5G NR 技术简介

5G NR主要内容：

要求包括：深度覆盖、高安全性、超高可靠性、超低时延、极致用户移动性、深度感知、极致数据速率、极致容量、超高密度、超低复杂性、超低能耗。

5G NR 关键技术

Qualcomm认为，要实现5G NR的搭建，有三类关键技术不可或缺

1、基于OFDM优化的波形和多址接入（Optimized OFDM-based waveforms and multiple access，Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用。

2. 灵活的框架设计（A flexible framework）。

3. 先进的新型无线技术（Advanced wireless technologies）。

 

基于OFDM优化的波形和多址接入（Optimized OFDM-based waveforms and multiple access）5G NR设计过程中最重要的一项决定，就是采用基于OFDM优化的波形和多址接入技术，因为OFDM 技术被当今的 4G LTE 和 Wi-Fi 系统广泛采用，因其可扩展至大带宽应用，而具有高频谱效率和较低的数据复杂性，因此能够很好地满足 5G 要求。 OFDM 技术家族可实现多种增强功能，例如通过加窗或滤波增强频率本地化、在不同用户与服务间提高多路传输效率，以及创建单载波 OFDM 波形，实现高能效上行链路传输。

   不过OFDM体系也需要创新改造，才能满足5G的需求：1. 通过子载波间隔扩展实现可扩展的OFDM参数配置(Scalable OFDM numerology with scaling of subcarrier spacing)

 

                      图1： 5G NR不同频谱的带宽和子载波间隔

 

目前，通过OFDM子载波之间的15 kHz间隔（固定的OFDM参数配置），LTE最高可支持20 MHz的载波带宽。为了支持更丰富的频谱类型/带（为了连接尽可能丰富的设备，5G将利用所有能利用的频谱，如毫米微波、非授权频段）和部署方式。5G NR将引入可扩展的OFDM间隔参数配置。这一点至关重要，因为当FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换）为更大带宽扩展尺寸时，必须保证不会增加处理的复杂性。而为了支持多种部署模式的不同信道宽度，如上图所示，5G NR必须适应同一部署下不同的参数配置，在统一的框架下提高多路传输效率。

另外，5G NR也能跨参数实现载波聚合，比如聚合毫米波和6GHz以下频段的载波，因而也就具有更强的连接性能。通过OFDM加窗提高多路传输效率（Enabling efficient services multiplexing with windowed OFDM）5G 将被应用于大规模物联网，这意味着会有数十亿设备在相互连接，5G势必要提高多路传输的效率，以应对大规模物联网的挑战。为了相邻频带不相互干扰，频带内和频带外信号辐射必须尽可能小。OFDM能实现波形后处理（post-processing），如时域加窗或频域滤波，来提升频率局域化。如下图，利用5G NROFDM的参数配置，5G可以在相同的频道内进行多路传输。

               图2：  5G NR可针对不同服务进行高效多路传输

 

面对这一需求，Qualcomm正积极推动CP-ODFM（循环前缀正交频分复用）加窗技术，大量的分析和试验结果表明，它能有效减少频带内和频带外的辐射，从而显著提高频率局域化。CP-ODFM技术的效果已被实践证实，现在正广泛应用于LTE网络体系中。

 灵活的框架设计

显然要实现5G的大范围服务，仅有基于OFDM优化的波形和多址接入技术是远远不够的。设计5G NR的同时，我们还在设计一种灵活的5G 网络架构，以进一步提高5G服务多路传输的效率。这种灵活性即体现在频域，更体现在时域上，5G NR的框架能充分满足5G的不同的服务和应用场景。

图3： 5G NR灵活的框架设计

 

