5G標準

第三代合作伙伴項目（3GPP）正在制定5G標準，該項目由來自七個不同全球標準組織的合作伙伴組成。5G 標準始于 2017 年 12 月的“第 15 版”，隨著新特性、功能和要求的增加，將在后續版本中進行擴展。

在 3GPP 中，有技術規范組 （TSG），致力于在越來越高的抽象級別上定義 5G NR 系統。示例級別包括但不限于：

無線接入網 （RAN）：負責定義無線電性能規范的較低級別 （1-3），其中包括：

物理層

調制

頻分雙工 （FDD）

時分雙工 （TDD）

波束成形

錯誤檢測

校正

服務與系統方面（SA）：監督整體架構和服務功能，包括計費、會計、網絡管理和安全

核心網絡和終端（CT）：定義用戶設備的規格、網絡之間的切換、服務質量映射等。

分層5G服務的三個頻段

隨著無線電信技術的進步，頻率和帶寬穩步增加。如圖 1 所示，新一代保留了與現有網絡的一些向后兼容性，但擴展到更多頻段。

圖 1.2G、3G、4G 和 5G 網絡頻譜分配的演變。

隨著 5G 向 30GHz 以上的毫米波 （mmWave） 頻率發展，這一趨勢正在向前邁進。這使得 5G NR 能夠在低于 6GHz 的頻率下支持高達 100MHz 的超寬帶寬，在更高頻率下支持高達 400MHz 的超寬帶寬。

5G一般可分為三個頻段：

FR1型

較低頻率：MHz–1 GHz

中頻：1–7 GHz

FR2型

更高頻率：24–48 GHz

如圖 2 所示，這三個頻段旨在協同工作，以滿足對帶寬、延遲和覆蓋范圍的不同需求。

圖2.5G NR 的 3 個頻段的帶寬、延遲和覆蓋范圍之間的關系。

5G 的初始部署在較低頻率范圍 （FR1） 中，有兩個頻段（稱為低頻段和中頻段），跨越用于 450 MHz 至 6 GHz 智能手機的更傳統頻率。這些較低的頻率提供了最大的覆蓋范圍。

更高的頻率范圍 （FR2） 以 24 - 100 GHz 的頻率向上移動到毫米波區域，以支持更快的下載速度，并支持需要超低延遲的新應用。

面向 5G NR 的正交頻分復用

上行鏈路和下行鏈路連接的 5G 傳輸均基于 OFDM（正交頻分復用）。OFDM 結合了正交幅度調制 （QAM） 和頻分復用 （FDM），可實現高數據速率通信。

由于副載波頻率彼此正交，因此各個峰值都與其他副載波的零點對齊（圖3）。

圖3.正交頻分復用的頻譜。

這最大限度地減少了干擾，并允許接收器有效地恢復信號。這些調制副載波可用于支持許多獨立信號（如FM無線電信道），但在5G應用中，通常組合在一起以提高單個信道的數據速率。

NR 規范支持 15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz、240 kHz 或 480 kHz 的可調載波間隔，最多 3300 個副載波。此外，副載波調制可以是 QPSK（四相移鍵控）或 16、64 或 256-QAM。這些選項提供了多功能性，使運營商能夠優化通信方案以滿足環境和應用。

5G 性能與 4G 的比較

正如我們對每一代智能手機技術所期望的那樣，5G 比其前身 4G 更快，容量更大。預計 5G 將支持高達 10-20 Gb/s 的峰值數據傳輸速率和超過 100 Mb/s 的平均數據速率。5G 還旨在通過提高網絡效率和將延遲降低 10 倍來支持容量增加 100 倍，從而降低到1 毫秒

