5G-科普

通信基础

什么是通信

简单来说通信是指人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递。

通信系统一般模型

• 信源
  位于发送端，负责将原始信息转换为电信号。

• 发送设备
  发送设备对信源发出的信息进行必要的检错和纠错编码等处理后，将其转换成适合在信道上传输的信号，发送到信道上。一般要经过信源编码、信道编码、交织、脉冲成形、调制等步骤。

• 信道
  信道就是指信息的传输通道。
  可以分为：

  • 有线信道：电（双绞线/网线）和光（光纤）
  • 无线信道：电磁波

  通信行业有句话说：有线的资源是无限的，无线的资源是有限的。就是讲这个信道，有线信道无论是网线还是光纤都是可以无限扩张的（碍于成本），但是无线信道电磁波的频率是有限的。

• 接收设备
  接收设备负责从信道上接收信号，进行检错和纠错处理后，将信息恢复出来发给信宿。一般要经过解调、采样判决、去交织、信道译码和信源译码等步骤。

• 信宿
  位于接收端，负责将电信号转换回原始信息。

香农公式

香农定理：信息在信道中传输的基本定理

香农极限：最少的信道资源趋近传输最多的信息

信道编码：特定信道总能找到一种编码方式，实现接收端误码率最小

信源编码：只要码长足够长，总可以找到一种信源编码，使编码后的信息传输率略大于率失真函数

香农公式的两句正确的FeiHua：信道功率不得低于最小信道功率，信道速率不可能超过香农极限容量

隐含结论：传了（存在）噪声就只能少传有用信号。牺牲带宽可以换取抗噪声能力，例如扩频技术。提升编码效率逼近香农信道极限是通信系统的追求。

5G编码技术：低密度奇偶校验码—LDPC码、极化码—Polar码、Turbo码（二元卷积码，被5G放弃）

大师就是大师：LDPC码出自香农学生（加拉格尔）， Polar码出自LDPC发明者学生（阿里坎/土耳其）

数字通信系统模型

• 信源编码：
  模／数转换，将模拟信号数字化，再进行压缩编码，尽量剔除冗余信息，减少对信道的占用

• 加密：
  对数字信号加密，保证信息安全

• 信道编码：
  主要是增强抗干扰能力，通过添加冗余信息，以便在接收端进行纠错处理，解决信道的噪声和干扰导致的误码问题
  
  信道编码和信源编码刚好相反，信源编码是把东西压得扁扁的，压得小小的，而信道编码是往你要寄的东西里面塞东西，塞东西是为了防止破损

• 数字调制：
  将信息承载到满足信道要求的高频载波信号上的过程就是调制。
  以无线通信为例，由电磁波理论可以知道：天线尺寸为被辐射信号波长的十分之一或更大些，信号才能被有效地辐射。用语音信号举个例子，人能听见的声音频率范围为20Hz~20kHz，假定要以无线通信方式直接发送一个频率为10kHz的单音信号出去。该单音信号的波长为：
  
  （C：光速，f: 频率）
  波长为30公里，天线是它十分之一的话也就是3公里，显然这样的天线是不存在的。所以需要通过调制将信号频谱搬移到较高的频率范围。
  另外一点调制把低频的信号变成高频信号带来了效率的提高，举个例子，假如电磁波是低频的，它传输的数据量就很小，假设一秒钟是1000HZ的，那么就是1秒中有1000个正弦波，能表示1000个字符，那如果是高频信号，1秒中是10万次的，那1秒钟就可以表示10万个字符。

所有的通信过程其实只做了三件事：编码、加密、调制

数字信号和模拟信号

• 模拟信号： 某一电参量（幅度、频率）在一定取值范围内连续变化的信号
• 数字信号： 某一电参量（幅度、频率）在一定取值范围内跳跃变化，仅有有限个取值的信号

模拟信号结构复杂，抗干扰能力差，而数字信号结构简单，抗干扰能力强，总之数字信号比模拟信号好。

模/数信号转换

模拟信号转数字信号原理就把连续的信号变成0，1，0，1，就是在一秒内对它做多次采样，然后在这个数据记录为一秒的数据，然后通过量化，编码变成数字信号。

以上图为例，模拟信号通过10次采样，然后通过量化1秒值为2，2秒值为3，3秒值为5…..，再通过编码将1秒值2编码成010，2秒值3编码为011，…..，就可以得到一个数字信号。

