7家日本和歐洲企業(yè)提出的LDPC+Turbo組合方案，當然它不是這場故事的主角左痢，我們還是假裝沒看到罷靡羡，由三星牽頭，高通俊性、諾基亞等29家公司簽署了提案的LDPC方案和由華為牽頭略步，中興、聯(lián)通等27家公司簽署了提案的Polar方案才是接下來的主角定页。LDPC早在1962年就誕生了趟薄，這是最早的逼近香農(nóng)極限的信道編碼，比上文提到的Turbo碼早了31年典徊，也正是因為它比別人早了一步杭煎，當時的硬件條件無法滿足它的需求，所以它被遺忘卒落，直到1996年才重新引起大家的關(guān)注羡铲，后來被廣泛應(yīng)用在WiFi、深空探測儡毕、衛(wèi)星和地面數(shù)字電視及HDD也切、SSD存儲系統(tǒng)等領(lǐng)域，它的優(yōu)勢在于高效的并行譯碼構(gòu)架，使得它的譯碼器在硬件實現(xiàn)復(fù)雜度和功耗方面均優(yōu)于Turbo碼雷恃。Polar碼誕生于2008年疆股，是近年來信息論學(xué)術(shù)界的一只新秀，同樣也是一種理論上可達到香農(nóng)極限的編碼方案倒槐，它兼具較低的編碼和譯碼復(fù)雜度旬痹，不存在錯誤平層(error floor)現(xiàn)象，誤幀率(FER)比Turbo碼低得多讨越，Polar碼還支持靈活的編碼長度和編碼速率唱凯，各方面證明比Turbo碼具備更優(yōu)的性能』蚜。看完了背景磕昼，我們就直接來到了結(jié)論環(huán)節(jié)，第86次會議確定了數(shù)據(jù)信道長碼使用LDPC方案节猿，第87次會議確定了數(shù)據(jù)信道短碼使用LDPC方案票从，而控制信道eMMB場景則采用了Polar方案，總而言之就是數(shù)據(jù)信道歸LDPC滨嘱，控制信道歸Polar峰鄙。那么問題來了，什么是長碼太雨，短碼吟榴，控制信道，數(shù)據(jù)信道囊扳，eMMB場景吩翻？長碼和短碼是比較容易理解的概念，優(yōu)化的編碼致力于用最短的二進制位數(shù)表示一個指令锥咸，越短效率越高狭瞎，所以一般短碼代表常用的指令，長碼代表不常用的指令搏予。數(shù)據(jù)信道和控制信道則引用以前看到過的一個栗子：數(shù)據(jù)信道主要傳輸指令和同步數(shù)據(jù)參數(shù)等熊锭，數(shù)據(jù)信道主要傳輸數(shù)據(jù)，如果把整個數(shù)據(jù)比作貨車雪侥，控制信道相當于控制貨車行駛系統(tǒng)碗殷，通過接受指令控制貨車的行進，數(shù)據(jù)信道相當于貨車的車廂負責裝載貨物數(shù)據(jù)速缨。最后是eMMB場景锌妻，3GPP定義了5G應(yīng)用場景的三大方向——eMMB（移動寬帶增強）、mMTC（大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)鸟廓，海量機器類通信）和uRLLC（超高可靠低延時通信）从祝，這三個概念大家應(yīng)該是聽得比較多了罷，這里就不廢話了引谜。最后針對5G的信道編碼牍陌，網(wǎng)上流行的一個觀點是“One code does not fit all”，傳說中“一招鮮吃遍天”的時代大概真的已經(jīng)過去了员咽。

Turbo碼譯碼器示意圖? 圖自搜狐

MIMO這個概念這兩年大家應(yīng)該見得蠻多了毒涧，4*4MIMO當年還是一個重要賣點呢，那么這個MIMO還有上文說的SISO又是啥贝室？SISO（single input single output）即單輸入單輸出系統(tǒng)契讲，它是采用單根發(fā)射天線和單根接收天線的通信系統(tǒng)，即為傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)滑频，與之相對的是SIMO捡偏、MISO和MIMO，即單發(fā)送多接收峡迷、多發(fā)送單接收银伟、多發(fā)送多接收。所以為什么我們要在香農(nóng)公式之后引入SISO/MIMO這個概念绘搞？因為香農(nóng)公式是基于單發(fā)射天線彤避、單接收天線的SISO無線信道的，也就是說在一定帶寬和信噪比下夯辖，SISO無論采用什么樣的編碼和調(diào)制方式琉预，系統(tǒng)容量都不可能超過香農(nóng)公式極限，而目前廣泛使用的Turbo碼蒿褂、LDPC碼圆米，使信道容量逼近信道容量極限。這種情況下多加幾只天線這種看起來簡單粗暴的方式就登場了啄栓，單天線仍然遵循香農(nóng)公式榨咐，然后進行加法組合，信道容量瞬間就擴大了好幾倍谴供，所以在4G時代块茁，MIMO技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，從1*2桂肌，2*2逐漸發(fā)展到了2*4和4*4数焊。此外在MIMO技術(shù)中，通過智能波束成型崎场，將射頻的能量集中在一個方向上佩耳，可以提高信號的覆蓋范圍，這兩項特性足以使MIMO成為5G的核心技術(shù)之一谭跨，而5G時代的MIMO也將進一步發(fā)展為Massive MIMO干厚，大規(guī)模提高信道容量和覆蓋面積麦向。

