前言：
LTE通过QAM调制、OFDM调制、IQ调制、射频混频，实现了在20M空口带宽上，下行100M速率的二进制数据的通信。
LTE-A通过载波聚合、MIMO等技术，可以把空口的下行数据速率提升到1G。
5G增强移动宽带eMBB更是厉害，把空口的速率速率直接提升了到10G， 5G的空口是如何做到的呢？采样了什么样新的技术或什么样技术改进呢？
有了LTE成熟的经验，5G NR在空口并没有引入多少革命性的技术，更多是对LTE的改进，而这种改进，更多的是通过牺牲硬件资源换取性能的提升。
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第5章 新波形F-OFDM（Filtered OFDM）复用与解复用
本文的主题是：如何提升空口速率，可以从理论谈起，毕竟理论指导实践。
奈奎斯特证明，对于一个带宽为W赫兹的理想信道，其最大码元（信号）速率为2W波特，即C =2×W。
这一限制是由于存在码间干扰。
如果被传输的信号，采用多阶调制，即每个符号包含了M个状态值（信号的状态数是M），那么W赫兹信道所能承载的最大数据传输速率（信道容量）是：
C =2×W×log2M（bps）
假设带宽为W赫兹信道中传输的信号是二进制信号（即信道中只有两种物理信号），那么该信号所能承载的最大数据传输速率是2Wbps。
例如，使用 带宽为3KHz的话音信道通过调制解调器来传输数字数据，根据奈奎斯特定理，发送端每秒最多只能发送2×3000个码元。
如果信号的状态数为2，则每个信 号可以携带1个比特信息，那么话音信道的最大数据传输速率是6Kbps；
如果信号的状态数是4，则每个信号可以携带2个比特信息，那么话音信道的最大数据 传输速率是12Kbps。
因此对于给定的信道带宽，可以通过增加不同信号单元的个数来提高数据传输速率，即增加调制的阶数。
香农定理给出了信道信息传送速率的上限（比特每秒）和信道信噪比及带宽的关系。
在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，信道容量Rmax与信道带宽W，信噪比S/N关系为：
提升速率和无线信道容量最直接的方法就是增加无线信道的带宽，目前5G最大带宽将会达到400MHz，相对于LTE的20M, 整整提升了20倍，相对于LTE-A的100M，提升了4倍。
实际带宽为：5M/10M/15M/20M/30M/40M/50M/60M/70M/80M/90M/100M/200M/400M......并非一次性就支持400M,且只在高频段（厘米波）才能支持400M.
考虑到目前频率占用情况，5G将不得不使用高频进行通信。
GPP协议定义了从Sub6G（FR1）到毫米波（FR2）的5G目标频谱。
FR1以3.5G（又称C波段）附近的频谱为核心频谱，带宽有限，作为5G部署的黄金频段。
FR2以高频段则作为5G的辅助频段，带宽大，衰减快，用于热点区域速率提升。
目前中国三家运营商分得的FR1频谱如下：
其中中国联通和中国电信达成5G共建协议，可以共享3.5G频谱上200Mhz的带宽，同时3.5G上产业链较为成熟，拥有很大的优势。
而移动则继续在2.6G频谱上进行深耕。
FR2是5G的辅助频段，用于热点区域速率提升。
当前版本毫米波定义的频段只有四个，考虑到FDD需要成对的大带宽，因而FR2四个频段均为TDD模式，最大小区带宽支持400MHz。
QAM是Quadrature Amplitude Modulation的缩写，中文译名为“正交振幅调制”，
QAM是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输。
星座图上的每个点，代表一种符号，其在横轴和纵轴上的映射为I路和Q路幅度调制的幅度。
8QAM：3比特； 16QAM： 4比特 ； 32QAM：5比特； 64QAM：6比特；
128QAM：7比特； 256QAM：8比特；512QAM：9比特；1024QAM：10比特
