CP-OFDM 能夠面向復雜程度較低的接收器延展

5G NR 植根于 4G LTE（長期演進）和 Wi-Fi 標準，是一種全新的射頻接口與射頻接入網(wǎng)絡。（“NR”，即“New Radio”，中文翻譯為“新空口”或“新射頻”。）5G NR 將成為 5G 通信系統(tǒng)的關(guān)鍵賦能技術(shù)。5G NR 利用當前最佳的技術(shù)和手段，滿足各標準化組織提出的 5G 要求。本章將講解 5G NR 的部分技術(shù)方面，以便您能理解那些背后的技術(shù)。

現(xiàn)在，您可能對 5G 已有基本認識，下面讓我們再深入一些，了解 5G 的支持技術(shù)。5G 的骨干技術(shù)如下：

頻譜技術(shù)

動態(tài)頻譜共享技術(shù)

擴展正交頻分復用技術(shù)（OFDM），一種將更多數(shù)字數(shù)據(jù)編碼到多個載波頻率的方法

多入多出技術(shù)（MIMO），其中包括同時利用多個天線的技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)速度和減少誤差

波束賦形技術(shù)，將來自多個天線的射頻信號合并成一個指向特定設備或接收器的強信號

小蜂窩技術(shù)或網(wǎng)絡密致化技術(shù)，將多個蜂窩站點密集放置，以提高可用容量

另外，這些技術(shù)還將顯著強化現(xiàn)有的 4G LTE 網(wǎng)絡，提高網(wǎng)絡靈活性、伸縮性和效率。其中部分技術(shù)（例如：動態(tài)頻譜共享）已在前幾章講解。其他幾項技術(shù)對您來講也許是全新的。我們將在以下各節(jié)分別講解。

頻譜與動態(tài)頻譜共享

我們在前面的文章中提到，為滿足增強型移動寬帶（eMBB）的需求（例如：1 Gbps 或以上的數(shù)據(jù)率速度，以及采納用戶設備所需的數(shù)據(jù)率），頻譜與動態(tài)頻譜共享是兩項必需的技術(shù)。

相對于 4G LTE，5G 顯著提高了數(shù)據(jù)率。不過，5G 的大部分優(yōu)勢都源于新的 5G 頻帶所獲得的帶寬增強（如圖 1 所示）。只有少部分數(shù)據(jù)吞吐量的提高是因為實施了 5G NR 技術(shù)。如您所見，頻譜的增加給下行鏈路的數(shù)據(jù)率帶來指數(shù)級增長，而載波聚合與 5G NR 技術(shù)升級僅貢獻 19% 的增長。

頻分復用（OFDM）

在 5G NR 開發(fā)過程中，第一步是為 5G NR 設計物理層，其中波形是一個核心技術(shù)組成。在審查多個提案后，3GPP 選擇擴展使用頻分復用技術(shù)，同時在上行鏈路和下行鏈路為 5G 添加循環(huán)前綴頻分復用（CP-OPDM）波型。

圖 1：4G LTE 與 5G NR 下載鏈路數(shù)據(jù)完善情況比較

CP-OFDM 技術(shù)利用多個平行窄帶子載波來傳輸信息，而不使用單個寬帶載波。該技術(shù)定義充分，已在 4G LTE 下行鏈路和Wi-Fi通信標準成功實施，因此也適合用于 5G NR 設計。

不過，5G NR 上行鏈路還提供了一種不同的波形格式，這種波形格式類似 4G LTE 上行鏈路使用的波形模式?離散傅立葉變換擴頻正交頻分復用（DFT-S-OFDM）波形。DFT-S-OFDM 波形是一種 4G 采用的波形，結(jié)合了循環(huán)前綴正交頻分復用和低峰均比（PAPR）的優(yōu)點。DFTS-OFDM 波形對上行鏈路有幫助，對于高功率的 2 級功率應用或者當用戶設備位于基站蜂窩的邊緣位置，遠離信號塔時，DFT-S-OFDM 可能是首選波形。

在靈活性上，5G NR 提供的子載波間隔方案還超越了 LET 提供的固定 15 kHz 子載波間隔。5G NR 提供的子載波間隔包括 FR2，最大間隔達到 240 kHz。靈活的載波間隔可用于適當支持 5G NR 所需的多元化頻帶、頻譜類型及部署模式。

DFT-S-OFDM 非常類似于 LTE 上行鏈路使用的單頻分復用接入（SCFDMA），CP-OFDM 非常類似于 LTE 下行鏈路使用的正交頻分復用接入（OFDMA）。3GPP 之所以選擇 CP-OFDM，原因如下：

