技術(shù)貼：5G商用在即，再聊5G新空口物理層

提到5G，就能不說NR。5G NR，也就是5G新空口技術(shù)。所謂空口，指的是移動終端到基站之間的連接協(xié)議，是移動通信標(biāo)準(zhǔn)中一個至關(guān)重要的標(biāo)準(zhǔn)。我們都知道3G時代的空口核心技術(shù)是CDMA，4G的空口核心技術(shù)是OFDM。

本文概述了支持eMBB和URLLC的關(guān)鍵5G目標(biāo)應(yīng)用所需的5G物理層及其實現(xiàn)。

提到5G，就能不說NR。5G NR，也就是5G新空口技術(shù)。所謂空口，指的是移動終端到基站之間的連接協(xié)議，是移動通信標(biāo)準(zhǔn)中一個至關(guān)重要的標(biāo)準(zhǔn)。我們都知道3G時代的空口核心技術(shù)是CDMA，4G的空口核心技術(shù)是OFDM。5G時代的應(yīng)用將空前繁榮，不同應(yīng)用對空口技術(shù)要求也是復(fù)雜多樣的，因此最重要的當(dāng)然是靈活性和應(yīng)變能力，一個統(tǒng)一的空口必須能解決所有問題，靈活適配各種業(yè)務(wù)。

增強型移動寬帶（eMBB）旨在顯著改善移動寬帶接入的數(shù)據(jù)速率、延遲、用戶密度、容量和覆蓋范圍，即使在智能高速公路等較為擁擠的環(huán)境中，也能夠?qū)崿F(xiàn)AR／VR應(yīng)用的實時數(shù)據(jù)流傳輸。超可靠的低延遲通信（URLLC）使用戶和設(shè)備能夠以最低延遲與其他設(shè)備進行雙向通信，同時保證高網(wǎng)絡(luò) 可用性。最后，大規(guī)模機器通信（mMTC）使得許多低成本、低功耗、長壽命的設(shè)備可以支持嵌入式 高速傳感器、停車傳感器和智能電表等應(yīng)用。

物理層設(shè)計注意事項

在5G NR物理層中發(fā)揮決定性作用的關(guān)鍵特性包括：支持廣泛的工作頻段，以及這些工作頻段包含各種信道帶寬和多個部署選項；為應(yīng)用提供超低延遲服務(wù)，這需要關(guān)鍵性傳輸具有短子幀和抗短突發(fā)干擾功能；動態(tài)共享頻譜以提供上行鏈路（UL）、下行鏈路（DL）、側(cè)鏈路（Side Link）和回程鏈路；實現(xiàn)多天線技術(shù)（多輸入、多輸出或MIMO），以提高頻譜效率；保持緊密的時間操作和更高效的頻率使用，以實現(xiàn)更好的時分雙工（TDD）和頻分雙工（FDD）部署；要求DL和UL對稱，使得小型低成本的基站能夠在毫米波頻率下運行。

目前，業(yè)內(nèi)研究人員正在積極致力于解決實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的5G網(wǎng)絡(luò)所面臨的挑戰(zhàn)。

用于5G NR的波形

NR是個復(fù)雜的話題，因為它涉及一種基于正交頻分復(fù)用（OFDM）的新無線標(biāo)準(zhǔn)。OFDM指的是一種“數(shù)字多載波調(diào)制方法”。隨著3GPP采用這一標(biāo)準(zhǔn)之后，NR這一術(shù)語被沿用下來，正如用LTE（長期演進）描述4G無線標(biāo)準(zhǔn)一樣。

5G無線電接入架構(gòu)由LTE Evolution和New Radio Access Technology（新無線電接入技術(shù)，NR）組成，NR工作在1GHz到100GHz

OFDM指的是一種“數(shù)字多載波調(diào)制方法”，其中“使用大量間隔緊密的正交子載波信號在幾個并行數(shù)據(jù)流或信道上傳輸數(shù)據(jù)”。NR需要使用LTE以外的新無線電接入技術(shù)（RAT，Radio Access Technology）——它必須足夠靈活，以支持從小于6GHz到高達100GHz的毫米波（mmWave）頻段的更寬范圍的頻帶。

CP－OFDM：下行鏈路和上行鏈路

最近，研究人員一直在研究多種不同的多載波波形，并提出5G無線電接入方案。然而，由于正交頻分復(fù)用（OFDM）方案非常適用于TDD操作和時延敏感的應(yīng)用，加上該方案能夠有效地處理大帶寬 的信號，在商業(yè)應(yīng)用上已有諸多成功案例，所以循環(huán)前綴（CP）OFDM成為首選為NR。 CP－OFDM的強大優(yōu)勢使其非常適合用于實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)：高頻譜效率、MIMO兼容、相位噪聲抑制、收發(fā)器的簡易性、定時誤差和符號間干擾電阻。

