5G与香农定律

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进行一场反对物理定律和信息论的斗争。

经过五年多的酝酿，新的5G标准为这场斗争带来了几个新的工具。在这篇文章中，我们将探讨5G新无线电如何突破香农定律的极限来实现更快的数据速率。

数据只能传输这么快。无论是通过铜线、通过光缆还是无线，每种介质都有理论上的限制。由于克劳德·香农(Claude Shannon)的开创性工作，这些限制自20世纪50年代初就已为人所知。香农是艾伦·图灵的同代人，被许多人认为是信息论之父。

第二次世界大战期间，香农在贝尔实验室工作期间为许多现代密码学奠定了基础，之后他发展了噪声信道编码定理。该理论为通过有噪声的介质(即，任何介质！)传输数据时所需的纠错算法的效率设定了上限。与拉尔夫·哈特利(Ralph Hartley)早期的工作相结合，香农定理对任何通信渠道(无论是有线还是无线)传输数据的速率设定了上限。

随着蜂窝通信在过去二十年中的发展，我们已经迅速接近香农定律设定的无线数据传输的理论极限。每一代连续的蜂窝都带来了数据速率的戏剧性增长。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更进一步；下一代网络下行链路的峰值理论数据速率将为20Gbps，上行链路的峰值理论数据速率将为10Gbps。

理论峰值速率仅仅是：理论上的。你可能在你的LTE Android或iPhone手机上看不到1Gbps的下载速度。国际电信联盟(ITU)为IMT-2020标准(基本上是5G标准)定义的更有用的度量是用户体验数据速率，这是在网络部署时间至少95%的位置中用户体验到的数据速率。按照这一衡量标准，在最低100 Mbps的情况下，5G应该至少比平均4G速度快5倍。

为了理解5G是如何实现这些更高的数据速率的，我们需要深入研究香农定律，看看工程师们是如何解决前几代人的每一个限制因素的。

请注意，我们在这里完全忽略了延迟。延迟，即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。我们将在未来的帖子中介绍5G网络如何改善延迟。

5G通过直接攻击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使用更广泛的频率在设备和塔楼之间通信。

更多天线(N)：5G利用设备和塔楼中的天线阵列来创建空间分集。

此外，当信噪比(SNR)较高时，5G使用高阶调制方案来提高数据速率，从而使实际数据速率更接近理论香农容量。

频谱是一种稀缺资源：设备可以无线传输的频率是有限的。为了防止干扰，每个国家都对如何在其边界内使用无线电波进行监管。在美国，联邦通信委员会(FCC)向蜂窝运营商拍卖频段。

对于5G的发布，FCC正在通过两种主要方式扩展频谱可用性，而不是目前的4G频谱：

它正在为蜂窝应用授权一种全新的频谱类别：高频、“毫米波”频率。

今天的4G LTE设备和发射塔使用两个频率范围在蜂窝发射塔和设备之间传输：

目前共有大约700兆赫的频谱可供美国国家和地方移动运营商运营的3G和4G LTE网络使用。但现有的低频段和中频段频谱已经拥堵：到2020年，美国50%的4G蜂窝站点将耗尽容量。

5G扩展了蜂窝网络可访问的中带频谱范围，但也增加了新的高频频谱：

在美国，FCC正在为5G网络额外提供6 GHz的频谱(1 GHz的中频，5 GHz的毫米波高频)。这几乎是目前4G LTE服务可用频谱的10倍。

更多的频谱分配是有帮助的，但并不是那么简单。手机发射塔和设备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塔楼和设备可以同时发送和接收的带宽。2010年发布的第一批4G LTE设备可以使用最大20 MHz的频谱将数据从发射塔发送给用户。随着LTE规范的更新，这个数字会随着时间的推移而增加。LTE Advanced和“载波聚合”的引入允许今天的4G网络在塔楼和设备之间使用高达100 MHz的频谱。

5G标准走得更远。5G NR规范允许设备和塔楼在任何时候使用高达800 MHz的频谱，而不是20 MHz甚至100 MHz。将800 MHz的RF解调成比特和字节是一项巨大的壮举，需要更复杂(也更昂贵)的调制解调器芯片组。

虽然1 GHz的新中频频谱将显著提高数据速率，但5G的真正前景是FCC正在开放的5 GHz高频毫米波频谱。

然而，不幸的是，并不是所有的光谱都是相等的。2G、3G和4G LTE网络从中低频段开始，而不是5G的新毫米波频段，这是有原因的。射频信号的频率越高，它在自由空间中传播的距离就越小，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塔的覆盖面积要小得多。典型的4G LTE蜂窝塔可以为10公里外的用户服务，但5G毫米波发射塔可能只覆盖100米半径。

