Chapter 3: Radio Transmission¶

无线传输充满了有线网络中不会出现的挑战. 干扰可能来自多种来源, 比如微波炉... 同时, 无线电信号也会在建筑物和车辆等物体上反射. 在这一过程中, 有些物体会吸收无线信号. 因此不难理解: 无线信道的特性会随时间变化, 并取决于所使用的频率.

蜂窝无线系统的设计很大程度上是出于应对这些挑战的需求.

5G vs. Wi-Fi: 预约制 vs. 竞争制¶

这是理解整章的关键起点:

特性	Wi-Fi	蜂窝网络(5G)
接入策略	竞争式: 空闲就发, 冲突就退避	预约式: 基站统一分配频谱"份额"
设计假设	网络轻载	追求高利用率
QoS保证	尽力而为	可预测, 有保障的带宽/延迟

正是因为5G"精细控制"频谱分配, 它才能为关键任务应用提供确定性的服务质量保证.

编码与调制: 把数据变成无线信号¶

我们是计算机科学家, 不是通信技术工程师. 因此这一部分只做一个自顶向下、高维度的概览, 理解每一个部分的意义是什么即可, 不会像《通信原理》那样的经典教材进行深入讲解

无线信道充满挑战: 噪声、衰减、干扰、多径传播(信号在建筑物/车辆间反弹)

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两步处理: Coding and Modulation

编码(Coding): 往数据里"塞"额外的冗余比特, 让接收端能纠错(给包裹加泡沫垫)
调制(Modulation): 把比特流变成电磁波信号发出去
1. 数字调制(Digital Modulation): 根据信道损伤情况, 最大化传输比特率
  - 人话: "选车, 准备上路". 如果路况好, 就开法拉利, 一次拉多跑快; 如果路况差, 就开吉普车, 一次拉少跑稳
2. 脉冲整形(Pulse Shaping): 限制/匹配传输带宽
  - 人话: "限制车身宽度". 公路的车道是有宽度的, 让"信号车"乖乖待在自己的车道里, 不要出界
3. 射频调制(RF Modulation): 开始在分配的载波频率上传输
  - 人话: "上高速". 把信号搬运到指定的高频频段(比如 2.4GHz 或 5GHz 的载波)上发射出去, 变成电磁波在空中飞

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多径传播: 信号沿多条路径到达接收端, 到达时间不同

城市环境: 多径扩展约1-10μs; 郊区: 10-30μs
这些信号可能相互增强或抵消, 且随时间变化

相干时间: 信道可被视为"稳定不变"的时间窗口

频率越高 → 相干时间越短
移动速度越快 → 相干时间越短
这决定了符号传输的速率上限

CQI反馈机制¶

Channel Quality Indicator (CQI) 是调度器的关键输入

无线信道是动态变化的, CQI让基站能 "看到" 每个用户当前的信道状况, 从而做出最优的调度决策

Markdown
接收端(UE) --[每毫秒报告信道质量]--> 基站(gNB)
                                      ↓
                              调度器据此决定:
                              • 给谁分配多少资源
                              • 用什么编码/调制方案

调度器: 蜂窝网络的资源分配核心¶

调度器把无线频谱抽象成一个二维网格:

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纵轴: 子载波频率
横轴: 时间(符号传输周期)
不同颜色代表不同用户

4G的资源分配单元¶

概念	定义	大小
Resource Element (RE)	最小单元: 1个子载波 × 1个符号时间	15kHz × 1符号
Physical Resource Block (PRB)	实际调度单元	12子载波 × 7符号 = 84个RE
Transmission Time Interval (TTI)	调度周期	1ms

调度器每1ms做一次决策: 给哪些用户分配多少PRB、用什么调制方案、从哪个天线发

5G资源分配单元更灵活¶

5G引入多种波形配置, 让调度更灵活:

频率范围	带宽	子载波间隔	调度间隔
FR1 (410MHz-7.125GHz)	最大100MHz	15 / 30 / 60 kHz	0.5 / 0.25 / 0.125 ms
FR2/mmWave (24.25-52.6GHz)	50-400MHz	60 / 120 kHz	0.125 ms

意义:

调度器不再只能分配固定大小的PRB, 而是可以动态调整资源块大小
更细的调度间隔(0.125ms vs 1ms) → 更精细的延迟控制, 满足URLLC需求

调度器的输入与决策¶

(1) 调度器的输入:

来自 UE 的 CQI 反馈: "当前信道质量如何"
网络的 QoS 需求 [5QI]: "这个流量需要什么服务质量"

(2) 调度器的输出:

资源块分配、调制方案、天线选择 ...