然后我們還是要回到香農(nóng)公式本身來談頻率，信道帶寬就是我們的下一個目標慨仿，這家伙是不是乍看上去和頻率差不離解恰？畢竟我們所謂的移動通信是通過電磁波來實現(xiàn)的嘛。上文我們已經(jīng)說了信道容量與帶寬成正比挂捅，也就是在同樣的編碼技術(shù)下芹助，信噪比不變時通信頻率越高能傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱螅缓筮@里必須要提出一個觀點闲先，無線頻譜是寶貴的資源状土，就像我們熟知的衛(wèi)星軌道一樣，必須是要有明確劃分的伺糠，類似于一山不容二虎蒙谓，亂來是肯定不行的，而且训桶，在頻譜這寶貴的資源庫里彼乌，并不是所有的頻段都那樣美好且實用，我們生活在一個充滿了電磁波的世界里渊迁，但能夠用于移動通信的頻段卻不是我們想象的那樣隨拿隨用的慰照。關(guān)于電磁波這個基礎(chǔ)的公式大家應(yīng)該都曉得：c=λf（c為真空光速，約為3×10^8m/s琉朽，λ和f分別為電磁波的波長和頻率）毒租。可見箱叁，在真空光速不變的情況下（暫時不會變）墅垮，頻率越高，波長越短耕漱，而在波的傳播過程中算色，通過不同介質(zhì)時，會發(fā)生折射螟够、反射灾梦、衍射、散射及吸收等等妓笙，波長越長其衰減也越少若河，電磁波的波長越長也越容易繞過障礙物繼續(xù)傳播。這也就很好地解釋了為什么我們一直在說5G信號繞射能力差寞宫，需要更多的基站萧福，就像常用WiFi的2.4GHz頻段和5GHz頻段的差別一樣，相信大家都有感覺辈赋，隔著幾堵墻的話5GHz的WiFi信號強度必然比2.4GHz的WiFi差鲫忍。同樣的道理膏燕，頻率較低的電磁波，雖然傳播距離和信號強度有一定的優(yōu)勢悟民，但是攜帶的信息量卻大大減少了坝辫，那么在我們使用的通信頻段中，有沒有在信道容量和傳播距離這兩者之間達到平衡的頻譜呢逾雄？當然有阀溶，這時候傳說中的700MHz黃金頻段就閃亮登場了腻脏，特別是在5G時代鸦泳，700MHz頻段因為兼具了較大的信道容量和較強的透射能力兩方面的優(yōu)勢所以一直受到各大運營商追捧（國外的700MHz頻段拍賣動輒數(shù)億美元），這樣另外一個問題就來了永品，頻段這項寶貴資源到底誰來用做鹰？

頻段拍賣這類的新聞我們應(yīng)該經(jīng)常看到鼎姐，5G時代的更使得頻段爭奪愈發(fā)激烈钾麸，我們也都知道國內(nèi)的頻段是由工信部為四大運營商合理分配的，當然3GPP在制訂標準的同時炕桨，就已經(jīng)對會用到的頻段進行了統(tǒng)一規(guī)定饭尝。相信很多人還對當年所謂的6模43頻全球全網(wǎng)通有印象，這就是因為4G時代頻段劃分后不同國家不同運營商選擇了不同頻段之后產(chǎn)生的献宫，當然也和硬件基帶的支持有關(guān)钥平。我們來看看5G標準中關(guān)于頻段的詳細劃分，其中FR1頻率范圍（450 MHz - 6000 MHz）姊途，F(xiàn)R2頻率范圍（24250 MHz - 52600 MHz）涉瘾。

