【無線射頻通信】-5G的關(guān)鍵技術(shù)是什么

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----5G的關(guān)鍵技術(shù)是什么？4G的到來仿佛還在昨日，5G卻已近在咫尺。依據(jù)3GPP的規(guī)劃，5G的大規(guī)模測試和部署，最早將于2023年開頭。也就是說，最快還有一年多的時間，我們就可以享受到5G帶來的全新體驗(yàn)。然而作為全球通信標(biāo)準(zhǔn)，5G的意義當(dāng)然不局限于網(wǎng)速更快，移動寬帶體驗(yàn)更優(yōu)，它的使命在于連接新行業(yè)，催生新服務(wù)，比如推動工業(yè)自動化、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、自動駕駛等。這些行業(yè)和服務(wù)都對網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，要求網(wǎng)絡(luò)更牢靠、低時延、廣掩蓋、更平安。各行各業(yè)迥異的需求迫切召喚一種敏捷、高效、可擴(kuò)展的全新網(wǎng)絡(luò)。5G應(yīng)運(yùn)而生。

圖1：5G的應(yīng)用領(lǐng)域

作為下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)以5GNR(NewRadio)統(tǒng)一空中接口（unifiedairinterface）為基礎(chǔ)，為滿意將來十年及以后不斷擴(kuò)展的全球連接需求而設(shè)計(jì)。5GNR技術(shù)旨在支持各種設(shè)備類型、服務(wù)和部署，并將充分利用各種可用頻段和各類頻譜。

明顯，5GNR的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)大工程，搭建5GNR不行能也不必從零開頭，事實(shí)上，5G將在很大程度上以4GLTE為基礎(chǔ)，充分利用和創(chuàng)新現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)。Qualcomm認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)5GNR的搭建，有三類關(guān)鍵技術(shù)不行或缺1.基于OFDM優(yōu)化的波形和多址接入（OptimizedOFDM-basedwaveformsandmultipleaccess，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交頻分復(fù)用），2.敏捷的框架設(shè)計(jì)（Aflexibleframework），3.先進(jìn)的新型無線技術(shù)（Advancedwirelesstechnologies）。

圖2：5GNR關(guān)鍵技術(shù)

一．基于OFDM優(yōu)化的波形和多址接入（OptimizedOFDM-basedwaveformsandmultipleaccess）

5GNR設(shè)計(jì)過程中最重要的一項(xiàng)打算，就是采納基于OFDM優(yōu)化的波形和多址接入技術(shù)，由于OFDM技術(shù)被當(dāng)今的4GLTE和Wi-Fi系統(tǒng)廣泛采納，因其可擴(kuò)展至大帶寬應(yīng)用，而具有高頻譜效率和較低的數(shù)據(jù)簡單性，因此能夠很好地滿意5G要求。OFDM技術(shù)家族可實(shí)現(xiàn)多種增加功能，例如通過加窗或?yàn)V波增加頻率本地化、在不同用戶與服務(wù)間提高多路傳輸效率，以及創(chuàng)建單載波OFDM波形，實(shí)現(xiàn)高能效上行鏈路傳輸。

圖3：基于OFDM優(yōu)化的波形

簡潔歸納起來，OFDM有以下優(yōu)勢：

○雜度低（Lowcomplexity）：可以兼容低簡單度的信號接收器，比如移動設(shè)備

○頻譜效率高（Highspectralefficiency:）：可以高效使用MIMO，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

○能耗少（Lowpowerconsumption）：可以通過單載波波形，實(shí)現(xiàn)高能效上行鏈路傳輸。

○頻率局域化（Frequencylocalization）：可以通過加窗和濾波，提升頻率局域化，最大限度削減信號干擾。

圖4：可擴(kuò)展子載波

不過OFDM體系也需要創(chuàng)新改造，才能滿意5G的需求：

1.通過子載波間隔擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的OFDM參數(shù)配置(ScalableOFDMnumerologywithscalingofsubcarrierspacing)

