5G NR是什么？面向5G NR的正交頻分復(fù)用介紹

5G標(biāo)準

第三代合作伙伴項目（3GPP）正在制定5G標(biāo)準，該項目由來自七個不同全球標(biāo)準組織的合作伙伴組成。5G 標(biāo)準始于 2017 年 12 月的“第 15 版”，隨著新特性、功能和要求的增加，將在后續(xù)版本中進行擴展。

在 3GPP 中，有技術(shù)規(guī)范組 （TSG），致力于在越來越高的抽象級別上定義 5G NR 系統(tǒng)。示例級別包括但不限于：

無線接入網(wǎng) （RAN）：負責(zé)定義無線電性能規(guī)范的較低級別 （1-3），其中包括：

物理層

調(diào)制

頻分雙工 （FDD）

時分雙工 （TDD）

波束成形

錯誤檢測

校正

服務(wù)與系統(tǒng)方面（SA）：監(jiān)督整體架構(gòu)和服務(wù)功能，包括計費、會計、網(wǎng)絡(luò)管理和安全

核心網(wǎng)絡(luò)和終端（CT）：定義用戶設(shè)備的規(guī)格、網(wǎng)絡(luò)之間的切換、服務(wù)質(zhì)量映射等。

分層5G服務(wù)的三個頻段

隨著無線電信技術(shù)的進步，頻率和帶寬穩(wěn)步增加。如圖 1 所示，新一代保留了與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的一些向后兼容性，但擴展到更多頻段。

圖 1.2G、3G、4G 和 5G 網(wǎng)絡(luò)頻譜分配的演變。

隨著 5G 向 30GHz 以上的毫米波 （mmWave） 頻率發(fā)展，這一趨勢正在向前邁進。這使得 5G NR 能夠在低于 6GHz 的頻率下支持高達 100MHz 的超寬帶寬，在更高頻率下支持高達 400MHz 的超寬帶寬。

5G一般可分為三個頻段：

FR1型

較低頻率：MHz–1 GHz

中頻：1–7 GHz

FR2型

更高頻率：24–48 GHz

如圖 2 所示，這三個頻段旨在協(xié)同工作，以滿足對帶寬、延遲和覆蓋范圍的不同需求。

圖2.5G NR 的 3 個頻段的帶寬、延遲和覆蓋范圍之間的關(guān)系。

5G 的初始部署在較低頻率范圍 （FR1） 中，有兩個頻段（稱為低頻段和中頻段），跨越用于 450 MHz 至 6 GHz 智能手機的更傳統(tǒng)頻率。這些較低的頻率提供了最大的覆蓋范圍。

更高的頻率范圍 （FR2） 以 24 - 100 GHz 的頻率向上移動到毫米波區(qū)域，以支持更快的下載速度，并支持需要超低延遲的新應(yīng)用。

面向 5G NR 的正交頻分復(fù)用

上行鏈路和下行鏈路連接的 5G 傳輸均基于 OFDM（正交頻分復(fù)用）。OFDM 結(jié)合了正交幅度調(diào)制 （QAM） 和頻分復(fù)用 （FDM），可實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率通信。

由于副載波頻率彼此正交，因此各個峰值都與其他副載波的零點對齊（圖3）。

圖3.正交頻分復(fù)用的頻譜。

這最大限度地減少了干擾，并允許接收器有效地恢復(fù)信號。這些調(diào)制副載波可用于支持許多獨立信號（如FM無線電信道），但在5G應(yīng)用中，通常組合在一起以提高單個信道的數(shù)據(jù)速率。

NR 規(guī)范支持 15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz、240 kHz 或 480 kHz 的可調(diào)載波間隔，最多 3300 個副載波。此外，副載波調(diào)制可以是 QPSK（四相移鍵控）或 16、64 或 256-QAM。這些選項提供了多功能性，使運營商能夠優(yōu)化通信方案以滿足環(huán)境和應(yīng)用。

5G 性能與 4G 的比較

正如我們對每一代智能手機技術(shù)所期望的那樣，5G 比其前身 4G 更快，容量更大。預(yù)計 5G 將支持高達 10-20 Gb/s 的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率和超過 100 Mb/s 的平均數(shù)據(jù)速率。5G 還旨在通過提高網(wǎng)絡(luò)效率和將延遲降低 10 倍來支持容量增加 100 倍，從而降低到1 毫秒

除了這些基本改進之外，5G還被設(shè)計為比4G更多樣化的電信標(biāo)準，以支持標(biāo)準移動寬帶以外的應(yīng)用，包括：

低延遲的關(guān)鍵任務(wù)通信

物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的大規(guī)模連接

支持所有頻譜類型（許可、共享、非許可）

擴展的部署模型，包括熱點

新的通信模型，例如設(shè)備到設(shè)備和多跳網(wǎng)格。

5G使用模型

通常，當(dāng)我們聽到 5G 時，我們會立即想到更好的智能手機，這確實是 5G NR 規(guī)范的一個方面。然而，這些標(biāo)準正在開發(fā)中，以支持的不僅僅是更好的智能手機。具體來說，有三種主要的使用模型，如圖 4 所示：

eMBB（增強型移動寬帶）：松散更好的智能手機、消費類應(yīng)用程序

URLLC（超可靠和低延遲通信）：關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)

mMTC（大規(guī)模機器類型通信）：考慮物聯(lián)網(wǎng)

