白天看了@老師好我叫何同學(xué)的視頻《一看就懂蚪缀！用水講明白為什么5G更快》秫逝，用水波模擬電磁波進(jìn)行演示確實(shí)十分生動(dòng)，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询枚，相信大部分人都看懂了這一點(diǎn)违帆。再聯(lián)想起前兩天看過的@小白測(cè)評(píng)的視頻《5G現(xiàn)狀大體驗(yàn) 我們離5G到底還有多遠(yuǎn)》中對(duì)“5G為什么不用頻率低波長(zhǎng)長(zhǎng)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.低頻率帶寬低金蜀，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較少刷后。結(jié)合他們倆的觀點(diǎn)仔細(xì)一琢磨，感覺他們都說的好有道理渊抄，那我……只能假裝突然對(duì)5G的頻率很感興趣尝胆，站在極不專業(yè)的角度來談一談了……

就是因?yàn)楹懿粚I(yè)，所以一開始查資料的時(shí)候我就在極力避免那些看上去高大上的專業(yè)名詞和理論护桦，可最終發(fā)現(xiàn)天道好輪回含衔，香農(nóng)公式是繞不開的，雖然大家可能對(duì)它已經(jīng)很熟悉了二庵，我們還是再來復(fù)習(xí)一下贪染？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)定理催享，在我查資料的過程中發(fā)現(xiàn)了另外一個(gè)形式C=B*log2（1+S/N)抑进，區(qū)別在于這個(gè)B表示碼元速率，尼奎斯特定理指出最大碼元速率為B=2W睡陪，但是為了下文表示更加方便寺渗，這里還是統(tǒng)一采用了W，所以其實(shí)我也沒搞懂這里W和B的區(qū)別）兰迫，式中C代表信道容量（最大傳輸速率）信殊，單位為bit/s；W代表信道帶寬汁果，單位為Hz涡拘；S和N分別代表信號(hào)功率和噪聲功率，單位均為W（瓦）据德，一般習(xí)慣把S/N統(tǒng)稱為SNR（信噪比鳄乏，單位為dB）=10 lg（S/N)跷车。從公式中可以很明顯地發(fā)現(xiàn)，信道容量與帶寬和信噪比成正比橱野，但是帶寬和信號(hào)功率都是有一定限度的朽缴，不能無(wú)限提升。

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(gè)新的概念：信道編碼水援，SISO/MIMO密强。信道編碼用人話說，無(wú)線信號(hào)在傳播過程中易受干擾蜗元，再加上覆蓋范圍不夠等問題或渤，發(fā)送的數(shù)據(jù)和接受到的數(shù)據(jù)有時(shí)不一致，因此就需要對(duì)傳輸中的信息進(jìn)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奕扣，這就是信道編碼薪鹦，我們?cè)谶@里引入它主要是因?yàn)樵谙戕r(nóng)公式中，信道容量受編碼技術(shù)的影響惯豆，不同的編碼技術(shù)編碼效率不同距芬，所以編碼技術(shù)在通信標(biāo)準(zhǔn)中占據(jù)著重要的地位，對(duì)于芯片復(fù)雜度循帐，終端成本框仔，功耗，以及專利費(fèi)用都有很大的影響拄养。從1949年最早出現(xiàn)的漢明碼到后來的Golay碼离斩、RM碼和循環(huán)碼，這些早起的編碼技術(shù)都屬于分組碼瘪匿，分組碼主要有兩大缺點(diǎn)：一是在譯碼過程中必須等待整個(gè)碼字全部接收到之后才能開始進(jìn)行譯碼跛梗，二是需要精確的幀同步，從而導(dǎo)致時(shí)延較大棋弥、增益損失大核偿。1955年出現(xiàn)的卷積碼改善了分組碼的缺點(diǎn)，其中具有代表性的是1967年出現(xiàn)的Viterbi譯碼算法顽染，它廣泛應(yīng)用于2G漾岳、3G及衛(wèi)星通信中，可是卷積碼在應(yīng)用過程中因?yàn)椤坝?jì)算復(fù)雜性”的影響始終無(wú)法達(dá)到香農(nóng)公式的理論極限粉寞，然后尼荆，Turbo碼在1993年姍姍來遲，使得信道編碼效率接近了香農(nóng)極限唧垦。Turbo碼因具有兩個(gè)分量編碼器捅儒，譯碼在兩個(gè)分量譯碼器之間進(jìn)行迭代譯碼，故整個(gè)譯碼過程類似渦輪（turbo）工作而得名，它恰逢其時(shí)地被應(yīng)用到世紀(jì)交替之際的3G和4G技術(shù)中巧还，但由于Turbo碼采用迭代解碼鞭莽，必然會(huì)產(chǎn)生時(shí)延，所以不能滿足5G對(duì)超低延時(shí)和超高速率的需求麸祷，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(yàn)碼）之爭(zhēng)了澎怒。

