五大無(wú)線(xiàn)技術(shù)發(fā)明問(wèn)世 5G NR布建加速邁進(jìn)

　　目前已看到無(wú)線(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域許多變化和令人贊嘆的創(chuàng )新，但沒(méi)有什么能和5G行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )出現的根本性轉變相提并論。 過(guò)去數年來(lái)，芯片商持續致力于設計出一個(gè)統一的5G新無(wú)線(xiàn)電，它將極大化拓展行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )與設備的能力和效率。

　　早在2016年3月，3GPP就已經(jīng)著(zhù)手5G新無(wú)線(xiàn)電(5G NR)的標準化工作。 此一主要目的在于，開(kāi)發(fā)一個(gè)統一的、更強大的無(wú)線(xiàn)空中接口。 而2017年12月中時(shí)，在葡萄牙里斯本的3GPP全體會(huì )議上，3GPP成功完成了首個(gè)5G NR規范，這可以說(shuō)是在2019年實(shí)現5G NR商用布建之路上，一個(gè)重要的業(yè)界里程碑。

　　首個(gè)5G NR規范不僅支持開(kāi)始于2019年的增強型行動(dòng)寬帶的布建，同時(shí)也為擴展5G網(wǎng)絡(luò )至幾乎所有產(chǎn)業(yè)、所有物體，以及所有連接打下了基礎。 那么，哪些無(wú)線(xiàn)技術(shù)定義了首個(gè)5G NR規范呢?

　　5G NR規范釋出 芯片商積極布局

　　5G NR必須滿(mǎn)足不斷擴展以及極端多變的連接和布建類(lèi)型的要求。 5G NR還需要充分利用每一段頻譜，這些頻譜具有不同的頻譜使用監管方式，分布在不同的頻段，不論是從1GHz以下低頻段，或是到1GHz至10GHz中頻段，以及稱(chēng)為毫米波的24GHz以上的高頻段。 因此，沒(méi)有一種技術(shù)可以單獨定義5G;相反地，5G將從諸多截然不同的技術(shù)創(chuàng )新中被構建。

　　在5G NR規范釋出之后，芯片商和電信營(yíng)運商也開(kāi)始積極布局此一市場(chǎng)。 以高通(Qualcomm)為例，該公司多年來(lái)持續開(kāi)發(fā)5G基礎技術(shù)，并且發(fā)明全新的5G技術(shù)以推動(dòng)，甚至是重塑無(wú)線(xiàn)的邊界;致力推動(dòng)其先進(jìn)系統設計和無(wú)線(xiàn)技術(shù)從理論到設計、標準化、實(shí)現，以及最終商用的進(jìn)程，以實(shí)現5G愿景(圖1)。

　　圖1 5個(gè)定義5G NR的無(wú)線(xiàn)發(fā)明

　　運用可擴展OFDM參數配置增進(jìn)子載波間隔

　　5G NR設計中最重要的決定之一，是選擇無(wú)線(xiàn)波形和多址接入技術(shù)。 在已經(jīng)評估并且將繼續評估多種方式的同時(shí)，高通透過(guò)廣泛研究(在2015年11月所發(fā)布的高通研究部報告中)發(fā)現，正交分頻多任務(wù)(OFDM)體系，具體來(lái)說(shuō)包括循環(huán)前綴正交分頻多任務(wù)(CP-OFDM)和離散傅立葉變換擴頻正交分頻多任務(wù) (DFT-S OFDM)，是針對5G增強型行動(dòng)寬帶(eMBB)和更多其他場(chǎng)景的正確選擇。

　　由于現在OFDM已被使用，或許產(chǎn)業(yè)界會(huì )問(wèn)「下一步的創(chuàng )新之路在哪里? 」5G NR的一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng )新之處就是可擴展的OFDM復頻參數配置(圖2)。 現今，LTE支持最多20MHz的載波帶寬，其中OFDMtone(通常稱(chēng)為子載波)之間的間隔幾乎是固定的15kHz。

