目前已看到无线技术领域许多变化和令人赞叹的创新,但没有什么能和 5G 行动网络出现的根本性转变相提并论。 过去数年来,芯片商持续致力于设计出一个统一的 5G 新无线电,它将极大化拓展行动网络与设备的能力和效率。

 

早在 2016 年 3 月,3GPP 就已经着手 5G 新无线电(5G NR)的标准化工作。 此一主要目的在于,开发一个统一的、更强大的无线空中接口。 而 2017 年 12 月中时,在葡萄牙里斯本的 3GPP 全体会议上,3GPP 成功完成了首个 5G NR 规范,这可以说是在 2019 年实现 5G NR 商用布建之路上,一个重要的业界里程碑。

 

首个 5G NR 规范不仅支持开始于 2019 年的增强型行动宽带的布建,同时也为扩展 5G 网络至几乎所有产业、所有物体,以及所有连接打下了基础。 那么,哪些无线技术定义了首个 5G NR 规范呢?

 

5G NR 规范释出 芯片商积极布局

5G NR 必须满足不断扩展以及极端多变的连接和布建类型的要求。 5G NR 还需要充分利用每一段频谱,这些频谱具有不同的频谱使用监管方式,分布在不同的频段,不论是从 1GHz 以下低频段,或是到 1GHz 至 10GHz 中频段,以及称为毫米波的 24GHz 以上的高频段。 因此,没有一种技术可以单独定义 5G;相反地,5G 将从诸多截然不同的技术创新中被构建。

 

在 5G NR 规范释出之后,芯片商和电信营运商也开始积极布局此一市场。 以高通(Qualcomm)为例,该公司多年来持续开发 5G 基础技术,并且发明全新的 5G 技术以推动,甚至是重塑无线的边界;致力推动其先进系统设计和无线技术从理论到设计、标准化、实现,以及最终商用的进程,以实现 5G 愿景(图 1)。

 

图 1 5 个定义 5G NR 的无线发明

 

运用可扩展 OFDM 参数配置增进子载波间隔

5G NR 设计中最重要的决定之一,是选择无线波形和多址接入技术。 在已经评估并且将继续评估多种方式的同时,高通透过广泛研究(在 2015 年 11 月所发布的高通研究部报告中)发现,正交分频多任务(OFDM)体系,具体来说包括循环前缀正交分频多任务(CP-OFDM)和离散傅立叶变换扩频正交分频多任务 (DFT-S OFDM),是针对 5G 增强型行动宽带(eMBB)和更多其他场景的正确选择。

 

由于现在 OFDM 已被使用,或许产业界会问“下一步的创新之路在哪里? ”5G NR 的一个关键创新之处就是可扩展的 OFDM 复频参数配置(图 2)。 现今,LTE 支持最多 20MHz 的载波带宽,其中 OFDMtone(通常称为子载波)之间的间隔几乎是固定的 15kHz。

 

图 2 可扩展 OFDM 多载波参数

 

因此,在 5G NR 中,高通导入了可扩展的 OFDM 参数配置,从而支持多种频谱频段 / 类型和布建模式。 例如,5G NR 必须能够在有更大频道宽度(例如数百 MHz)的毫米波频段上工作。

 

此外,3GPP 5G NR Rel-15 规范中将利用可扩展 OFDM 参数配置,实现子载波间隔能随频道宽度以 2 的 n 次方扩展。 如此一来,在更大带宽的系统当中,FFT 点数大小也随之扩展,而不会增加处理的复杂性。

 

自包含时隙结构实现弹性框架

5G NR 设计的另一个关键技术是弹性的基于时隙的框架,以支持电信营运商在相同频率上高效复用已构想的(和无法预料的)5G 业务。 实现该灵活、弹性框架的关键技术发明就是 5G NR 自包含时隙结构。

 

在新的自包含时隙结构中(以图 3 中的 TDD 为例),每个 5G NR 传输都是模块化处理,具备独立译码的能力,避免了跨时隙的静态时序关系。 透过在时域和频域内对传输进行限定,该弹性设计简化了在未来增加新的 5G NR 特性 / 服务,这比之前几代行动通讯具有更好的向下兼容性。

 

图 3 5G NR TDD 自包含时隙结构的优势

 

得益于上传 / 下载(UL/DL)快速转换和可扩展时隙长度,例如子载波间隔为 30kHz 隔时时隙长度为 500μs,而子载波间隔为 120kHz 时时隙长度则为 125μs,和 LTE 相比,5G NR 自包含时隙结构还带来显著更低的时延。