CP-OFDM 能夠面向復雜程度較低的接收器延展。

在一些最重要的 5G 性能指標上（例如：與多天線技術(shù)的兼容性），CP-OFDM 排名最高。

CP-OFDM 的時域控制良好，這一點對于低延時關(guān)鍵應用和時分雙工（TDD）部署具有重要意義。

5G MIMO與大規(guī)模MIMO

大規(guī)模 MIMO 技術(shù)是 MIMO 技術(shù)的擴展。MIMO 技術(shù)有效地、重復地利用同一帶寬，以便傳輸更多數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對頻譜更加高效的利用。

今天許多 LTE MIMO 基站都最多由八根天線組成，接收器上有一到二根天線。這使得基站能夠同時向 8 名用戶分別發(fā)送 8 條數(shù)據(jù)流；如果合二為一，則能夠同時向 4 名用戶分別發(fā)送2條數(shù)據(jù)流。

隨著 4G 向大規(guī)模 MIMO 的轉(zhuǎn)移，天線數(shù)量出現(xiàn)指數(shù)增長?多達 16 根、32 根、64 根、128 根，甚至更多。這些天線的集合被稱為“天線陣列系統(tǒng)”（AAS）。這有助于通過波束賦形技術(shù)，將能量集中到較小的空間區(qū)域（參見下節(jié)），以極大改善吞吐量和輻射能量效率。

大規(guī)模 MIMO 有助于：

防止在非理想方向上傳輸數(shù)據(jù)，減輕干涉

減少延時，從而提高速度和可靠性

減少通知和連接的衰落與掉線

同時服務大規(guī)模用戶群

推出二維波束賦形

大規(guī)模 MIMO 不僅能夠增加蜂窩容量和蜂窩效率，還能利用銳利天線波束方向圖（由多個天線元素組成）平行發(fā)送和接收射頻信號。在采用大規(guī)模 MIMO 技術(shù)的基站，每條數(shù)據(jù)流都有獨特的輻射方向圖，因此不會相互干涉。每條數(shù)據(jù)流的信號強度都按照目標用戶設備的方向傳送；在其他用戶設備的方向，信號強度則被減少，以降低干涉。

波束賦形

波束賦形技術(shù)對天線陣列中的單根天線的量級和相位進行適當加權(quán)，利用多根天線來控制波形的傳送方向，為 5G 帶來顯著優(yōu)勢。由于波束賦形技術(shù)是大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)使用的一項技術(shù)，因此有時“波束賦形”與“大規(guī)模 MIMO”這兩個術(shù)語可以互換使用。

波束賦形技術(shù)被用于毫米波頻譜，基本頻率在 24 GHz 以上。該頻譜使用的是 200 至 400 MHz 的寬信道帶寬，因此提供了超高的數(shù)據(jù)傳輸速度。承運商將使用該技術(shù)部署 5G 固定無線接入服務（FWA），作為“最后一英里”連接解決方案，為家庭和企業(yè)提供高速連接。

固定無線接入毫米波有一個缺點：雨、植物或建筑物等，都可能造成毫米波信號衰減（即：信號強度損失）。在這些情況下，有時候難以保持用戶設備處于視距范圍，因此會造成信號延遲、衰減以及到達信號發(fā)生變化。不過，波束賦形技術(shù)有助于減少這些負面效果，如下圖所示。通過利用大規(guī)模 MIMO 和波束賦形技術(shù)帶來的多條路徑，即使在視距受限的情況下，也可以對天線元素與用戶設備之間的空間信道進行定性及數(shù)字化編碼和解碼，從而有助于減少信號損失。

圖 2：大規(guī)模 MIMO 與波束賦形

圖 2 所示的大規(guī)模 MIMO 波束賦形基站技術(shù)被部署在城鎮(zhèn)等人口稠密地區(qū)。

網(wǎng)絡密致化

今天，無線基礎(chǔ)設施網(wǎng)絡包含眾多元素，有大蜂窩基站、地鐵蜂窩基站，還有室內(nèi)外分布式天線系統(tǒng)和小蜂窩基站。這些元素在異質(zhì)網(wǎng)絡（HetNet）環(huán)境下共同工作，如下圖所示。

圖 3：無線基礎(chǔ)設施異質(zhì)網(wǎng)絡與小蜂窩基站集成

所謂“密致化”，是一種通過增強蜂窩站點，提高可用蜂窩容量的技術(shù)。這種蜂窩可以是微蜂窩或小蜂窩，以應對網(wǎng)絡容量緊張的區(qū)域。另外，這些蜂窩還可以分擔周邊大基站和微基站的通信流量。

