4G 的到來仿佛還在昨日,5G 卻已近在咫尺。根據(jù) 3GPP 的規(guī)劃, 5G 的大規(guī)模測試和部署,最早將于 2019 年開始。
也就是說,很快我們就可以享受到 5G 帶來的全新體驗。然而作為全球通信標準,5G 的意義當然不局限于網(wǎng)速更快,移動寬帶體驗更優(yōu),它的使命在于連接新行業(yè),催生新服務(wù),比如推進工業(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)更可靠、低時延、廣覆蓋、更安全。各行各業(yè)迥異的需求迫切呼喚一種靈活、高效、可擴展的全新網(wǎng)絡(luò)。5G 應(yīng)運而生。
作為下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò),5G 網(wǎng)絡(luò)以 5G NR (New Radio) 統(tǒng)一空中接口(unified air interface)為基礎(chǔ),為滿足未來十年及以后不斷擴展的全球連接需求而設(shè)計。5G NR 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。
顯然,5G NR 的設(shè)計是一項大工程,搭建 5G NR 不可能也不必從零開始,事實上,5G 將在很大程度上以 4G LTE 為基礎(chǔ),充分利用和創(chuàng)新現(xiàn)有的先進技術(shù)。Qualcomm 認為,要實現(xiàn) 5G NR 的搭建,有三類關(guān)鍵技術(shù)不可或缺:
1.基于 OFDM 優(yōu)化的波形和多址接入(Optimized OFDM-based waveforms and multiple access,Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復(fù)用),
2. 靈活的框架設(shè)計(A flexible framework)
3. 先進的新型無線技術(shù)(Advanced wireless technologies)。
圖 2:5G NR 關(guān)鍵技術(shù)
一.基于 OFDM 優(yōu)化的波形和多址接入(Optimized OFDM-based waveforms and multiple access)
5G NR 設(shè)計過程中最重要的一項決定,就是采用基于 OFDM 優(yōu)化的波形和多址接入技術(shù),因為 OFDM 技術(shù)被當今的 4G LTE 和 Wi-Fi 系統(tǒng)廣泛采用,因其可擴展至大帶寬應(yīng)用,而具有高頻譜效率和較低的數(shù)據(jù)復(fù)雜性,因此能夠很好地滿足 5G 要求。 OFDM 技術(shù)家族可實現(xiàn)多種增強功能,例如通過加窗或濾波增強頻率本地化、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,實現(xiàn)高能效上行鏈路傳輸。
圖 3:基于 OFDM 優(yōu)化的波形
簡單歸納起來,OFDM 有以下優(yōu)勢:
○ 雜度低(Low complexity):可以兼容低復(fù)雜度的信號接收器,比如移動設(shè)備
○ 頻譜效率高(High spectral efficiency:):可以高效使用 MIMO,提高數(shù)據(jù)傳輸效率。
○ 能耗少(Low power consumption):可以通過單載波波形,實現(xiàn)高能效上行鏈路傳輸。
○ 頻率局域化(Frequency localization):可以通過加窗和濾波,提升頻率局域化,最大限度減少信號干擾。
圖 4:可擴展子載波
不過 OFDM 體系也需要創(chuàng)新改造,才能滿足 5G 的需求:
1. 通過子載波間隔擴展實現(xiàn)可擴展的 OFDM 參數(shù)配置(Scalable OFDM numerology with scaling of subcarrier spacing)
圖 5: 5G NR 不同頻譜的帶寬和子載波間隔
目前,通過 OFDM 子載波之間的 15 kHz 間隔(固定的 OFDM 參數(shù)配置),LTE 最高可支持 20 MHz 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 將利用所有能利用的頻譜,如毫米微波、非授權(quán)頻段)和部署方式。5G NR 將引入可擴展的 OFDM 間隔參數(shù)配置。這一點至關(guān)重要,因為當 FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里葉變換)為更大帶寬擴展尺寸時,必須保證不會增加處理的復(fù)雜性。而為了支持多種部署模式的不同信道寬度,如上圖所示,5G NR 必須適應(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,5G NR 也能跨參數(shù)實現(xiàn)載波聚合,比如聚合毫米波和 6GHz 以下頻段的載波,因而也就具有更強的連接性能。
2. 通過 OFDM 加窗提高多路傳輸效率(Enabling efficient services multiplexing with windowed OFDM)
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須盡可能小。OFDM 能實現(xiàn)波形后處理(post-processing),如時域加窗或頻域濾波,來提升頻率局域化。如下圖,利用 5G NR OFDM 的參數(shù)配置,5G 可以在相同的頻道內(nèi)進行多路傳輸。
圖 6:5G NR 可針對不同服務(wù)進行高效多路傳輸
二.靈活的框架設(shè)計
顯然,要實現(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)是遠遠不夠的。設(shè)計 5G NR 的同時,我們還在設(shè)計一種靈活的 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),以進一步提高 5G 服務(wù)多路傳輸?shù)男?。這種靈活性即體現(xiàn)在頻域,更體現(xiàn)在時域上,5G NR 的框架能充分滿足 5G 的不同的服務(wù)和應(yīng)用場景。
圖 7:5G NR 靈活的框架設(shè)計
1. 可擴展的時間間隔(Scalable Transmission Time Interval (TTI))
