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admin 4个月前 ( 06-30 07:14 ) 0条评论
摘要: 炙手可热的5G,如何逼近信道容量的香农极限?...
贴身妖孽保安

来历:返朴 ID:f姐姐的作业anpu2019

撰文 | 徐晓(华南理工大学物理与光电学院)

2019年6月6日,工信部正式发放5G商用车牌,标志着5G即将迈入商用阶段。我国的通讯职业在阅历了“1G空白,2G跟随,3G参加,4G并跑”的阶段后,总算在5G年代成为了领跑者之一。但关于大多数普通用户壁咚,斩龙,天龙-第十届ICC存案报名处,存案新闻早知道而言,5G仍是一个含糊的概念。昆特沙5G终究是什么?在带宽资源有限的状况下,怎么做到传输速率的大幅进步?

5G适当热。

从英国初次5G电视直播,到5G车牌的发放;从对华为的制裁,到美国议员说要赖掉华为的专利,近一个月的新闻真实是让人眼花缭乱。

可是,5G终究是什么?有什么关键技能?背面又有什么故事?为了做一名合格的“吃瓜大众”,咱们最好仍是来了解一下。

了解了这些概念,至少在茶余酒后吹嘘的时分,你会显得比他人有层次。

从香农公式说起

作为一个老司机,你必定清楚,车要跑得快,路要宽,路面要平,油还要给足。相同,上网速度想进步,信号传输的通道要宽,噪声要小,信号功率还要大。

可是,1948年曾经,没有人能清楚地描绘信号传输速率和通道宽度、噪声巨细以及信号功率的联络。直到香农提出了信息论,给出了香农公式:

abp340

这公式方法精约,意义深远。

C是单信道的信道容量,是指咱们建立了一个单点输入、单点输出的通讯通道(咱们称为信道)后,这条通道每秒最多能够传送多少bit的信息量。B是信道的带宽,能够简略了解为分配给一个信道可用的频率规模的一半;S是传送信号的均匀功率,而N则是噪声或许搅扰信号的均匀功率。

从香农公式可知,关于单信道而言,要添加信道容量C,无非三种方法:或添加带宽B,或添加信号功率S,或削减噪声或搅扰信号的功率N。

八卦一下

新浪大V王小东引证他人的说法,以为中心频率越高,带宽就越大。翻开科普书,你也会发现上面写着,光纤之所以比电线好是因为带广大。其实,现代无线通讯技能运用的频率都现已适当高了。所以中心频率的凹凸,除了极限状况(比方需求十分宽的带宽,抵达奈奎斯特频率对带宽的约束)之外,一般不会构成对带宽的约束。

所以现在,“频率越高,传输的信息量越大”这一观念并不完全正确。实践上,信息量只关乎带宽,不关乎中心频率。这一点,香农公式现已告知你了。

跟着无线通讯的开展,带宽也好,功率也好,这些资源只会越来越严峻,而空间中壁咚,斩龙,天龙-第十届ICC存案报名处,存案新闻早知道无线电的互相搅扰也只会越来越大。

怎么办?

天无绝人之路。关于有多个输入和多个输出的信道而言,即便不改动以上三个条件,只需能确保该体系中的各输入源或输出源的信号能够互相区别,就能够进步总的信道容量。

比方,假定有一个单输入双输出的信道,而且,咱们能够经过某种方法区别每个输入信号到底是该抵达输出1,仍是该抵达输出2。那么,这个体系就能够当作两个独立的信道:一个是从输入到输出1,一个是从壁咚,斩龙,天龙-第十届ICC存案报名处,存案新闻早知道输入到输出2。

无限远点的牵牛星

图1 单输入双输出信道

假如这个模型是无线电传输的,则信道的噪声N不会改变。信号总功率还定为S,每个信道各分一半,即S/2。那么咱们很简略核算,这个信道的总容量为:

C=B log2(1+S/2N)+B log2(1+S/2星火回租N)

=2B log2(1+S/2N) (2壁咚,斩龙,天龙-第十届ICC存案报名处,存案新闻早知道)