　　圖2 可擴展OFDM多載波參數

　　因此，在5G NR中，高通導入了可擴展的OFDM參數配置，從而支持多種頻譜頻段/類(lèi)型和布建模式。 例如，5G NR必須能夠在有更大頻道寬度(例如數百MHz)的毫米波頻段上工作。

　　此外，3GPP 5G NR Rel-15規范中將利用可擴展OFDM參數配置，實(shí)現子載波間隔能隨頻道寬度以2的n次方擴展。 如此一來(lái)，在更大帶寬的系統當中，FFT點(diǎn)數大小也隨之擴展，而不會(huì )增加處理的復雜性。

　　自包含時(shí)隙結構實(shí)現彈性框架

　　5G NR設計的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是彈性的基于時(shí)隙的框架，以支持電信營(yíng)運商在相同頻率上高效復用已構想的(和無(wú)法預料的)5G業(yè)務(wù)。 實(shí)現該靈活、彈性框架的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)明就是5G NR自包含時(shí)隙結構。

　　在新的自包含時(shí)隙結構中(以圖3中的TDD為例)，每個(gè)5G NR傳輸都是模塊化處理，具備獨立譯碼的能力，避免了跨時(shí)隙的靜態(tài)時(shí)序關(guān)系。 透過(guò)在時(shí)域和頻域內對傳輸進(jìn)行限定，該彈性設計簡(jiǎn)化了在未來(lái)增加新的5G NR特性/服務(wù)，這比之前幾代行動(dòng)通訊具有更好的向下兼容性。

　　圖3 5G NR TDD自包含時(shí)隙結構的優(yōu)勢

　　得益于上傳/下載(UL/DL)快速轉換和可擴展時(shí)隙長(cháng)度，例如子載波間隔為30kHz隔時(shí)時(shí)隙長(cháng)度為500μs，而子載波間隔為120kHz時(shí)時(shí)隙長(cháng)度則為125μs，和LTE相比，5G NR自包含時(shí)隙結構還帶來(lái)顯著(zhù)更低的時(shí)延。

　　該時(shí)隙結構框架在同一個(gè)時(shí)隙中包含上/下行調度，數據和確認。 除更低延遲之外，該模塊化時(shí)隙結構設計還支持自適應TDD UL/DL配置、先進(jìn)基于信道互易性的天線(xiàn)技術(shù)，例如基于快速上傳探測的下載大規模MIMO導向，以及透過(guò)增加子幀支持其他使用場(chǎng)景。 這些都讓該項發(fā)明成為滿(mǎn)足許多5G NR需求的關(guān)鍵技術(shù)，它也是3GPP 5G NR規范的一部分。

　　先進(jìn)ME-LDPC/CA-Polar頻道編碼滿(mǎn)足多元應用場(chǎng)景

　　連同可擴展參數配置和靈活的5G NR服務(wù)框架，物理層設計應包括可提供穩健性能和靈活性的高效信道編碼方案。

　　盡管Turbo碼一直非常適合3G和4G，但高通研究部已經(jīng)證明，從復雜性和實(shí)現角度來(lái)看，當擴展到極高吞吐量和更大編碼塊長(cháng)度(Block Lengths)時(shí)，低密度同位碼(LDPC)，尤其是ME-LDPC，更具優(yōu)勢，如圖4所示。 因此，3GPP 5G NR Rel-15規范將利用ME-LDPC作為增強型行動(dòng)寬帶數據頻道的編碼方式。

　　圖4 ME-LDPC編碼下吞吐量的變化

　　此外，3GPP選擇Polar頻道編碼作為增強型行動(dòng)寬帶控制頻道的編碼方式;而高通的CRC-Aided Polar(CA-Polar)頻道編碼，可帶來(lái)性能增益，因此它被應用在多種5G NR控制應用場(chǎng)景中。

　　大規模MIMO提升容量/覆蓋率

　　MIMO天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展也是5G設計重點(diǎn)。 透過(guò)智能地使用更多天線(xiàn)，可以提升網(wǎng)絡(luò )容量和覆蓋率。 也就是說(shuō)，更多空間數據串流可以顯著(zhù)提高頻譜效率(例如借助多用戶(hù)大規模MIMO)，支持在每赫茲(Hz)上傳輸更多位(bit)。

