技術(shù)貼：5G商用在即，再聊5G新空口物理層

　　用于5G的大規(guī)模MIMO

　　MIMO方法可再進(jìn)一步演變?yōu)榇笠?guī)模MIMO。當(dāng)系統(tǒng)的gNB天線比每個(gè)信令資源的UE設(shè)備數(shù)量高 出很多倍時(shí)，便可部署大規(guī)模MIMO配置。gNB天線的數(shù)量遠(yuǎn)高于UE設(shè)備時(shí)，頻譜效率會(huì)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(shí)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(tái)和用于快速無線原型驗(yàn)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(diǎn)是低于6GHz的頻率。此范圍的頻譜非常稀缺，且價(jià)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(gè)終端來顯著提高頻譜效率。 而大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)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(gè)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(yùn)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(huì)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(fù)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(yùn)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(gè)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(jiǎn)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(jìn)行適當(dāng)?shù)目臻g復(fù)用。這與僅通過一個(gè)RF鏈饋送到多個(gè)天線的系統(tǒng)不同，在單RF鏈中，多個(gè)天線的相位通過類似的方式進(jìn)行控制，以便聚焦和控制輻射方向。對(duì)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(diǎn)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(shí)，不斷降低MU-MIMO的實(shí)現(xiàn)成本。

　　最后，我們剛才提到，在毫米波頻率下，信道相干時(shí)間顯著降低，這給移動(dòng)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(dòng)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(hào)傳播損耗非常高。實(shí)際上，這種損耗會(huì)減少可能的小區(qū)覆蓋區(qū)域和范圍。為了彌補(bǔ)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(gè)用戶并提高信號(hào)增益。但是，UE不能再依靠毫米波gNB進(jìn)行全向傳輸信號(hào)來建立初始連接。

　　NR標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)UE采用了新的過程來建立與gNB的初始接入。在到達(dá)新小區(qū)覆蓋區(qū)域時(shí)，UE無需識(shí)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(gè)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(yùn)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(chǎng)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(yùn)行。舉個(gè)例子， 比如一個(gè)RF帶寬有限的UE需要與可以使用載波聚合來填充整個(gè)信道的強(qiáng)大設(shè)備以及可以使用單 個(gè)RF鏈來覆蓋整個(gè)信道的第三個(gè)設(shè)備一起工作。

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

　　為了解決這個(gè)問題，3GPP提出了一個(gè)新概念——bandwidth par(tBWP)：網(wǎng)絡(luò)使用一個(gè)寬帶載波來配置某個(gè)UE，并使用載波聚合獨(dú)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(duì)UE的不同RF性能進(jìn)行調(diào)整的靈活網(wǎng)絡(luò)操作是LTE無法實(shí)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(dòng)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(huì)面臨著各種嚴(yán)峻的設(shè)計(jì)和測(cè)試挑戰(zhàn)，但NI基于平臺(tái)的無線技術(shù)設(shè)計(jì)、原型驗(yàn)證和測(cè)試方法將成為未來十年實(shí)現(xiàn)5G的關(guān)鍵。