技術(shù)貼：5G商用在即，再聊5G新空口物理層

　　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(shí)現(xiàn)。

　　提到5G，就能不說(shuō)NR。5G NR，也就是5G新空口技術(shù)。所謂空口，指的是移動(dòng)終端到基站之間的連接協(xié)議，是移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)至關(guān)重要的標(biāo)準(zhǔn)。我們都知道3G時(shí)代的空口核心技術(shù)是CDMA，4G的空口核心技術(shù)是OFDM。5G時(shí)代的應(yīng)用將空前繁榮，不同應(yīng)用對(duì)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(gè)統(tǒng)一的空口必須能解決所有問(wèn)題，靈活適配各種業(yè)務(wù)。

　　增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)旨在顯著改善移動(dòng)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(shí)時(shí)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(jìn)行雙向通信，同時(shí)保證高網(wǎng)絡(luò) 可用性。最后，大規(guī)模機(jī)器通信(mMTC)使得許多低成本、低功耗、長(zhǎng)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(jì)注意事項(xiàng)

　　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(gè)部署選項(xiàng);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(dòng)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(shí)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(shí)間操作和更高效的頻率使用，以實(shí)現(xiàn)更好的時(shí)分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)部署;要求DL和UL對(duì)稱，使得小型低成本的基站能夠在毫米波頻率下運(yùn)行。

　　目前，業(yè)內(nèi)研究人員正在積極致力于解決實(shí)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(gè)復(fù)雜的話題，因?yàn)樗婕耙环N基于正交頻分復(fù)用(OFDM)的新無(wú)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(yǔ)被沿用下來(lái)，正如用LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))描述4G無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)一樣。

　　5G無(wú)線電接入架構(gòu)由LTE Evolution和New Radio Access Technology(新無(wú)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(hào)在幾個(gè)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(wú)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(dá)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(wú)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(shí)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(hào)，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(qiáng)大優(yōu)勢(shì)使其非常適合用于實(shí)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(jiǎn)易性、定時(shí)誤差和符號(hào)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(diǎn)之一是峰值平均功率比(PAPR)較高，這會(huì)降低發(fā)射機(jī)上RF輸出功率放大器的效率，無(wú)法最大程度地降低高階非線性效應(yīng)。對(duì)于智能手機(jī)等UE來(lái)說(shuō)，最重要的兩點(diǎn)是維持 電池壽命和降低能耗。在移動(dòng)設(shè)備中，射頻功率放大器負(fù)責(zé)將信號(hào)傳輸?shù)交荆蚨撈骷? 的功率最大，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要一種波形類型，既可讓放大器高效運(yùn)行，同時(shí)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(shí)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(duì)稱波形，并且對(duì)于UL具有互補(bǔ)DFT-OFDM，僅有一個(gè)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(kuò)展性可以實(shí)現(xiàn)低得多的延遲——其往返時(shí)間(RTT)比當(dāng)今的LTE低一個(gè)數(shù)量級(jí)。OFDM具有自包含的TDD子幀設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)更快更靈活的TDD切換和換向，同時(shí)支持新的部署場(chǎng)景。

　　對(duì)TDD切換和換向來(lái)說(shuō)，OFDM的自包含TDD子幀設(shè)計(jì)比LTE的8個(gè)HARQ接口更快、更靈活

　　NR參考信號(hào)

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

　　MIMO

　　為了更高效地使用頻譜并為更多用戶提供服務(wù)，NR計(jì)劃充分利用MU-MIMO技術(shù)。 MU-MIMO利用 多個(gè)用戶之間不相關(guān)的分散空間位置來(lái)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(gè)UE設(shè)備的SRS響應(yīng)，gNB會(huì)計(jì)算每個(gè)接收機(jī)的空間 位置。前往每個(gè)接收機(jī)的數(shù)據(jù)流會(huì)經(jīng)過(guò)預(yù)編碼的矩陣(W-Matrix)，矩陣將數(shù)據(jù)符號(hào)組合成信號(hào)， 流向gNB天線陣列中每個(gè)元件。

　　多個(gè)數(shù)據(jù)流擁有各自獨(dú)立且適當(dāng)?shù)臋?quán)重，這些權(quán)重使每個(gè)數(shù)據(jù)流產(chǎn)生不同的相位偏移，使得波形之間相長(zhǎng)干涉，并且同相到達(dá)接收機(jī)處。這將每個(gè)用戶位置處的信號(hào)強(qiáng)度最大化，同時(shí)最大限度 減小其他接收機(jī)的方向上的信號(hào)強(qiáng)度(零值)。