4G LTE技術很成功，對5G設計有何意義？

第 5 代無線接入網絡有望滿足 2020 年及以后新型用例及應用的系統(tǒng)和服務要求。連通各行各業(yè)并支持新服務是 5G 技術最重要的方面，以便為滿足 2020 年信息社會的要求做好準備。第 4 代或 4G LTE 主要在于連接人和地，是以通信和信息共享為核心主題。5G 通過為 4G 的通信和信息共享主題增加可靠、彈性的控制與監(jiān)控功能，從而將連接范圍擴展到機器設備。這種轉變對系統(tǒng)要求和設計原理產生了深遠影響。5G 愿景可以說包羅萬象，涉及人們生活的方方面面，會影響人們如何生產產品，如何管理生產過程中的能源與環(huán)境，如何運輸、存儲和消費物品，影響人們如何生活、工作、通勤、娛樂和甚至放松等等。

因此，需要使用虛擬化和軟件定義網絡來挑戰(zhàn) 5G 系統(tǒng)/網絡性能極限，以確保實現(xiàn)更高的網絡容量、更高的用戶吞吐量、更高的頻譜、更高的帶寬、更低的時延、更低的功耗、更高的可靠性和更高的連接密度。5G 架構包含模塊化網絡功能。這些功能可按需部署和擴展，從而能夠以低成本方式滿足廣泛的應用案例需求。

4G LTE 技術很成功，非常適合 6GHz 以下頻譜。5G 則增加了 6GHz 以上頻譜，為無線電接入網絡開啟了大段未使用頻譜。它還支持大于 20MHz 的載波，降低控制開銷，提高 RAN 靈活性以滿足多種用例需求。支持大于 6GHz 的頻譜是 5G 技術最具前景的屬性之一，或許也是難度最大的特性。6GHz 以上通道模型由 3GPP 于 2016 年 6 月發(fā)布，其精度對正確設計基站和用戶設備（UE）設計起關鍵作用。現(xiàn)實情況是，還需做更多工作和現(xiàn)場測試以提高這些模型的精度。這期間，系統(tǒng)設計需要具有靈活性和內在的可編程性，以根據(jù)在現(xiàn)場經驗調整和改進底層算法。

將端到端時延減小到 1ms 以內是 5G 的另一個重要目標，旨在滿足任務關鍵型應用的超高可靠低時延用例，以及擴展的移動寬帶用例（諸如承諾為服務提供商帶來更高收入的游戲）的要求。5G 正在改進幀結構以實現(xiàn)上述這一目標。圖 1 給出一種準 5G 標準幀結構方案。該方案具有 100-200 微秒級的很短的傳輸時間間隔（TTI），比 4G LTE 的 TTI（1ms）縮短 10 倍，具備快速的 Hybrid ARQ（自動重發(fā)請求）確認，可縮短系統(tǒng)時延。利用前載解調制參考和控制信號，可在接收幀的期間執(zhí)行幀處理，而不是等緩沖整個子幀之后再處理。幀結構還用來簡化和加速每子幀的快速調度請求。因此，5G 基帶所需的計算與 4G LTE 系統(tǒng)相比會顯著增加。

5G 有望支持靈活的幀結構，以適應不同用例和應用要求，例如數(shù)據(jù)包長度和端到端時延。有兩種子幀擴展方法正在考慮中，它們具有靈活的每子幀符號數(shù)量和可變的子幀長度。也可將兩種方法混合使用。兩種方法都支持多種傳輸類型（下行鏈路、上行鏈路和混合方式）。子幀持續(xù)時間和采樣率與基線 5G 數(shù)字論定義的一樣。靈活幀結構對物理 （PHY） 層實現(xiàn)有影響。逐符號看，F(xiàn)FT 長度和循環(huán)前綴可能不同。符號數(shù)量、每物理資源塊的 OFDM 子載波數(shù)量和 QAM 符號數(shù)量就每子幀而言可能會不同，具有可變的保護時段位置和長度。這會顯著增大 5G PHY 的實現(xiàn)復雜性。至少在最初幾年，構建 5G 系統(tǒng)最為得當?shù)姆椒☉撌抢每删幊?FPGA 和 SoC 隨標準演進來擴展和升級系統(tǒng)，并根據(jù)現(xiàn)場的性能測量結果改進和調整實現(xiàn)方案。

圖 1：一種準標準的基線 5G 幀結構

MIMO 技術非常適合厘米波 （3-30 GHz） 和毫米波 （30-300GHz） 頻率，這是價格便宜而且未充分利用的頻譜資源，有大量可用的連續(xù)波段。頻率越高，傳輸信號的傳播損耗越大。不過，更高頻率下能獲得很窄的筆形波束，可實現(xiàn)更大天線增益，以補償較高的傳播損耗。此外，隨著載波頻率增加，天線單元的尺寸會減小。因此，可以在更小的區(qū)域裝入更多天線單元。例如，包含 20 個單元的 2.6GHz 最先進天線大約是一米高。在 15GHz下，可以設計具有 200 個單元但只有 5cm 寬、20cm 高的天線。天線單元增多，意味著可以準確地將信號導向目標接收器。由于系統(tǒng)以很多這種波束形式將傳輸集中在特定方向上，因此覆蓋率和容量會大幅提高。