(3) Workflow:

Scheduler 根据 CQI 和 5QI 做决策, 为用户数据流分配资源块

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5QI包含的关键属性

Resource Type: GBR (保证比特率) / Delay-Critical GBR / Non-GBR
Priority Level: 优先级
Packet Delay Budget: 包延迟预算
Packet Error Rate: 包错误率
Maximum Data Burst: 最大数据突发
Averaging Window: 平均窗口

注意: 一个用户可能同时有多种类型的流量(对应不同的5QI), 比如同时看视频(高带宽)和打游戏(低延迟)

虚拟化调度器与网络切片¶

到目前为止的讨论假设单个调度器适合所有工作负载. 但事实上, 不同应用对流量调度的要求不同. 例如, 有些应用更关注延迟, 而另一些则更关注带宽

原则上可以定义一个超级庞大且复杂的调度器, 考虑数十个不同因素. 但身为系统程序员, 我们一定对这句话不陌生:

"任何复杂系统都可以通过中间层来简化. Long live the hypervisor!" (来自 Boxuan Hu)

因此, 对于这个问题, 5G的解决方案是: 在物理资源和调度器之间加一层虚拟化抽象

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(1) 核心思想

把物理频谱资源"切"成多个虚拟分区
每个分区有独立的调度器, 针对特定流量类型优化
Hypervisor负责"虚拟→物理"的映射, 对上层调度器透明

(2) 灵活性

通过灵活调度, 切片之间可以 "借用" 未使用的资源, 避免浪费

5G NR的四大改进与新用例¶

为什么5G的技术可以单独划出一个"generation"呢?

回顾历史 [review ch1]:

1G, 2G:
- 支持语音和文本
3G:
- 宽带接入 (数百 kbps), 视频传输成为可能
4G:
- 速率提升 (Mbps), 实时视频等技术兴起
5G:
- ???

如果5G仅仅是"速率再提升", 那么它和4G的区别并不大, 最多就是个"better 4G".

截止目前为止, 根据上面的内容, 我们只能得出结论: 5G 为数据传输的安排引入了额外的自由度. 但整体来看, 最终结果是一台质量更强的无线电传输技术

那为什么5G能被称为"新一代"呢?

原因如下!

(1) 四大技术改进

改进	内容	意义
可变波形	动态调整资源块大小	细粒度调度, 支持低延迟
双向时频复用	上下行都支持时域+频域复用(4G上行只有频域)	更精细的调度控制
新频谱(毫米波. mmWave)	24GHz以上, 带宽可达400MHz	海量容量+更细调度间隔(0.125ms)
轻量级空口	mMTC / NB-IoT / NR-Light	支持百万级IoT设备, 低功耗

(2) 五大用例

用例	全称	核心需求
eMBB	Enhanced Mobile Broadband	高带宽
URLLC	Ultra-Reliable Low-Latency Communications	超低延迟+高可靠
MIoT	Massive Internet of Things	海量连接、低功耗
V2X	Vehicle to Everything	车联网
HMTC	High-Performance Machine-Type Communications	高性能机器通信

discussion: 为什么5G能成为Generation? 它真的够格吗?

事实上, 通信行业内部也承认, 如果只看消费者体验(刷视频、网页), 5G 和 4G 的感知差异并不大.

5G 能被称为"新一代(Generation)", 其核心逻辑不在于"更快", 而在于它是移动通信史上第一次"范式转移"(Paradigm Shift).

