5G从专家到小白

第五代移动通信技术（5G）简介

特点：高速率、低时延、大连接。

同时支持中低频、高频频段。（4G仅支持中低频）。

采用LDPC（一种具有稀疏校验矩阵的分组纠错码）、Polar（一种基于信道极化理论的线性分组码）新型信道编码方案、性能更强的大规模天线技术（Massive MIMO）等。

应用场景

增强移动带宽（eMBB）：移动互联网。
超高可靠低时延通信（uRLLC）：工业控制、远程医疗、自动驾驶等。
海量机器类通信（mMTC）：智慧城市、智能家居、环境监测等以传感和数据采集为目标的应用需求。

数据传输率

单位时间传输的数据量，通常用bps来衡量。

带宽

信号频率的范围，也就是最高和最低频率之差，单位是赫兹（Hz）。

根据香农定理，带宽越大，信道容量越高，传输速率越快。
eg：带宽为车道数量（如4车道 vs 8车道）。车道越多（带宽越大），同时通行的车辆越多（吞吐量越高），拥堵概率越低（延迟更稳定）。

频段

电磁波的范围。
eg：28 GHz指中心频率为28 GHz（波长约10.7毫米）的电磁波范围。

频段 VS 带宽

28 GHz频段800 MHz带宽：该频段内可用的频谱宽度（频率范围）。800 MHz带宽意味着从28 GHz开始，有800 MHz的连续频谱可供使用，比如从28.0 GHz到28.8 GHz。

中低频（6 GHz以下）：覆盖范围广、穿透力强

被广泛用于移动通信。4G、Wi-Fi、广播电视、卫星通信、军事雷达等。
低频段带宽有限，因为已经被其他服务占用，碎片化严重。每个频段在同一时间、同一地点只能被一种服务独占使用，否则会产生干扰。

低频段（Sub-1 GHz）​：
带宽窄（通常5~20 MHz）。
​特点：覆盖广但容量低，适合语音通话和物联网。
​示例：4G的700 MHz频段带宽仅10 MHz，单基站峰值速率约50 Mbps。

​中频段（Sub-6 GHz）​：
带宽中等（100~200 MHz）。
​特点：平衡覆盖与容量，5G主流频段。
eg：3.5 GHz频段带宽100 MHz，理论峰值速率2 Gbps。

高频（24 GHz以上）：满足在热点区域提升容量的需求

覆盖范围小，但带宽大，适合高速数据传输。高频段有更多可用的连续频谱资源，资源更充裕。

由基站天线阵列和终端射频前端协同生成和发射。

毫米波

波长在1毫米到10毫米之间（频率越高，波长越短）。
带宽极大（400~800 MHz甚至更高）。
​特点：覆盖小但容量极高，适合热点区域。
挑战：覆盖范围小、穿透力差，需要依赖波束成形和小基站密集部署来弥补。
eg：28 GHz频段800 MHz带宽，理论峰值速率超10 Gbps。

热点区域方案

小基站密集覆盖：在热点区域每100-200米部署毫米波小基站，形成“蜂窝+微蜂窝”多层网络。

干扰

多个信号在同一时间、同一频段或相邻频段上相互叠加，导致接收端无法正确解析目标信号的现象。

eg：演唱会现场发不出消息：数万人同时使用手机，基站过载导致信号满格但无法上网。

同一场馆内，运营商会部署多频段基站，如：
中国移动：2.6 GHz（n41） + 4.9 GHz（n79） + 700 MHz（n28）。
中国联通/电信：3.5 GHz（n78） + 2.1 GHz（n1）。

LDPC码（低密度奇偶校验码）​

高吞吐量、低延迟，适合大数据块。
破解了高速数据传输的可靠性瓶颈，支撑eMBB的极致速率需求。

核心原理

​稀疏校验矩阵：校验矩阵中“1”的密度极低，使得译码复杂度低且并行度高。
​迭代译码算法：基于置信传播（BP算法），通过多次迭代逼近最优解，适合处理大数据块。

场景

5G ​eMBB（增强型移动宽带）​场景的数据信道（DL-SCH/UL-SCH）​，如用户数据传输。在5G NR中，LDPC码用于下行和上行共享信道，码长范围从40到8448比特，适配不同业务需求。

Polar码

在短码长时接近香农极限，适合控制信息。
在低功耗、高可靠场景中不可替代，是URLLC和mMTC的基石。

核心原理

​信道极化：通过递归信道合并与分裂，将N个独立信道转化为“完全可靠”和“完全不可靠”的两类信道，仅通过可靠信道传输信息位。
​串行抵消（SC）译码：复杂度低，但性能接近香农极限，尤其在短码长时优势显著。

场景

5G ​URLLC（超可靠低时延通信）​和mMTC（大规模机器通信）​的控制信道（如ACK/NACK、调度指令）。

控制信道（DCI/UCI）​：5G中下行控制信息（DCI）和上行控制信息（UCI）均采用Polar码，码长通常为12-512比特。

大规模天线技术Massive MIMO

为高频段提供可控的传播环境。
通过空间维度扩展，将频谱效率和覆盖能力推向新高度。

核心原理

​天线数量跃升：基站部署64-256个天线阵元（Sub-6 GHz）或1024个阵元（毫米波），形成高增益波束。
​波束成形与空分复用：
​波束成形（Beamforming）​：通过相位控制聚焦信号能量，提升覆盖和信噪比。
​多用户MIMO（MU-MIMO）​：同时服务数十个用户，频谱效率提升5-10倍。

应用

Sub-6 GHz广域覆盖和毫米波热点容量提升。
​优势：
​覆盖增强：波束成形使毫米波覆盖距离从50米扩展至500米。
​容量突破：64T64R天线配置下，小区容量可达10 Gbps/km²。
​干扰抑制：通过零陷（Null Steering）技术降低邻区干扰。
eg：
​毫米波基站：采用256阵元相控阵，波束宽度1°-5°，单用户峰值速率超10 Gbps。