技術(shù)貼：5G商用在即，再聊5G新空口物理層

　　本文概述了支持eMBB和URLLC的關(guān)鍵5G目標應(yīng)用所需的5G物理層及其實現(xiàn)。

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

　　增強型移動寬帶(eMBB)旨在顯著改善移動寬帶接入的數(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)用的實時數(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)備進行雙向通信，同時保證高網(wǎng)絡(luò) 可用性。最后，大規(guī)模機器通信(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。

　　物理層設(shè)計注意事項

　　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部署選項;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;保持緊密的時間操作和更高效的頻率使用，以實現(xiàn)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(yè)內(nèi)研究人員正在積極致力于解決實現(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是個復(fù)雜的話題，因為它涉及一種基于正交頻分復(fù)用(OFDM)的新無線標準。OFDM指的是一種“數(shù)字多載波調(diào)制方法”。隨著3GPP采用這一標準之后，NR這一術(shù)語被沿用下來，正如用LTE(長期演進)描述4G無線標準一樣。

　　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在幾個并行數(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，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的強大優(yōu)勢使其非常適合用于實現(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、定時誤差和符號間干擾電阻。

　　DFT-S-OFDM：更高效率的上行鏈路

　　OFDM波形的主要缺點之一是峰值平均功率比(PAPR)較高，這會降低發(fā)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(yīng)。對于智能手機等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(shè)備中，射頻功率放大器負責將信號傳輸?shù)交?，因而該器件消? 的功率最大，因此系統(tǒng)設(shè)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(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)具有對稱波形，并且對于UL具有互補DFT-OFDM，僅有一個數(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中具有更好的可擴展性可以實現(xiàn)低得多的延遲——其往返時間(RTT)比當今的LTE低一個數(shù)量級。OFDM具有自包含的TDD子幀設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)更快更靈活的TDD切換和換向，同時支持新的部署場景。

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

　　NR參考信號

　　為了提高協(xié)議效率，以及維持時隙或波束內(nèi)的傳輸而不必依賴于其他時隙和波束，NR引入了以下四個主要參考信號，如解調(diào)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(tài)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(fā)射機僅在必要時才發(fā)送這些參考信號。

　　MIMO

　　為了更高效地使用頻譜并為更多用戶提供服務(wù)，NR計劃充分利用MU-MIMO技術(shù)。 MU-MIMO利用 多個用戶之間不相關(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UE設(shè)備的SRS響應(yīng)，gNB會計算每個接收機的空間 位置。前往每個接收機的數(shù)據(jù)流會經(jīng)過預(yù)編碼的矩陣(W-Matrix)，矩陣將數(shù)據(jù)符號組合成信號， 流向gNB天線陣列中每個元件。

　　多個數(shù)據(jù)流擁有各自獨立且適當?shù)臋?quán)重，這些權(quán)重使每個數(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)。