关于 the Short Blocklength Regime
 
 
URLLC场景要求高可靠低延迟通信，其在QoS和包大小要求方面与传统实时通信业务有很大区别，举个例子：
 
  
传统VoIP业务： 
    
最大排队时延50ms
时延违反概率0.02
最小数据包大小1500bytes
 
URLLC业务： 
    
端到端延迟1ms
译码错误概率10的负9次方
包大小 <= 20 bytes
 
 
 
在LTE系统中，每个TTI设置为1ms，这意味着数据包在传输前就要在基站缓冲区中等待1ms以上，因此无法满足1ms的端到端时延要求。
 
 
5G NR提出了短帧结构，下面比较一下LTE和NR子载波间隔和帧结构的区别：
 
  
 
LTE
 
    
LTE中每帧(frame)固定10ms，一帧中包含10个子帧(subframe)，每个子帧1ms；
子载波间隔(SCS)固定15kHz；
 
 
5G NR
 
    
NR帧长10ms，包含10个子帧，每个子帧1ms，与LTE相同；
NR的子载波间隔在LTE的15kHz的基础上以2的幂次方扩展，即子载波间隔可以为15k、30k、60k、120k、240kHz；
SCS越大，OFDM符号长度(SCS的倒数)越短，时延越小；
5G每个时隙(slot)固定有14个OFDM符号，因此子载波间隔越大则时隙越短，而子帧长度固定1ms，因此每个子帧中的时隙数不是固定的；
Slot是5G(NR)网络标准的调度单位；
可以参见下图表理解；
 
 
 
 
 
由上可知，对于需要低时延的URLLC场景，可以通过配置较大的子载波间隔，降低对应时隙的长度来满足要求。此外，5G NR引入了mini-slot，支持一个时隙仅包含 2 | 4 | 7 个OFDM符号，用于低延迟场景中可以显著降低时延。
 
 
5G NR采用短帧传输保证URLLC低时延，而为了保证URLLC的高可靠性，适当的有限块长度信道编码是非常重要的。因为数据在有限块长度信道编码下不能实现无差错传输，因此在URLLC场景下，译码错误概率是可靠性的重要表征；
 
 
Yury Polyanskiy 在其论文《Channel Coding Rate in the Finite Blocklength Regime》中的结果表明，用较短的块长度信道码可以保证非常低的传输错误概率，但代价是可实现的速率降低。论文中从信息论的角度推导出了AWGN信道下有限包长度n和有限包错误概率$ϵ$下的最大编码率的近似表达式（单位：bit/s/Hz或bit/symbol或bit/channel use）：
 $$R^{\ast }(n,ϵ)\approx C-\sqrt{\frac{V}{n}}{Q}^{-1}(ϵ)$$
 其中，C为香农容量， V为信道色散。
 
 
关于n
 
数据包的传输是一个将数据位映射为一个连续的时间信号，然后通过无线信道传输的过程，在OFDM系统中，假设该连续时间信号的传输持续时间为T，子载波间隔为W，则符号周期$T_s=1/W$，因此$T\ast W$即为该连续时间信号的符号数，我们用它来表征包长度n，即$n=T\ast W$。
 
 
关于C,V
 
  
 
V(channel dispersion)：其衡量信道相对于具有相同容量的确定性信道的随机性。
 
 
在平均功率受限的复AWGN信道下，设$\gamma$为信噪比，则：
 $$C=log(1+\gamma )$$
 
$$V=\gamma \frac{2+\gamma }{(1+\gamma {)}^2}\frac{1}{(ln2{)}^2}$$
 
以上两式参考文献[9]。
 
 
 
