【转载】通信算法之二十一：5G NR通信系统

        5G：第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通信技术，外语缩写：5G。也是4G之后的延伸，正在研究中，5G网络的理论下行速度为10Gb/s（相当于下载速度1.25GB/s）。

5G 网络以 5G NR (New Radio) 统一空中接口（unified air interface）为基础，为满足未来十年及以后不断扩展的全球连接需求而设计。5G NR 技术旨在支持各种设备类型、服务和部署，并将充分利用各种可用频段和各类频谱。

显然，5G NR 的设计是一项大工程，搭建 5G NR 不可能也不必从零开始，事实上，5G 将在很大程度上以 4G LTE 为基础，充分利用和创新现有的先进技术。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）。

图 2：5G NR 关键技术

一．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。

图 3：基于 OFDM 优化的波形

简单归纳起来，OFDM 有以下优势：

○ 杂度低（Low complexity）：可以兼容低复杂度的信号接收器，比如移动设备

○ 频谱效率高（High spectral efficiency:）：可以高效使用 MIMO，提高数据传输效率。

○ 能耗少（Low power consumption）：可以通过单载波波形，实现高能效上行链路传输。

○ 频率局域化（Frequency localization）：可以通过加窗和滤波，提升频率局域化，最大限度减少信号干扰。

图 4：可扩展子载波

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 5: 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。

2. 通过 OFDM 加窗提高多路传输效率（Enabling efficient services multiplexing with windowed OFDM）

前文提到，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 NR OFDM 的参数配置，5G 可以在相同的频道内进行多路传输。

图 6：5G 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-OFDM（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-OFDM 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。

二．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 7：5G NR 灵活的框架设计

1. 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。

2. 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。下图展示的是一个 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。

图 8：5G NR 独立集成子帧

模块化同样支持不同类型的子帧为未来的各种新服务进行多路传输，配合 5G NR 框架支持空白子帧和空白频率资源的设计，使其拥有向前兼容性——未来的新型服务可以以同步或非同步状态部署在同一频率内。

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

我们在开头提到过，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）

图 9：大规模 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）

图 10：毫米波

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。

图 11：Qualcomm 5G NR 毫米波试验

在毫米波领域，Qualcomm 一直走在前沿。我们实现了移动设备中的 802.11ad 60 GHz 芯片的商业化，除此之外，我们也在积极研发和测试 28GHz 频段（可扩展至其他频段）的毫米波原型。不久前，我们在一个人口密集的住宅区附近做了一次模拟实验，现场数据显示，视距内（line-of-sight）的覆盖可达 350 米，而非视距（Non-Line-of-Sight）的覆盖可达 150 米。另外，我们最近还发布了第一块 5G 毫米波调制解调器，骁龙 X50，以支持今年下半年的 5G 毫米波早期实验部署。

3. 频谱共享（Spectrum sharing techniques）

图 12：频谱共享

使用共享频谱和非授权频谱，可将 5G 扩展到多个维度，实现更大容量、使用更多频谱、支持新的部署场景。这不仅将使拥有授权频谱的移动运营商受益，而且会为没有授权频谱的厂商创造机会，如有线运营商、企业和物联网垂直行业，使他们能够充分利用 5G NR 技术。5G NR 原生地支持所有频谱类型，并通过前向兼容灵活地利用全新的频谱共享模式。这为在 5G 中创新的使用频谱共享技术创造了机遇。我们在频谱共享技术领域，同样走在前沿，比如 LTE-U,LAA, LWA, CBRS, LSA, 还有MulteFire，这些技术已经用在了 LTE 上，5G NR 将在这基础上加以创新。

图 13：5G NR 原生地支持所有频谱类型

4. 先进的信道编码设计（Advanced channel coding design）

目前 LTE 网络的编码还不足以应对未来的数据传输需求，因此迫切需要一种更高效的信道编码设计，以提高数据传输速率，并利用更大的编码信息块契合移动宽带流量配置，同时，还要继续提高现有信道编码技术（如 LTE Turbo）的性能极限。在这方面，Qualcomm 促成了行业统一采用 LDPC 信道编码，LDPC 编码已被证明，对于需要一个高效混合 HARQ 体系的无线衰落信道来说，它是理想的解决方案。从下图可以看出，LDPC 的传输效率远超 LTE Turbo，且易平行化的解码设计，能以低复杂度和低时延，扩展达到更高的传输速率。

图 14：大信息块长度下不同信道编码的表现

总结：我们在开头提到，5G 并非凭空而来，它的实现有赖于对现有技术的深入研究利用，比如用在 LTE Advanced 和 LTE Advanced Pro 上的载波聚合、LTE 物联网、车联网等技术。未来两年，4G 和 5G 将平行发展，一边是 4G 的继续成熟，一边是 5G 的创新研发。根据 3GPP 的规划，Release 15 预计会在 2018 年 6 月发布，不过由于行业的推动，这个时间很可能会提早三五个月，保守估计，5GNR 的大规模商业化部署最早将在 2019 年开始。

图 15：5G 研究项目长期规划

作为移动通讯行业的领军企业之一，推动 5G 尽早实现，我们责无旁贷，我们也在用实际行动积极推动 5G 的创新和构建，正如 Qualcomm CEO 史蒂夫·莫伦科夫所言：“我们发明的一切、改进的一切以及克服的每一项困难，都为创造 5G 技术的无限机遇奠定了坚实的基础。当别人在谈论 5G 时，我们已开始着手构建。”

就像我们以开创性的贡献，将 3G 和 4G 融入今天的生活，我们会与合作伙伴协作前行，不断拓展无线通信的边界，将世界带向 5G，让万物互联更快到来。

 

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