『這個知識不太冷』探索5G射頻技術(shù)（上）

『這個知識不太冷』系列，旨在幫助小伙伴們喚醒知識的記憶，將挑選一部分Qorvo劃重點的知識點，結(jié)合產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀解讀，以此溫故知新、查漏補缺。接下來，我們談一談5G射頻。

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本文（上篇）將講解5G NR的部分技術(shù)方面，以便您能理解那些背后的技術(shù)。后續(xù)推送的下篇將介紹射頻前端（RFFE）背后的一些特征和技術(shù)。

深入了解5G NR

現(xiàn)在，您可能對5G已有基本認(rèn)識，下面讓我們再深入一些，了解5G的支持技術(shù)。5G的骨干技術(shù)如下：

? 頻譜技術(shù)
? 動態(tài)頻譜共享技術(shù)
? 擴展正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）， 一種將更多數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼到多個載波頻率的方法。
? 多進(jìn)多出技術(shù)（MIMO），其中包括同時利用多個天線的技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)速度和減少誤差。
? 波束賦形技術(shù)，將來自多個天線的射頻信號合并成一個指向特定設(shè)備或接收器的強信號。
? 小蜂窩技術(shù)或網(wǎng)絡(luò)密致化技術(shù)，將多個蜂窩站點密集放置，以提高可用容量。

另外，這些技術(shù)還將顯著強化現(xiàn)有的4G LTE網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)靈活性、伸縮性和效率。其中部分技術(shù)（如5G頻譜）已在前文講解，其他幾項技術(shù)我們將在以下各節(jié)分別講解。

#頻譜與動態(tài)頻譜共享#

前文提到，為滿足增強型移動寬帶（eMBB）的需求（例如：1Gbps或以上的數(shù)據(jù)率速度，以及采納用戶設(shè)備所需的數(shù)據(jù)率），頻譜與動態(tài)頻譜共享是兩項必需的技術(shù)。

相對于4G LTE ，5G顯著提高了數(shù)據(jù)率。不過，5G的大部分優(yōu)勢都源于新的5G頻帶所獲得的帶寬增強，只有少部分?jǐn)?shù)據(jù)吞吐量的提高是因為實施了5G NR技術(shù)。如您所見，頻譜的增加給下行鏈路的數(shù)據(jù)率帶來指數(shù)級增長，而載波聚合與5G NR技術(shù)升級僅貢獻(xiàn)19%的增長。

4G LTE與5G NR下載鏈路數(shù)據(jù)完善情況比較

#頻分復(fù)用（OFDM）#

在5G NR開發(fā)過程中，第一步是為5G NR設(shè)計物理層，其中波形是一個核心技術(shù)組成。在審查多個提案后，3GPP選擇擴展使用頻分復(fù)用技術(shù)，同時在上行鏈路和下行鏈路為5G添加循環(huán)前綴頻分復(fù)用（CP-OPDM）波型。

CP-OFDM技術(shù)利用多個平行窄帶子載波來傳輸信息，而不使用單個寬帶載波。該技術(shù)定義充分，已在4G LTE下行鏈路和Wi-Fi通信標(biāo)準(zhǔn)成功實施，因此也適合用于5G NR設(shè)計。

不過，5G NR上行鏈路還提供了一種不同的波形格式，這種波形格式類似4G LTE上行鏈路使用的波形模式離散傅立葉變換擴頻正交頻分復(fù)用（DFT-S-OFDM）波形。DFT-S-OFDM波形是一種4G采用的波形，結(jié)合了循環(huán)前綴正交頻分復(fù)用和低峰均比（PAPR）的優(yōu)點。DFT-S-OFDM波形對上行鏈路有幫助，對于高功率的2級功率應(yīng)用或者當(dāng)用戶設(shè)備位于基站蜂窩的邊緣位置，遠(yuǎn)離信號塔時，DFT-S-OFDM可能是首選波形。

在靈活性上，5G NR提供的子載波間隔方案還超越了LET提供的固定15kHz子載波間隔。5G NR提供的子載波間隔包括FR2，最大間隔達(dá)到240kHz。靈活的載波間隔可用于適當(dāng)支持5G NR所需的多元化頻帶、頻譜類型及部署模式。

DFT-S-OFDM非常類似于LTE上行鏈路使用的單頻分復(fù)用接入（SCFDMA），CP-OFDM非常類似于LTE下行鏈路使用的正交頻分復(fù)用接入（OFDMA）。3GPP之所以選擇CP-OFDM，原因如下：