参考文献、网页和文档
 
 
知乎专栏【5G NR学习笔记】5G NR帧结构
Qorvo社区：5G帧结构解析
中兴文档：一文读懂5G帧结构
5G(NR)网络中物理层调度单位Slot和Mini-Slot
信息论——信道及其容量（二）
知乎提问：信道编码定理中的数据率
[1].Polyanskiy Y, Poor H V, Verdú S. Channel coding rate in the finite blocklength regime[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2010, 56(5): 2307-2359.
[2].She C, Yang C, Quek T Q S. Cross-layer optimization for ultra-reliable and low-latency radio access networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2017, 17(1): 127-141.
[3].Sun C, She C, Yang C, et al. Optimizing resource allocation in the short blocklength regime for ultra-reliable and low-latency communications[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2018, 18(1): 402-415.
[4].J. Chen, L. Zhang, Y. Liang, X. Kang and R. Zhang, “Resource Allocation for Wireless-Powered IoT Networks With Short Packet Communication,” in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 18, no. 2, pp. 1447-1461, Feb. 2019, doi: 10.1109/TWC.2019.2893335.
[5].J. Park and D. Park, “A New Power Allocation Method for Parallel AWGN Channels in the Finite Block Length Regime,” in IEEE Communications Letters, vol. 16, no. 9, pp. 1392-1395, September 2012, doi: 10.1109/LCOMM.2012.071612.120447.
[6].She C, Yang C, Quek T Q S. Radio resource management for ultra-reliable and low-latency communications[J]. IEEE Communications Magazine, 2017, 55(6): 72-78.
[7].Durisi G, Koch T, Östman J, et al. Short-packet communications over multiple-antenna Rayleigh-fading channels[J]. IEEE Transactions on Communications, 2015, 64(2): 618-629.
[8].Zhang L, Liang Y C. Average throughput analysis and optimization in cooperative IoT networks with short packet communication[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2018, 67(12): 11549-11562.
[9].G. Durisi, T. Koch and P. Popovski, “Toward Massive, Ultrareliable, and Low-Latency Wireless Communication With Short Packets,” in Proceedings of the IEEE, vol. 104, no. 9, pp. 1711-1726, Sept. 2016, doi: 10.1109/JPROC.2016.2537298.

背景：很多人认为 5G 确实是未来的发展方向，但具体到哪些落地，又说不清楚，甚至于认为 5G 只比 4G 多了一个G 而已，但笔者认为：5G 在移动通信领域绝对是革命性的，如果说以前的移动通信只是改变了人们的通信方式、 社交方式，5G 则是改变了网络社会。 先看 5G 的三大场景：
 
（1）eMBB
 
即为“增强移动宽带”，就是以人为中心的应用场景，集中表现为超高的传输数据速率，广覆盖下的移动性保证等，这是最直观改善移动网速，未来更多的应用对移动网速的需求都将得到满足，从 eMBB 层面上来说， 它是原来移动网络的升级，让人们体验到极致的网速。因此，增强移动宽带（eMBB）将是 5G 发展初期面向个人消费市场的核心应用场景。
 
（2）uRLLC
 
“高可靠低时延连接”。在此场景下，连接时延要达到 1ms 级别，而且要支持高速移动（500KM/H）情况下的高可靠性（99.999%）连接。这一场景更多面向车联网、工业控制、远程医疗等特殊应用，这类应用在未来潜在的价值极高，未来社会走向智能化，就得依靠这个场景得网络，这些应用的安全性、可靠性要求极高。
 
（3）mMTC
 
“海量物联”，5G 强大的连接能力可以快速促进各垂直行业（智慧城市、智能家居、环境监测等）的深度融合。万物互联下，人们的生活方式也将发生颠覆性的变化。这一场景下，数据速率较低且时延不敏感，连接覆盖生活的方方面面，终端成本更低，电池寿命更长且可靠性更高，真正能实现万物互联。
 
三大场景其实都提供了无限的可能性，真正应用起来，对未来社会都将产生深刻的影响。

 
 
术语：
 
eMBB（移动宽带增强）、mMTC（大规模物联网，更多的称为海量机器类通信 [1-2]  ）、uRLLC（超高可靠超低时延通信）
 
eMBB        Enhanced Mobile Broadband                             增强移动宽带 
 
mMTC      massive Machine Type of Communication          大规模物联网
 
uRLLC       ultra-reliable low latency communications           超高可靠超低时延通信
 
 
 