基带和射频

手机中有SOC芯片的东西，相当于CPU，但是比CPU更牛，它有显卡和网卡的功能，这个网卡的功能就分为基带和射频。

上图是基带和射频的工作流程

1. 声音过来之后经过转换变成数字信号
2. 然后是加密/信道编码
3. 然后通过调制将基带信号（就是频率很低的信号）变成指定的高频率信号（比如用的移动网络假如是2.6GHZ，那就要调制到2.6GHZ才可以用移动的网络发出去）
4. 通过功率放大器把信号放大
5. 通过滤波器过滤杂波的。因为功率放大器把信号放大之后正确信号和一些杂波信号都被放大
6. 三角型天线发出去
7. 基站收到信号发给手机，下面就是一个逆过程

移动通信网络基础

移动通信网络可以分为接入网、核心网和承载网3个部分

• 接入网
  接入网是通信网络最靠近用户终端（例如手机、可穿戴设备、物联网设备）的部分，负责将用户终端都连接上。无线通信里的接入网又称为RAN（Radio AccessNetwork，无线接入网）。基站（Base Station）就是RAN的主要组成部分。

• 核心网
  核心网（Core Network），缩写为CN。目前行业内外对核心网并没有一个准确的定义。简单来说，可以理解为是一个“非常复杂的加强版路由器”。它负责对基站收集上来的数据进行处理，然后发送到外部网络（例如互联网）。同样，它也负责将外部网络的数据传输给基站。所有手机终端的网络使用权限都归核心网管理。它是整个移动通信网络的“管理中枢”。需要注意的是，核心网并不是某种特定的设备，它是很多种设备网元（网络单元）的统称。不同的核心网网元有不同的功能，不同通信网络的核心网网元数量和架构也大不相同。

• 承载网
  如果说接入网是一个人的四肢，核心网是大脑，那么，承载网（BearerNetwork）就是这个人的血管和神经。它专门负责传输网元之间的数据，包括接入网和核心网之间的数据，以及接入网、核心网内部网元之间的数据。
  

5G

什么是5G

• 法定名称
  5G，第五代移动通信技术（5th-Generation），法定名称是 IMT-2020

• 标准制定和颁布
  谁有资格颁布5G标准：ITU（国际电信联盟）
  谁负责5G标准的具体研究和制定：3GPP组织（第三代合作伙伴计划）

  
  3GPP将5G标准制定分为两个阶段：

  • 第一个阶段
    发布的是3GPPR15（ Release 15）版本，重点是确定eMBB场景的相关技术标准。也就是说，先重点满足带宽提升的要求。2019年上半年，这个阶段已经成功完成。

  • 第二个阶段
    发布的是3GPP R16（Release 16）版本，也就是完整的5G标准，包括与uRLLC和mMTC场景相关的技术规范。

1G-5G发展

从1G到4G，人类的基本通信需求已经得到了很大程度上的满足。虽然我们已经满足了人与人之间的通信需求，建设了美好的数字生活，但是工业、农业、能源、科研、教育、医疗、物流、城市管理等领域都有数字化、信息化和网络化的需求。这就引出了一个重要的新概念——工业互联网（Industrial Internet）。消费互联网加上工业互联网，才是完整的互联网。

5G指标

ITU综合各国意见，确认了正式的5G指标要求。这一指标要求也被业界称为“蜘蛛网模型

5G应用类型

2015年9月，ITU正式确认了5G的三大应用类型

• eMBB（enhancedMobile Broadband，增强型移动宽带）
  eMBB是现在的移动宽带的升级版，主要服务于消费互联网。在这种场景下，强调的是网络的带宽/速率。

• uRLLC（ultra-Reliable& Low-Latency Communication，低时延高可靠通信）
  uRLLC主要服务于物联网场景，例如车联网、无人机、工业互联网等。这种场景对网络的时延和可靠性有很高的要求。

