商用在即,再聊5G新空口物理層






編者按:本文概述了支持eMBB和URLLC的關鍵5G目標應用所需的5G物理層及其做到。由於文章篇幅較長,如果沒有時間耐心看完,可以直接請點擊文末「閱讀原文」下載《5G新空口物理層介紹》白皮書以備查閱。

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提到5G,就能不說NR。5G NR,也就是5G新空口技術。所謂空口,指的是移動終端到基站之間的連接協議,是移動通信標準中一個至關重要的標準。我們都知道3G時代的空口核心技術是CDMA,4G的空口核心技術是OFDM。5G時代的應用將空前繁榮,不同應用對空口技術要求也是複雜多樣的,因此最重要的當然是靈活性和應變能力,一個統一的空口必須能解決所有問題,靈活適配各種業務。

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增強型移動寬帶(eMBB)旨在顯著改善移動寬帶接入的數據速率、延遲、用戶密度、容量和覆蓋範圍,即使在智能高速公路等較為擁擠的環境中,也能夠做到AR/VR應用的實時數據流傳輸。超可靠的低延遲通信(URLLC)使用戶和設備能夠以最低延遲與其他設備進行雙向通信,同時保證高網路 可用性。最後,大規模機器通信(mMTC)使得許多低成本、低功耗、長壽命的設備可以支持嵌入式 高速傳感器、停車傳感器和智能電表等應用。

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圖片來源:中商產業研究院

物理層設計注意事項

在5G NR物理層中發揮決定性作用的關鍵特性包括: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部署選項;為應用提供超低延遲服務,這需要關鍵性傳輸具有短子幀和抗短突發干擾功能;動態共享頻譜以提供上行鏈路(UL)、下行鏈路(DL)、側鏈路(Side Link)和回程鏈路;做到多天線技術(多輸入、多輸出或MIMO),以提高頻譜效率;保持緊密的時間操作和更高效的頻率使用,以做到更好的時分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)部署;要求DL和UL對稱,使得小型低成本的基站能夠在毫米波頻率下運行。

目前,業內研究人員正在積極致力於解決做到穩定可靠的5G網路所面臨的挑戰。

用於5G NR的波形

NR是個複雜的話題,因為它涉及一種基於正交頻分復用(OFDM)的新無線標準。OFDM指的是一種「數字多載波調制方法」。隨著3GPP採用這一標準之後,NR這一術語被沿用下來,正如用LTE(長期演進)描述4G無線標準一樣。

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5G無線電接入架構由LTE Evolution和New Radio Access Technology(新無線電接入技術,NR)組成,NR工作在1GHz到100GHz

OFDM指的是一種「數字多載波調制方法」,其中「使用大量間隔緊密的正交子載波信號在幾個並行數據流或信道上傳輸數據」。NR需要使用LTE以外的新無線電接入技術(RAT,Radio Access Technology)——它必須足夠靈活,以支持從小於6GHz到高達100GHz的毫米波(mmWave)頻段的更寬範圍的頻帶。

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,並提出5G無線電接入方案。然而,由於正交頻分復用(OFDM)方案非常適用於TDD操作和時延敏感的應用,加上該方案能夠有效地處理大帶寬 的信號,在商業應用上已有諸多成功案例,所以循環前綴(CP)OFDM成為首選為NR。 CP-OFDM的強大優勢使其非常適合用於做到5G網路:高頻譜效率、MIMO兼容、相位噪聲抑制、收發器的簡易性、定時誤差和符號間干擾電阻。

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DFT-S-OFDM:更高效率的上行鏈路

OFDM波形的主要缺點之一是峰值平均功率比(PAPR)較高,這會降低發射機上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。對於智慧型手機等UE來說,最重要的兩點是維持 電池壽命和降低能耗。在移動設備中,射頻功率放大器負責將信號傳輸到基站,因而該器件消耗 的功率最大,因此系統設計人員需要一種波形類型,既可讓放大器高效運行,同時又能夠滿足5G 應用的頻譜需求。

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而據華為研究人士表示,選擇基於循環前綴的OFDM(CP-OFDM)波形可以做到比LTE更好的頻譜約束(濾波或加窗)。下行鏈路(DL)和上行鏈路(UL)具有對稱波形,並且對於UL具有互補DFT-OFDM,僅有一個數據流。

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5G NR採用的波形(華為資料

比較OFDM與目前的LTE,發現OFDM中具有更好的可擴展性可以做到低得多的延遲——其往返時間(RTT)比當今的LTE低一個數量級。OFDM具有自包含的TDD子幀設計,能夠做到更快更靈活的TDD切換和換向,同時支持新的部署場景。

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對TDD切換和換向來說,OFDM的自包含TDD子幀設計比LTE的8個HARQ接口更快、更靈活

NR參考信號

為了提高協議效率,以及維持時隙或波束內的傳輸而不必依賴於其他時隙和波束,NR引入了以下四個主要參考信號,如解調參考信號(DMRS)、相位跟蹤參考信號(PTRS)、探測參考信號(SRS) 、信道狀態信息參考信號(CSI-RS)。與LTE標準通過不斷交換參考信號來管理鏈路不同的是,NR發射機僅在必要時才發送這些參考信號。

MIMO

為了更高效地使用頻譜並為更多用戶提供服務,NR計劃充分利用MU-MIMO技術。 MU-MIMO利用 多個用戶之間不相關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發送給覆蓋區域中的UE,並且基於每個UE設備的SRS響應,gNB會計算每個接收機的空間 位置。前往每個接收機的數據流會經過預編碼的矩陣(W-Matrix),矩陣將數據符號組合成信號, 流向gNB天線陣列中每個元件。