小蜂窩基站是一種將蜂窩基站拆分成更小型群組的迷你基站。另外，還可根據(jù)覆蓋面積的大小，細分為皮蜂窩基站、微蜂窩基站和飛蜂窩基站，并且這些基站既可以設在室內(nèi)，也可以設在室外（參見表 1）。

表 1：基站類型

據(jù)管道通向網(wǎng)絡。小蜂窩基站則將這條管道拆分成覆蓋一定區(qū)域的多條小型管道。小蜂窩基站的主要目標是提高大蜂窩基站的邊緣數(shù)據(jù)容量或者覆蓋大蜂窩不能覆蓋的區(qū)域（覆蓋不良），最終目標是完善數(shù)據(jù)、速度和網(wǎng)絡效率。圖 4 所示為小蜂窩集成網(wǎng)絡。

圖 4：小蜂窩集成網(wǎng)絡

小蜂窩：

提高數(shù)據(jù)容量，尤其是高端購物區(qū)或城市中心區(qū)等高度稠密的區(qū)域。

消除了高成本的屋頂系統(tǒng)和設備或租用成本。

提高了手機性能。

在討論密致化與小蜂窩基站時，我們需要考慮到物聯(lián)網(wǎng)——物聯(lián)網(wǎng)設備使用多種無線技術(shù)進行連接。小蜂窩基站的實施以及眾多設備的互聯(lián)，將構(gòu)成大規(guī)模、超可靠、低延時機器類通信（MTC）的一個關(guān)鍵方面。物聯(lián)網(wǎng)的傳輸類型大致分為以下四種：

有線傳輸

中短距離無線傳輸（從藍牙到網(wǎng)狀網(wǎng)絡 Wi-Fi、ZigBee）

長距離無線傳輸（4G LTE 和 5G 蜂窩），低功率廣域網(wǎng)（LPWAN）

衛(wèi)星傳輸

5G 將可實現(xiàn)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)，大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)能夠支持數(shù)百億個設備、物品和機器，并且這些設備都需要連接無處不在。這些設備可以是移動設備、漫游設備，還可以是固定設備。

5G NR 頻譜載波聚合

“載波聚合”是一種將兩個以上載波合并成一條數(shù)據(jù)信道，以增加數(shù)據(jù)容量的技術(shù)。通過利用現(xiàn)有網(wǎng)絡頻譜，載波聚合技術(shù)讓運營商能夠提供更高的上行鏈路和下行鏈路數(shù)據(jù)率，因此能夠提高網(wǎng)絡性能和確保高質(zhì)量用戶體驗。載波聚合為 4G 提高用戶數(shù)據(jù)吞吐量做出重要貢獻，并且還將在 5G 起到同樣重要的作用。為了增加容量，全球運營商都在積極地添加載波聚合頻帶和功能（例如：MIMO），如表 2 所示。

我們在之前的文章提到，相關(guān)命名慣例因為 5G 頻帶而發(fā)生改變。5G 命名重新加入字母“n”（即：n77 或 n78），用以指代“New Radio”（即：新空口）；而 4G 命名則使用字母“B”指代“頻帶”。5G NR 使用的 LTE 頻帶仍將使用相同的頻帶編號，只是增加了 n 標識符。

表 2：全球載波聚合頻帶與功能

波頻率提供高達 700 MHz 的信道帶寬。在 7 GHz 以下頻帶，可以利用 4 條 100 Mhz 信道，實現(xiàn) 400 MHz 瞬時帶寬。

在頻分雙工（FDD）或時分雙工（TDD）條件下，每條分量載波能夠獲得 1.4 Mhz、3 Mhz、5 Mhz、10 Mhz、15 MHz 或 20 MHz 帶寬。因此，如果有 5 條 20 MHz 分量載波，那么利用載波聚合，最高可以實現(xiàn) 100 MHz 帶寬。在時分雙工條件下，分量載波的帶寬和數(shù)量必須在上下行鏈路保持相同。4G LTE-Advanced Pro 能夠提供最高 100 MHz 帶寬，支持 32 條分量載波，因此最高帶寬可以達到 640 MHz。在 5G NR 條件下，還有另外一個載波聚合方案，該方案被稱為“雙重連接”，該方案能夠聚合 4G LTE 和 5G NR 頻帶。
責任編輯:pj