• mMTC（massive Machine-Type Communication，海量机器类通信）。
  mMTC也被称为大规模物联网、大连接物联网，是典型的物联网应用场景，例如智能井盖、智能路灯、智能水表、智能电表等设备的连接场景。

5G 产业链

5G 关键技术

无线空口

空口，就是空中接口。具体来说，就是手机终端和基站之间这个无线传输的部分。在5G中，这个部分被称为5G NR（New Radio，新空中接口）。
虽然通常把移动通信归类为无线通信，但事实上，整个移动通信系统中，真正通过无线信号进行数据传输的，只有接入网的空口部分，以及少量的承载网场景（在条件有限的地区，会用到微波和卫星传输）。
大部分的承载网以及整个核心网，是使用同轴电缆、双绞线（网线）、光纤光缆等实体线缆进行数据传输的。这些都属于有线通信。

无线空口关键技术

毫米波

无线通信的基础是电磁波。利用电磁波可以在空气甚至真空中自由传播的特性，将信息加载在电磁波上，就实现了信息的无线传输。电磁波的物理特性是由它自身的频率决定的。

为了避免干扰和冲突，将不同频率范围的波分配不同的用途

一直以来，公共移动通信（1G-4G）一直用的是高频到超高频段。原因有两个方面，一是因为低频段的频率资源过于稀缺，高频段的频率资源更为丰富；二是因为高频段通信能实现更高的传输速率。

5G时代，无线通信使用的电磁波频率就更高了。
5G的频率范围分为两种：
一种是FR1频段，工作频率在6 GHz以下（后来3GPP将该频段改成7.125 GHz以下），这个频段也叫Sub-6 GHz频段，它和4G工作频率的差别不算太大；
另一种是FR2频段，工作频率高出很多，在24 GHz以上

我国已完成5G FR1频率分配，三大运营商频段分配如下：
中国移动：2515MHz-2675MHz共160MHz，频段号为n41，以及4800MHz-4900MHz共100MHz，频段号为n79；
中国电信：3400MHz-3500MHz共100MHz，频段号为n78；
中国联通：3500MHz-3600MHz共100MHz，频段号为n78；

高频率能带来更高的网速，为什么之前我们不用高频率呢？原因很简单，不是不想用，而是用不起。电磁波有个重要公式：光速=波长×频率。以 5G FR2频段为例，国际上使用 28GHZ计算，波长为10.7mm

这就是5G的第一大撒手锏——毫米波，而电磁波波长越短，绕障碍物越差，这就意味着基站信号的传输距离大幅缩短、覆盖能力大幅减弱的后果。因此，要让信号覆盖同一个区域，5G网络需要的基站数量将远远超过4G网络。

微基站

为了尽可能减轻网络建设方面的成本压力，5G使用了微基站。
基站按大小和天线发射功率，通常分为宏基站、微基站、皮基站和飞基站。微基站、皮基站和飞基站都很小，所以后两者通常也被笼统地归为微基站。

微基站此前已被广泛使用会不会对人体造成影响？回答是不会的。
就比如一个寒冷的教室里，采用一个大取暖器，离取暖器近的同学会很热，离取暖器远的同学会很冷。如果采用多个小取暖器，各个位置的同学获得的热量会比较均衡，大家都会比较舒服。

同样的道理，如果只采用一个大基站，离得近、辐射大，离得远、没信号，反而不好。5G基站的信号覆盖范围比较小，大量采用微基站是必然的选择。

Massive MIMO（大规模天线阵列）

天线长度为波长的1/10～1/4。5G的波长达到毫米级，那么天线长度也是毫米级，可以藏在手机内部，甚至可以藏多根，这也是为什么1G时代大哥大天线很长，而现在手机看不到天线的原因。
Massive MIMO（大规模天线阵列）。MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）就是多根天线发送，多根天线接收。采用天线阵列技术除了增加速率、带宽之外，还可以有效提升无线信号的覆盖效果。

波束赋形

基站发射信号的时候，比较像灯泡发光。然后我们不需要照亮整个房间，只想照亮某一块区域，这样的话，其实大部分的光都被浪费了。基站发射信号也是一样的，所以就有了5G的撒手锏——波束赋形（Beamforming）