导语：5G
 未来就在眼前，由于5G技术的三大场景应用性上相比于前几代无线通信技术的巨大提升，它必将带来一些我们目前甚至无法想象出的应用。此番，我们从技术角度上来看看5G技术是如何得以实现的，也为你埋下一颗在5G应用上的种子。
 
现代无线通信技术的演进几乎10年就是一个时代，从上世纪90年代的2G，直至触手可及的5G。可以说，无线通信技术是真正能够最迅速普惠全民众的事业，它所带来的便利性，应用性起到着推进时代进程的作用，我觉得这是通信人所值得骄傲的。
 
 
最新的5G无线通信技术会带来什么样的变化，ITU（International Telecommunication Union  国际电信联盟）从eMBB（增强型移动宽带）、mMTC(海量机器类通信)、uRLLC（超可靠、低时延通信）的三大应用场景上做出了一定规划。那么5G技术到底又有什么不同呢？我们从其根源上出发从技术角度来看看它的演进过程。
 
首先从香农公式说起，：C＝B log2(1+S/N)。C是最大传输速率；B为频谱带宽；S为信号功率；N则是噪声功率。此公式为通信领域理论之基。
 
首先很明显，在直观角度上，为了提高传输速率最直接的做法就是提高频谱带宽。
 
为了提高频谱带宽，总的来说分为三类方法。
 
其一，提高频谱范围，由C= λV，为了提高频率，那么所需波长就越小。也就诞生了5G的关键技术之一：毫米波（mmWave）。其二，提高频谱利用率，那么这就涉及到了大幅提高频谱效率的Massive MIMO，以及（调制技术）正交频分复用技术OFDM（以及F-OFDM等）和可以实现频谱效率3倍提升空分多址技术SCMA。
 
其三，为了提高在传输过程中的效率，空间利用率和抗干扰性、减低能耗，便有了CCFD(同时同频全双共)、3D波束赋形（对射频信号相位的控制，使得电磁波精准的指向所需服务的移动终端）和D2D（同基站下终端与终端可直接通信，无需经过基站）。
 
在实现了这些技术的前提下，三大应用场景基本就得到了解决，当然这不是最终的。在有了这些技术的情况下，为了提高其可靠性，更低时延等，还有别的工作要做。
 
首先，传统运营商基站的建设成本是比较高的，而5G由于其多需要采用高频段，那么它的覆盖范围势必将缩小，那么（宏）基站的建设成本无疑会成为一个很大的问题，（这也正是当初运营商抢低频而段而抢的头破血流的原因）因而提出了UDN（超密集组网）、UCNC（虚拟化小区和CloudRAN）等的建设方案，其做法之一就是建设微基站。（PS:据了解近两年微基站的建设成本控制在五千元以内）同时，由于SDR技术的发展，微基站建设的长期投入成本将会更低——频带、空中接口协议和功能都可通过软件下载和更新来升级，而不用完全更换硬件。
 
除此之外，5G技术其实不单单指高频段的应用上，它将涵盖，或者说覆盖此前的网络频段应用，使得5G网成为一个巨大的混合网，因而有5G物联网之说。由此，端对端网络切片技术的应用也将成为解决大规模连接节点的一个重要方式，这会更好地解决5G在物联网中一些对连接要求不那么极端的设备连接上。
 
说完这些提高物理性技术的方案，我们再来谈谈从计算机技术上的方案。编码方案一定程度上在传输“源头”决定了传输的速率与时延，此前的4G网络上，不论信道控制还是数据控制都采用的是LDPC，而在去年底，3GPP确定了由华为中国公司主推的的极化码（Polar）方案作为5G eMBB场景的控制信道编码方案，虽然数据信道上憾负LDPC几票。
 
至此，我们从通信技术的根源上对5G所采用的主要新兴技术做了一个简单的系统性总结，当然，5G中的新技术还很多，我也只是从旁观者的角度去少部分的了解了这么一些。（如有意见，请评论补充）再者，5G虽在眼前，但它仍然还处于不断发展的状态，也势必会出现更多更好地促使其成熟、加快落地的新技术。
 