信道編碼示意圖? 圖自搜狐

但是關(guān)于那兩次3GPP（通訊標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)）會(huì)議投票的問題大家討論的實(shí)在夠多了，珠玉在前我怎么好意思再開口摇锋，我們還是先來看看為什么5G為什么會(huì)面臨編碼標(biāo)準(zhǔn)的爭(zhēng)議罷。現(xiàn)在大家應(yīng)該都已經(jīng)曉得站超，目前所討論的5G峰值速率是4G的20倍（4G的峰值速率為1Gbps荸恕，而5G的峰值速率高達(dá)20Gbps），延時(shí)是4G的1/10（4G的用戶面時(shí)延為5ms死相，而5G的用戶面時(shí)延要低至0.5ms）融求，這就意味著5G編碼技術(shù)需在有限的時(shí)延內(nèi)支持更快的處理速度，比如20Gbps就相當(dāng)于譯碼器每秒鐘要處理幾十億bit數(shù)據(jù)算撮，即譯碼器數(shù)據(jù)吞吐率比4G高得多生宛。越高的譯碼器數(shù)據(jù)吞吐率就意味著硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度越高，處理功耗越大肮柜，而譯碼器是手機(jī)基帶處理的重要組成部分陷舅，占據(jù)了近72%的基帶處理硬件資源和功耗，因此审洞，要實(shí)現(xiàn)5G應(yīng)用落地莱睁，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芒澜，3G和4G時(shí)代采用的Turbo碼已經(jīng)不夠用了仰剿，新的編碼標(biāo)準(zhǔn)呼之欲出，事實(shí)上在第86次會(huì)議上首次討論時(shí)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痴晦、大法南吮、法國(guó)電信等7家日本和歐洲企業(yè)提出的LDPC+Turbo組合方案，當(dāng)然它不是這場(chǎng)故事的主角誊酌，我們還是假裝沒看到罷部凑，由三星牽頭，高通碧浊、諾基亞等29家公司簽署了提案的LDPC方案和由華為牽頭砚尽，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辉词。LDPC早在1962年就誕生了必孤，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，也正是因?yàn)樗葎e人早了一步敷搪，當(dāng)時(shí)的硬件條件無(wú)法滿足它的需求兴想，所以它被遺忘，直到1996年才重新引起大家的關(guān)注赡勘，后來被廣泛應(yīng)用在WiFi嫂便、深空探測(cè)、衛(wèi)星和地面數(shù)字電視及HDD闸与、SSD存儲(chǔ)系統(tǒng)等領(lǐng)域毙替，它的優(yōu)勢(shì)在于高效的并行譯碼構(gòu)架，使得它的譯碼器在硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和功耗方面均優(yōu)于Turbo碼践樱。Polar碼誕生于2008年厂画，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(dá)到香農(nóng)極限的編碼方案拷邢，它兼具較低的編碼和譯碼復(fù)雜度袱院，不存在錯(cuò)誤平層(error floor)現(xiàn)象，誤幀率(FER)比Turbo碼低得多瞭稼，Polar碼還支持靈活的編碼長(zhǎng)度和編碼速率忽洛，各方面證明比Turbo碼具備更優(yōu)的性能』分猓看完了背景欲虚，我們就直接來到了結(jié)論環(huán)節(jié)，第86次會(huì)議確定了數(shù)據(jù)信道長(zhǎng)碼使用LDPC方案悔雹，第87次會(huì)議確定了數(shù)據(jù)信道短碼使用LDPC方案苍在，而控制信道eMMB場(chǎng)景則采用了Polar方案，總而言之就是數(shù)據(jù)信道歸LDPC荠商，控制信道歸Polar寂恬。那么問題來了，什么是長(zhǎng)碼莱没，短碼初肉，控制信道，數(shù)據(jù)信道饰躲，eMMB場(chǎng)景牙咏？長(zhǎng)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(jìn)制位數(shù)表示一個(gè)指令嘹裂，越短效率越高妄壶，所以一般短碼代表常用的指令，長(zhǎng)碼代表不常用的指令寄狼。數(shù)據(jù)信道和控制信道則引用以前看到過的一個(gè)栗子：數(shù)據(jù)信道主要傳輸指令和同步數(shù)據(jù)參數(shù)等丁寄，數(shù)據(jù)信道主要傳輸數(shù)據(jù)氨淌，如果把整個(gè)數(shù)據(jù)比作貨車，控制信道相當(dāng)于控制貨車行駛系統(tǒng)伊磺，通過接受指令控制貨車的行進(jìn)盛正，數(shù)據(jù)信道相當(dāng)于貨車的車廂負(fù)責(zé)裝載貨物數(shù)據(jù)。最后是eMMB場(chǎng)景屑埋，3GPP定義了5G應(yīng)用場(chǎng)景的三大方向——eMMB（移動(dòng)寬帶增強(qiáng)）豪筝、mMTC（大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)，海量機(jī)器類通信）和uRLLC（超高可靠低延時(shí)通信）摘能，這三個(gè)概念大家應(yīng)該是聽得比較多了罷续崖，這里就不廢話了。最后針對(duì)5G的信道編碼团搞，網(wǎng)上流行的一個(gè)觀點(diǎn)是“One code does not fit all”严望，傳說中“一招鮮吃遍天”的時(shí)代大概真的已經(jīng)過去了。