5G用到了1024QAM,每个符号代表10比特，相对于每个符号代表5比特的32QAM调制，速率仅仅提升了1倍。
很显然，QAM调制对速率提升并不明显，
并且QAM调制的阶数越高，对信噪比的要求越高。
“大规模”天线阵列技术中的“大规模”是相对于LTE的多天线技术而言的，包括“大规模”MIMO和波束赋形两种子技术。
从技术继承的角度来说，MIMO技术已经在4G通信中进行的充分的研究与实现，各项技术实现比较成熟。但是在4G通信中，MIMO天线数量较少，多为4个或者8个，天线数量少就限制了4G网络的通信容量。
5G在4G研究的基础上，提出了大规模天线阵列的概念，天线数量得到极大的提升，如64，128天线等。天线数量的增加，使得5G能够对天线进行分组，分组内部采用MIMO, 同时分组间可以实施波束赋形，这就是所谓的大规模”MIMO”技术。
关于LTE的MIMO技术，参考《图解通信原理与案例分析-21：4G LTE多天线技术--天线端口、码流、分集Diveristy、波束赋形BF、空分复用MIMO、空分多址》CSDN。
这里简单再梳理一下。
通过MIMO技术，在不改变载波信号的带宽的情况下，在空中增加了“N层”正交的无线信道，N的层数越多，提升的数据速率就越大。
在空间中增加的无线信道的“层数N”与数据速率成正比，比如4*4MIMO, 相对于单天线，速率就提升了4倍，如下图所示：
通过多天线MIMO提升信道层数，从而提升空口速率。
但这个方案最大的问题是：
终端的成本、体积和功耗，不可能像基站那样大量的增加天线的数量，通常终端支持1T1R或2T2R或4TR4R。
因此，在基站一侧增加的大规模天线数量，在某一个时刻，并非为某一用户独享，而是通过对天线进行分组。
组内采用MIMO技术，在基站与单一终端之间构建MIMO的“层”，增加基站与单一手机之间的无线传输信道，因此组内的天线数量取决与终端的天线数量。
组间采用波束赋形技术，同时为多个终端提供服务，通过波束赋形，实现了不同用户的信号的波束的隔离。
比如手机是1T4R. 而基站是64T64R, 那么基站就能够同时为64/4=16个用户提供4T4R的MIMO通信。
单一用户MIMO, 不同用户间为波束赋形。
那么，基站总体的下行数据流的速率，相对于单天线，就提升了64倍。
增加信噪比，可以采用更高阶的调制方式，信噪比越高，QAM调制的阶数越高，空口的速率越高。
基站的N个天线信号，经过相关性叠加，产生的信号的波速的能量给单一用户，增加了单一用户的信噪比。
5G采用大规模天线阵列，可以把大规模天线阵列分成M组， 每一组为N个天线。
每一组中N个天线，产生一个波速，为一个用户服务，提升单一用户的信噪比。
M组天线，产生M组波束，为M个不同的用户服务，提升基站空口中的无线信道的“层数”，如下所示：
通过控制不同信号的信号的幅度和相位，从而控制不同天线信号的相干性，最终得到控制信号波束的目的。
(1) 相位天线阵列的概念
从上图可以看出，每一路天线的载波的相位是可以控制的，正是通过控制每一路天线的相对相位，达到实现波束赋型的目的。
波束赋型可以通过模拟的手段达到波束赋型，称之为数字波束赋型；也可以通过数字的手段达到波束赋型，称之为数字波束赋型。
（2）模拟波束赋型
模拟波束赋形技术将幅度和相位权值作用于模拟信号。
在发射端，基带数字信号，经过DAC之后，先由功分器分解为多路天线的模拟信号，然后通过控制不同分路线路的延时，得到控制不同分路模拟信号相位的目的，最终得到波束赋形的目的；
在接收端，多个天线阵子的模拟信号，先合路器合并之后，再进入ADC。
缺点：
模拟电路的延时实现设计好的，无法动态的、任意的改动。
优点：
由于多路模拟信号共用一套DAC/ADC、功分器和混频器，整个系统的功耗就显著下降。可以采用小功率，但线性度更好的器件来代替。
同时，模拟功放器和滤波器可以细化到每一个阵列。
（3）数字波束赋型
在4G阶段，使用的智能天线，都是采用数字波束赋形技术，该技术能够获得较大的天线增益，并且可以支持多流、多用户的不同传输模式（TM）。
数字波束赋形的幅度和相位权值作用于基带（中频）信号，