此外，以下部分则是一段简单的无线通信技术演进史。
 
 
 
追溯到由无线电报而衍生的模拟移动通信系统，它以模拟电路单元为基本模块实现语音通信，并创新式地采用了蜂窝结构，可重复利用频带，实现大区域覆盖和移动环境下的不间断通信。但它的不足之处也很明显：频谱利用率低，容量节点有限；保真性较差，安全隐患大；制式太多，兼容性差；无法提供非语音数据业务。
 
相比于1G，2G时代由ETSI制定的GSM可谓是三朝元老，自90年商用沿用至今，统治了一代人的记忆。除此之外，高通基于扩频技术推广的CDMA也是我国联通早期的主要通信技术标准。2G时代我们主要应用的就是基于GSM演进的GPRS了，基于此诞生的WAP可以算是移动互联网的阶段性产物。但是很明显，其仍旧无法解决频谱资源紧张的问题。
 
直至3G的出现，日、欧提出了WCDMA，能够直接架设在GSM网络基础之上，能够轻易度过通信技术的迭代，降低基站建设的成本；高通则提出了CDMA2000，这套系统从窄频CDMA1X衍生而来，可从原有CDMA 1X结构直接升级3G，建设成本低廉。同时这套系统也成了高通的摇钱树之一，从运营商处收取5%的专利费用，这也为日后我国和欧洲共同研发LTE埋下了伏笔。1998年，我国也提出了TD-SCDMA，采用了智能无线，同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术，其在频谱利用、业务支持灵活性上都有独特优势。
 
4G时代的到来，是比较快的。很多人都感觉3G还没用热呢，运营商已经在短信通知换取4G卡了。4G的演进过程中OFDM有着关键性作用，而无论WCDMA还是TD-SCDMA都可以很快速的直接演进到LTE，相比于此前的通信技术无疑4G的优势是巨大的，通信速度上的跃升已可匹及家庭宽带，因而实现了更高质量的多媒体通信业务，同时4G的发展也为现今智能手机、移动互联网的发展和普及做出了巨大贡献。
 
而讲到LTE就不得不说说FDD与TDD的差别了，如果将频谱比作一条高速公路，那么FDD就是采用双车道制式，可同步进行数据的上传和下载；而TDD则是一条根据时间变换的单行道，将时间分成无数帧，在帧与帧之间实行变换。
 
5G以前的通信演进史就到此告一段落了，而5G的演进正在进行之中，我们会共同持续关注它给物联网，给整个时代所带来的影响。

5G的三大业务场景eMBB、URLLC、mMTC：
 
 eMBB：英文全称Enhanced Mobile Broadband，即增强移动宽带，是利用5G更好的网络覆盖及更高的传输速率来为用户提供更好的上网接入服务，使得无线上网具有更高的上网速率和更稳定的传输，给客户带来的最直观的感受就是网速的大幅提升，即便是观看 4K 高清视频，峰值能够达到 10Gbps。
 美国时间 2016 年 11 月 17 日凌晨 0 点 45 分，在 3GPP RAN187 次会议的 5G 短码方案讨论中，中国华为公司主推的 Polar Code（极化码）方案，成为 5G 控制信道 eMBB 场景编码最终方案。
 URLLC：英文全称Ultra Reliable & LowLatency Communication，即低时延高可靠，如名称所述，URLLC有两个基本特点，即高可靠和低时延，可以广泛应用于如AR/VR、工业控制系统、交通和运输（如无人驾驶）、智能电网和智能家居的管理、交互式的远程医疗诊断等。
 mMTC：英文全称Massive Machine Type Communication，即海量物联网通信或大规模物联网业务，5G 低功耗、大连接和低时延高可靠的特性很好地适应了面向物联网的业务，可以重点解决传统移动通信无法很好支持地物联网及垂直行业应用。低功耗大连接场景主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足 100 万 /km2 连接数密度指标要求，而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。
 
 
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