除了這些基本改進之外，5G還被設計為比4G更多樣化的電信標準，以支持標準移動寬帶以外的應用，包括：

低延遲的關鍵任務通信

物聯網 （IoT） 的大規模連接

支持所有頻譜類型（許可、共享、非許可）

擴展的部署模型，包括熱點

新的通信模型，例如設備到設備和多跳網格。

5G使用模型

通常，當我們聽到 5G 時，我們會立即想到更好的智能手機，這確實是 5G NR 規范的一個方面。然而，這些標準正在開發中，以支持的不僅僅是更好的智能手機。具體來說，有三種主要的使用模型，如圖 4 所示：

eMBB（增強型移動寬帶）：松散更好的智能手機、消費類應用程序

URLLC（超可靠和低延遲通信）：關鍵任務服務

mMTC（大規模機器類型通信）：考慮物聯網

圖4.三種 5G NR 使用模型的示例應用。

eMBB（增強型移動寬帶）

5G NR 網絡開發的最初重點是 eMBB，以提高下載和上傳速度并減少延遲。eMBB有望改善移動視頻流，并實現包括移動增強現實和虛擬現實（AR和VR）在內的應用。emBB預計將在人口稠密的城市地區、體育或音樂會場所以及智能辦公室提供增強的無線寬帶接入。

URLLC（超可靠低延遲通信）

顧名思義，URLLC旨在為“實時”應用提供非常低延遲的通信，包括自動駕駛汽車、工業自動化和遠程手術。顯然，這些應用程序中的每一個都需要強大的網絡連接，具有低錯誤率和難以察覺的延遲（理論上低至 1 毫秒）。這些要求與語音通話或流式傳輸您喜歡的新節目有很大不同。

mMTC（大規模機器類型通信）

mMTC是第三種使用模式，與前兩種也有很大不同。mMTC將利用5G NR提供的寬帶寬來支持與“大量”低數據速率設備的通信。應用將包括物聯網和智慧城市，其中大量節點將需要窄帶寬進行遙感、監控、交通和停車管理、物流和車隊管理以及電子廣告牌。

賦能5G的技術

許多技術進步正在共同實現 5G 通信。本節將介紹從事硬件工作的電氣工程師可能感興趣的一些關鍵技術。

先進的晶體管技術

硅CMOS技術不斷向更精細的幾何形狀發展，對于提高手機、基站和網絡骨干網所需的處理能力顯然非常重要。此外，隨著 5G 擴展到頻譜的毫米波區域，先進晶體管技術的改進正在成為焦點。

如圖 5 所示，硅鍺 （SiGe）、砷化鎵 （GaAs）、氮化鎵 （GaN） 和碳化硅 （SiC） 都適合在 6 GHz 以上的高頻 FR2 頻段工作。特別是，氮化鎵和碳化硅器件廣泛用于需要高頻和高功率的基站。

圖5.寬禁帶 （WBG） 材料的功率與頻率的關系。

除了晶體管本身之外，從芯片到印刷電路板 （PCB） 的外部連接還需要封裝方面的技術進步和先進的設計技術。像封裝內的 1 mm 鍵合線這樣簡單的東西在毫米波頻率下會成為潛在的天線，并且可能具有復雜的阻抗，因此很難實現與 PCB 的 50 Ω阻抗匹配。轉向使用焊球的倒裝芯片組裝可能會有所幫助，但阻抗匹配挑戰可能仍然存在。

海量多輸入多輸出天線

由于波長非常短，相控陣天線在5G毫米波頻率上變得可行。例如，高通公司在圖6中演示的毫米波手機原型似乎有三個4x2相控陣天線部分。相控陣天線可以支持波束成形，以提高天線增益。

圖6.5G NR毫米波手機原型。

在基站中，相控陣的使用預計將激增，成為所謂的大規模多輸入多輸出（MIMO）系統。使用大量天線和復雜算法，大規模MIMO系統可以采用自適應波束成形和空間分集，以實現以下目的：

通過將窄波束聚焦到每個用戶來提高頻譜效率

通過天線增益提高能源效率，降低總輻射功率

通過增益和空間分集提高數據速率和容量

通過自適應波束成形跟蹤移動用戶

基站的數字和模擬處理相結合，為各個用戶創造了獨特的傳輸通道。個人用戶還可以使用多個天線來增強存在衰落、多徑和干擾的通信。

圖7.面向毫米波 5G 的大規模多輸入多輸出通信。圖片由 Alemaishat 等人提供

總結

5G NR不僅僅是移動智能手機的改進網絡。增強型移動寬帶、超可靠低延遲通信和大規模機器型通信這三種主要使用模式可能會在未來幾年帶來許多新的應用。

審核編輯：劉清