圖5:5GNR不同頻譜的帶寬和子載波間隔

目前，通過OFDM子載波之間的15kHz間隔（固定的OFDM參數(shù)配置），LTE最高可支持20MHz的載波帶寬。為了支持更豐富的頻譜類型/帶（為了連接盡可能豐富的設(shè)備，5G將利用全部能利用的頻譜，如毫米微波、非授權(quán)頻段）和部署方式。5GNR將引入可擴(kuò)展的OFDM間隔參數(shù)配置。這一點(diǎn)至關(guān)重要，由于當(dāng)FFT（FastFourierTransform，快速傅里葉變換）為更大帶寬擴(kuò)展尺寸時，必需保證不會增加處理的簡單性。而為了支持多種部署模式的不同信道寬度，如上圖所示，5GNR必需適應(yīng)同一部署下不同的參數(shù)配置，在統(tǒng)一的框架下提高多路傳輸效率。另外，5GNR也能跨參數(shù)實(shí)現(xiàn)載波聚合，比如聚合毫米波和6GHz以下頻段的載波，因而也就具有更強(qiáng)的連接性能。

2.通過OFDM加窗提高多路傳輸效率（EnablingefficientservicesmultiplexingwithwindowedOFDM）

前文提到，5G將被應(yīng)用于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)，這意味著會有數(shù)十億設(shè)備在相互連接，5G勢必要提高多路傳輸?shù)男剩詰?yīng)對大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的挑戰(zhàn)。為了相鄰頻帶不相互干擾，頻帶內(nèi)和頻帶外信號輻射必需盡可能小。OFDM能實(shí)現(xiàn)波形后處理（post-processing），如時域加窗或頻域?yàn)V波，來提升頻率局域化。如下圖，利用5GNROFDM的參數(shù)配置，5G可以在相同的頻道內(nèi)進(jìn)行多路傳輸。

圖6：5GNR可針對不同服務(wù)進(jìn)行高效多路傳輸

面對這一需求，Qualcomm正樂觀推動CP-OFDM（循環(huán)前綴正交頻分復(fù)用）加窗技術(shù)，大量的分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，它能有效削減頻帶內(nèi)和頻帶外的輻射，從而顯著提高頻率局域化。CP-OFDM技術(shù)的效果已被實(shí)踐證明，現(xiàn)在正廣泛應(yīng)用于LTE網(wǎng)絡(luò)體系中。

二．敏捷的框架設(shè)計(jì)

明顯，要實(shí)現(xiàn)5G的大范圍服務(wù)，僅有基于OFDM優(yōu)化的波形和多址接入技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。設(shè)計(jì)5GNR的同時，我們還在設(shè)計(jì)一種敏捷的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以進(jìn)一步提高5G服務(wù)多路傳輸?shù)男?。這種敏捷性即體現(xiàn)在頻域，更體現(xiàn)在時域上，5GNR的框架能充分滿意5G的不同的服務(wù)和應(yīng)用場景。

圖7：5GNR敏捷的框架設(shè)計(jì)

1.可擴(kuò)展的時間間隔（ScalableTransmissionTimeInterval(TTI)）

相比當(dāng)前的4GLTE網(wǎng)絡(luò)，5GNR將使時延降低一個數(shù)量級。目前LTE網(wǎng)絡(luò)中，TTI（時間間隔）固定在1ms（毫秒）。為此，3GPP在4G演進(jìn)的過程中提出一個降低時延的項(xiàng)目。盡管技術(shù)細(xì)節(jié)還不得而知，但這一項(xiàng)目的規(guī)劃目標(biāo)就是要將一次傅里葉變換的時延降低為目前的1/8（即從1.14ms降低至143s（微秒））。而為了支持"長時延需求'的服務(wù)，5GNR的敏捷框架設(shè)計(jì)可以向上或向下擴(kuò)展TTI（即使用更長或更短的TTI），依詳細(xì)需求而變。

除此之外，5GNR同樣支持同一頻率下以不同的TTI進(jìn)行多路傳輸。比如，高Qos（服務(wù)質(zhì)量）要求的移動寬帶服務(wù)可以選擇使用500s的TTI，而不是像LTE時代只能用標(biāo)準(zhǔn)TTI，同時，另一個對時延很敏感的服務(wù)可以用上更短的TTI，比如140s，而不是非得等到下一個子幀到來，也就是500s以后。也就是說上一次傳輸結(jié)束以后，兩者可以同時開頭，從而節(jié)約了等待時間。

