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5G的關(guān)鍵技術(shù)是什么?一文全讀懂!

2021年11月7日上午10:03

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,最快還有一年多的時間,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(biāo)準(zhǔn),5G 的意義當(dāng)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(jìn)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(kuò)展的全新網(wǎng)絡(luò)。5G 應(yīng)運而生。

圖 1:5G 的應(yīng)用領(lǐng)域

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(kuò)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(jìn)技術(shù)。Qualcomm 認(rèn)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(jìn)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(dāng)今的 4G LTE 和 Wi-Fi 系統(tǒng)廣泛采用,因其可擴(kuò)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(qiáng)功能,例如通過加窗或濾波增強(qiáng)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(kuò)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(kuò)展實現(xiàn)可擴(kuò)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(kuò)展的 OFDM 間隔參數(shù)配置。這一點至關(guān)重要,因為當(dāng) FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里葉變換)為更大帶寬擴(kuò)展尺寸時,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 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(qiáng)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?,以?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(jìn)行多路傳輸。

圖 6:5G NR 可針對不同服務(wù)進(jìn)行高效多路傳輸

面對這一需求,Qualcomm 正積極推動 CP-OFDM(循環(huán)前綴正交頻分復(fù)用)加窗技術(shù),大量的分析和試驗結(jié)果表明,它能有效減少頻帶內(nèi)和頻帶外的輻射,從而顯著提高頻率局域化。CP-OFDM 技術(shù)的效果已被實踐證實,現(xiàn)在正廣泛應(yīng)用于 LTE 網(wǎng)絡(luò)體系中。

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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)一步提高 5G 服務(wù)多路傳輸?shù)男省_@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(kuò)展的時間間隔(Scalable Transmission Time Interval (TTI))

相比當(dāng)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(jìn)的過程中提出一個降低時延的項目。盡管技術(shù)細(xì)節(jié)還不得而知,但這一項目的規(guī)劃目標(biāo)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 143μs(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(kuò)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(jìn)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 μs 的TTI,而不是像 LTE 時代只能用標(biāo)準(zhǔn) 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 μs,而不是非得等到下一個子幀到來,也就是 500 μs 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(rèn)(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(rèn)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(hù)間隔→上行確認(rèn)。

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(jìn)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(jìn)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(jìn)的移動網(wǎng)絡(luò)平臺,5G 在演進(jìn)的同時,LTE 本身也還在不斷進(jìn)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(jìn)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(jìn) 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(jìn)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)男畔⒘恳苍酱?,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。

不過,我們已經(jīng)在天線和信號處理技術(shù)方面取得了一些進(jìn)展。通過利用基站和設(shè)備內(nèi)的多根天線,配合智能波束成型和波束追蹤算法,可以顯著提升 5G 毫米波覆蓋范圍,排除干擾。同時, 5G NR 還將充分利用 6GHz 以下頻段和 4G LTE ,讓毫米波的連接性能更上一層。

圖 11:Qualcomm 5G NR 毫米波試驗

在毫米波領(lǐng)域,Qualcomm 一直走在前沿。我們實現(xiàn)了移動設(shè)備中的 802.11ad 60 GHz 芯片的商業(yè)化,除此之外,我們也在積極研發(fā)和測試 28GHz 頻段(可擴(kuò)展至其他頻段)的毫米波原型。不久前,我們在一個人口密集的住宅區(qū)附近做了一次模擬實驗,現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示,視距內(nèi)(line-of-sight)的覆蓋可達(dá) 350 米,而非視距(Non-Line-of-Sight)的覆蓋可達(dá) 150 米。另外,我們最近還發(fā)布了塊 5G 毫米波調(diào)制解調(diào)器,驍龍 X50,以支持今年下半年的 5G 毫米波早期實驗部署。

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(kuò)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(jī)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(jī)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(jìn)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。在這方面,Qualcomm 促成了行業(yè)統(tǒng)一采用 LDPC 信道編碼,LDPC 編碼已被證明,對于需要一個高效混合 HARQ 體系的無線衰落信道來說,它是理想的解決方案。從下圖可以看出,LDPC 的傳輸效率遠(yuǎn)超 LTE Turbo,且易平行化的解碼設(shè)計,能以低復(fù)雜度和低時延,擴(kuò)展達(dá)到更高的傳輸速率。

圖 14:大信息塊長度下不同信道編碼的表現(xiàn)

總結(jié):我們在開頭提到,5G 并非憑空而來,它的實現(xiàn)有賴于對現(xiàn)有技術(shù)的深入研究利用,比如用在 LTE Advanced 和 LTE Advanced Pro 上的載波聚合、LTE 物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)。未來兩年,4G 和 5G 將平行發(fā)展,一邊是 4G 的繼續(xù)成熟,一邊是 5G 的創(chuàng)新研發(fā)。根據(jù) 3GPP 的規(guī)劃,Release 15 預(yù)計會在 2018 年 6 月發(fā)布,不過由于行業(yè)的推動,這個時間很可能會提早三五個月,保守估計,5GNR 的大規(guī)模商業(yè)化部署最早將在 2019 年開始。

圖 15:5G 研究項目長期規(guī)劃

作為移動通訊行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)之一,推動 5G 盡早實現(xiàn),我們責(zé)無旁貸,我們也在用實際行動積極推動 5G 的創(chuàng)新和構(gòu)建,正如 Qualcomm CEO 史蒂夫·莫倫科夫所言:“我們發(fā)明的、改進(jìn)的以及克服的每一項困難,都為創(chuàng)造 5G 技術(shù)的無限機(jī)遇奠定了堅實的基礎(chǔ)。當(dāng)別人在談?wù)?5G 時,我們已開始著手構(gòu)建?!?/p>

就像我們以開創(chuàng)性的貢獻(xiàn),將 3G 和 4G 融入今天的生活,我們會與合作伙伴協(xié)作前行,不斷拓展無線通信的邊界,將世界帶向 5G,讓萬物互聯(lián)更快到來。

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