? CP-OFDM能夠面向復(fù)雜程度較低的接收器延展。
? 在一些最重要的5G性能指標(biāo)上（例如：與多天線技術(shù)的兼容性），CP-OFDM排名最高。
? CP-OFDM的時域控制良好，這一點對于低延時關(guān)鍵應(yīng)用和時分雙工（TDD）部署具有重要意義。
? 與其他波形相比，CP-OFDM對于相位噪聲和多普勒效應(yīng)（頻率變化與波長變化）的耐受性更強。
? CP-OFDM在MIMO空間復(fù)用上的效率更高，這相當(dāng)于提高了頻譜效率。
? 在大規(guī)范部署條件下，CP-OFDM非常適合上行鏈路傳輸。

#5G MIMO與大規(guī)模MIMO#

大規(guī)模MIMO技術(shù)是MIMO技術(shù)的擴展。MIMO技術(shù)有效地、重復(fù)地利用同一帶寬，以便傳輸更多數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對頻譜更加高效的利用。

今天許多LTE MIMO基站都最多由八根天線組成，接收器上有一到二根天線。這使得基站能夠同時向8名用戶分別發(fā)送8條數(shù)據(jù)流；如果合二為 一，則能夠同時向4名用戶分別發(fā)送2條數(shù)據(jù)流。

隨著4G向大規(guī)模MIMO的轉(zhuǎn)移，天線數(shù)量出現(xiàn)指數(shù)增至多達(dá)16根、32根、64根、128根，甚至更多。這些天線的集合被稱為“天線陣列系統(tǒng)”（AAS）。這有助于通過波束賦形技術(shù)，將能量集中到較小的空間區(qū)域（參見下節(jié)），以極大改善吞吐量和輻射能量效率。

大規(guī)模MIMO有助于：
? 防止在非理想方向上傳輸數(shù)據(jù)，減輕干涉
? 減少延時，從而提高速度和可靠性
? 減少通知和連接的衰落與掉線
? 同時服務(wù)大規(guī)模用戶群
? 推出二維波束賦形

大規(guī)模MIMO不僅能夠增加蜂窩容量和蜂窩效率，還能利用銳利天線波束方向圖（由多個天線元素組成）平行發(fā)送和接收射頻信號。在采用大規(guī)模MIMO技術(shù)的基站，每條數(shù)據(jù)流都有獨特的輻射方向圖，因此不會相互干涉。每條數(shù)據(jù)流的信號強度都按照目標(biāo)用戶設(shè)備的方向傳送；在其他用戶設(shè)備的方向，信號強度則被減少，以降低干涉。

#波束賦形#

波束賦形技術(shù)對天線陣列中的單根天線的量級和相位進(jìn)行適當(dāng)加權(quán)，利用多根天線來控制波形的傳送方向，為5G帶來顯著優(yōu)勢。由于波束賦形技術(shù)是大規(guī)模MIMO系統(tǒng)使用的一項技術(shù)，因此有時“波束賦形”與 “大規(guī)模MIMO”這兩個術(shù)語可以互換使用。

波束賦形技術(shù)被用于毫米波頻譜，基本頻率在24GHz以上。該頻譜使用的是200至400MHz的寬信道帶寬，因此提供了超高的數(shù)據(jù)傳輸速度。承運商將使用該技術(shù)部署5G固定無線接入服務(wù)（FWA），作為“最后一英里”連接解決方案，為家庭和企業(yè)提供高速連接。

固定無線接入毫米波有一個缺點：雨、植物或建筑物等，都可能造成毫米波信號衰減。在這些情況下，有時候難以保持用戶設(shè)備處于視距范圍，因此會造成信號延遲、衰減以及到達(dá)信號發(fā)生變化。不過，波束賦形技術(shù)有助于減少這些負(fù)面效果。通過利用大規(guī)模MIMO和波束賦形技術(shù)帶來的多條路徑，即使在視距受限的情況下，也可以對天線元素與用戶設(shè)備之間的空間信道進(jìn)行定性及數(shù)字化編碼和解碼，從而有助于減少信號損失。

大規(guī)模MIMO與波束賦形

#網(wǎng)絡(luò)密致化#

今天，無線基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)包含眾多元素，有大蜂窩基站、地鐵蜂窩基站，還有室內(nèi)外分布式天線系統(tǒng)和小蜂窩基站。這些元素在異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）環(huán)境下共同工作，如下圖所示。

