【5G學習】基本概念之多頻資源以及子載波和信道

在5G通信中，子載波、信道以及時域、頻域、碼域、空域是構建無線傳輸系統的核心概念。它們共同定義了信號的傳輸方式、資源分配和多維復用技術。以下是詳細解釋及其相互關系：

一、核心概念定義

1. 子載波（Subcarrier）

定義：子載波是正交頻分復用（OFDM）技術中的基本頻率單元。通過將整個頻帶劃分為多個正交（互不干擾）的窄帶子載波，實現高效頻譜利用。
特性：
- 正交性：子載波間隔（Δf）等于符號速率的倒數（Δf = 1/T），確保在快速傅里葉變換（FFT）后無干擾。
- 靈活間隔：5G支持多種子載波間隔（15/30/60/120/240 kHz），適應不同場景（如低頻覆蓋、毫米波高速率）。

2. 信道（Channel）

定義：信道是數據傳輸的邏輯或物理路徑，用于區分不同類型的信息流。
分類：
- 物理信道：實際無線資源（時頻網格）的分配，如：
  - PDSCH（物理下行共享信道）：傳輸用戶數據。
  - PDCCH（物理下行控制信道）：傳輸調度指令。
- 邏輯信道：高層協議的數據分類，如：
  - DL-SCH（下行共享信道）：承載用戶數據和控制信息。
  - RACH（隨機接入信道）：用于終端初始接入。

3. 多域資源（時域、頻域、碼域、空域）

時域（Time Domain）：以時間維度劃分資源（如符號、時隙、幀）。
頻域（Frequency Domain）：以頻率維度劃分資源（如子載波、資源塊RB）。
碼域（Code Domain）：通過編碼序列區分用戶或數據流（如CDMA中的擴頻碼）。
空域（Spatial Domain）：利用多天線技術（Massive MIMO）在不同空間維度傳輸信號（如波束成形、空分復用）。

二、5G中多域資源的協作與關系

1. 時域與頻域：OFDM資源網格

資源網格結構：
- 基本單元：一個時隙（Slot）包含14個OFDM符號（符號長度由子載波間隔決定）。
- 資源塊（RB）：頻域上12個子載波 × 時域上1個時隙，是調度的最小單位。
動態分配：
- eMBB場景：分配大帶寬（多個RB）和長時隙（低子載波間隔）。
- URLLC場景：短時隙（高子載波間隔，如60 kHz）搶占資源，實現低時延。

2. 碼域：增強多用戶區分

應用場景：
- 上行非正交多址（NOMA）：通過功率域疊加和碼域區分用戶。
- 控制信道加擾：PDCCH使用特定擾碼區分小區和用戶。

3. 空域：大規模MIMO與波束成形

多天線技術：
- 波束成形（Beamforming）：利用天線陣列將能量聚焦到特定方向，提升覆蓋和容量。
- 空分復用（SDM）：多個數據流通過不同空間層傳輸，提升吞吐量（如8×8 MIMO）。
信道狀態信息（CSI）：通過SRS（探測參考信號）獲取空域信道特性，優化波束方向。

4. 信道與多域資源的映射

物理信道實現：
- PDSCH映射：在時頻網格中分配RB，通過空域波束發送。
- PDCCH映射：占用固定控制區域（CORESET），使用特定編碼和空域波束。
邏輯到物理的轉換：
- DL-SCH → PDSCH：用戶數據經編碼調制后映射到時頻資源塊，并通過空域波束傳輸。

三、多域協同示例：5G數據傳輸流程

1. 下行數據傳輸（eMBB場景）

調度：基站在PDCCH中通過DCI指示終端接收PDSCH的時頻位置（RB分配）和空域波束。
資源映射：數據經調制和編碼后，分配到指定RB（頻域）和時隙（時域）。
空域處理：使用Massive MIMO生成定向波束，提升信噪比。
終端接收：終端在指定時頻位置解調信號，并根據碼域解碼恢復數據。

2. 上行隨機接入（URLLC場景）

前導碼發送：終端在RACH信道發送特定碼序列（碼域），占用特定時頻資源。
空域檢測：基站通過多天線檢測接入請求方向，分配搶占式資源（短時隙+高子載波間隔）。
低時延確認：基站在極短時延內回復調度授權（時域優化）。

四、多域資源的關系總結

正交性基礎：頻域（子載波）和時域（符號）構成OFDM資源網格，碼域和空域在此基礎上增強多用戶能力。
動態平衡：
- 時域 vs 頻域：高移動性場景需更小時隙（高子載波間隔），犧牲頻域效率換取時域靈活性。
- 空域 vs 碼域：Massive MIMO減少對碼域的依賴，但碼域仍用于控制信道抗干擾。
多維復用：通過時、頻、碼、空四維資源分配，5G實現超高密度連接（每平方公里百萬設備）。

五、關鍵技術挑戰

時頻同步：高子載波間隔對相位噪聲敏感，需更精確的同步算法。
空域干擾管理：密集波束間干擾需通過智能波束調度抑制。
跨域聯合優化：AI算法用于動態調度（如強化學習平衡時頻空資源）。

總結

5G通過子載波和信道構建基礎傳輸結構，結合時域、頻域、碼域、空域的多維資源分配，實現高速率、低時延和海量連接。四域協同是5G突破4G性能邊界的關鍵，未來6G將進一步融合新維度（如智能反射面、量子編碼域），推動無線通信向全息傳輸與泛在感知演進。