多個數據流擁有各自獨立且適當的權重,這些權重使每個數據流產生不同的相位偏移,使得波形之間相長干涉,並且同相到達接收機處。這將每個用戶位置處的信號強度最大化,同時最大限度 減小其他接收機的方向上的信號強度(零值)。

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用於5G的大規模MIMO

MIMO方法可再進一步演變為大規模MIMO。當系統的gNB天線比每個信令資源的UE設備數量高 出很多倍時,便可部署大規模MIMO配置。gNB天線的數量遠高於UE設備時,頻譜效率會大幅提 高。與現在的4G系統相比,這種條件使系統能夠在同一頻段內同時為更多的設備提供服務。 NI與三星等行業領先企業攜手,繼續通過其軟件無線電平台和用於快速無線原型驗證的靈活軟件展示大規模MIMO系統的可行性。

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目前,大規模MIMO的主要研究焦點是低於6GHz的頻率。此範圍的頻譜非常稀缺,且價值非常高。 在這些頻段中,大規模MIMO系統可以通過空間復用多個終端來顯著提高頻譜效率。 而大規模MIMO系統的另一個優勢是可以為覆蓋區域內的所有UE提供更好且更一致的服務。

用於5G的毫米波

當前,業內研究人員已將可用的毫米波波段作為下一個前沿研究領域,以滿足未來需要龐大數據的無線應用需求。運行在28 GHz及以上的新型5G系統為更多信道提供更多可用頻譜,這非常適用於數Gbps的鏈路。盡管這些頻率相比6 GHz以下的頻譜較不擁擠,但是卻會受到不同傳播效應的影響,例如更高的自由空間路徑損耗和大氣衰減、室內滲透力弱以及衍射效果差。 為了克服這些負面影響,毫米波天線陣列可以聚焦其波束並利用天線陣列增益。幸運的是,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sub-6GHz元件相同的面積內容納包 含更多元件的毫米波天線陣列。

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通過模擬波束控制簡化複雜性

大規模MU-MIMO系統需要比UE設備多得多的發射RF鏈路才能進行適當的空間復用。這與僅通過一個RF鏈饋送到多個天線的系統不同,在單RF鏈中,多個天線的相位通過類似的方式進行控制,以便聚焦和控制輻射方向。對於MU-MIMO目的,這樣的系統可以歸類為具有方向性可控制天線的單天線終端。

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大規模MIMO系統的主要缺點之一是集成和部署大量RF鏈非常複雜性,而且成本高昂,特別是在毫米波頻率下。研究人員已經提出了幾種混合(數字和模擬)波束成形方案,以允許5G gNB在維持大量天線的同時,不斷降低MU-MIMO的做到成本。

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最後,我們剛才提到,在毫米波頻率下,信道相幹時間顯著降低,這給移動應用帶來了嚴格的限制。 研究人員需要繼續研究在毫米波頻率下改善UE移動性的新方法,但很可能第一次5G毫米波部署將用於固定無線接入應用,例如回程和側鏈(Side Link)。

管理波束

使用毫米波波段的主要技術挑戰之一是在超過20 GHz的頻率,信號傳播損耗非常高。實際上,這種損耗會減少可能的小區覆蓋區域和範圍。為了彌補這一缺陷,標準制定者採用基於天線陣列的波束形成技術,將RF能量聚焦到單個用戶並提高信號增益。但是,UE不能再依靠毫米波gNB進行全向傳輸信號來建立初始連接。

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NR標準針對UE採用了新的過程來建立與gNB的初始接入。在到達新小區覆蓋區域時,UE無需識別波束的位置,而是忽略gNB當前正在發送的波束方向,便開始網路接入過程。 NR初始接入過程為UE建立與gNB的通信提供了一個有效的解決方案。它解決了盲目尋找gNB的 問題,不僅適用於毫米波運行,而且適用於低於6 GHz的全向通信。這意味著初始接入過程必須應用於單波束和多波束場景,此外還必須支持NR和LTE共存。

Bandwidth Part

在未來的5G應用中,由於不同頻譜的可用性,大量設備和儀器將在不同的頻段中運行。舉個例子, 比如一個RF帶寬有限的UE需要與可以使用載波聚合來填充整個信道的強大設備以及可以使用單 個RF鏈來覆蓋整個信道的第三個設備一起工作。

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盡管大帶寬會直接提高用戶可以體驗到的數據速率,但這是需要付出代價的。當UE不需要高數據 速率時,大帶寬會導致RF和基帶處理資源被低效利用,這無疑是一種浪費。

為了解決這個問題,3GPP提出了一個新概念——bandwidth par(tBWP):網路使用一個寬帶載波來配置某個UE,並使用載波聚合獨立地為其他UE分配一組帶內連續分量載波。這允許具有不同功能的各種設備共享相同的寬帶載波。 這種針對UE的不同RF性能進行調整的靈活網路操作是LTE無法做到的。

結論:LTE和5G NR PHY比較

5G NR優於當前LTE的一些基本技術特徵:

更高的頻譜利用率

靈活的參數集(Numerology)和框架結構

動態管理TDD資源

通過增加信道帶寬在毫米波頻率下工作

總之,5G無線技術有望為全球更多的人群提供大量可靠、數據豐富且高度連接的應用。雖然部署可支持這一目標的基礎設施以及開發下一代5G設備會面臨著各種嚴峻的設計和測試挑戰,但NI基於平台的無線技術設計、原型驗證和測試方法將成為未來十年做到5G的關鍵。

編輯:芯智訊-夏天/浪客劍

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