DFT－S－OFDM：更高效率的上行鏈路

OFDM波形的主要缺點之一是峰值平均功率比（PAPR）較高，這會降低發(fā)射機上RF輸出功率放大器的效率，無法最大程度地降低高階非線性效應(yīng)。對于智能手機等UE來說，最重要的兩點是維持 電池壽命和降低能耗。在移動設(shè)備中，射頻功率放大器負責(zé)將信號傳輸?shù)交?，因而該器件消?的功率最大，因此系統(tǒng)設(shè)計人員需要一種波形類型，既可讓放大器高效運行，同時又能夠滿足5G 應(yīng)用的頻譜需求。

而據(jù)華為研究人士表示，選擇基于循環(huán)前綴的OFDM（CP－OFDM）波形可以實現(xiàn)比LTE更好的頻譜約束（濾波或加窗）。下行鏈路（DL）和上行鏈路（UL）具有對稱波形，并且對于UL具有互補DFT－OFDM，僅有一個數(shù)據(jù)流。

5G NR采用的波形（華為資料）

比較OFDM與目前的LTE，發(fā)現(xiàn)OFDM中具有更好的可擴展性可以實現(xiàn)低得多的延遲——其往返時間（RTT）比當(dāng)今的LTE低一個數(shù)量級。OFDM具有自包含的TDD子幀設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)更快更靈活的TDD切換和換向，同時支持新的部署場景。

對TDD切換和換向來說，OFDM的自包含TDD子幀設(shè)計比LTE的8個HARQ接口更快、更靈活

NR參考信號

為了提高協(xié)議效率，以及維持時隙或波束內(nèi)的傳輸而不必依賴于其他時隙和波束，NR引入了以下四個主要參考信號，如解調(diào)參考信號（DMRS）、相位跟蹤參考信號（PTRS）、探測參考信號（SRS） 、信道狀態(tài)信息參考信號（CSI－RS）。與LTE標(biāo)準(zhǔn)通過不斷交換參考信號來管理鏈路不同的是，NR發(fā)射機僅在必要時才發(fā)送這些參考信號。

MIMO

為了更高效地使用頻譜并為更多用戶提供服務(wù)，NR計劃充分利用MU－MIMO技術(shù)。 MU－MIMO利用 多個用戶之間不相關(guān)的分散空間位置來為MIMO增加多址（多用戶）能力。在這種配置中，gNB將 CSI－RS發(fā)送給覆蓋區(qū)域中的UE，并且基于每個UE設(shè)備的SRS響應(yīng)，gNB會計算每個接收機的空間 位置。前往每個接收機的數(shù)據(jù)流會經(jīng)過預(yù)編碼的矩陣（W－Matrix），矩陣將數(shù)據(jù)符號組合成信號， 流向gNB天線陣列中每個元件。

多個數(shù)據(jù)流擁有各自獨立且適當(dāng)?shù)臋?quán)重，這些權(quán)重使每個數(shù)據(jù)流產(chǎn)生不同的相位偏移，使得波形之間相長干涉，并且同相到達接收機處。這將每個用戶位置處的信號強度最大化，同時最大限度 減小其他接收機的方向上的信號強度（零值）。

用于5G的大規(guī)模MIMO

MIMO方法可再進一步演變?yōu)榇笠?guī)模MIMO。當(dāng)系統(tǒng)的gNB天線比每個信令資源的UE設(shè)備數(shù)量高 出很多倍時，便可部署大規(guī)模MIMO配置。gNB天線的數(shù)量遠高于UE設(shè)備時，頻譜效率會大幅提 高。與現(xiàn)在的4G系統(tǒng)相比，這種條件使系統(tǒng)能夠在同一頻段內(nèi)同時為更多的設(shè)備提供服務(wù)。 NI與三星等行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)攜手，繼續(xù)通過其軟件無線電平臺和用于快速無線原型驗證的靈活軟件展示大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的可行性。

目前，大規(guī)模MIMO的主要研究焦點是低于6GHz的頻率。此范圍的頻譜非常稀缺，且價值非常高。 在這些頻段中，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可以通過空間復(fù)用多個終端來顯著提高頻譜效率。 而大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢是可以為覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有UE提供更好且更一致的服務(wù)。

用于5G的毫米波

當(dāng)前，業(yè)內(nèi)研究人員已將可用的毫米波波段作為下一個前沿研究領(lǐng)域，以滿足未來需要龐大數(shù)據(jù)的無線應(yīng)用需求。運行在28 GHz及以上的新型5G系統(tǒng)為更多信道提供更多可用頻譜，這非常適用于數(shù)Gbps的鏈路。盡管這些頻率相比6 GHz以下的頻譜較不擁擠，但是卻會受到不同傳播效應(yīng)的影響，例如更高的自由空間路徑損耗和大氣衰減、室內(nèi)滲透力弱以及衍射效果差。 為了克服這些負面影響，毫米波天線陣列可以聚焦其波束并利用天線陣列增益。幸運的是，這些天 線陣列的尺寸隨著工作頻率的增加而減小，從而允許在與單個sub－6GHz元件相同的面積內(nèi)容納包 含更多元件的毫米波天線陣列。