发射端，数字波束赋形的相位控制，发生DAC之前。
接受端，数字波束赋形的相位控制，发生DAC之后。
缺点：
要求天线阵列数与射频（RF）链一一对应，即每条RF链路都需要一套独立的DAC/ADC、混频器、滤波器和功放器。
当5G大规模阵列天线需要128个、甚至256个阵列之后，就存在严重的问题——RF链越多需要的尺寸越大、功耗也越大，因此无法满足实际建网的需要。
优点：
数字波束赋型是数字处理，更加灵活多变。
（4）光波的反射案例
（5）不同天线数对波束的影响
从上图可以看出，随着天线的增多，通过不同天线间的相关性控制，信号的波速（能量）可以越来越集中。
总之，通过大规模天线阵列，可以通过控制不同天线信号的相位，在空间中形成多个不同的波速，每个波速在空间中是并行存在，且相关隔离的，从而得到在空间中形成多个并行的无线传输信道的目的！
天线的数量越多，在空间中可形成的并发的、无线传输通道就越多，基站的数据速率就越高。
FDM中，把整个频谱带宽，切分成无数个相同带宽的载波频率，每个载频之间有一定的间隔，避免不同载波之间的相互影响。
（1）概述
通过载波间隔的重叠与压缩，当然，OFDM并非可以任意重叠，每个载波的最大带宽只能是30K，重叠为载波间隔15K。
在相同的总带宽、子载波间隔、相同的子载波数量的情况下，相对与FDM，每个在载波的带宽就提升了一倍，总的数据速率就增加一倍。
在相同的子载波带宽、子载波间隔、相同的子载波数量的情况下，相对与FDM，在数据数据传输速率不变的情况下，所需要的总的频谱带宽就是原先的一半。
O-FDM复用是通过离散快速傅里叶逆变换完成的，O-FDM复用通过离散快速傅里叶变换完成。
（2）资源分配的方式和特点： 统一子载波的宽度。
（1）概述
F-OFDM（Filtered-Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一种可变子载波带宽的自适应空口波形调制技术，是基于OFDM的改进方案。
F-OFDM能够实现空口物理层切片且后向兼容LTE 4G系统、又能满足未来5G发展的需求。
F-OFDM技术的基本思想是：将OFDM载波带宽划分成多个不同宽度的子带，并对子带进行滤波，而在子带间尽量留出较少的隔离频带。
比如，为了实现低功耗大覆盖的物联网业务，可在选定的子带中采用单载波波形；
为了实现较低的空口时延，可以采用更小的传输时隙长度；
为了对抗多径信道，可以采用更小的子载波间隔和更长的循环前缀。
图-1所示为F-OFDM系统的收/发结构框图：
从图中可以看出，F-OFDM调制系统与传统的OFDM系统最大的不同是在发送端和接收端所增加的滤波器，f(n）为滤波器，所以称为面向滤波器的正交频分复用。
（2）资源分配的方式和特点： 可变子载波的宽度。
F-OFDM能为不同业务提供不同的子载波带宽和CP配置，以满足不同业务的时频资源需求。
固定子载波宽度：所有的最小单元是15K的子载波，QAM调制也是针对15K子载波的。不同用户可以获得的子帧波的个数不同而已。
可变子载波宽度：不同用户，获得的最小子载波的宽度，不是固定的15K, 而是根据场合来定义子载波的宽度。
有人把可变子载波带宽和固定子载波带宽比喻成高铁的座位：
经济舱的座位的最小载波宽度是15K为基本单位，豪华舱的座位的的最小载波带宽是30K或60K或其他值，反正会比15K大。
F-OFDM分配的座位和空间都能够根据乘客的高矮胖瘦灵活定制，硬座、软座、卧铺、包厢，想怎么调整都行，这才是自适应的和谐号列车嘛。
这时一定有人会问，不同带宽的子载波之间，本身不再具备正交的特性了，就需要引入保护带宽啊，比如OFDM就需要10%的保护带宽，这样一来，F-OFDM灵活性是保证了，频谱利用率会不会降低呀?就像这些奇奇怪怪形状和大小的座位都挤在一起，火车空间利用率肯定会降低啊，正所谓鱼与熊掌不可兼得，灵活性与系统开销看起来就是一对矛盾啊。
但是，F-OFDM真的可以兼得哦，通过优化数字滤波器的设计，可以把不同带宽子载波之间的保护频带最低做到一个子载波带宽，真是彪悍啊!