Turbo碼譯碼器示意圖? 圖自搜狐

MIMO這個(gè)概念這兩年大家應(yīng)該見得蠻多了莺丑，4*4MIMO當(dāng)年還是一個(gè)重要賣點(diǎn)呢著蟹，那么這個(gè)MIMO還有上文說的SISO又是啥墩蔓？SISO（single input single output）即單輸入單輸出系統(tǒng)梢莽，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)奸披，與之相對(duì)的是SIMO昏名、MISO和MIMO，即單發(fā)送多接收阵面、多發(fā)送單接收轻局、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(gè)概念样刷？因?yàn)橄戕r(nóng)公式是基于單發(fā)射天線仑扑、單接收天線的SISO無(wú)線信道的，也就是說在一定帶寬和信噪比下置鼻，SISO無(wú)論采用什么樣的編碼和調(diào)制方式镇饮，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碼箕母、LDPC碼储藐，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(jiǎn)單粗暴的方式就登場(chǎng)了嘶是，單天線仍然遵循香農(nóng)公式钙勃，然后進(jìn)行加法組合，信道容量瞬間就擴(kuò)大了好幾倍聂喇，所以在4G時(shí)代辖源，MIMO技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，從1*2，2*2逐漸發(fā)展到了2*4和4*4同木。此外在MIMO技術(shù)中浮梢，通過智能波束成型，將射頻的能量集中在一個(gè)方向上彤路，可以提高信號(hào)的覆蓋范圍秕硝，這兩項(xiàng)特性足以使MIMO成為5G的核心技術(shù)之一，而5G時(shí)代的MIMO也將進(jìn)一步發(fā)展為Massive MIMO洲尊，大規(guī)模提高信道容量和覆蓋面積远豺。