这种转移主要体现在以下三个维度, 它们重新定义了移动网络的能力边界:

(1) 维度的扩张: 从"线"到"三角形"

回顾 1G 到 4G, 技术演进的主轴只有一条线: 更快的速率

而 5G 引入了著名的 IMT-2020 三角形 愿景, 它强行将单一的"速率"维度撕裂成了三个互斥且独立的场景

这不仅仅是"自由度"的提升, 而是物理层设计的根本分化:

eMBB (增强移动宽带): 负责速率
URLLC (高可靠低时延):
- 4G 的时延通常在 20ms-50ms, 且不可靠.
- 5G 引入了空口极大缩短的 TTI (传输时间间隔) 和高可靠编码, 目标是 1ms 时延和 99.999% 可靠性
- 这使得工业控制、远程手术、车联网成为可能. 这是 4G 无论如何优化都做不到的物理极限突破
mMTC (海量机器类通信):
- 放弃速率, 追求极致的连接密度(100万设备/平方公里)和能效. 这是为了物联网(IoT)设计的

结论: 4G 是为了连接"人与人"或"人与互联网", 5G 是为了连接"物与物"以及"工业生产流"

(2) 核心网架构的革命: 从 monolithic 到 cloud-native

4G (EPC): 仍然依赖大量的专用硬件网元, 接口也是传统的电信协议
5G (5GC): 全面引入了 SBA (Service Based Architecture)
- 微服务化: 所有的网元功能(如鉴权、移动性管理、会话管理)都被拆解成了独立的软件微服务
- 接口 IT 化: 网元之间不再用晦涩的电信协议, 而是直接用 HTTP/2 + JSON (Restful API) 进行通信
- 控制与转发分离 (CUPS): Core-CP和Core-UP彻底分离
  - 这意味着数据网关可以下沉到离用户最近的边缘(MEC), 而不必像 4G 一样必须回传到核心机房 [回顾 local breakout]

结论: 5G 网络本质上变成了一个运行在通用服务器上的"云系统", 这得益于软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)的迅速发展

(3) 商业服务重构: network slicing & QoS differentiation

基于上述的 SBA 架构, 5G 具备了 4G 完全没有的能力: 网络切片.

在 4G 时代, 网络是一条"大管道", 所有人都挤在同一个管道里, 网络无法区分流量的优先级和服务质量(QoS)的根本性差异
在 5G 时代, 运营商可以在同一套物理基础设施上, 逻辑地切分出多个虚拟网络:
- 切片 A: 自动驾驶(低时延, 高优先级, 不追求大带宽)
- 切片 B: 高清直播(大带宽, 允许一定时延)
- 切片 C: 智能水表(极低速率, 极低功耗, 每天只发一次包)

结论: 这种按需定制网络能力的特性, 是 5G 被称为 New Generation 的商业基石

讨论来源参考:

本章核心名词¶

名词	全称	TLDR
OFDM	Orthogonal Frequency-Division Multiplexing	正交频分复用, 用多个互不干扰的子载波传数据
OFDMA	OFDM + Multiple Access	OFDM用于多用户接入, 不同用户用不同子载波/时间
CQI	Channel Quality Indicator	信道质量指示, UE每毫秒上报, 调度器据此决策
RE	Resource Element	最小资源单元: 1子载波×1符号
PRB	Physical Resource Block	物理资源块, 4G实际调度单元(84个RE)
TTI	Transmission Time Interval	传输时间间隔, 调度周期(4G为1ms)
QCI / 5QI	QoS Class Identifier / 5G QoS Identifier	服务质量类别标识, 指示流量需要的QoS
GBR / Non-GBR	Guaranteed Bit Rate	保证比特率 vs 非保证比特率
MIMO	Multiple-Input-Multiple-Output	多天线技术, 从多个天线发送以提升可靠性/速率
Numerology	-	5G中子载波间隔+调度间隔的配置组合
FR1 / FR2	Frequency Range 1/2	5G频段划分: FR1(<7GHz), FR2(mmWave)
NR	New Radio	5G新空口规范的统称
Slicing	切片	将频谱资源虚拟化, 支持多个独立调度器
eMBB	enhanced Mobile Broadband	增强移动宽带
URLLC	Ultra-Reliable Low-Latency Communications	超可靠低时延通信
MIoT	Massive Internet of Things	海量物联网
V2X	Vehicle to Everything	车联网
HMTC	High-Performance Machine-Type Communications	高性能机器通信