5G NR（新無線電）規(guī)范草案沒有指明所支持的 MIMO 層數(shù)量，不過很可能高達 32 至 64 層。5G 系統(tǒng)將支持在每個 TTI 期間對用戶資源分配進行快速重新配置，以實現(xiàn)更高頻譜利用率。當支持多個 MIMO 層時，這會進一步加大系統(tǒng)復雜性。圖 2 給出了 5G MIMO 系統(tǒng)中用戶資源分配實例。時分雙工 （TDD） 有助于緩解 5G Massive MIMO 的實現(xiàn)，其中信道狀態(tài)信息利用信道互易性來確定。該方案未考慮用戶端設備或終端中的非線性。需要指明的重要一點是，在 5G 基站實現(xiàn)方案中，終端需要記錄多個波束并定期請求基站進行資源分配，以便為上行數(shù)據(jù)傳輸分配最佳波束。當 UE 終端切換波束時，需要重新計算信道狀態(tài)信息。為了實現(xiàn)如此復雜的系統(tǒng)，務必要引入足夠的靈活性和可編程性，以便調整實現(xiàn)方案，針對不同終端實現(xiàn)所需的性能。

圖 2：基線 5G 系統(tǒng)中的 MIMO

對于 6GHz 以下的部署，5G 系統(tǒng)通常多達 64 個天線單元。6GHz 以上可有更多的天線單元數(shù)量。數(shù)字波束形成一般用在 6GHz 頻率以下的情況（在基帶中實現(xiàn)）；而結合了數(shù)字和模擬波束形成技術的混合方案則用于 6GHz 以上頻率。包含 64 個天線單元的 Massive MIMO 系統(tǒng)配置會顯著增加復雜性和成本，因為要支持 L1 基帶中數(shù)字波束形成所需的大量有源無線電信號鏈和預編碼計算。基帶處理信號鏈與遠端射頻單元之間的連接要求急劇增加。為了比較經濟地實現(xiàn)這些系統(tǒng)，有必要在無線電中集成 L1 基帶信號處理或其中的一部分。未來的這種功能劃分可能導致網絡節(jié)點中 L1-L2 與無線電功能處在相同位置。圖 3 介紹了 64 個天線單元的 Massive MIMO 在不同系統(tǒng)功能邊界上的連接要求，凸顯了 L1 與無線電共址的必要性。

圖 3：Massive MIMO 系統(tǒng)中的連接挑戰(zhàn)

5G 的范圍相當廣泛，而且整個業(yè)界又非?；钴S，提交了數(shù)百提案，因此使得商議時間大大延長。對所提議的算法和網絡配置進行仿真，這樣雖說不錯，但還不夠。概念驗證演示、現(xiàn)場試驗和測試臺對于這些提案的評估都非常關鍵。這使得一般的機構很難審核所有提議。此外，來自市場的壓力也非常巨大，要求更早地發(fā)布 5G 規(guī)范。有些運營商對于海量機器類通信（mMTC）和超高可靠低時延用例（URLLC）標準化的推出計劃延期感到不悅——預期在 2019 年末推出。3GPP 已針對數(shù)據(jù)選擇 LDPC，針對 eMBB 用例選擇極化碼。對于 mMTC 和 URLLC 用例，LDPC、極化碼和渦輪碼都在考慮之中，不過行業(yè)還要等待更長時間才能為這些用例做出結論。很多情況下，用戶終端以及 5G 基站有可能支持多種 5G 用例，這使得設計基帶編解碼器的難度加大、成本更高。

更復雜的是，運營商沒有明確 5G 用例如何進行商業(yè)化部署以及哪種會在市場部署方面走在最前面。固定無線接入（替換最后一英里光纖）和智能城市是兩個業(yè)界領先的用例。采用URLLC的垂直產業(yè)整合以及自動化運輸?shù)冗€需要更長時間才能從實驗室和有限現(xiàn)場試驗中走出來，實現(xiàn)更廣泛的市場應用。出于這些原因，5G 系統(tǒng)預計要具有足夠的靈活性和可編程性以精調系統(tǒng)功能和性能，從而在這些用例被采用后實現(xiàn)演進并適應市場現(xiàn)實。

賽靈思 All Programmable FPGA 和 SoC 在實現(xiàn) 5G 概念驗證、測試臺驗證以及 eMBB、URLLC 和 mMTC 用例的早期商業(yè)化試驗中起到關鍵作用。商用芯片尚未推出，ASIC 也無法在 5G 標準化階段早期實行。就基于賽靈思 All Programmable FPGA 和 SoC 的平臺而言，其關鍵價值在于系統(tǒng)可以動態(tài)調整以支持任意功能和增強型算法實現(xiàn)方案。廠商利用這些平臺運行現(xiàn)場試驗，以測量實際部署環(huán)境中的性能，從而優(yōu)化系統(tǒng)實現(xiàn)方案。第一波商用 5G 系統(tǒng)可能就要依賴這些最優(yōu)化系統(tǒng)。賽靈思 UltraScale? 和 UltraScale+? All Programmable FPGA 和 SoC 專門為滿足 5G 市場要求而設計。