看到这里，肯定有人疑问，F-OFDM与提升空口速率有啥关系啊？
确实，F-OFDM并不能直接提升空口速率，相反，是要降低频谱利用率的，F-OFDM主要用于适应不同业务的需要，解决了业务灵活性的问题！而不是为了提升空口速率的！
只所以把F-OFDM技术放在本文中讲解，主要考虑的是：
（1）空口技术的完整的
（2）后续的稀疏码分多址接入SCMA与此有一定的关联性。
（3）把多个连续的、独立调制的15K的子载波分配给单一用户与一整块连续的带宽的区别是：把较大的带宽分配给某一个用户，节省了子载波之间的保护带，提高了频谱利用率，变相的提升了空口速率。OFDDM编码中个，每个子载波虽然可以重叠，在实际编码是，还是需要预留CP。一整块带宽的好处是，由于是整体调制的，因此消除了每个子载波之间的预留带宽。
在没有SCMA之前的LTE中，一个子载波时隙分配一个用户后，就不能分配给其他用户。N是时隙，可能分配个N个不同的用户，
SCMA神奇的地方在于：M个用户可以共享N个时隙子载波，M>N，关键是这里的共享，不是通过时分复用实现的，而是同一时间。
还是用火车的例子吧，虽然我们针对不同业务需求，划分了不同的座位，但是怎么在这一列有限空间的火车里，装更多的人呢?
伟大的人民总是有无穷无尽的智慧，最简单的办法请往下看，系统容量瞬间翻番不是梦啊。这就是SCMA的基本思想。
SCMA是怎么做到，在N个子载波的带宽上，能够同时为M个用户提供服务，M>N，而不相互干扰呢？
这就要涉及到3G CDMA码分多址的技术了。
CDMA的技术原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码序列(PN)进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去;
接收端使用完全相同的伪随机码，对接收的宽带信号做相关处理，把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号，即解扩，以实现信息通信。
码分多址的一个好处是，在相同的大带宽上，可以同时承载多路用户的数据，带宽内部不需要保留各个子载波的间隔，提高了频谱利用率，提升了基站空口整体的速率。
先打个比方，比如，把原先只能坐4个人的、同类型的、并排的、4个座位连接起来，然后挤坐6个人，一定程度上提升了物理空间的利用率。
如果是每个子载波是一个“座位”，如何把多个子载波连接起来，面向滤波器的正交频分复用F-OFDM已经实现了这一点。
现在关键的问题是：如何在连接在一起后的的带宽上，能够传送超过连接前的用户数据量？
这就涉及SCMA的第一个关键技术：低密度扩频与稀疏码分多址接入SCMA技术。SCMA就是一种扩频、码分、多址技术，但又不同于CDMA的全扩频码分多址。
还是以4个子载波为例。
SCMA把单个子载波的用户数据扩频到4个子载波上，然后6个用户同时共享（不是分时共享）这4个子载波。
之所以叫低密度扩频，这是因为，它不同于CDMA的占用整个带宽，SCMA的每个用户数据只占用了其中2个子载波(图中有颜色的格子，即只占用部分带宽，而不是全带宽)，另外2个子载波是空的(图中白色的格子)。
但同一时间，有6个用户占用这4个子载波。这就相当于6个乘客坐4个座位。这也是SCMA中Sparse(稀疏)的来由。如下图所示。
从效果上看，4个独立的子载波，经过SCMA，等效为6个原先的独立的子载波，频率利用率提升了1.5倍。
波长越长、频率越小，衰减越小。
波长越短、频率越大，衰减越大。
采用高频率的载波获取高的载波带宽，从而获取速率提升，是最直接的手段。
然后，载波的频率越高，电磁波的波的特性就减弱，电磁波的粒子性就会增强，体现在高频电磁波在空间的传播，衰减性非常快。这就导致，在同等功率的情况下，小区信号的覆盖半径极大的降低。
因此，要实现增强移动宽带eMBB的高速率，超密集组网技术必不可少。
从上图可以看出，从TD LTE到Pre-UDN, 再到5G UDN，基站的部署越来越密集。基站与基站之间距离越近，因此小基站市场份额和部署的数量会急剧增加。