相比當前的 4G LTE 網(wǎng)絡(luò),5G NR 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 1 ms(毫秒)。為此,3GPP 在 4G 演進的過程中提出一個降低時延的項目。盡管技術(shù)細節(jié)還不得而知,但這一項目的規(guī)劃目標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),5G NR 的靈活框架設(shè)計可以向上或向下擴展 TTI(即使用更長或更短的 TTI),依具體需求而變。
除此之外,5G NR 同樣支持同一頻率下以不同的 TTI 進行多路傳輸。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 500 s 的TTI,而不是像 LTE 時代只能用標準 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 140 s,而不是非得等到下一個子幀到來,也就是 500 s 以后。也就是說上一次傳輸結(jié)束以后,兩者可以同時開始,從而節(jié)省了等待時間。
2. 自包含集成子幀(Self-contained integrated subframe)
自包含集成子幀是另一項關(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(acknowledgement)包含在一個子幀內(nèi),時延可顯著降低。下圖展示的是一個 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)回的確認信號都在同一個子幀內(nèi)。而且通過 5G NR 獨立集成子幀,每個 TTI 都以模塊化處理完成,比如同意下載→數(shù)據(jù)下行→保護間隔→上行確認。
圖 8:5G NR 獨立集成子幀
模塊化同樣支持不同類型的子幀為未來的各種新服務(wù)進行多路傳輸,配合 5G NR 框架支持空白子幀和空白頻率資源的設(shè)計,使其擁有向前兼容性——未來的新型服務(wù)可以以同步或非同步狀態(tài)部署在同一頻率內(nèi)。
三.先進的新型無線技術(shù)(Advanced wireless technologies)
我們在開頭提到過,5G 必然是在充分利用現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)之上,充分創(chuàng)新才能實現(xiàn)的,而 4G LTE 正是目前最先進的移動網(wǎng)絡(luò)平臺,5G 在演進的同時,LTE 本身也還在不斷進化(比如最近實現(xiàn)的千兆級4G+),5G 不可避免地要利用目前用在 4G LTE 上的先進技術(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(Massive MIMO)
圖 9:大規(guī)模 MIMO
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)是目前無線通信領(lǐng)域的一個重要創(chuàng)新研究項目,通過智能使用多根天線(設(shè)備端或基站端),發(fā)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,可以提高信號的覆蓋范圍。這兩項優(yōu)勢足以使其成為 5G NR 的核心技術(shù)之一,因此我們一直在努力推進 MIMO 技術(shù)的演化,比如從 2x2 提高到了目前 4x4 MIMO。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)備中容納進更多天線顯然不現(xiàn)實,所以,只能在基站端疊加更多 MIMO。從目前的理論來看,5G NR 可以在基站端使用最多 256 根天線,而通過天線的二維排布,可以實現(xiàn) 3D 波束成型,從而提高信道容量和覆蓋。
2. 毫米波(mmWave)
圖 10:毫米波
對無線通信稍有了解的人應(yīng)該知道,頻率越高,能傳輸?shù)?a target="_blank">信息量也越大,也就是體驗到的網(wǎng)速更快。正是因為這一優(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 24 GHz 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提供極致數(shù)據(jù)傳輸速度和容量,這將重塑移動體驗。但毫米波的利用并非易事,使用毫米波頻段傳輸更容易造成路徑受阻與損耗(信號衍射能力有限)。通常情況下,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 5GHz Wi-Fi 有多容易被墻體屏蔽),此外,它還面臨著波形和能量消耗等問題。
3. 頻譜共享(Spectrum sharing techniques)
圖 12:頻譜共享
使用共享頻譜和非授權(quán)頻譜,可將 5G 擴展到多個維度,實現(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)頻譜的移動運營商受益,而且會為沒有授權(quán)頻譜的廠商創(chuàng)造機會,如有線運營商、企業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)垂直行業(yè),使他們能夠充分利用 5G NR 技術(shù)。5G NR 原生地支持所有頻譜類型,并通過前向兼容靈活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)創(chuàng)造了機遇。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,5G NR 將在這基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新。
圖 13:5G NR 原生地支持所有頻譜類型
4. 先進的信道編碼設(shè)計(Advanced channel coding design)
目前 LTE 網(wǎng)絡(luò)的編碼還不足以應(yīng)對未來的數(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,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,還要繼續(xù)提高現(xiàn)有信道編碼技術(shù)(如 LTE Turbo)的性能極限。
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ofdm
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