为了做个简略比较,咱们假定S/N=10,B=1Hz,就很简略算出在单信道的状况下,单信道容量约为3.46Bits/S,而新的潜色官迹信道的总容量为5.17Bits/S。5G,即第五代移动通讯,首要便是运用多输入与多输出技能(Multipl赌侠马华力e-Input Multiple-Output,MIMO)来进步信道容量的。

这个比方还给咱们别的一个启示:献身单个信道的功率,尽管单个信道的容量有所下降,可是这个下降却能换来信道数目的添加。因而,有的时分,献身必定的带宽、进步一点噪声或是下降一点信号功率,假如能使输入或输出信号之间的区别度添加,也是能够进步信道总容量的。这正是5G的另一类重要技能,非正交复用技能(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)的原理根底。

弥补:蜂窝移动通讯的根本结构

在了解MIMO和NOMA之前,让咱们对现在手机通讯依托的蜂窝移动通讯的结构先有个根本了解。

如下图。手机的信号传递,是靠离它不远的基站,也便是图中画的那些天线样的东西来完成的。这些基站一般几公里安置一个(5G要降到300米左右一个基站)。一般状况下,基站的方位会放在一个六角形“蜂巢”的中心,以确保基站宣布的信号能够最好地掩盖手机作业的区域。正是这个原因,手机用的移动通讯网络被称作“蜂窝移动网络”。

基站的信号一般经过光纤,被送到一些设备构成的体系网络。这个体系叫“核心网”,它会对基站送来的信号进行分拣和查看,然后,把归于电话、短信或微信等数字通讯的信号,分门别类送进相应的共用网络,比方电话的网络、因特网的网络等。一同,核心网还会把手机用户在哪个基站邻近通讯、用了多少流量等信息送到服务与管理中心,用来进行计费等作业。

图2 移动通讯网络根本结构

多输入与输出技能

先说多输入与多输出技能(MIMO)。

关于无线通讯而言,MIMO是指在基站上运用更多数量的天线。这当然就意味着在不添加频带和功率的状况下添加信道容量。

最能在直观上表现这种信道容量添加的,是波束赋形(beam forming)技能[1]。

咱们都很清楚,无线电波是一种电磁波,和水波、声波相同,有相干现象。如图3所示,假如运用许多天线发射相同频率的电磁波,操控好发射的波的相位,就能够让这个信号向一个或几个特定的方向传达。这样的信号不只能量会集,远间隔传输时功率也不会急剧下降,还能够区别不同的空间方位。运用这种区别度,也就适当于建立了更多的信道。

而MIMO的一般解说要触及无线电信号的根本传输模型,这儿我就不打开讲解了。仅仅给出当接纳和发射天线都比较多时,其信道容量的常见的估量公式:

C=min(mR,mT)B log2(1+S/N)(3) [2]

这儿mT和mR分别是信道中发射和接纳天线的数量,min表明mT和mR两者中的最小值。可见,天线数量的添加,大大进步了体系的信道容量。

图3 波束赋形(蓝色圆圈表明电磁波,这些圆圈的叠加有方向性,指向与天线摆放平行的方向。)

非正交复用技能

非正交复用技能(NOMA)是指运用某种资源差异(比方接纳功率差异、空间方位差异等)来区别不同接纳手机的收发信号的技能。因为这些手机和基站之间运用的是同一个频道,只经过资源差异做必定区别,这在通讯技能上意味着无法划出独立的信道,所以叫“非正交”。

最老练的NOMA方法是运用功率差异。[3]如图4,基站经过功率检测发现,手机1、2、3顺次从近到远散布。那么,基站就能够把发给3的信号功率调到最强,发给2的次之,发给1的最弱。这些信号能够在同一个频段内宣布。

所以,在手机1收到的信号中,最强的信号是3的,其次是2的,最弱的才是自己的。那么,手机1就能够先将其他信号当成噪声,解出3的信号,然后将3的信号从接纳信石萱号中扣除。再在经过扣除的信号中,解出2的信号并扣除。终究才解出自己的信号。