可扩展的时间间隔（Scalable Transmission Time Interval (TTI)）相比当前的 4G LTE网络，5G NR将使时延降低一个数量级。目前LTE网络中，TTI（时间间隔）固定在1 ms（毫秒）。为此，3GPP在4G演进的过程中提出一个降低时延的项目。尽管技术细节还不得而知，但这一项目的规划目标就是要将一次傅里叶变换的时延降低为目前的1/8（即从1.14ms降低至143µs（微秒））。而为了支持“长时延需求”的服务，5G NR的灵活框架设计可以向上或向下扩展TTI（即使用更长或更短的TTI），依具体需求而变。除此之外，5G NR同样支持同一频率下以不同的TTI进行多路传输。比如，高Qos（服务质量）要求的移动宽带服务可以选择使用500 µs的TTI，而不是像LTE时代只能用标准TTI，同时，另一个对时延很敏感的服务可以用上更短的TTI，比如140 µs，而不是非得等到下一个子帧到来，也就是500 µs以后。也就是说上一次传输结束以后，两者可以同时开始，从而节省了等待时间。

自包含集成子帧（Self-contained integrated subframe）自包含集成子帧是另一项关键技术，对降低时延、向前兼容和其他一系列5G特性意义重大。通过把数据的传输（transmission）和确认（acknowledgement）包含在一个子帧内，时延可显著降低。上图展示的是一个TDD下行链路子帧，从网络到设备的数据传输和从设备发回的确认信号都在同一个子帧内。而且通过5G NR独立集成子帧，每个TTI都以模块化处理完成，比如同意下载→数据下行→保护间隔→上行确认。

  

先进的新型无线技术，5G必然是在充分利用现有技术的基础之上，充分创新才能实现的，而4G LTE正是目前最先进的移动网络平台，5G在演进的同时，LTE本身也还在不断进化（比如最近实现的千兆级4G+），5G不可避免地要利用目前用在4G LTE上的先进技术，如载波聚合，MIMO技术，非共享频谱的利用，等等；可以说，5G在很大程度上是以4G为基础的。 

1、大规模MIMO（Massive MIMO）

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术是目前无线通信领域的一个重要创新研究项目，通过智能使用多根天线（设备端或基站端），发射或接受更多的信号空间流，能显著提高信道容量；而通过智能波束成型，将射频的能量集中在一个方向上，可以提高信号的覆盖范围。这两项优势足以使其成为5G NR的核心技术之一，因此我们一直在努力推进MIMO技术的演化，比如从2x2提高到了目前4x4 MIMO。但更多的天线也意为着占用更多的空间，要在空间有限的设备中容纳进更多天线显然不现实，所以，只能在基站端叠加更多MIMO。从目前的理论来看，5G NR可以在基站端使用最多256根天线，而通过天线的二维排布，可以实现3D波束成型，从而提高信道容量和覆盖。

2、毫米波（mmWave）

对无线通信稍有了解的人应该知道，频率越高，能传输的信息量也越大，也就是体验到的网速更快。正是因为这一优势，我们把目光聚焦在了频率极高的毫米波上（目前毫米波主要应用于射电天文学、遥感等领域）。全新 5G 技术正首次将频率大于 24 GHz 以上频段（通常称为毫米波）应用于移动宽带通信。大量可用的高频段频谱可提供极致数据传输速度和容量，这将重塑移动体验。但毫米波的利用并非易事，使用毫米波频段传输更容易造成路径受阻与损耗（信号衍射能力有限）。通常情况下，毫米波频段传输的信号甚至无法穿透墙体（回想一下你家的5GHz Wi-Fi有多容易被墙体屏蔽），此外，它还面临着波形和能量消耗等问题。不过，我们已经在天线和信号处理技术方面取得了一些进展。通过利用基站和设备内的多根天线，配合智能波束成型和波束追踪算法，可以显著提升5G毫米波覆盖范围，排除干扰。同时， 5G NR 还将充分利用6GHz以下频段和 4G LTE ，让毫米波的连接性能更上一层。

1、全新终端形态

多天线提升下行速率：多天线的使用带来了空间复用增益，可以大幅度提升容量。但对于特定终端，能支持的复用层数，受限于接收天线的数目。现在大家所使用的终端（手机）标配的接收天线数目为两个，因此能支持最大复用层数为两层。未来使用4收天线的终端将成为主流。5G NR将标配的接收天线数目提升了一倍。相比2收、4收终端可以大幅提升下行速率。

