五大無線技術(shù)發(fā)明問世 5G NR布建加速邁進(jìn)

　　目前已看到無線技術(shù)領(lǐng)域許多變化和令人贊嘆的創(chuàng)新，但沒有什么能和5G行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的根本性轉(zhuǎn)變相提并論。 過去數(shù)年來，芯片商持續(xù)致力于設(shè)計(jì)出一個(gè)統(tǒng)一的5G新無線電，它將極大化拓展行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備的能力和效率。

　　早在2016年3月，3GPP就已經(jīng)著手5G新無線電(5G NR)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。 此一主要目的在于，開發(fā)一個(gè)統(tǒng)一的、更強(qiáng)大的無線空中接口。 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(guī)范，這可以說是在2019年實(shí)現(xiàn)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(guī)范不僅支持開始于2019年的增強(qiáng)型行動(dòng)寬帶的布建，同時(shí)也為擴(kuò)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(chǔ)。 那么，哪些無線技術(shù)定義了首個(gè)5G NR規(guī)范呢?

　　5G NR規(guī)范釋出 芯片商積極布局

　　5G NR必須滿足不斷擴(kuò)展以及極端多變的連接和布建類型的要求。 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(jiān)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，以及稱為毫米波的24GHz以上的高頻段。 因此，沒有一種技術(shù)可以單獨(dú)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(gòu)建。

　　在5G NR規(guī)范釋出之后，芯片商和電信營運(yùn)商也開始積極布局此一市場。 以高通(Qualcomm)為例，該公司多年來持續(xù)開發(fā)5G基礎(chǔ)技術(shù)，并且發(fā)明全新的5G技術(shù)以推動(dòng)，甚至是重塑無線的邊界;致力推動(dòng)其先進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和無線技術(shù)從理論到設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)現(xiàn)，以及最終商用的進(jìn)程，以實(shí)現(xiàn)5G愿景(圖1)。

　　圖1 5個(gè)定義5G NR的無線發(fā)明

　　運(yùn)用可擴(kuò)展OFDM參數(shù)配置增進(jìn)子載波間隔

　　5G NR設(shè)計(jì)中最重要的決定之一，是選擇無線波形和多址接入技術(shù)。 在已經(jīng)評(píng)估并且將繼續(xù)評(píng)估多種方式的同時(shí)，高通透過廣泛研究(在2015年11月所發(fā)布的高通研究部報(bào)告中)發(fā)現(xiàn)，正交分頻多任務(wù)(OFDM)體系，具體來說包括循環(huán)前綴正交分頻多任務(wù)(CP-OFDM)和離散傅立葉變換擴(kuò)頻正交分頻多任務(wù) (DFT-S OFDM)，是針對5G增強(qiáng)型行動(dòng)寬帶(eMBB)和更多其他場景的正確選擇。

　　由于現(xiàn)在OFDM已被使用，或許產(chǎn)業(yè)界會(huì)問「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(kuò)展的OFDM復(fù)頻參數(shù)配置(圖2)。 現(xiàn)今，LTE支持最多20MHz的載波帶寬，其中OFDMtone(通常稱為子載波)之間的間隔幾乎是固定的15kHz。

　　圖2 可擴(kuò)展OFDM多載波參數(shù)

　　因此，在5G NR中，高通導(dǎo)入了可擴(kuò)展的OFDM參數(shù)配置，從而支持多種頻譜頻段/類型和布建模式。 例如，5G NR必須能夠在有更大頻道寬度(例如數(shù)百M(fèi)Hz)的毫米波頻段上工作。

　　此外，3GPP 5G NR Rel-15規(guī)范中將利用可擴(kuò)展OFDM參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)子載波間隔能隨頻道寬度以2的n次方擴(kuò)展。 如此一來，在更大帶寬的系統(tǒng)當(dāng)中，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)大小也隨之?dāng)U展，而不會(huì)增加處理的復(fù)雜性。

　　自包含時(shí)隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)彈性框架

　　5G NR設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是彈性的基于時(shí)隙的框架，以支持電信營運(yùn)商在相同頻率上高效復(fù)用已構(gòu)想的(和無法預(yù)料的)5G業(yè)務(wù)。 實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)。

　　在新的自包含時(shí)隙結(jié)構(gòu)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(dú)立譯碼的能力，避免了跨時(shí)隙的靜態(tài)時(shí)序關(guān)系。 透過在時(shí)域和頻域內(nèi)對傳輸進(jìn)行限定，該彈性設(shè)計(jì)簡化了在未來增加新的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(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

　　得益于上傳/下載(UL/DL)快速轉(zhuǎn)換和可擴(kuò)展時(shí)隙長度，例如子載波間隔為30kHz隔時(shí)時(shí)隙長度為500μs，而子載波間隔為120kHz時(shí)時(shí)隙長度則為125μs，和LTE相比，5G NR自包含時(shí)隙結(jié)構(gòu)還帶來顯著更低的時(shí)延。