圖4.三種 5G NR 使用模型的示例應(yīng)用。

eMBB（增強型移動寬帶）

5G NR 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的最初重點是 eMBB，以提高下載和上傳速度并減少延遲。eMBB有望改善移動視頻流，并實現(xiàn)包括移動增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實（AR和VR）在內(nèi)的應(yīng)用。emBB預(yù)計將在人口稠密的城市地區(qū)、體育或音樂會場所以及智能辦公室提供增強的無線寬帶接入。

URLLC（超可靠低延遲通信）

顧名思義，URLLC旨在為“實時”應(yīng)用提供非常低延遲的通信，包括自動駕駛汽車、工業(yè)自動化和遠程手術(shù)。顯然，這些應(yīng)用程序中的每一個都需要強大的網(wǎng)絡(luò)連接，具有低錯誤率和難以察覺的延遲（理論上低至 1 毫秒）。這些要求與語音通話或流式傳輸您喜歡的新節(jié)目有很大不同。

mMTC（大規(guī)模機器類型通信）

mMTC是第三種使用模式，與前兩種也有很大不同。mMTC將利用5G NR提供的寬帶寬來支持與“大量”低數(shù)據(jù)速率設(shè)備的通信。應(yīng)用將包括物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市，其中大量節(jié)點將需要窄帶寬進行遙感、監(jiān)控、交通和停車管理、物流和車隊管理以及電子廣告牌。

賦能5G的技術(shù)

許多技術(shù)進步正在共同實現(xiàn) 5G 通信。本節(jié)將介紹從事硬件工作的電氣工程師可能感興趣的一些關(guān)鍵技術(shù)。

先進的晶體管技術(shù)

硅CMOS技術(shù)不斷向更精細的幾何形狀發(fā)展，對于提高手機、基站和網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)所需的處理能力顯然非常重要。此外，隨著 5G 擴展到頻譜的毫米波區(qū)域，先進晶體管技術(shù)的改進正在成為焦點。

如圖 5 所示，硅鍺 （SiGe）、砷化鎵 （GaAs）、氮化鎵 （GaN） 和碳化硅 （SiC） 都適合在 6 GHz 以上的高頻 FR2 頻段工作。特別是，氮化鎵和碳化硅器件廣泛用于需要高頻和高功率的基站。

圖5.寬禁帶 （WBG） 材料的功率與頻率的關(guān)系。

除了晶體管本身之外，從芯片到印刷電路板 （PCB） 的外部連接還需要封裝方面的技術(shù)進步和先進的設(shè)計技術(shù)。像封裝內(nèi)的 1 mm 鍵合線這樣簡單的東西在毫米波頻率下會成為潛在的天線，并且可能具有復(fù)雜的阻抗，因此很難實現(xiàn)與 PCB 的 50 Ω阻抗匹配。轉(zhuǎn)向使用焊球的倒裝芯片組裝可能會有所幫助，但阻抗匹配挑戰(zhàn)可能仍然存在。

海量多輸入多輸出天線

由于波長非常短，相控陣天線在5G毫米波頻率上變得可行。例如，高通公司在圖6中演示的毫米波手機原型似乎有三個4x2相控陣天線部分。相控陣天線可以支持波束成形，以提高天線增益。

圖6.5G NR毫米波手機原型。

在基站中，相控陣的使用預(yù)計將激增，成為所謂的大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)。使用大量天線和復(fù)雜算法，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可以采用自適應(yīng)波束成形和空間分集，以實現(xiàn)以下目的：

通過將窄波束聚焦到每個用戶來提高頻譜效率

通過天線增益提高能源效率，降低總輻射功率

通過增益和空間分集提高數(shù)據(jù)速率和容量

通過自適應(yīng)波束成形跟蹤移動用戶

基站的數(shù)字和模擬處理相結(jié)合，為各個用戶創(chuàng)造了獨特的傳輸通道。個人用戶還可以使用多個天線來增強存在衰落、多徑和干擾的通信。

圖7.面向毫米波 5G 的大規(guī)模多輸入多輸出通信。圖片由 Alemaishat 等人提供

總結(jié)

5G NR不僅僅是移動智能手機的改進網(wǎng)絡(luò)。增強型移動寬帶、超可靠低延遲通信和大規(guī)模機器型通信這三種主要使用模式可能會在未來幾年帶來許多新的應(yīng)用。

審核編輯：劉清