　　同時(shí)，智能波束成形技術(shù)還可以通過(guò)在下載鏈路的特定方向聚焦射頻能量來(lái)擴展基地臺的覆蓋范圍;相應地，在上傳鏈路上，基地臺在特定方向接收，可以減少的噪音和干擾。

　　5G NR大規模MIMO技術(shù)將利用基地臺端的2D天線(xiàn)數組完成3D波束成型，從而利用中頻段頻譜中更高的頻段。 然而，對于充分利用3D波束成形，準確和實(shí)時(shí)的信道知識是必不可少的。

　　對此，針對快速基于信道互易性的TDD大規模MIMO，5G NR規范的一部分進(jìn)行設計優(yōu)化，將利用自包含時(shí)隙結構和增強的參考訊號，以支持更快速和更準確的信道回饋。

　　此一測試結果顯示，將現有的大型蜂巢式基地臺(例如在2GHz頻段)重新用于在3GHz至5GHz中頻段工作的全新5G NR布建是可行的。 全新多用戶(hù)大規模MIMO設計的這些測試結果顯示，容量和基地臺邊緣用戶(hù)吞吐量(如圖5)顯著(zhù)提升，這對提供更統一的5G行動(dòng)寬帶用戶(hù)體驗至為關(guān)鍵。

　　圖5 5G NR大規模MIMO仿真

　　行動(dòng)毫米波布局腳步加快

　　上述的5G NR設計不僅實(shí)現了中頻段頻譜中更高頻率的在大型/小型基地臺布建中的應用，同時(shí)也開(kāi)啟頻譜中超過(guò)24GHz的毫米波用于行動(dòng)寬帶的機會(huì )。

　　這些高頻段有豐富的可用頻譜資源，支持極速數據速率和容量，這將重塑行動(dòng)體驗。 然而，增加的傳播損耗，易受障礙物影響(如頭、手、身體、樹(shù)葉、建筑)，以及射頻電路的復雜性和功效，都讓這些高頻段一直以來(lái)沒(méi)有用于行動(dòng)通訊。 不過(guò)，現在，5G NR毫米波正改變這一切。

　　為了使毫米波用于行動(dòng)寬帶通訊系統，我們已經(jīng)在關(guān)鍵設計元素中鉆研多年，證明其可行性。 如在2017年的世界行動(dòng)通訊大會(huì )上所展示的，高通研究部5G毫米波原型系統在基地臺和設備中使用了大量的天線(xiàn)元，配合智能/快速波束成形和波束追蹤算法，展示了用于非視距通訊和設備行動(dòng)場(chǎng)景下可持續的寬帶通訊(圖6)。 我們相信可以實(shí)現行動(dòng)產(chǎn)業(yè)的下一個(gè)里程碑，在2019年讓5G NR毫米波在行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )和行動(dòng)設備中(包括智能型手機)商用。

　　圖6 工作在28GHz頻段的高通研究部5G毫米波原型系統

　　眾多技術(shù)發(fā)明驅動(dòng)5G NR創(chuàng )新應用

　　3GPP Release-15 5G NR規范將為增強型行動(dòng)寬帶及更多應用搭建基礎，而5G技術(shù)藍圖才剛剛開(kāi)始。 芯片商已經(jīng)著(zhù)手多項全新的技術(shù)發(fā)明，這些發(fā)明將驅動(dòng)未來(lái)變革和5G NR網(wǎng)絡(luò )和設備的擴展，引領(lǐng)全新的技術(shù)如，5G NR頻譜共享，解鎖更多頻譜并支持全新的布建類(lèi)型;5G NR超可靠、低時(shí)延通訊支持全新的關(guān)鍵任務(wù)服務(wù);5G NR蜂巢式車(chē)聯(lián)網(wǎng)(C-V2X)賦予自動(dòng)駕駛新的能力;5G NR整合化接入和回程(IAB)減少回程花費，作為更高效的網(wǎng)絡(luò )密集化手段;5G NR海量物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)低功耗，覆蓋更廣的物聯(lián)網(wǎng)。