　　該時(shí)隙結(jié)構(gòu)框架在同一個(gè)時(shí)隙中包含上/下行調(diào)度，數(shù)據(jù)和確認(rèn)。 除更低延遲之外，該模塊化時(shí)隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還支持自適應(yīng)TDD UL/DL配置、先進(jìn)基于信道互易性的天線技術(shù)，例如基于快速上傳探測的下載大規(guī)模MIMO導(dǎo)向，以及透過增加子幀支持其他使用場景。 這些都讓該項(xiàng)發(fā)明成為滿足許多5G NR需求的關(guān)鍵技術(shù)，它也是3GPP 5G NR規(guī)范的一部分。

　　先進(jìn)ME-LDPC/CA-Polar頻道編碼滿足多元應(yīng)用場景

　　連同可擴(kuò)展參數(shù)配置和靈活的5G NR服務(wù)框架，物理層設(shè)計(jì)應(yīng)包括可提供穩(wěn)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(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)角度來看，當(dāng)擴(kuò)展到極高吞吐量和更大編碼塊長度(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(guī)范將利用ME-LDPC作為增強(qiáng)型行動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)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(qiáng)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，可帶來性能增益，因此它被應(yīng)用在多種5G NR控制應(yīng)用場景中。

　　大規(guī)模MIMO提升容量/覆蓋率

　　MIMO天線技術(shù)的發(fā)展也是5G設(shè)計(jì)重點(diǎn)。 透過智能地使用更多天線，可以提升網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋率。 也就是說，更多空間數(shù)據(jù)串流可以顯著提高頻譜效率(例如借助多用戶大規(guī)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)還可以通過在下載鏈路的特定方向聚焦射頻能量來擴(kuò)展基地臺(tái)的覆蓋范圍;相應(yīng)地，在上傳鏈路上，基地臺(tái)在特定方向接收，可以減少的噪音和干擾。

　　5G NR大規(guī)模MIMO技術(shù)將利用基地臺(tái)端的2D天線數(shù)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(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的信道知識(shí)是必不可少的。

　　對此，針對快速基于信道互易性的TDD大規(guī)模MIMO，5G NR規(guī)范的一部分進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，將利用自包含時(shí)隙結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的參考訊號(hào)，以支持更快速和更準(zhǔn)確的信道回饋。

　　此一測試結(jié)果顯示，將現(xiàn)有的大型蜂巢式基地臺(tái)(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。 全新多用戶大規(guī)模MIMO設(shè)計(jì)的這些測試結(jié)果顯示，容量和基地臺(tái)邊緣用戶吞吐量(如圖5)顯著提升，這對提供更統(tǒng)一的5G行動(dòng)寬帶用戶體驗(yàn)至為關(guān)鍵。

　　圖5 5G NR大規(guī)模MIMO仿真

　　行動(dòng)毫米波布局腳步加快

　　上述的5G NR設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了中頻段頻譜中更高頻率的在大型/小型基地臺(tái)布建中的應(yīng)用，同時(shí)也開啟頻譜中超過24GHz的毫米波用于行動(dòng)寬帶的機(jī)會(huì)。

　　這些高頻段有豐富的可用頻譜資源，支持極速數(shù)據(jù)速率和容量，這將重塑行動(dòng)體驗(yàn)。 然而，增加的傳播損耗，易受障礙物影響(如頭、手、身體、樹葉、建筑)，以及射頻電路的復(fù)雜性和功效，都讓這些高頻段一直以來沒有用于行動(dòng)通訊。 不過，現(xiàn)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(tǒng)，我們已經(jīng)在關(guān)鍵設(shè)計(jì)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(tǒng)在基地臺(tái)和設(shè)備中使用了大量的天線元，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(shè)備行動(dòng)場景下可持續(xù)的寬帶通訊(圖6)。 我們相信可以實(shí)現(xiàn)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(shè)備中(包括智能型手機(jī))商用。

　　圖6 工作在28GHz頻段的高通研究部5G毫米波原型系統(tǒng)

　　眾多技術(shù)發(fā)明驅(qū)動(dòng)5G NR創(chuàng)新應(yīng)用

　　3GPP Release-15 5G NR規(guī)范將為增強(qiáng)型行動(dòng)寬帶及更多應(yīng)用搭建基礎(chǔ)，而5G技術(shù)藍(lán)圖才剛剛開始。 芯片商已經(jīng)著手多項(xiàng)全新的技術(shù)發(fā)明，這些發(fā)明將驅(qū)動(dòng)未來變革和5G NR網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的擴(kuò)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(fèi)，作為更高效的網(wǎng)絡(luò)密集化手段;5G NR海量物聯(lián)網(wǎng)帶來低功耗，覆蓋更廣的物聯(lián)網(wǎng)。