高频段、毫米波5G需要巨大的塔楼密度。这意味着我们可能只会在城市和郊区看到高频5G。mmWave 5G拥有巨大的带宽和超高的数据速率，短期内不会进入农村地区。而且5G塔楼不会是“塔楼”--相反，它们将是“小蜂窝”，即安装在电线杆上的只覆盖一小块区域的微型蜂窝站点。

毫米波的另一个限制是它不能穿透建筑物。24+GHz毫米波频率如此之高，以至于它们不仅会被石膏板挡住，甚至还会被玻璃挡住。这是一个巨大的缺点：室外5G网络不能在室内工作，除非大楼有信号增强器。

为了解决这个问题，运营商正在开发5G“小蜂窝”和分布式天线系统，允许在建筑物内提供mmWave 5G服务，今天在体育场进行了第一次试验部署。

香农定律中的第二个因素，天线的数量，可能有点误导：更多的天线本身并不意味着更快的数据速率。天线必须配置成能够实现“空间复用”--这会增加塔和用户之间可以发送的物理信号流的数量。

在今天的4G LTE网络中实施SU-MIMO时，简称为“多输入多输出”或“MIMO”。所有现代LTE手机都支持这种类型的MIMO，您的智能手机可能支持2x2或4x4SU-MIMO。

SU-MIMO利用信号极化和反射信号路径(称为“多径效应”)的组合来实现空间复用。结果是向用户发送了多个数据流，并提高了数据速率-所有这些都不需要更多的频谱。

MU-MIMO也利用了相同的多径效应，但它不是为任何一个用户增加容量，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与连接到塔的用户数量相同。

大规模MIMO是一项仅限5G的技术。毫米波频率的微小亚厘米波长将允许设备安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复用。

例如，一部标准的手机可以安装工作在39 GHz毫米波频段的72个天线阵列。在700兆赫的低频段，类似的72天线阵列将比典型的家门更大。

纯粹的天线密度允许“波束成形”。通过调整到达每个天线的信号的相位，5G毫米波小蜂窝可以产生指向它需要的任何方向的无线“波束”。

波束成形有可能极大地提高容量和数据速率。通过引导多束信号，5G网络可以大幅提高每个用户设备体验的信噪比。

较高的信噪比是方程式的一半。高信噪比因子增加了系统的总香农容量，但是为了从这些更高的信噪比因子中获益，我们需要更高阶的调制方案。

数字调制是将数字数据(1和0)转换成无线电波的行为。在过去的二十年中，正交幅度调制(QAM)已经成为数字调制的事实标准，从蜂窝到Wi-Fi再到有线调制解调器，无所不包。

我们在这里不会深入到QAM的本质。但关键的是，在信号质量(信噪比)较高的情况下，增加QAM信号的“星座大小”以提高数据速率和频谱效率是可能的。4G LTE刚发布时，支持的QAM“星座大小”最高可达64。4G LTE的更新增加了对高达256个星座的支持，5G NR承诺在未来的版本中支持1024QAM和更高的星座。

这些高阶调制方案仅在信号质量非常高时才变得有用。由于5G毫米波网络需要使用覆盖较小区域的“小小区”，因此相邻小区之间的干扰大大减少。与波束成形一起，这将使更高质量的信号电平和高阶调制方案变得更加普遍，从而提高塔和用户之间的数据传输速率。

更高的调制方案不只是帮助个别用户：它们还增加了整个网络的容量，使其更接近香农容量。虽然4G的下行链路频谱效率在0.074到6.1bit/s/Hz(每秒每赫兹的比特)之间，但未来的5G网络承诺的效率在0.12bit/s/Hz到30bit/s/Hz之间。

随着物联网设备变得越来越普遍，对更高容量的支持变得至关重要。理论上，4G网络每km²支持多达10，000个活动用户，而5G最终应支持每km²超过1，000，000个活动设备。

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的调制方案。这些反过来又推动了香农定律的上限，给了我们更快的数据速率和更高的网络容量。就像4G在过去十年中经过数百次增强而发展起来的那样，5G也将在未来几年发展并突破界限，以跟上不断增长的数据需求和对速度的永不满足的渴求。5G还在起步阶段，另一个挑战香农定律极限的十年才刚刚开始。