D2D

在目前的移动通信网络中，如果两个终端之间通信，信号（包括控制信令和数据包）是通过基站进行中转的。即便两个终端离得很近，甚至面对面，也是如此。而在5G时代，出现了 D2D（Device to Device，设备到设备），同一基站覆盖范围内的两个终端，如果在相互之间距离满足条件的情况下进行通信，它们的数据将不再通过基站转发，而是直接从终端到终端。节约了空口资源，也减轻了基站的压力，有利于降低成本和提升效率。

上/下行解耦

手机终端和基站之间的通信分为上行（手机到基站）和下行（基站到手机）。
网络的覆盖范围是由上行和下行共同决定的。基站天线比较大，功率比较高，所以，下行信号会强一些，传输的距离也会远一些。但是，手机信号的发射功率是有严格限制的，远远小于基站。所以，手机上行信号的传播距离通常小于基站下行信号的传播距离。

5G网络架构革新

网络切片

5G的业务范围非常宽泛，不同的业务场景对带宽等网络资源的需求是完全不同的。5G网络不可能根据每个业务来配置各自独立的物理设施，而是在物理网络中通过逻辑控制来划分不同用途的逻辑网络，支撑不同的应用，这就是网络切片。


其实就是为了让资源更好的利用。

NFV（Network Functions Virtualization，网络功能虚拟化）

5G之所以能够实现网络切片，离不开NFV技术和SDN技术的帮助。NFV是虚拟化技术，虚拟化是云计算技术的核心。所谓云计算，就是将计算资源从本地迁移到云端，实现“云化”。主要应用于核心网和接入网。

移动通信网络，尤其是核心网，是由很多网元组成的。这些网元本身就是一台定制化的“服务器”。
以前，这些网元都是各个厂商自行设计制造的专用设备。现在，随着x86通用服务器硬件能力的不断增强，通信行业开始学习IT行业，引入云计算技术，使用x86通用服务器替换厂商专用服务器，将核心网“云化”。核心网的架构设计也借鉴了IT行业的微服务理念，演进为SBA（Service-BasedArchitecture，基于服务的架构）。

采用NFV技术，将通信设备网元云化，可以实现软件和硬件的彻底解耦。运营商不再需要购买专用硬件设备，大幅降低了对硬件的资金投入。NFV技术还具备自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等优点，可以大幅提升网络运维效率、降低风险和能耗

SDN（Software Defined Network，软件定义网络）

SDN的设计思路其实和NFV一样，都是通过解耦来实现系统灵活性的提升，SDN用于承载网，是控制面和转发面解耦。
承载网的核心功能就是传输数据。传输的过程就是不断路由和转发数据报文。

传统网络中，各个路由转发节点（路由器）都是独立工作的，内部管理命令和接口也是厂商自己定制的，不对外开放。需要对每个网络设备单独进行配置。

而SDN就是在网络之上建立一个SDN控制器节点，统一管理和控制下层设备的数据转发。所有下级节点的管理功能被剥离（交给SDN控制器），这些节点只剩下转发功能。整个传输网络的灵活性和可扩展性大大增加，非常有利于5G网络切片的快速部署。

MEC（Mobile EdgeComputing，移动边缘计算）

MEC是移动通信技术与云计算技术深度融合的产物。
前面曾提到云计算是将计算资源集中到云端，进行集中管理调配的一种方式。
这种方式也有缺点：
首先是上层网络的数据流量太大。随着智能手机和传感器数量的增长，终端每天产生的数据量大幅增加。如果采用云计算的方式，这些海量的数据都将从终端传送到云端。城域网和骨干网将承受巨大的带宽压力，增加了运营商和服务提供商的运营成本。
其次是时延问题，时延是由电磁波传输速率的物理限制造成的。如果终端和云端之间的距离较远，将不可避免地产生较高的传输时延。对时延敏感型应用场景（例如车联网）来说，这是不可接受的。

MEC就是在整个移动通信网络靠近终端的地方，部署一个轻量级的电信级计算中心节点来提供计算服务。MEC将云计算从云端拉到了离用户更近的位置。