高通解讀5G中的關(guān)鍵技術(shù)

　　4G的到來仿佛還在昨日，5G卻已近在咫尺。根據(jù)3GPP的規(guī)劃， 5G的大規(guī)模測試和部署，最早將于2019年開始。也就是說，最快還有一年多的時間，我們就可以享受到5G帶來的全新體驗(yàn)。然而作為全球通信標(biāo)準(zhǔn)，5G的意義當(dāng)然不局限于網(wǎng)速更快，移動寬帶體驗(yàn)更優(yōu)，它的使命在于連接新行業(yè)，催生新服務(wù)，比如推進(jìn)工業(yè)自動化、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、自動駕駛等。這些行業(yè)和服務(wù)都對網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，要求網(wǎng)絡(luò)更可靠、低時延、廣覆蓋、更安全。各行各業(yè)迥異的需求迫切呼喚一種靈活、高效、可擴(kuò)展的全新網(wǎng)絡(luò)。5G應(yīng)運(yùn)而生。

　　作為下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)，5G 網(wǎng)絡(luò)以 5G NR (New Radio) 統(tǒng)一空中接口(unified airinterface)為基礎(chǔ)，為滿足未來十年及以后不斷擴(kuò)展的全球連接需求而設(shè)計(jì)。5G NR 技術(shù)旨在支持各種設(shè)備類型、服務(wù)和部署，并將充分利用各種可用頻段和各類頻譜。顯然，5G NR的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)大工程，搭建5G NR不可能也不必從零開始，事實(shí)上，5G 將在很大程度上以4G LTE為基礎(chǔ)，充分利用和創(chuàng)新現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)。

　　圖1:5G的應(yīng)用領(lǐng)域

　　Qualcomm認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)5G NR的搭建，有三類關(guān)鍵技術(shù)不可或缺——1. 基于OFDM優(yōu)化的波形和多址接入(OpTImized OFDM-based waveforms and mulTIple access，Orthogonal Frequency Division MulTIplexing，正交頻分復(fù)用)，2. 靈活的框架設(shè)計(jì)(A flexible framework)，3. 先進(jìn)的新型無線技術(shù)(Advanced wireless technologies)。

　　圖2:5G NR的關(guān)鍵技術(shù)

　　基于OFDM優(yōu)化的波形和多址接入(OpTImized OFDM-based waveforms and multiple access)5G NR設(shè)計(jì)過程中最重要的一項(xiàng)決定，就是采用基于OFDM優(yōu)化的波形和多址接入技術(shù)，因?yàn)镺FDM 技術(shù)被當(dāng)今的 4G LTE 和 Wi-Fi 系統(tǒng)廣泛采用，因其可擴(kuò)展至大帶寬應(yīng)用，而具有高頻譜效率和較低的數(shù)據(jù)復(fù)雜性，因此能夠很好地滿足 5G 要求。 OFDM 技術(shù)家族可實(shí)現(xiàn)多種增強(qiáng)功能，例如通過加窗或?yàn)V波增強(qiáng)頻率本地化、在不同用戶與服務(wù)間提高多路傳輸效率，以及創(chuàng)建單載波 OFDM 波形，實(shí)現(xiàn)高能效上行鏈路傳輸。

　　圖3：基于OFDM優(yōu)化的波形

　　簡單歸納起來，OFDM有以下優(yōu)勢：? 復(fù)雜度低(Low complexity)：可以兼容低復(fù)雜度的信號接收器，比如移動設(shè)備? 頻譜效率高(High spectral efficiency：)：可以高效使用 MIMO，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。? 能耗少(Low power consumption)：可以通過單載波波形，實(shí)現(xiàn)高能效上行鏈路傳輸。? 頻率局域化(Frequencylocalization)：可以通過加窗和濾波，提升頻率局域化，最大限度減少信號干擾。

　　圖4：可擴(kuò)展子載波

　　不過OFDM體系也需要創(chuàng)新改造，才能滿足5G的需求：1. 通過子載波間隔擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的OFDM參數(shù)配置(Scalable OFDM numerology with scaling of subcarrier spacing)