2.自包含集成子幀（Self-containedintegratedsubframe）

自包含集成子幀是另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對降低時延、向前兼容和其他一系列5G特性意義重大。通過把數(shù)據(jù)的傳輸（transmission）和確認(rèn)（acknowledgement）包含在一個子幀內(nèi)，時延可顯著降低。下圖展現(xiàn)的是一個TDD下行鏈路子幀，從網(wǎng)絡(luò)到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和從設(shè)備發(fā)回的確認(rèn)信號都在同一個子幀內(nèi)。而且通過5GNR集成子幀，每個TTI都以模塊化處理完成，比猶如意下載數(shù)據(jù)下行愛護(hù)間隔上行確認(rèn)。

圖8：5GNR集成子幀

模塊化同樣支持不同類型的子幀為將來的各種新服務(wù)進(jìn)行多路傳輸，協(xié)作5GNR框架支持空白子幀和空白頻率資源的設(shè)計(jì)，使其擁有向前兼容性將來的新型服務(wù)可以以同步或非同步狀態(tài)部署在同一頻率內(nèi)。

三．先進(jìn)的新型無線技術(shù)（Advancedwirelesstechnologies）

我們在開頭提到過，5G必定是在充分利用現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)之上，充分創(chuàng)新才能實(shí)現(xiàn)的，而4GLTE正是目前最先進(jìn)的移動網(wǎng)絡(luò)平臺，5G在演進(jìn)的同時，LTE本身也還在不斷進(jìn)化（比如最近實(shí)現(xiàn)的千兆級4G+），5G不行避開地要利用目前用在4GLTE上的先進(jìn)技術(shù)，如載波聚合，MIMO技術(shù)，非共享頻譜的利用，等等；可以說，5G在很大程度上是以4G為基礎(chǔ)的。

1.大規(guī)模MIMO（MassiveMIMO）

圖9：大規(guī)模MIMO

MIMO（Multiple-InputMultiple-Output）技術(shù)是目前無線通信領(lǐng)域的一個重要創(chuàng)新討論項(xiàng)目，通過智能使用多根天線（設(shè)備端或基站端），放射或接受更多的信號空間流，能顯著提高信道容量；而通過智能波束成型，將射頻的能量集中在一個方向上，可以提高信號的掩蓋范圍。這兩項(xiàng)優(yōu)勢足以使其成為5GNR的核心技術(shù)之一，因此我們始終在努力推動MIMO技術(shù)的演化，比如從2x2提高到了目前4x4MIMO。但更多的天線也意為著占用更多的空間，要在空間有限的設(shè)備中容納進(jìn)更多天線明顯不現(xiàn)實(shí)，所以，只能在基站端疊加更多MIMO。從目前的理論來看，5GNR可以在基站端使用最多256根天線，而通過天線的二維排布，可以實(shí)現(xiàn)3D波束成型，從而提高信道容量和掩蓋。

2.毫米波（mmWave）

圖10：毫米波

對無線通信稍有了解的人應(yīng)當(dāng)知道，頻率越高，能傳輸?shù)男畔⒘恳苍酱螅簿褪求w驗(yàn)到的網(wǎng)速更快。正是由于這一優(yōu)勢，我們把目光聚焦在了頻率極高的毫米波上（目前毫米波主要應(yīng)用于射電天文學(xué)、遙感等領(lǐng)域）。全新5G技術(shù)正首次將頻率大于24GHz以上頻段（通常稱為毫米波）應(yīng)用于移動寬帶通信。大量可用的高頻段頻譜可供應(yīng)極致數(shù)據(jù)傳輸速度和容量，這將重塑移動體驗(yàn)。但毫米波的利用并非易事，使用毫米波頻段傳輸更簡單造成路徑受阻與損耗（信號衍射力量有限）。通常狀況下，毫米波頻段傳輸?shù)男盘柹踔翢o法穿透墻體（回想一下你家的5GHzWi-Fi有多簡單被墻體屏蔽），此外，它還面臨著波形和能量消耗等問題。