该时隙结构框架在同一个时隙中包含上 / 下行调度,数据和确认。 除更低延迟之外,该模块化时隙结构设计还支持自适应 TDD UL/DL 配置、先进基于信道互易性的天线技术,例如基于快速上传探测的下载大规模 MIMO 导向,以及透过增加子帧支持其他使用场景。 这些都让该项发明成为满足许多 5G NR 需求的关键技术,它也是 3GPP 5G NR 规范的一部分。

 

先进 ME-LDPC/CA-Polar 频道编码满足多元应用场景

连同可扩展参数配置和灵活的 5G NR 服务框架,物理层设计应包括可提供稳健性能和灵活性的高效信道编码方案。

 

尽管 Turbo 码一直非常适合 3G 和 4G,但高通研究部已经证明,从复杂性和实现角度来看,当扩展到极高吞吐量和更大编码块长度(Block Lengths)时,低密度同位码(LDPC),尤其是 ME-LDPC,更具优势,如图 4 所示。 因此,3GPP 5G NR Rel-15 规范将利用 ME-LDPC 作为增强型行动宽带数据频道的编码方式。

 

 

此外,3GPP 选择 Polar 频道编码作为增强型行动宽带控制频道的编码方式;而高通的 CRC-Aided Polar(CA-Polar)频道编码,可带来性能增益,因此它被应用在多种 5G NR 控制应用场景中。

 

大规模 MIMO 提升容量 / 覆盖率

MIMO 天线技术的发展也是 5G 设计重点。 透过智能地使用更多天线,可以提升网络容量和覆盖率。 也就是说,更多空间数据串流可以显著提高频谱效率(例如借助多用户大规模 MIMO),支持在每赫兹(Hz)上传输更多位(bit)。

 

同时,智能波束成形技术还可以通过在下载链路的特定方向聚焦射频能量来扩展基地台的覆盖范围;相应地,在上传链路上,基地台在特定方向接收,可以减少的噪音和干扰。

 

5G NR 大规模 MIMO 技术将利用基地台端的 2D 天线数组完成 3D 波束成型,从而利用中频段频谱中更高的频段。 然而,对于充分利用 3D 波束成形,准确和实时的信道知识是必不可少的。

 

对此,针对快速基于信道互易性的 TDD 大规模 MIMO,5G NR 规范的一部分进行设计优化,将利用自包含时隙结构和增强的参考讯号,以支持更快速和更准确的信道回馈。

 

此一测试结果显示,将现有的大型蜂巢式基地台(例如在 2GHz 频段)重新用于在 3GHz 至 5GHz 中频段工作的全新 5G NR 布建是可行的。 全新多用户大规模 MIMO 设计的这些测试结果显示,容量和基地台边缘用户吞吐量(如图 5)显著提升,这对提供更统一的 5G 行动宽带用户体验至为关键。

 

图 5 5G NR 大规模 MIMO 仿真

 

行动毫米波布局脚步加快

上述的 5G NR 设计不仅实现了中频段频谱中更高频率的在大型 / 小型基地台布建中的应用,同时也开启频谱中超过 24GHz 的毫米波用于行动宽带的机会。

 

这些高频段有丰富的可用频谱资源,支持极速数据速率和容量,这将重塑行动体验。 然而,增加的传播损耗,易受障碍物影响(如头、手、身体、树叶、建筑),以及射频电路的复杂性和功效,都让这些高频段一直以来没有用于行动通讯。 不过,现在,5G NR 毫米波正改变这一切。

 

为了使毫米波用于行动宽带通讯系统,我们已经在关键设计元素中钻研多年,证明其可行性。 如在 2017 年的世界行动通讯大会上所展示的,高通研究部 5G 毫米波原型系统在基地台和设备中使用了大量的天线元,配合智能 / 快速波束成形和波束追踪算法,展示了用于非视距通讯和设备行动场景下可持续的宽带通讯(图 6)。 我们相信可以实现行动产业的下一个里程碑,在 2019 年让 5G NR 毫米波在行动网络和行动设备中(包括智能型手机)商用。

 

图 6 工作在 28GHz 频段的高通研究部 5G 毫米波原型系统

 

众多技术发明驱动 5G NR 创新应用

3GPP Release-15 5G NR 规范将为增强型行动宽带及更多应用搭建基础,而 5G 技术蓝图才刚刚开始。 芯片商已经着手多项全新的技术发明,这些发明将驱动未来变革和 5G NR 网络和设备的扩展,引领全新的技术如,5G NR 频谱共享,解锁更多频谱并支持全新的布建类型;5G NR 超可靠、低时延通讯支持全新的关键任务服务;5G NR 蜂巢式车联网(C-V2X)赋予自动驾驶新的能力;5G NR 整合化接入和回程(IAB)减少回程花费,作为更高效的网络密集化手段;5G NR 海量物联网带来低功耗,覆盖更广的物联网。