無線基礎(chǔ)設(shè)施異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)與小蜂窩基站集成

所謂“密致化”，是一種通過增強蜂窩站點，提高可用蜂窩容量的技術(shù)。這種蜂窩可以是微蜂窩或小蜂窩， 以應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)容量緊張的區(qū)域。另外，這些蜂窩還可以分擔(dān)周邊大基站和微基站的通信流量。

小蜂窩基站是一種將蜂窩基站拆分成更小型群組的迷你基站。另外，還可根據(jù)覆蓋面積的大小，細(xì)分為皮蜂窩基站、微蜂窩基站和飛蜂窩基站，并且這些基站既可以設(shè)在室內(nèi)，也可以設(shè)在室外。

微蜂窩基站與小蜂窩基站之間存在重要區(qū)別。微蜂窩基站有一條大型數(shù)據(jù)管道通向網(wǎng)絡(luò)。小蜂窩基站則將這條管道拆分成覆蓋一定區(qū)域的多條小型管道。小蜂窩基站的主要目標(biāo)是提高大蜂窩基站的邊緣數(shù)據(jù)容量或 者覆蓋大蜂窩不能覆蓋的區(qū)域（覆蓋不良） ，最終目標(biāo)是完善數(shù)據(jù)、速度和網(wǎng)絡(luò)效率。下圖所示為小蜂窩集成網(wǎng)絡(luò)。

小蜂窩集成網(wǎng)絡(luò)

小蜂窩：
? 提高數(shù)據(jù)容量，尤其是高端購物區(qū)或城市中心區(qū)等高度稠密的區(qū)域。
? 消除了高成本的屋頂系統(tǒng)和設(shè)備或租用成本。
? 提高了手機性能。

在討論密致化與小蜂窩基站時，我們需要考慮物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用多種無線技術(shù)進(jìn)行連接。小蜂窩基站的實施以及眾多設(shè)備的互聯(lián)，將構(gòu)成大規(guī)模、超可靠、低延時機械類通信（MTC）的一個關(guān)鍵方面。

物聯(lián)網(wǎng)的傳輸類型大致分為以下四種：
? 有線傳輸
? 中短距離無線傳輸（從藍(lán)牙到網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)Wi-Fi、ZigBee）
? 長距離無線傳輸（4G LTE和5G蜂窩），低功率廣域網(wǎng)（LPWAN）
? 衛(wèi)星傳輸

5G將可實現(xiàn)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)， 大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)能夠支持?jǐn)?shù)百億個設(shè)備、物品和機器，并且這些設(shè)備都需要連接無處不在。這些設(shè)備可以是移動設(shè)備、漫游設(shè)備，還可以是固定設(shè)備。

#5G NR頻譜載波聚合#

“載波聚合”是一種將兩個以上載波合并成一條數(shù)據(jù)信道， 以增加數(shù)據(jù)容量的技術(shù)。通過利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)頻譜，載波聚合技術(shù)讓運營商能夠提供更高的上行鏈路和下行鏈路數(shù)據(jù)率，因此能夠提高網(wǎng)絡(luò)性能和確保高質(zhì)量用戶體驗。載波聚合為4G提高用戶數(shù)據(jù)吞吐量做出重要貢獻(xiàn)，并且還將在5G起到同樣重要的作用。為了增加容量，全球運營商都在積極地添加載波聚合頻帶和功能（例如：MIMO）。

相關(guān)命名慣例因為5G頻帶而發(fā)生改變。5G命名重新加入字母“n”（即n77或n78），用以指代“New Radio”（即新空口）；而4G命名則使用字母“B”指代“頻帶”。5G NR使用的LTE頻帶仍將使用相同的頻帶編號，只是增加了n標(biāo)識符。

5G載波聚合將提供帶有非對稱上下載功能的多重連接能力，并且在毫米波頻率提供高達(dá)700MHz的信道帶寬。在7GHz以下頻帶，可以利用4條100MHz信道，實現(xiàn)400MHz瞬時帶寬。

在頻分雙工（FDD）或時分雙工（TDD）條件下，每條分量載波能夠獲得1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz或20MHz帶寬。因此，如果有5條20MHz分量載波，那么利用載波聚合，最高可以實現(xiàn)100MHz帶寬。在時分雙工條件下，分量載波的帶寬和數(shù)量必須在上下行鏈路保持相同。4G LTE-Advanced Pro能夠提供最高100MHz帶寬，支持32條分量載波，因此最高帶寬可以達(dá)到640MHz。于是在5G NR條件下，還有另外一個載波聚合方案，該方案被稱為“雙重連接”，能夠聚合4G LTE和5G NR頻帶。

文章來源：Qorvo半導(dǎo)體