從另一個角度的解釋：

信道

信道指的是信號在通信系統中傳輸的通道，可分為物理信道和邏輯信道：

物理信道：它是基于實際的無線資源（如子載波、時隙等）所劃分出來的傳輸通道。在5G系> 統中，常見的物理信道包括物理下行共享信道（PDSCH），主要用于傳輸下行用戶數據；物理上行共享信道（PUSCH），負責上行數據的傳輸。這些物理信道在時域和頻域上都有明確的資源分配。
邏輯信道：是從高層協議角度對數據流進行分類的概念。它根據數據的類型和功能進行劃分，例如廣播控制信道（BCCH）用于傳輸系統廣播信息，專用控制信道（DCCH）用于傳輸特定用戶的控制信息等。邏輯信道最終需要映射到物理信道上進行實際的數據傳輸。

時域

時域描述的是信號隨時間變化的特性。在5G通信系統中，時間被劃分為不同的單位，如無線幀、子幀、時隙和符號等。

無線幀：是5G時域結構中的基本時間單位，長度通常固定為10ms。
子幀：是無線幀的一部分，時長一般為1ms。
時隙：進一步細分了子幀，不同的子載波間隔對應的時隙長度有所不同。例如，對于15kHz的子載波間隔，一個時隙包含7個OFDM符號。
符號：是時域中最小的可用于數據傳輸的時間單元，每個符號上可以承載經過調制的數據。

頻域

頻域關注的是信號在不同頻率上的分布情況。5G通信系統使用的頻譜范圍很廣，包括低頻段（Sub-6GHz）和高頻段（毫米波頻段）。在頻域中，整個可用頻譜被劃分成多個頻段，每個頻段又可以進一步細分為多個子載波。通過頻域資源的分配，可以將不同用戶的數據或者不同類型的業務數據分配到不同的子載波上，實現多用戶復用（如OFDMA技術）。

碼域

碼域是利用不同的編碼序列來區分信號。在5G中，碼域技術廣泛應用于多個方面，例如：

信道編碼：通過對原始數據進行編碼，增加冗余信息，以提高數據在信道傳輸過程中的抗干擾能力。常見的信道編碼方式有Turbo碼、LDPC碼和Polar碼等。這些編碼方式根據不同的規則將輸入數據映射為特定的編碼序列，在接收端通過相應的解碼算法來恢復原始數據。
擴頻碼：在一些通信場景中，使用擴頻碼對信號進行擴頻處理，使得信號在更寬的頻帶內傳輸，從而提高信號的抗干擾能力和安全性。例如，5G中的一些隨機接入過程可能會用到特定的擴頻碼序列。

空域

空域主要涉及信號在空間中的傳播特性，以及利用空間維度進行信號處理和傳輸。5G廣泛采用多輸> 入多輸出（MIMO）技術，通過在發射端和接收端部署多個天線，利用空間中的不同傳播路徑來同時傳輸多個數據流。

空間復用：在相同的時域和頻域資源上，通過不同的天線發送不同的數據，從而提高系統的傳輸容量。
波束賦形：根據用戶的位置和信道狀態，調整天線發射信號的方向圖，使得信號能量集中在用戶方向，提高信號的傳輸強度和接收質量，同時減少對其他用戶的干擾。

它們之間的關系

時域與頻域的關系：在5G通信中，時域和頻域是緊密結合的。信號既在時間軸上進行傳輸，又在頻率軸上占據一定的帶寬。例如，一個OFDM符號在時域上有固定的持續時間，在頻域上則對應一組子載波。通過對時域和頻域資源的聯合分配，可以實現高效的數據傳輸。如在一個時隙內，可以根據業務需求將不同的子載波分配給不同的用戶，或者將不同的OFDM符號用于傳輸不同類型的信息（如控制信息、用戶數據等）。
子載波與頻域的關系：子載波是頻域資源的基本組成單元。整個5G系統的可用頻帶被劃分成多個子載波，每個子載波占據特定的頻率位置。不同的子載波可以承載不同的數據，通過對這些子載波的管理和分配，實現頻域資源的有效利用，以滿足不同用戶和業務的需求。
子載波、時域與信道的關系：物理信道在時域和頻域上都有明確的資源分配。一個物理信道是由特定的時域資源（如若干個OFDM符號、時隙）和頻域資源（一組子載波）共同定義的。例如，PDSCH可能會被分配在某個無線幀中的特定時隙和一組連續的子載波上，用于傳輸下行用戶數據。邏輯信道則通過映射關系，將數據放到對應的物理信道所占用的時域和頻域資源上進行傳輸。
碼域與其他域的關系：碼域技術為信號在時域、頻域和空域上的傳輸提供了額外的保障和功能。信道編碼用于提高信號在時域和頻域傳輸過程中的可靠性；擴頻碼在頻域上擴展信號帶寬，增強抗干擾能力。同時，碼域資源也可以與其他域的資源分配相結合，例如根據不同用戶的碼域標識來分配特定的時域、頻域資源，實現多用戶的區分和高效通信。
空域與其他域的關系：空域處理（如MIMO技術、波束賦形）與其他域密切相關。在MIMO系統中，不同天線在時域和頻域上同時發送和接收信號，通過空域的空間復用和波束賦形技術，可以在不增加額外時域和頻域資源的情況下，提高系統的容量和性能。波束賦形需要根據信道在時域和頻域上的狀態信息，調整天線發射信號的方向，以實現最優的信號傳輸。