全球首批5G移動通信標準簡介

　　2016年6月30日，美國第一大移動通信運營商Verizon在全球率先發(fā)布了5G(第五代移動通信)空口的物理層標準/規(guī)范(一共4份，編號為TS V5G.200系列)，在業(yè)界引起了很大轟動。相關標準是由Verizon聯(lián)合思科、愛立信、英特爾、LG電子、諾基亞、美國高通公司、三星電子這7家廠商共同制定的。下文簡要介紹這4份5G空口物理層標準的主要內(nèi)容。

　　1、5G空口物理層與其他各層的關系

　　1)總體架構(gòu)

　　如圖1所示，5G空口由Layer 1(物理層)、Layer 2(第二層。即媒介接入控制層)、Layer 3(第三層。即無線資源控制層RRC)組成組成。其中：(1)Layer 1是UE(用戶5G終端設備)與5G無線網(wǎng)絡之間的接口，Verizon的TS V5G.200系列標準對5G的Layer 1進行了規(guī)范;(2)Verizon接下來將要發(fā)布的TS V5G.300系列標準將對5G的Layer 2、Layer 3進行規(guī)范。

　　圖1 Verizon的5G無線接入空口協(xié)議架構(gòu)

　　具體地，Verizon的TS V5G.200系列標準目前共有4份，分別為：(1)TS V5G.201： "Verizon 5G Radio Access (V5G RA); Physical layer – General description"(物理層總體描述);(2)TS V5G.211： "Verizon 5G Radio Access (V5G RA); Physical channels and modulation"(物理信道與調(diào)制);(3)TS V5G.212： "Verizon 5G Radio Access (V5G RA); Multiplexing and channel coding"(復用與信道編碼)[3];(4)TS V5G.213： "Verizon 5G Radio Access (V5G RA); Physical layer procedures"(物理層流程)[4]。

　　其中，上述后面3份5G無線接入空口標準相互間的關系如圖2所示。

　　圖2 5G物理層標準之間的關系

　　2)協(xié)議棧低層向高層提供的服務

　　SAPs(業(yè)務接入點)：上文圖1中，位于最底層的Layer 1向上層提供數(shù)據(jù)傳輸服務，Layer 1與Layer 2之間通過傳輸信道來傳送“如何通過空口來傳輸信息”，Layer 2與Layer 3之間通過不同的邏輯信道來傳送“信息是何類型”消息。

　　物理層的功能：為了向上層提供數(shù)據(jù)傳輸服務，Verizon對5G無線接入空口的物理層所應具備的功能進行了規(guī)范：(1)傳輸信道的誤碼檢測并反饋至更高層;(2)傳輸信道的FEC(前向糾錯)編碼/解碼;(3)混合式ARQ(自動重發(fā)請求)的軟性結(jié)合(soft-combining);(4)編碼傳輸信道的速率適配(面向物理信道);(5)將編碼傳輸信道映射至物理信道;(6)物理信道的功率加權(quán);(7)物理信道的調(diào)制與解調(diào);(8)頻率同步與時間同步;(9)無線特性測試并反饋至更高層;(10)MIMO(收/發(fā)端多天線)處理;(11)發(fā)射分集;(12)RF(射頻)處理。

　　2、對5G空口物理層的總體描述

　　TS V5G.201對5G空口的物理層(Layer 1)作了總體描述。下文介紹TS V5G.211、TS V5G.212、TS V5G.213這3份Verizon的5G空口無線接入標準的主要內(nèi)容。

　　1)多址接入

　　在Verizon所規(guī)范5G無線接入空口物理層中，上行與下行的多址接入技術均是基于具備CP(循環(huán)前綴)的OFDM(正交頻分復用)。而且，如果采取TDD(時分雙工)機制，則可支持以半雙工模式運行。

　　另外，還可支持單個成員載波達到最大100 MHz的物理帶寬。一個資源塊的時間長度為0.1毫秒，其中包含12個子載波，每個子載波的物理帶寬為75 kHz。

　　一個無線幀的時間長度為10毫秒，由50個子幀組成，每個子幀的長度為0.2毫秒(10÷50=0.2)。基于子幀，可實現(xiàn)對于數(shù)據(jù)傳輸鏈路方向(上行或下行)的動態(tài)配置。其中，每個子幀均可配置成下行控制/數(shù)據(jù)與上行控制/數(shù)據(jù)的如下四種組合中的任意一種：(1)含有下行控制信息與下行數(shù)據(jù)信息的一個子幀;(2)含有下行控制信息、下行數(shù)據(jù)信息與上行控制信息的一個子幀;(3)含有下行控制信息與上行數(shù)據(jù)信息的一個子幀;(4)含有下行控制信息、上行數(shù)據(jù)信息與上行控制信息的一個子幀。