通過模擬波束控制簡化復(fù)雜性

大規(guī)模MU－MIMO系統(tǒng)需要比UE設(shè)備多得多的發(fā)射RF鏈路才能進行適當(dāng)?shù)目臻g復(fù)用。這與僅通過一個RF鏈饋送到多個天線的系統(tǒng)不同，在單RF鏈中，多個天線的相位通過類似的方式進行控制，以便聚焦和控制輻射方向。對于MU－MIMO目的，這樣的系統(tǒng)可以歸類為具有方向性可控制天線的單天線終端。

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的主要缺點之一是集成和部署大量RF鏈非常復(fù)雜性，而且成本高昂，特別是在毫米波頻率下。研究人員已經(jīng)提出了幾種混合（數(shù)字和模擬）波束成形方案，以允許5G gNB在維持大量天線的同時，不斷降低MU－MIMO的實現(xiàn)成本。

最后，我們剛才提到，在毫米波頻率下，信道相干時間顯著降低，這給移動應(yīng)用帶來了嚴(yán)格的限制。 研究人員需要繼續(xù)研究在毫米波頻率下改善UE移動性的新方法，但很可能第一次5G毫米波部署將用于固定無線接入應(yīng)用，例如回程和側(cè)鏈（Side Link）。

管理波束

使用毫米波波段的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一是在超過20 GHz的頻率，信號傳播損耗非常高。實際上，這種損耗會減少可能的小區(qū)覆蓋區(qū)域和范圍。為了彌補這一缺陷，標(biāo)準(zhǔn)制定者采用基于天線陣列的波束形成技術(shù)，將RF能量聚焦到單個用戶并提高信號增益。但是，UE不能再依靠毫米波gNB進行全向傳輸信號來建立初始連接。

NR標(biāo)準(zhǔn)針對UE采用了新的過程來建立與gNB的初始接入。在到達新小區(qū)覆蓋區(qū)域時，UE無需識別波束的位置，而是忽略gNB當(dāng)前正在發(fā)送的波束方向，便開始網(wǎng)絡(luò)接入過程。 NR初始接入過程為UE建立與gNB的通信提供了一個有效的解決方案。它解決了盲目尋找gNB的 問題，不僅適用于毫米波運行，而且適用于低于6 GHz的全向通信。這意味著初始接入過程必須應(yīng)用于單波束和多波束場景，此外還必須支持NR和LTE共存。

Bandwidth Part

在未來的5G應(yīng)用中，由于不同頻譜的可用性，大量設(shè)備和儀器將在不同的頻段中運行。舉個例子， 比如一個RF帶寬有限的UE需要與可以使用載波聚合來填充整個信道的強大設(shè)備以及可以使用單 個RF鏈來覆蓋整個信道的第三個設(shè)備一起工作。

盡管大帶寬會直接提高用戶可以體驗到的數(shù)據(jù)速率，但這是需要付出代價的。當(dāng)UE不需要高數(shù)據(jù) 速率時，大帶寬會導(dǎo)致RF和基帶處理資源被低效利用，這無疑是一種浪費。

為了解決這個問題，3GPP提出了一個新概念——bandwidth par（tBWP）：網(wǎng)絡(luò)使用一個寬帶載波來配置某個UE，并使用載波聚合獨立地為其他UE分配一組帶內(nèi)連續(xù)分量載波。這允許具有不同功能的各種設(shè)備共享相同的寬帶載波。 這種針對UE的不同RF性能進行調(diào)整的靈活網(wǎng)絡(luò)操作是LTE無法實現(xiàn)的。

結(jié)論：LTE和5G NR PHY比較

5G NR優(yōu)于當(dāng)前LTE的一些基本技術(shù)特征：

更高的頻譜利用率

靈活的參數(shù)集（Numerology）和框架結(jié)構(gòu)

動態(tài)管理TDD資源

通過增加信道帶寬在毫米波頻率下工作

總之，5G無線技術(shù)有望為全球更多的人群提供大量可靠、數(shù)據(jù)豐富且高度連接的應(yīng)用。雖然部署可支持這一目標(biāo)的基礎(chǔ)設(shè)施以及開發(fā)下一代5G設(shè)備會面臨著各種嚴(yán)峻的設(shè)計和測試挑戰(zhàn)，但NI基于平臺的無線技術(shù)設(shè)計、原型驗證和測試方法將成為未來十年實現(xiàn)5G的關(guān)鍵。