然后我們還是要回到香農(nóng)公式本身來談?lì)l率，信道帶寬就是我們的下一個(gè)目標(biāo)坞嘀，這家伙是不是乍看上去和頻率差不離躯护？畢竟我們所謂的移動(dòng)通信是通過電磁波來實(shí)現(xiàn)的嘛。上文我們已經(jīng)說了信道容量與帶寬成正比丽涩，也就是在同樣的編碼技術(shù)下棺滞，信噪比不變時(shí)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(gè)觀點(diǎn)矢渊，無(wú)線頻譜是寶貴的資源继准，就像我們熟知的衛(wèi)星軌道一樣，必須是要有明確劃分的矮男，類似于一山不容二虎移必，亂來是肯定不行的，而且毡鉴，在頻譜這寶貴的資源庫(kù)里崔泵，并不是所有的頻段都那樣美好且實(shí)用，我們生活在一個(gè)充滿了電磁波的世界里猪瞬，但能夠用于移動(dòng)通信的頻段卻不是我們想象的那樣隨拿隨用的憎瘸。關(guān)于電磁波這個(gè)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陈瘦，λ和f分別為電磁波的波長(zhǎng)和頻率）幌甘。可見甘晤，在真空光速不變的情況下（暫時(shí)不會(huì)變）含潘，頻率越高，波長(zhǎng)越短线婚，而在波的傳播過程中遏弱，通過不同介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生折射塞弊、反射漱逸、衍射泪姨、散射及吸收等等，波長(zhǎng)越長(zhǎng)其衰減也越少饰抒，電磁波的波長(zhǎng)越長(zhǎng)也越容易繞過障礙物繼續(xù)傳播肮砾。這也就很好地解釋了為什么我們一直在說5G信號(hào)繞射能力差，需要更多的基站袋坑，就像常用WiFi的2.4GHz頻段和5GHz頻段的差別一樣仗处，相信大家都有感覺，隔著幾堵墻的話5GHz的WiFi信號(hào)強(qiáng)度必然比2.4GHz的WiFi差枣宫。同樣的道理婆誓，頻率較低的電磁波，雖然傳播距離和信號(hào)強(qiáng)度有一定的優(yōu)勢(shì)也颤，但是攜帶的信息量卻大大減少了洋幻，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(dá)到平衡的頻譜呢翅娶？當(dāng)然有文留，這時(shí)候傳說中的700MHz黃金頻段就閃亮登場(chǎng)了，特別是在5G時(shí)代竭沫，700MHz頻段因?yàn)榧婢吡溯^大的信道容量和較強(qiáng)的透射能力兩方面的優(yōu)勢(shì)所以一直受到各大運(yùn)營(yíng)商追捧（國(guó)外的700MHz頻段拍賣動(dòng)輒數(shù)億美元）燥翅，這樣另外一個(gè)問題就來了，頻段這項(xiàng)寶貴資源到底誰(shuí)來用输吏？

頻段拍賣這類的新聞我們應(yīng)該經(jīng)橙酰看到替蛉，5G時(shí)代的更使得頻段爭(zhēng)奪愈發(fā)激烈贯溅，我們也都知道國(guó)內(nèi)的頻段是由工信部為四大運(yùn)營(yíng)商合理分配的，當(dāng)然3GPP在制訂標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)躲查，就已經(jīng)對(duì)會(huì)用到的頻段進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)定它浅。相信很多人還對(duì)當(dāng)年所謂的6模43頻全球全網(wǎng)通有印象，這就是因?yàn)?G時(shí)代頻段劃分后不同國(guó)家不同運(yùn)營(yíng)商選擇了不同頻段之后產(chǎn)生的镣煮，當(dāng)然也和硬件基帶的支持有關(guān)姐霍。我們來看看5G標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于頻段的詳細(xì)劃分，其中FR1頻率范圍（450 MHz - 6000 MHz）典唇，F(xiàn)R2頻率范圍（24250 MHz - 52600 MHz）镊折。