　　圖5:5GNR不同頻譜的帶寬和子載波間隔

　　目前，通過OFDM子載波之間的15 kHz間隔(固定的OFDM參數(shù)配置)，LTE最高可支持20 MHz的載波帶寬。為了支持更豐富的頻譜類型/帶(為了連接盡可能豐富的設(shè)備，5G將利用所有能利用的頻譜，如毫米微波、非授權(quán)頻段)和部署方式。5G NR將引入可擴(kuò)展的OFDM間隔參數(shù)配置。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)楫?dāng)FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換)為更大帶寬擴(kuò)展尺寸時，必須保證不會增加處理的復(fù)雜性。而為了支持多種部署模式的不同信道寬度，如上圖所示，5G NR必須適應(yīng)同一部署下不同的參數(shù)配置，在統(tǒng)一的框架下提高多路傳輸效率。

　　另外，5G NR也能跨參數(shù)實(shí)現(xiàn)載波聚合，比如聚合毫米波和6GHz以下頻段的載波，因而也就具有更強(qiáng)的連接性能。2. 通過OFDM加窗提高多路傳輸效率(Enabling efficient services multiplexing with windowed OFDM)前文提到，5G 將被應(yīng)用于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)，這意味著會有數(shù)十億設(shè)備在相互連接，5G勢必要提高多路傳輸?shù)男?，以?yīng)對大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的挑戰(zhàn)。為了相鄰頻帶不相互干擾，頻帶內(nèi)和頻帶外信號輻射必須盡可能小。OFDM能實(shí)現(xiàn)波形后處理(post-processing)，如時域加窗或頻域?yàn)V波，來提升頻率局域化。如下圖，利用5G NR OFDM的參數(shù)配置，5G可以在相同的頻道內(nèi)進(jìn)行多路傳輸。

　　圖6：5G NR可針對不同服務(wù)進(jìn)行高效多路傳輸

　　面對這一需求，Qualcomm正積極推動CP-ODFM(循環(huán)前綴正交頻分復(fù)用)加窗技術(shù)，大量的分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，它能有效減少頻帶內(nèi)和頻帶外的輻射，從而顯著提高頻率局域化。CP-ODFM技術(shù)的效果已被實(shí)踐證實(shí)，現(xiàn)在正廣泛應(yīng)用于LTE網(wǎng)絡(luò)體系中。 二.靈活的框架設(shè)計(jì)顯然，要實(shí)現(xiàn)5G的大范圍服務(wù)，僅有基于OFDM優(yōu)化的波形和多址接入技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。設(shè)計(jì)5G NR的同時，我們還在設(shè)計(jì)一種靈活的5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以進(jìn)一步提高5G服務(wù)多路傳輸?shù)男?。這種靈活性即體現(xiàn)在頻域，更體現(xiàn)在時域上，5G NR的框架能充分滿足5G的不同的服務(wù)和應(yīng)用場景。

　　圖7：5G NR靈活的框架設(shè)計(jì)

　　可擴(kuò)展的時間間隔(Scalable Transmission Time Interval (TTI))相比當(dāng)前的 4G LTE網(wǎng)絡(luò)，5G NR將使時延降低一個數(shù)量級。目前LTE網(wǎng)絡(luò)中，TTI(時間間隔)固定在1 ms(毫秒)。為此，3GPP在4G演進(jìn)的過程中提出一個降低時延的項(xiàng)目。盡管技術(shù)細(xì)節(jié)還不得而知，但這一項(xiàng)目的規(guī)劃目標(biāo)就是要將一次傅里葉變換的時延降低為目前的1/8(即從1.14ms降低至143µs(微秒))。而為了支持“長時延需求”的服務(wù)，5G NR的靈活框架設(shè)計(jì)可以向上或向下擴(kuò)展TTI(即使用更長或更短的TTI)，依具體需求而變。除此之外，5G NR同樣支持同一頻率下以不同的TTI進(jìn)行多路傳輸。比如，高Qos(服務(wù)質(zhì)量)要求的移動寬帶服務(wù)可以選擇使用500 µs的TTI，而不是像LTE時代只能用標(biāo)準(zhǔn)TTI，同時，另一個對時延很敏感的服務(wù)可以用上更短的TTI，比如140 µs，而不是非得等到下一個子幀到來，也就是500 µs以后。也就是說上一次傳輸結(jié)束以后，兩者可以同時開始，從而節(jié)省了等待時間。

