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)。由于文章篇幅較長，如果沒有時(shí)間耐心看完，可以直接請(qǐng)點(diǎn)擊文末“閱讀原文”下載《5G新空口物理層介紹》白皮書以備查閱。

提到5G，就能不說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。

圖片來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院

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)語被沿用下來，正如用LTE(長期演進(jìn))描述4G無線標(biāo)準(zhǔn)一樣。

5G無線電接入架構(gòu)由LTE Evolution和New Radio Access Technology（新無線電接入技術(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來說，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?，因而該器件消?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切換和換向來說，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)通過不斷交換參考信號(hào)來管理鏈路不同的是，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）。

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。