圖自5G通信

圖自5G通信

圖自5G通信

圖中，TDD為時(shí)分雙工模式介衔，F(xiàn)DD為頻分雙工模式恨胚，SDL 為補(bǔ)充下行鏈路，SUL為補(bǔ)充上行鏈路炎咖，這里解釋一下TDD和FDD（其它兩個(gè)沒搞懂）赃泡，這兩個(gè)名詞相信大家也并不陌生寒波，4G時(shí)代TDD—LTE和FDD—LTE這兩個(gè)可算是高頻詞了。在TDD模式的移動(dòng)通信系統(tǒng)中升熊，接收和傳送在同一頻率載波的不同時(shí)隙俄烁，用保證時(shí)間來分離接收和傳送信道，而在FDD則是在分離（上下行頻率間隔190MHz）的兩個(gè)對(duì)稱頻率信道上级野，系統(tǒng)進(jìn)行接收和傳送页屠，用保護(hù)頻段來分離接收和傳送信道，它們都是通信中使用的雙工技術(shù)之一蓖柔，也各有優(yōu)劣卷中，這里就不深入討論了。我們回到頻段上渊抽，早在2018年底蟆豫，工信部就已經(jīng)為三大運(yùn)營(yíng)商劃分了5G實(shí)驗(yàn)頻段，中國(guó)電信獲得3400MHz-3500MHz共100MHz帶寬的5G試驗(yàn)頻率資源懒闷，中國(guó)聯(lián)通獲得3500MHz-3600MHz共100MHz帶寬的5G試驗(yàn)頻率資源十减，中國(guó)移動(dòng)獲得2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz頻段的5G試驗(yàn)頻率資源愤估，最終在今年6月6日發(fā)證時(shí)三家的頻段并沒有太大變化帮辟，倒是中國(guó)廣電成功拿到了傳說中的黃金頻段讓人羨慕。整體來看玩焰，無(wú)論是政策傾向還是產(chǎn)業(yè)發(fā)展由驹，3.5GHz頻段具有更大的優(yōu)勢(shì)，移動(dòng)所占據(jù)的2.6GHz頻段則需要進(jìn)一步深耕昔园，任重而道遠(yuǎn)蔓榄。

從頻段劃分圖出發(fā)還有一個(gè)重要的概念需要談一談——毫米波。從c=λf公式出發(fā)默刚，我們得到的毫米波的頻率范圍大概是30GHz—300GHz甥郑，因?yàn)槠鋷挻螅ㄊ忍匦员粡V泛應(yīng)用于雷達(dá)荤西、遙感等領(lǐng)域澜搅，而5G時(shí)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(shí)驗(yàn)邪锌。

到這里技術(shù)層面上其實(shí)還有很多想講的勉躺，因?yàn)樽鳛橐粋€(gè)完全的門外漢看到一個(gè)個(gè)術(shù)語(yǔ)都會(huì)覺得很新鮮，核心的OFDMA多址技術(shù)觅丰，自包含集成子幀饵溅，頻譜共享等都還未提及，涉及應(yīng)用的D2D和M2M都很有意思舶胀，更不用說被反復(fù)提及的云游戲及萬(wàn)物互聯(lián)……

站在全民5G時(shí)代即將到來的節(jié)點(diǎn)概说，我常會(huì)想起兩個(gè)故事：2010年上海世博會(huì)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)有4G技術(shù)的展示碧注，當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的專家接受采訪時(shí)說中國(guó)的3G才開始普及，4G要大規(guī)模應(yīng)用估計(jì)要等到10年后了糖赔，我是沒有經(jīng)歷過3G時(shí)代的萍丐，于我而言當(dāng)時(shí)信息極為鼻塞，所以我無(wú)從判斷專家所言放典，可是現(xiàn)在逝变，在可預(yù)見的明年，5G必將在全國(guó)范圍內(nèi)大規(guī)模鋪開奋构，甚至很多機(jī)構(gòu)都已經(jīng)開始了6G的預(yù)研壳影，那么再過10年呢？小時(shí)候?qū)懽魑挠幸粋€(gè)題材很受歡迎——未來的生活弥臼，那時(shí)候總是在作文中暢想2020年或者2025年時(shí)家中全是智能機(jī)器人和家具宴咧，機(jī)器人管家會(huì)為我安排好生活中的一切，馬路上的車全是自動(dòng)駕駛而且水陸空三棲的径缅，一言不合就上天下水掺栅，對(duì)于相當(dāng)一部分人來說，當(dāng)年幻想的那些其實(shí)有很多都已經(jīng)出現(xiàn)在了我們身邊纳猪，那么再過20年呢氧卧？大概再博學(xué)的人也無(wú)法精確預(yù)測(cè)明天會(huì)發(fā)生什么，更不用說10年甚至20年之后了氏堤，但是我們親身體會(huì)到的這些變化卻讓我們對(duì)未來充滿了期待和信心……

引用：

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

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

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

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

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

6.頻段和信號(hào)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)是如何出爐的（https://www.ithome.com/html/it/359546.htm）