高频段是未来5G 网络的主要频段，在5G 的高热点、高容量典型场景中，将采用宏微（宏基站与微基站）异构的超密集组网架构进行部署，以实现5G 网络的高流量密度、高峰值速率性能。
为了满足热点高容量场景的高流量密度、高峰值速率和高用户体验速率（平均速率）的性能指标要求， 基站间距将进一步缩小，各种频段资源的应用、多样化的无线接入方式及各种类型的基站将组成宏微异构的超密集组网架构。
这里有两层含义：
在热点高容量密集场景下， 无线环境复杂且干扰多变， 基站的超密集组网可以在一定程度上提高系统的频谱效率， 并通过快速资源调度可以快速进行无线资源调配， 提高系统无线资源利用率和频谱效率，但同时也带来了许多问题。
在复杂、异构、密集场景下，高密度的无线接入站点共存可能带来严重的系统干扰问题， 甚至导致系统频谱效率恶化。
随着无线接入站点间距进一步减小， 小区间切换将更加频繁，会使信令消耗量大幅度激增，用户业务服务质量下降。
为了有效应对热点区域内高系统吞吐量和用户体验速率要求，需要引入大量密集无线接入节点、丰富的频率资源及新型接入技术， 需要兼顾系统部署运营成本和能源消耗， 尽量使其维持在与传统移动网络相当的水平。
为了实现低功率小基站的快速灵活部署， 要求具备小基站即插即用能力，具体包括自主回传、自动配置和管理等功能。
对于宏微异构组网， 微基站大多在热点区域局部部署， 微基站或微基站簇之间存在非连续覆盖的空洞。因此对于宏基站来说，除了要实现信令基站的控制面功能，还要视实际部署需要，提供微基站未部署区域的用户面数据承载。
多连接技术的主要目的在于：实现UE （用户终端）与宏微多个无线网络节点的同时连接。
不同的网络节点可以采用相同的无线接入技术， 也可以采用不同的无线接入技术。
因宏基站不负责微基站的用户面处理，因此不需要宏微小区之间实现严格同步，降低了对宏微小区之间回传链路性能的要求。
在双连接模式下，宏基站作为双连接模式的主基站，提供集中统一的控制面；微基站作为双连接的辅基站，只提供用户面的数据承载。
辅基站不提供与UE 的控制面连接，仅在主基站中存在对应UE 的RRC（无线资源控制）实体。
主基站和辅基站对RRM（无线资源管理）功能进行协商后，辅基站会将一些配置信息通过X2 接口传递给主基站，最终RRC 消息只通过主基站发送给UE。
UE 的RRC 实体只能看到从一个RRU（射频单元）实体发送来的所有消息，并且UE 只能响应这个RRC 实体。
用户面除了分布于微基站，还存在于宏基站。由于宏基站也提供了数据基站的功能， 因此可以解决微基站非连续覆盖处的业务传输问题。
上述过程有点类似类似LTE-A的多载波聚合+LAA（许可频谱辅助接入），这部分技术的详细内容，参考《图解通信原理与案例分析-22：4G LTE-A如何把速率提升到1G--多载波聚合技术》CSDN
5G 超密集组网可以划分为：宏基站+ 微基站；微基站+ 微基站两种模式，两种模式通过不同的方式实现无线资源的调度。
宏基站+ 微基站部署模式
在此模式下，在业务层面，由宏基站负责低速率、高移动性类业务的传输，微基站主要承载高带宽业务。
以上功能实现由宏基站负责覆盖以及微基站间资源协同管理，微基站负责容量的方式，实现接入网根据业务发展需求以及分布特性灵活部署微基站，从而实现宏基站+ 微基站模式下控制与承载的分离。通过控制与承载的分离，5G超密集组网可以实现覆盖和容量的单独优化设计，解决密集组网环境下频繁切换问题，提升用户体验，提升资源利用率。
微基站+ 微基站部署模式
为了能够在微基站+ 微基站覆盖模式下，实现类似于宏基站+ 微基站模式下宏基站的资源协调功能，需要由微基站组成的密集网络构建一个虚拟宏小区。
虚拟宏小区的构建，需要簇内多个微基站共享部分资源（包括信号、信道、载波等），此时同一簇内的微基站通过在此相同的资源上进行控制面承载的传输，以达到虚拟宏小区的目的。
同时，各个微基站在其剩余资源上单独进行用户面数据的传输，从而实现5G 超密集组网场景下控制面与数据面的分离。
在低网络负载时，分簇化管理微基站，由同一簇内的微基站组成虚拟宏基站，发送相同的数据。在此情况下，终端可获得接收分集增益，提升了接收信号质量。
当高网络负载时，则每个微基站分别为独立的小区，发送各自的数据信息，实现了小区分裂，从而提升了网络容量。
