深度分析5G的關(guān)鍵技術(shù)

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(shí)間，我們就可以享受到 5G 帶來的全新體驗(yàn)。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(dòng)寬帶體驗(yàn)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(dòng)化、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、自動(dòng)駕駛等。這些行業(yè)和服務(wù)都對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，要求網(wǎng)絡(luò)更可靠、低時(shí)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(yùn)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(jì)。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(jì)是一項(xiàng)大工程，搭建 5G NR 不可能也不必從零開始，事實(shí)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(shí)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(jì)（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(jì)過程中最重要的一項(xiàng)決定，就是采用基于 OFDM 優(yōu)化的波形和多址接入技術(shù)，因?yàn)?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(shí)現(xiàn)多種增強(qiáng)功能，例如通過加窗或?yàn)V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(shí)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(hào)接收器，比如移動(dòng)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(shí)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(hào)干擾。

圖 4：可擴(kuò)展子載波

不過 OFDM 體系也需要?jiǎng)?chuàng)新改造，才能滿足 5G 的需求：

1. 通過子載波間隔擴(kuò)展實(shí)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(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)楫?dāng) FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換）為更大帶寬擴(kuò)展尺寸時(shí)，必須保證不會(huì)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(shí)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(huì)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(duì)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(hào)輻射必須盡可能小。OFDM 能實(shí)現(xiàn)波形后處理（post-processing），如時(shí)域加窗或頻域?yàn)V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(duì)不同服務(wù)進(jìn)行高效多路傳輸

面對(duì)這一需求，Qualcomm 正積極推動(dòng) 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(yàn)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(shí)踐證實(shí)，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(jì)

顯然，要實(shí)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(jì) 5G NR 的同時(shí)，我們還在設(shè)計(jì)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?。這種靈活性即體現(xiàn)在頻域，更體現(xiàn)在時(shí)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(jì)

1. 可擴(kuò)展的時(shí)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(shí)延降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。目前LTE網(wǎng)絡(luò)中，TTI（時(shí)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(gè)降低時(shí)延的項(xiàng)目。盡管技術(shù)細(xì)節(jié)還不得而知，但這一項(xiàng)目的規(guī)劃目標(biāo)就是要將一次傅里葉變換的時(shí)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(shí)延需求”的服務(wù)，5G NR 的靈活框架設(shè)計(jì)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(dòng)寬帶服務(wù)可以選擇使用 500 μs 的TTI，而不是像 LTE 時(shí)代只能用標(biāo)準(zhǔn) TTI，同時(shí)，另一個(gè)對(duì)時(shí)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(gè)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(shí)開始，從而節(jié)省了等待時(shí)間。

2. 自包含集成子幀（Self-contained integrated subframe）

自包含集成子幀是另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)降低時(shí)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(gè)子幀內(nèi)，時(shí)延可顯著降低。下圖展示的是一個(gè) 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(hào)都在同一個(gè)子幀內(nèi)。而且通過 5G NR 獨(dú)立集成子幀，每個(gè) 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(dú)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(jì)，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(shí)現(xiàn)的，而 4G LTE 正是目前最先進(jìn)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，5G 在演進(jìn)的同時(shí)，LTE 本身也還在不斷進(jìn)化（比如最近實(shí)現(xiàn)的千兆級(jí)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(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新研究項(xiàng)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(hào)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(gè)方向上，可以提高信號(hào)的覆蓋范圍。這兩項(xiàng)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(shí)，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(shí)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(duì)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(yàn)到的網(wǎng)速更快。正是因?yàn)檫@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(dòng)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(dòng)體驗(yàn)。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(hào)衍射能力有限）。通常情況下，毫米波頻段傳輸?shù)男盘?hào)甚至無法穿透墻體（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(hào)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(shí)， 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(yàn)

在毫米波領(lǐng)域，Qualcomm 一直走在前沿。我們實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)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(gè)人口密集的住宅區(qū)附近做了一次模擬實(shí)驗(yàn)，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)布了第一塊 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(shí)驗(yàn)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(gè)維度，實(shí)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(dòng)運(yùn)營商受益，而且會(huì)為沒有授權(quán)頻譜的廠商創(chuàng)造機(jī)會(huì)，如有線運(yùn)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(jì)（Advanced channel coding design）

目前 LTE 網(wǎng)絡(luò)的編碼還不足以應(yīng)對(duì)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(jì)，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(dòng)寬帶流量配置，同時(shí)，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(duì)于需要一個(gè)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(jì)，能以低復(fù)雜度和低時(shí)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(shí)現(xiàn)有賴于對(duì)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(jì)會(huì)在 2018 年 6 月發(fā)布，不過由于行業(yè)的推動(dòng)，這個(gè)時(shí)間很可能會(huì)提早三五個(gè)月，保守估計(jì)，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(xiàng)目長期規(guī)劃

作為移動(dòng)通訊行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)之一，推動(dòng) 5G 盡早實(shí)現(xiàn)，我們責(zé)無旁貸，我們也在用實(shí)際行動(dòng)積極推動(dòng) 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)明的一切、改進(jìn)的一切以及克服的每一項(xiàng)困難，都為創(chuàng)造 5G 技術(shù)的無限機(jī)遇奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)別人在談?wù)?5G 時(shí)，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(huì)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。