上下行解耦技术，补齐上行覆盖短板

    通过C-band大带宽和多天线接收技术，用户享受了更快的下载速率，但由于C-Band的传输特性，以及终端上行发射功率等限制，5G小区的上行覆盖受限严重。如果和现有1.8GHz的LTE共站部署，覆盖有明显短板，只有小区中心的部分用户才能享受5G带来的更高速率体验。

上下行解耦就是针对这一问题提出的创新频谱使用技术，3GPP中的正式名称是 LTE-NR UL coexistence，用LTE低频空闲频谱共享给NR上行使用，既弥补了C-Band以及高频在上行覆盖上的不足，又充分利用了LTE空闲频谱的无线资源，一举两得，以通用的方案应用于NSA和SA的模式，使得提供5G基础覆盖的同时，又能节省运营商部署成本，是加速5G部署的必备特性。

华为与英国领先运营商EE在伦敦商用网络上进行了上下行解耦的外场试验，试验结果表明，采用了上下行解耦后，3.5GHz的覆盖半径提升了73%，在用户体验提升10倍的前提下达到了与1.8GHz的同覆盖。

2、全新的物理层技术框架

 1、 新波形

LTE下行支持CP-OFDM（没有DFT预变换）波形，上行仅支持DFT-s-OFDM的波形。NR在此基础上在上行也引入了CP-OFDM的波形，可以支持更加灵活的数据调度。同时NR的系统带宽利用率最高可达97%（LTE为90%），增加了运营商的频谱利用价值。

2、 灵活的空口设置

  和前代通信技术使用固定的15KHz子载波间隔和1ms的子帧长度相比，5G NR引入了更加灵活的空口设置，比如灵活的子载波间隔（数据在不同band上支持15KHz到120KHz的子载波间隔）和灵活的帧结构（全下行，全上行，下行为主和上行为主的帧结构），以适应不同的信道类型和业务类型。并且不同的业务类型（如eMBB和uRLLC）可以通过FDM的方式同时发送，提高了系统传输的灵活性。

3、 增强多天线技术

5G NR引入了多项多天线增强技术，大幅提高了频谱效率、小区覆盖和系统灵活性。

提高频谱效率：

对于单用户而言，基于非码本的上行传输机制，减少了前代通信技术使用码本进行预编码，所产生的量化误差，可提供更精确的信道信息，有效的增强上行频谱效率；

对于多用户而言，相对于LTE所支持的4流，5G NR上下行支持正交12流的多用户配对，并且通过增强的干扰测量和反馈技术，可显著提高上下行频谱效率。

对于TDD来说，探测参考信号 （SRS）可以在不同的载波之间，或者同一载波的不同天线之间切换发送，利用信道互易性，进一步提升TDD系统的信道反馈精度和频谱效率；

4、 增强小区覆盖

  5G NR采用波束赋型的测量和反馈机制，可同时应用于初始接入、控制和数据信道。波束赋型（Beamforming）是多天线技术的一种，是指UE对PDSCH/PUSCH（Physical Downlink /Uplink Shared CHannel）上/下行信号进行加权，形成对准UE的窄波束，将发射能量对准目标用户，从而提高目标UE的解调信噪比。

对于初始接入来说，改进了LTE时期基于广播的机制，升级为基于波束赋型的机制，从而提高了系统覆盖率；采用波束赋形，可增强控制信道的覆盖范围，从而扩大了小区半径，也可以提高传输成功率，此外，还有增强的导频设计，如解调导频、相位跟踪导频和时频跟踪导频，相对于LTE来说，可以有效地减小开销，提供更精确信道的信息。

5、 全新的信道编码

和前代通信技术数据信道用turbo码、控制信道用TBCC等编码方式相比，5G NR采用了全新的信道编码方式，即数据信道用LDPC编码，控制信道和广播信道用Polar编码。这一改进可以提高NR信道编码效率，适应5G大数据量，高可靠性和低时延的传输需求。

6、 CU-DU分离技术

通过引入中央控制单元（Central Unit）,一方面，在业务层面可以实现无线资源的统一管理、移动性的集中控制，从而进一步提高网络性能；另一方面，在架构层面，CU既可以灵活集成到运营商云平台，也可以专有硬件环境上用云化思想设计，实现资源池化、部署自动化，降低OPEX/CPAX的同时提升客户体验。