不過，我們已經(jīng)在天線和信號處理技術(shù)方面取得了一些進(jìn)展。通過利用基站和設(shè)備內(nèi)的多根天線，協(xié)作智能波束成型和波束追蹤算法，可以顯著提升5G毫米波掩蓋范圍，排解干擾。同時，5GNR還將充分利用6GHz以下頻段和4GLTE，讓毫米波的連接性能更上一層。

圖11：Qualcomm5GNR毫米波試驗(yàn)

在毫米波領(lǐng)域，Qualcomm始終走在前沿。我們實(shí)現(xiàn)了移動設(shè)備中的802.11ad60GHz芯片的商業(yè)化，除此之外，我們也在樂觀研發(fā)和測試28GHz頻段（可擴(kuò)展至其他頻段）的毫米波原型。不久前，我們在一個人口密集的住宅區(qū)四周做了一次模擬試驗(yàn)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示，視距內(nèi)（line-of-sight）的掩蓋可達(dá)350米，而非視距（Non-Line-of-Sight）的掩蓋可達(dá)150米。另外，我們最近還發(fā)布了第一塊5G毫米波調(diào)制解調(diào)器，驍龍X50，以支持今年下半年的5G毫米波早期試驗(yàn)部署。

3.頻譜共享（Spectrumsharingtechniques）

圖12：頻譜共享

使用共享頻譜和非授權(quán)頻譜，可將5G擴(kuò)展到多個維度，實(shí)現(xiàn)更大容量、使用更多頻譜、支持新的部署場景。這不僅將使擁有授權(quán)頻譜的移動運(yùn)營商受益，而且會為沒有授權(quán)頻譜的廠商制造機(jī)會，如有線運(yùn)營商、企業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)垂直行業(yè)，使他們能夠充分利用5GNR技術(shù)。5GNR原生地支持全部頻譜類型，并通過前向兼容敏捷地利用全新的頻譜共享模式。這為在5G中創(chuàng)新的使用頻譜共享技術(shù)制造了機(jī)遇。我們在頻譜共享技術(shù)領(lǐng)域，同樣走在前沿，比如LTE-U,LAA,LWA,CBRS,LSA,還有MulteFire，這些技術(shù)已經(jīng)用在了LTE上，5GNR將在這基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新。

圖13：5GNR原生地支持全部頻譜類型

4.先進(jìn)的信道編碼設(shè)計(jì)（Advancedchannelcodingdesign）

目前LTE網(wǎng)絡(luò)的編碼還不足以應(yīng)對將來的數(shù)據(jù)傳輸需求，因此迫切需要一種更高效的信道編碼設(shè)計(jì)，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，并利用更大的編碼信息塊契合移動寬帶流量配置，同時，還要連續(xù)提高現(xiàn)有信道編碼技術(shù)（如LTETurbo）的性能極限。在這方面，Qualcomm促成了行業(yè)統(tǒng)一采納LDPC信道編碼，LDPC編碼已被證明，對于需要一個高效混合HARQ體系的無線衰落信道來說，它是抱負(fù)的解決方案。從下圖可以看出，LDPC的傳輸效率遠(yuǎn)超LTETurbo，且易平行化的解碼設(shè)計(jì)，能以低簡單度和低時延，擴(kuò)展達(dá)到更高的傳輸速率。

圖14：大信息塊長度下不同信道編碼的表現(xiàn)

總結(jié)：

我們在開頭提到，5G并非憑空而來，它的實(shí)現(xiàn)有賴于對現(xiàn)有技術(shù)的深化討論利用，比如用在LTEAdvanced和LTEAdvancedPro上的載波聚合、LTE物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)。將來兩年，4G和5G將平行進(jìn)展，一邊是4G的連續(xù)成熟，一邊是5G的創(chuàng)新研發(fā)。依據(jù)3GPP的規(guī)劃，Release15估計(jì)會在2023年6月發(fā)布，不過由于行業(yè)的推動，這個時間很