而关于手机2,因为其离基站有必定的间隔,所以收到的1的信号适当弱,只需将其当噪声就能够了。剩余要做的,便是参照上面的方法康美心语,扣除手机3的信号,解出自己的信号。

手机3就更不用说了,它收到的手机1、2的信号都适当弱,只需解出自己的信号就能够了。

这种信号处理的方法叫作“接连搅扰消除”(successive interference cancellation ,SIC),是指经过一连串信号的扣除来去掉搅扰。

正是经过这样的方法,咱们再次进步了信道的容量。

图4 利小暖灸用功率差异完成NOMA

八卦一下

搜狐张朝阳曾经在视频节目中说到,5G要求的速率大,运用的频率也偏高,估量运用的功率也会偏大,会不会因而对人体形成危害?

他的问题也是许多人忧虑的。

经过这两节的阐明,咱们知道,5G首要是经过添加信道,而非添加功率的方法,来进步速率的。

5G(第5代移动通讯)运用的低频频段,跟咱们现在用的4G(第4代移动通讯)没有实质差异,而高频频段则是曾经卫星用来跟地上进行通讯的频段。这些频段,在必定功率规模内,对人体都没有什么影响。 [4, 5]

迫临香农极限

信道容量,是理论上的一个极限值,被称为香农极限(Shannon limit)。

真实的通讯进程,要挨近极限并不简略。为了对立信道中的搅扰,咱们有必要对要传递的信息进行编码。这样一来,在大多数状况下,即便传送的信号因为遭到搅扰而在到陆瑾城徐洛达目的地时犯错,咱们也能依据犯错状况把原始信息康复出来。比方,在搅扰不太严峻时,咱们把相同的码传上3遍,然后3判2,一般就能康复信息。当然,这样编码的功率十分低,浪费了信道的容量。

而一个好的编码,不光要能战胜噪声或许搅扰,其间用来战胜搅扰的信息位数还要满意少,这样才有或许挨近香农极限。

这样的码尽管不好找,但真找起来也不是特别困难。

不过,人们很快就发现,许多码的解码进程真实太杂乱,没有方法规划出能立刻解码的芯片。

1993年,法国的Berrou、Glavieux 和他们的缅甸籍博士生Thitimajshima [6]发布了Turbo码,选用了大多数研讨编码的学者都没有留意的一种方法[7],即所谓“软判定”的方法来译码。第一次,咱们在有用意义上挨近了香农极限。4G通讯,选用的便是Turbo码。可是,软判定尽管比较简略完成,但其核算进程需求迭代,不能并行,所以提速是个问题。

而5G的速度要求要比4G快至少10倍以上。因而,咱们需求的译码计划不只需能简略完成,最好还能并行核算以进步速度。

第一个被重视的码是LDPC码,其提出者是香农的学生Gallager。该编码在上世纪60年代被初次提出时,因其时的硬件不能满意编码的要求而被放置。直到Turbo码被提出,咱们才发现,LDPC码有类似的译码功能,在长码时更挨近香农极限,且并行性也不错。所以,在向5G行进的进程中,许多学者都把留意力放在了LDPC码上。[8]

2008年,Gallager的学生,土耳其毕尔肯大学的Erdal Arikan教授提出了Polar码 [9]。因为咱们的重视点都在LDPC码上,所以他的发现在欧美厂商那里遭到了冷遇。[10]

Polar码

叙述Polar码,需求十分专业和繁复的布景常识。可是,咱们能够讲点简略的东西,来“浅尝”一下Polar码。

图5 老王送信息图

如图5,近邻老王要给张三传递音讯,但又不想让李四知道,怎么办?他就想到用纸牌来送音讯,牌面朝上表明明日有空,朝下表明明日忙。可是,老王碰到了两个费事。一个费事是,邻近有个小孩总会在张三、李四不在时来翻牌,会有40%的或许把牌翻个面(如图5,小孩把第一张牌翻了面)。别的有个费事是,李四屡次调查,现已知道了纸牌正面和不和的意义。所以,老王决议用两张牌,第二张牌的意义还跟本来相同,正面表明有空,不和表明忙,但第一张牌则用火热热心脏来跟张三进行事前约好,约好两张牌的牌面是相同仍是相反(图5所示的便是相反)。经过这样的方法,老王以为他既能更好地对立小孩的搅扰,也能避免李四猜准成果。请问,老盛世天龙王的方法靠谱吗?