　　自包含集成子幀(Self-contained integrated subframe)自包含集成子幀是另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對降低時延、向前兼容和其他一系列5G特性意義重大。通過把數(shù)據(jù)的傳輸(transmission)和確認(rèn)(acknowledgement)包含在一個子幀內(nèi)，時延可顯著降低。下圖展示的是一個TDD下行鏈路子幀，從網(wǎng)絡(luò)到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和從設(shè)備發(fā)回的確認(rèn)信號都在同一個子幀內(nèi)。而且通過5G NR獨(dú)立集成子幀，每個TTI都以模塊化處理完成，比如同意下載→數(shù)據(jù)下行→保護(hù)間隔→上行確認(rèn)。

　　模塊化同樣支持不同類型的子幀為未來的各種新服務(wù)進(jìn)行多路傳輸，配合5G NR框架支持空白子幀和空白頻率資源的設(shè)計(jì)，使其擁有向前兼容性——未來的新型服務(wù)可以以同步或非同步狀態(tài)部署在同一頻率內(nèi)。

　　三.先進(jìn)的新型無線技術(shù)(Advanced wireless technologies)我們在開頭提到過，5G必然是在充分利用現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)之上，充分創(chuàng)新才能實(shí)現(xiàn)的，而4G LTE正是目前最先進(jìn)的移動網(wǎng)絡(luò)平臺，5G在演進(jìn)的同時，LTE本身也還在不斷進(jìn)化(比如最近實(shí)現(xiàn)的千兆級4G+)，5G不可避免地要利用目前用在4G LTE上的先進(jìn)技術(shù)，如載波聚合，MIMO技術(shù)，非共享頻譜的利用，等等;可以說，5G在很大程度上是以4G為基礎(chǔ)的。

　　大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)

　　MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)是目前無線通信領(lǐng)域的一個重要創(chuàng)新研究項(xiàng)目，通過智能使用多根天線(設(shè)備端或基站端)，發(fā)射或接受更多的信號空間流，能顯著提高信道容量;而通過智能波束成型，將射頻的能量集中在一個方向上，可以提高信號的覆蓋范圍。這兩項(xiàng)優(yōu)勢足以使其成為5G NR的核心技術(shù)之一，因此我們一直在努力推進(jìn)MIMO技術(shù)的演化，比如從2x2提高到了目前4x4 MIMO。但更多的天線也意為著占用更多的空間，要在空間有限的設(shè)備中容納進(jìn)更多天線顯然不現(xiàn)實(shí)，所以，只能在基站端疊加更多MIMO。從目前的理論來看，5G NR可以在基站端使用最多256根天線，而通過天線的二維排布，可以實(shí)現(xiàn)3D波束成型，從而提高信道容量和覆蓋。

　　圖8：大規(guī)模MIMO

　　2. 毫米波(mmWave)

　　圖9：毫米波

　　對無線通信稍有了解的人應(yīng)該知道，頻率越高，能傳輸?shù)男畔⒘恳苍酱?，也就是體驗(yàn)到的網(wǎng)速更快。正是因?yàn)檫@一優(yōu)勢，我們把目光聚焦在了頻率極高的毫米波上(目前毫米波主要應(yīng)用于射電天文學(xué)、遙感等領(lǐng)域)。全新 5G 技術(shù)正首次將頻率大于 24 GHz 以上頻段(通常稱為毫米波)應(yīng)用于移動寬帶通信。大量可用的高頻段頻譜可提供極致數(shù)據(jù)傳輸速度和容量，這將重塑移動體驗(yàn)。但毫米波的利用并非易事，使用毫米波頻段傳輸更容易造成路徑受阻與損耗(信號衍射能力有限)。通常情況下，毫米波頻段傳輸?shù)男盘柹踔翢o法穿透墻體(回想一下你家的5GHz Wi-Fi有多容易被墻體屏蔽)，此外，它還面臨著波形和能量消耗等問題。不過，我們已經(jīng)在天線和信號處理技術(shù)方面取得了一些進(jìn)展。通過利用基站和設(shè)備內(nèi)的多根天線，配合智能波束成型和波束追蹤算法，可以顯著提升5G毫米波覆蓋范圍，排除干擾。同時， 5G NR 還將充分利用6GHz以下頻段和 4G LTE ，讓毫米波的連接性能更上一層。

　　圖10：Qualcomm 5G NR毫米波試驗(yàn)