圖自5G通信

圖自5G通信

圖自5G通信

圖中，TDD為時分雙工模式捷兰，F(xiàn)DD為頻分雙工模式立叛，SDL 為補充下行鏈路，SUL為補充上行鏈路贡茅，這里解釋一下TDD和FDD（其它兩個沒搞懂）秘蛇，這兩個名詞相信大家也并不陌生，4G時代TDD—LTE和FDD—LTE這兩個可算是高頻詞了顶考。在TDD模式的移動通信系統(tǒng)中彤叉，接收和傳送在同一頻率載波的不同時隙，用保證時間來分離接收和傳送信道村怪，而在FDD則是在分離（上下行頻率間隔190MHz）的兩個對稱頻率信道上秽浇，系統(tǒng)進行接收和傳送，用保護頻段來分離接收和傳送信道甚负，它們都是通信中使用的雙工技術(shù)之一柬焕，也各有優(yōu)劣审残，這里就不深入討論了。我們回到頻段上斑举，早在2018年底搅轿，工信部就已經(jīng)為三大運營商劃分了5G實驗頻段，中國電信獲得3400MHz-3500MHz共100MHz帶寬的5G試驗頻率資源富玷，中國聯(lián)通獲得3500MHz-3600MHz共100MHz帶寬的5G試驗頻率資源璧坟，中國移動獲得2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz頻段的5G試驗頻率資源赎懦，最終在今年6月6日發(fā)證時三家的頻段并沒有太大變化雀鹃，倒是中國廣電成功拿到了傳說中的黃金頻段讓人羨慕。整體來看励两，無論是政策傾向還是產(chǎn)業(yè)發(fā)展黎茎，3.5GHz頻段具有更大的優(yōu)勢，移動所占據(jù)的2.6GHz頻段則需要進一步深耕当悔，任重而道遠傅瞻。

從頻段劃分圖出發(fā)還有一個重要的概念需要談一談——毫米波。從c=λf公式出發(fā)盲憎，我們得到的毫米波的頻率范圍大概是30GHz—300GHz嗅骄，因為其帶寬大，波束窄等特性被廣泛應(yīng)用于雷達饼疙、遙感等領(lǐng)域溺森，而5G時代的到來更意味著它的特性可以在通信技術(shù)上發(fā)揮更大的作用，目前中興已經(jīng)完成了26GHz頻段的相關(guān)5G基站實驗宏多。

到這里技術(shù)層面上其實還有很多想講的儿惫，因為作為一個完全的門外漢看到一個個術(shù)語都會覺得很新鮮，核心的OFDMA多址技術(shù)伸但，自包含集成子幀肾请，頻譜共享等都還未提及，涉及應(yīng)用的D2D和M2M都很有意思更胖，更不用說被反復(fù)提及的云游戲及萬物互聯(lián)……

站在全民5G時代即將到來的節(jié)點铛铁，我常會想起兩個故事：2010年上海世博會時現(xiàn)場有4G技術(shù)的展示，當時現(xiàn)場的專家接受采訪時說中國的3G才開始普及却妨，4G要大規(guī)模應(yīng)用估計要等到10年后了饵逐，我是沒有經(jīng)歷過3G時代的，于我而言當時信息極為鼻塞彪标，所以我無從判斷專家所言倍权，可是現(xiàn)在，在可預(yù)見的明年捞烟，5G必將在全國范圍內(nèi)大規(guī)模鋪開薄声，甚至很多機構(gòu)都已經(jīng)開始了6G的預(yù)研当船，那么再過10年呢？小時候?qū)懽魑挠幸粋€題材很受歡迎——未來的生活默辨，那時候總是在作文中暢想2020年或者2025年時家中全是智能機器人和家具德频，機器人管家會為我安排好生活中的一切，馬路上的車全是自動駕駛而且水陸空三棲的缩幸，一言不合就上天下水壹置，對于相當一部分人來說，當年幻想的那些其實有很多都已經(jīng)出現(xiàn)在了我們身邊表谊，那么再過20年呢钞护？大概再博學(xué)的人也無法精確預(yù)測明天會發(fā)生什么，更不用說10年甚至20年之后了铃肯，但是我們親身體會到的這些變化卻讓我們對未來充滿了期待和信心……

引用：

1.【何同學(xué)】一看就懂患亿！用水講明白為什么5G更快（https://b23.tv/AV66210564）

2.「小白測評」5G現(xiàn)狀大體驗 我們離5G到底還有多遠（https://b23.tv/AV65141563）

3.5G的關(guān)鍵技術(shù)是什么传蹈？一文全讀懂Ｑ罕啤（https://zhuanlan.zhihu.com/p/57133255）

4.5G將用到哪些頻段？就這一篇給你全部說清楚５虢纭（https://sohu.com/a/252684277_246493）

5.“Polar碼投票”鬧劇挑格，考慮過信道編碼的感受嗎？（https://sohu.com/a/231410837_120921）

6.頻段和信號那些事：淺談LTE的MIMO多天線技術(shù)（https://www.ithome.com/0/417/678.htm）

7.IT之家科普：5G移動網(wǎng)絡(luò)標準是如何出爐的（https://www.ithome.com/html/it/359546.htm）