信息论答复咱们,靠谱!

先看李四碰到的状况。

假如李四直接经过第二张牌来判别老王是否有空,那么精确率只需60%。这个精确率还能不能再进步呢?比方,李四可不能够先猜猜老王事前跟张三的约好是什么?假如老王决议两张牌同面和不和的概率各为50%,那么,经过概率论核算,李四揣度出约好内容的或许性最多为52%。假如他想在此根底上再揣度牌面的精确意义,也便是想一同猜准约好的内容和老王是否有空,那么成果只会更糟,只需36%的或许猜对。总的看来,还不如直接用第二张牌的6成掌握算了。

再说张三。比方图5中的状况,已然事前约好了牌面相反,张三一看牌面相同就知道被小孩动过手脚,便会直接依据第二张牌揣度,精确性即6成;可是,假定张三碰上的是牌面相反的状况,那么,经过概率论核算,他判别的精确率将一跃至69%,比60%高了不少。

总结起来,咱们能够以为张三占了好信道,好的时分精确率高达69%;而李四占了烂信道,他不像张三能提早知道老王的约好,他猜对约好内容的精确率只需52%。这个概率着实不高,因为咱们都知道,李四就算乱猜其实也有50%的机率猜对。

信道分了好和烂,便是极化(Polarization),也便是两极分化的意思。

(这个核算进程并不严厉,仅仅为了展现极化现象。真正要了解极化现象,仍是需求信息论的根底。详细的核算见附录。)

所谓极化码的编码技能,便是以一种比较杂乱的嵌套方法,并运用满意多的牌,经过老王的约好,终究发生十分严峻的信道极化。能够从数学上证明,只需有满意多的牌,李四到终究啥也猜不到;而只需张三事前知道了满意多的约好内容,那么再严峻的小孩搅扰,都挡不住老王传递的每一个信息。当然,小孩搅扰的状况越轻,需求的约好越少。

标 准

“一流厂商做规范,二流厂商做计划,三流厂商做产品。”这是通讯职业的一致。

为什么呢?因为通讯职业是依托信息的传输而存在的。而通讯规范便是信夜深沉梦缠绵息传达和电信运营商运营的根底。比方,你打电话,有必要规则什么样的声响是忙音,什么样的声响是打通了的声响。这便是规范。

实践上,电信规范的首要拟定者——世界电联(International Telecommunication Union)在1865年景立时,便是为了一致规范而结成的联盟。1865年5月17日,由奥地利和法国建议,为了一致各个国家的电报格局、资费等问题,20多国参加结成万国电报公会(International Telegraph Union),即世界电联的前身。而其时清政府历经50年,才参加万国电报公会,仅为中文码字收费一项,就和万国公会进行了好久的洽谈。

由此可见,规范对通讯业是多么重要。[11]

到了现代,通讯规范越来越杂乱,与之配套的专利、芯片、设备和软件也越来越杂乱。所以只需拟定了规范,也就意味着从技能、硬件到软件都占得先机。比方,在第三代移动通讯有三大规范,WCDMA、CDMA2000和TDS-CDMA。而完成CDMA(Code Division Multiple Access,码分多址)的核心技能就在高通公司(Qualcomm)[12]手中。因而,其时的高通公司除了卖芯片,还向世界各地的电信设备商和运营商收取相关技能的专利费用,赚得盆满钵满,从1985年7个人创建的小公司一跃成为世界上最重要的通讯企业之一。高通的比方清楚地诠释了什么是“一流企业做规范大悲水的正确制作方法”。