　　在毫米波領(lǐng)域，Qualcomm一直走在前沿。我們實(shí)現(xiàn)了移動設(shè)備中的802.11ad60 GHz芯片的商業(yè)化，除此之外，我們也在積極研發(fā)和測試28GHz頻段(可擴(kuò)展至其他頻段)的毫米波原型。不久前，我們在一個人口密集的住宅區(qū)附近做了一次模擬實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示，視距內(nèi)(line-of-sight)的覆蓋可達(dá)350米，而非視距(Non-Line-of-Sight)的覆蓋可達(dá)150米。另外，我們最近還發(fā)布了第一塊5G毫米波調(diào)制解調(diào)器，驍龍X50，以支持今年下半年的5G毫米波早期實(shí)驗(yàn)部署。

　　3. 頻譜共享(Spectrum sharing techniques)

　　圖11：頻譜共享

　　使用共享頻譜和非授權(quán)頻譜，可將 5G 擴(kuò)展到多個維度，實(shí)現(xiàn)更大容量、使用更多頻譜、支持新的部署場景。這不僅將使擁有授權(quán)頻譜的移動運(yùn)營商受益，而且會為沒有授權(quán)頻譜的廠商創(chuàng)造機(jī)會，如有線運(yùn)營商、企業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)垂直行業(yè)，使他們能夠充分利用 5G NR 技術(shù)。5G NR 原生地支持所有頻譜類型，并通過前向兼容靈活地利用全新的頻譜共享模式。這為在 5G 中創(chuàng)新的使用頻譜共享技術(shù)創(chuàng)造了機(jī)遇。我們在頻譜共享技術(shù)領(lǐng)域，同樣走在前沿，比如LTE-U，LAA， LWA， CBRS， LSA， 還有MulteFire，這些技術(shù)已經(jīng)用在了LTE上，5G NR將在這基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新。

　　圖11：5G NR原生地支持所有頻譜類型

　　4. 先進(jìn)的信道編碼設(shè)計(jì)(Advanced channel coding design)

　　目前LTE網(wǎng)絡(luò)的編碼還不足以應(yīng)對未來的數(shù)據(jù)傳輸需求，因此迫切需要一種更高效的信道編碼設(shè)計(jì)，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，并利用更大的編碼信息塊契合移動寬帶流量配置，同時，還要繼續(xù)提高現(xiàn)有信道編碼技術(shù)(如LTE Turbo)的性能極限。在這方面，Qualcomm促成了行業(yè)統(tǒng)一采用LDPC信道編碼，LDPC編碼已被證明，對于需要一個高效混合HARQ體系的無線衰落信道來說，它是理想的解決方案。從下圖可以看出，LDPC的傳輸效率遠(yuǎn)超LTE Turbo，且易平行化的解碼設(shè)計(jì)，能以低復(fù)雜度和低時延，擴(kuò)展達(dá)到更高的傳輸速率。

　　圖12：大信息塊長度下不同信道編碼的表現(xiàn)

　　總結(jié)：我們在開頭提到，5G并非憑空而來，它的實(shí)現(xiàn)有賴于對現(xiàn)有技術(shù)的深入研究利用，比如用在LTE Advanced和LTE Advanced Pro 上的載波聚合、LTE物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)。未來兩年，4G和5G將平行發(fā)展，一邊是4G的繼續(xù)成熟，一邊是5G的創(chuàng)新研發(fā)。根據(jù)3GPP的規(guī)劃，Release 15預(yù)計(jì)會在2018年6月發(fā)布，不過由于行業(yè)的推動，這個時間很可能會提早三五個月，保守估計(jì)，5GNR的大規(guī)模商業(yè)化部署最早將在2019年開始。

　　圖13：5G研究項(xiàng)目長期規(guī)劃

　　作為移動通訊行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)之一，推動5G盡早實(shí)現(xiàn)，我們責(zé)無旁貸，我們也在用實(shí)際行動積極推動5G的創(chuàng)新和構(gòu)建，正如Qualcomm CEO 史蒂夫·莫倫科夫所言：“我們發(fā)明的一切、改進(jìn)的一切以及克服的每一項(xiàng)困難，都為創(chuàng)造 5G 技術(shù)的無限機(jī)遇奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)別人在談?wù)?5G 時，我們已開始著手構(gòu)建。”就像我們以開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，將3G和4G融入今天的生活，我們會與合作伙伴協(xié)作前行，不斷拓展無線通信的邊界，將世界帶向5G，讓萬物互聯(lián)更快到來。一句話總結(jié)：繼往開來，行勝于言。