通信人家园

标题: 4G速度为什么那么快？ [查看完整版帖子] [打印本页]

时间: 2014-11-6 20:41

作者: fhvgahkgd 标题: 4G速度为什么那么快？

4G速度为什么那么快？这主要归功于LTE制式带宽、调制技术和多天线技术，那么这三方面是怎样提高LTE数据传输速率的呢？

带宽与速率的关系

我们通常用“带宽”来表示信道的数据传输速率，“带宽”与“速率”几乎成了同义词，这是因为两者之间存在紧密的关系。

通信学里有两大定理描述了它们之间的关系：奈奎斯特(Nyquist)准则与香农(Shanon)定理。

奈奎斯特准则指出：如果间隔为π/ω(ω=2πf),通过理想通信信道传输窄脉冲信号，则前后码元之间不产生相互窜扰。因此，对于二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽B（B=f,单位Hz)的关系可以写为：

Rmax＝2.f(bps)

对于二进制数据若信道带宽B=f=3000Hz，则最大数据传输速率为6000bps。

奈奎斯特定理描述了有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系。香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信噪比之间的关系。

香农定理指出：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率Rmax与信道带宽B、信噪比S/N的关系为：

Rmax＝B.log2(1+S/N)

式中，Rmax单位为bps,带宽B单位为Hz，信噪比S/N通常以dB（分贝）数表示。若S/N=30(dB),那么信噪比根据公式：

S/N(dB)=10.lg(S/N)

可得，S/N＝1000。若带宽B=3000Hz，则Rmax≈30kbps。

正是因为信号带宽与速率之前的关系，所以人们通常将这个两个词视为同义词。有了这层关系，我们回过头来理解lte速度也不难了！

比如，GSM的单载波带宽为200k，3G时代速度最快的WCDMA的单载波带宽是5MHz，而LTE则是最高20MHz，以后应用了载波聚合技术，还可提升到100MHz！

这就好比，2G是一条羊肠小道，3G是一条国道，4G是一条高速。

调制技术

用过收音机的人都知道，无线电台有两类：调幅（AM）和调频（FM）。这两个名词是指两种调制的方法。我们都知道，声音的频率是在20赫兹到20千赫兹之间。（赫兹就是信号每秒振荡的次数。）电台并不是直接把代表声音的电信号（称为基频）发射出去，而是把声音信号“加载”到更高频率的电波上再发射。这个高频电波在被“加载”以前叫做载波，被加载以后叫做载频信号。加载的过程就叫做调制。信号通过调制，不但利于信号的传送，而且使得频谱资源得到充分利用。

在数字通信中，我们要传送的是离散的数字信号。数字信号可以看成是一个序列，其中每个单元（也称比特，bit）可取值为0或1。为了调制，我们把一定比特的数字放在一起成为一个符号。例如，如果一个符号有2个比特，那么它可能取的值就有4个（2的平方）。如果有4个比特，那么它的可能值就有16个（2的4次方）。组成为符号的数字信号可以用与以上类似的方法调制。载频的一段时间可以用来调制一个符号。对应于调幅和调频，数字调制的相应方式成为幅度移动键控（ASK）和频率移动键控（FSK）。

现代移动通信多采用QAM(正交振幅调制)，其幅度和相位同时变化，比如EVDO RA 采用QAM16,而LTE物理信道上行和下行均支持QPSK、16QAM和64QAM这三种调制方式。

16QAM用4位二进制数位表示16种不同的信息状态，而16QAM用6位二进制数位表示64种不同的信息状态。

这就好比我们用箱子去装货，货物就是二进制比特，箱子就是符号或调制方式，如果每个箱子里面都多装点货（二进制bit），那么自然每次运输的货就越多，效率就越高。

所以说，64QAM调制技术的采用提高了LTE网络数据传输速率。

多天线技术的使用

香农的通信理论证明了在一定信道条件下信息传输速率有个上限。上世纪九十年代初，人们发明了新的信道编码方式，基本上达到了那个上限。这样看来，信息传输速率再提高已无可能，信息科学剩下的就是降低复杂度等实际问题了。

然而就在那个时候，一种全新的思路开创了在无线通信中成倍增加信息传输速度的可能，那就是多天线系统，英文的直译是“多输入多输出”（multiple-input and multiple-output），现在通称MIMO。MIMO技术源自几个不同领域的独立工作，在九十年代后期由贝尔实验室和AT&T的几位科学家将之系统化，引起了通信业界的广泛重视。２００１年就出现了MIMO产品。２００３年以MIMO为基本技术的工业标准IEEE802.11n开始制定。今天我们家里用的局域网（标准是８０２.１１ｎ）和第三，四代移动通信（WCDMA， LTE等标准）都已采用了MIMO技术。MIMO这个词也频频出现在行销材料上，作为先进，高效能通信技术的象征。

那么MIMO到底是什么神奇的东西？它为什么能突破传统的香农极限呢？这是因为无线通信所用的并不是香农所说的信道。我们从一个简单的例子开始。大家都知道定向天线，它可以让电波向一个方向传播。这样，一对发射和接收天线之间就构成了一个信道；我们可以用香农定理来算它的最大传输速率。但是，一个发射机可以拥有很多定向天线，向不同的方向发射不同的信号。这样，总的传输速率就成倍增加了。可见，利用无线通信的“空间”这个维度，我们的传输速率就可以比传统的信道高得多了。

这里需要的“很多定向天线”可以用一组简单天线组成的天线阵（antennaarray）来实现。当同一信号在不同天线上以一定的相位关系发射时，最终的电波就聚焦在一个方向。而聚焦在不同方向的多路信号可以在同一个天线阵上同时发射出去。媒体上常说的“相控阵雷达”或“合成孔径雷达”，用的就是这个原理。

通信人家园 (https://www.txrjy.com/)