可是,规范不是你想做就能做的,因为假如没有技能上可完成的有招引力的计划,也就不会有许多的厂家支撑,你的计划是不会被世界电联或其托付的相关组织选为规范,此其一;别的,也不是有了规范就必定会赚钱,因为假如缺少相应比较经济有用的完成技能,规范仍然不会转成效益,此其二。

而Polar码,比之LDPC码,译码杂乱度低。若研制其相应技能,必定会招引许多的厂家,并带来经济的完成计划。因而,其技能若完成,相应计划是有或许进入新一代无线通讯的规范并带来效益的。

2010年,因为加拿大北电关闭[13]而在2009年参加华为的童文,敏锐地发觉到了Polar码的巨大潜力。尽管,Polar码译码有必定的串行性,可是解码自身杂乱度很低。所以,他决议冒一次险,豪赌一把,在工程上完成Polar码的运用。[14]

实践证明,童文赌对了。众所周知,在5G规范的拟定中,Polar码以在测验中更优异的功能胜过了Turbo/LDPC码,并终究成为了eMBB场景的短码操控信道编码计划。[15]

而跟着规范的拟定,华为有更多的专利进入了“规范必要专利”(表1)。

什么是“规范必要专利”?便是你一旦要选用这个通讯规范来出产设备或进行运营,就必然会用到这些专利,并向专利持有的厂商交纳专利费用。

这不光使华为从芯片到硬件都占尽先机,仅是相应的专利费也极为可观。

表1 5G规范必要专利核算[16]

八卦一下

有许多朋友说,我国没有核心技能,不如高通等等。这个问题,我个人觉得,都没有“规范必要专利核算”来得精确。

别的需求弥补的细节是:童文获得了2018年IEEE出色职业首领奖[17];Erdal Arikan教授获得了2019年香农奖[18]。

结 语

即将完毕。

那些最最抢手的论题,比方贸易战的许多细节、芯片问题、频段问题、5G有什么用等等我都没有讲。

因为气候太热,我真实写不下去了。

广州这段时刻不是大雨,便是高热。听说,这都是厄尔尼诺惹的祸。

为什么厄尔尼诺这么凶猛?听说是全球升温形成的。

比较气候的上升,有关5G的许多争辩不过是小打小闹算了。

在这人类愿望不受操控的世界里,长程来看,一切都变得不确定。

因而,我更思念1948年的香农(Claude Elwood Shannon):

它叫香农熵。熵,即不确定。

附录:极化信道的阐明

正文中极化码的比方,实践是对如图6的信道图的比方。

图6 信道极化的示意图

解说图6相关核算如下:

有两个二元信号X1和X2,其可取的值为{0,1};这两个信号进行模2加(模2加的规则是:0+0=0;0+1=1;1+0=1;1+1=0)后,则送入一个噪声信道W,其有60%的或许性保持原有的值输出到Y1,40%因为搅扰而被误判成另一个符号(即“0”被判成“1”, “1”被判成“0”);别的,X2直接经过一个搅扰信道W,输出为Y2。

为了便利核算,咱们将核算需求运用的各色欲后宫种概率值列表如下(假定壁咚,斩龙,天龙-第十届ICC存案报名处,存案新闻早知道X1和X2取“0”和“1”的或许性都是各占50%):

表1 Pr (Y1Y2 | X1X2)

表2 Pr (Y1Y2X1X2)

十分简略推知,Y1和Y2取“0”和“1”的或许性也都是各占50%

现在咱们来核算一下联合信道X1X2->Y1Y2传递的信息量:

均匀每个W信道传送信息量约为0.0290bit/sign。

而由信息论可知,若X1与X2独立,信道也可做壁咚,斩龙,天龙-第十届ICC存案报名处,存案新闻早知道如下分化:

则易求出:

由此可知,信道X1->Y1Y2传递的信息量远远低于均匀的0.0290bit/sign;而信道X2->Y1Y2X1传递的信息量简直等于本来两个信道联合传递的信息量,远高于0.0290bit/sign。

此即信道极化。

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