5G网络优化工程师——5G基础理论

5G基础理论（1）

1. 关键技术

• 毫米波通信：使用$24-100$ GHz高频频段提升带宽，但需克服路径损耗
• Massive MIMO：通过$N \times M$天线阵列（如$64 \times 64$）提升空间复用增益，信道容量满足： $$C = N \cdot B \log_2\left(1 + \frac{S}{N_0}\right)$$
• 波束成形：利用相控阵技术实现信号空间定向传输，接收信号模型： $$y(t) = \sum_{k=1}^K \mathbf{w}_k^H \mathbf{h}_k x(t) + n(t)$$

2. 核心理论突破

• 非正交多址接入(NOMA)：通过功率域复用实现多用户接入，用户解码采用连续干扰消除(SIC)
• 超密集组网(UDN)：基站密度达$10^3$个/km²，网络容量与基站密度呈： $$C_{\text{area}} = \rho \cdot W \cdot \log_2(1+\text{SINR})$$
  其中$\rho$为基站密度，$W$为带宽

3. 网络架构革新

• 网络切片：通过SDN/NFV技术实现物理网络虚拟化，满足不同QoS需求
• 边缘计算(MEC)：将计算节点下沉至基站侧，时延降低至$1-10$ ms

4. 性能指标

参数	4G	5G目标
峰值速率	1 Gbps	20 Gbps
时延	30-50 ms	<1 ms
连接密度	$10^5$/km²	$10^6$/km²
移动性支持	350 km/h	500 km/h

5. 信道编码

采用**极化码(Polar Code)**控制信道编码，信道容量可达： $$C = \max_{p(x)} I(X;Y)$$ 在二进制输入AWGN信道中实现香农极限逼近

6. 应用场景

• eMBB：增强移动宽带（8K视频/VR）
• URLLC：超可靠低时延通信（工业自动化）
• mMTC：大规模机器通信（物联网）

附：5G路径损耗模型

毫米波频段适用修正自由空间模型： $$PL(d) = 20\log_{10}\left(\frac{4\pi d}{\lambda}\right) + \alpha d + X_\sigma$$ 其中$\alpha$为大气衰减系数，$X_\sigma$为阴影衰落