　　Verizon所規(guī)范5G無線多址接入技術可支持模擬波束賦形，而且還可以實現(xiàn)根據(jù)移動性支持的需求對波束的指向進行動態(tài)配置。另外，在進行MIMO傳輸時，支持作數(shù)字預處理。下行方向支持最大8根天線的MIMO配置，從而可支持最大8條流的多層下行傳輸(每個5G用戶終端處理最大兩個流)。此外，也可支持每個5G終端最大處理兩個流的多層上行傳輸。還可支持多個(最高可達8個)小區(qū)的上行與下行數(shù)據(jù)的匯聚。

　　2)物理信道與調(diào)制

　　TS V5G.211標準對5G空口的下行物理信道及上行物理信道分別作了定義，還描述了5G空口物理層物理信道的特性、物理層信號的產(chǎn)生及射頻調(diào)制。

　　總體看來，TS V5G.211標準確定了：(1)物理信道結(jié)構(gòu)、幀格式、物理資源元素等;(2)調(diào)制映射方式(BPSK、QPSK等);(3)上行及下行的物理共享信道;(4)上行及下行的參考信號;(5)隨機接入信道;(6)主/備同步信號;(7)上行及下行的OFDM(正交幅度調(diào)制)信號生成;(8)信號加擾、調(diào)制及上變換;(9)上/下行時間關系(Uplink-downlink timing relations);(10)層映射(Layer mapping)及上行/下行的預編碼。

　　Verizon所定義的5G空口下行物理信道包括：(1)xPDSCH(5G無線下行物理共享信道);(2)xPDCCH(5G無線下行物理控制信道);(3)xPBCH(5G無線下行物理廣播信道);(4)ePBCH(5G無線下行物理擴展廣播信道)。

　　Verizon所定義的5G空口上行物理信道包括：(1)xPRACH(5G物理隨機接入信道);(2)xPUSCH(5G無線上行物理共享信道);(3)xPUCCH(5G無線上行物理控制信道)。

　　此外，5G信號的類型已被Verizon分別定義為“參考信號”及“同步信號”。

　　5G無線射頻信號(包括上行信號與下行信號)的調(diào)制技術，可從QPSK、16 QAM、64 QAM這3種里面靈活選擇。

　　3)復用、信道編碼與交織

　　TS V5G.212標準對5G空口的傳輸信道、控制信道數(shù)據(jù)處理(具體包括復用、信道編碼與交織)進行了規(guī)范：(1)信道編碼技術;(2)物理層(Layer 1)及MAC層(Layer 2)控制信息的編碼;(3)交織;(4)速率適配。

　　Verizon所規(guī)范的5G無線物理信道編碼技術包括：(1)咬尾卷積編碼(Tail biting convolutional coding);(2)LDPC編碼;(3)Turbo編碼(此為可選方式)。

　　4)物理層工作流程

　　TS V5G.212標準對5G空口的物理層流程特性，明確了：(1)同步流程(包括小區(qū)搜索流程及時間同步);(2)功率控制流程;(3)隨機接入流程;(4)與下行物理共享信道相關的流程，包括CSI(信道狀態(tài)信息)反饋報告;(5)與上行物理共享信道相關的流程，包括5G終端探測、HARQ ACK/NACK檢測;(6)物理共享控制信道流程，包括對共享控制信道的指配/分配;(7)波束捕獲流程。

　　Verizon所定義的5G空口物理層工作流程包括：(1)小區(qū)搜索;(2)上行同步與下行時控;(3)與隨機接入相關的流程;(4)與HARQ(混合式自動重傳請求)相關的流程;(5)波束捕獲。

　　Verizon所定義的5G空口規(guī)范，也可支持進行干擾協(xié)調(diào)——將可通過在頻域、時域及功率域進行物理層資源的控制來實現(xiàn)。

　　5)物理層測試

　　5G用戶終端及5G Node-B(5G基站)可以對5G無線特性進行測試，并可將測試結(jié)果上報至5G網(wǎng)絡中的更高層。