五大無線技術發明問世 5G NR布建加速邁進

　　目前已看到無線技術領域許多變化和令人贊嘆的創新，但沒有什么能和5G行動網絡出現的根本性轉變相提并論。 過去數年來，芯片商持續致力于設計出一個統一的5G新無線電，它將極大化拓展行動網絡與設備的能力和效率。

　　早在2016年3月，3GPP就已經著手5G新無線電(5G NR)的標準化工作。 此一主要目的在于，開發一個統一的、更強大的無線空中接口。 而2017年12月中時，在葡萄牙里斯本的3GPP全體會議上，3GPP成功完成了首個5G NR規范，這可以說是在2019年實現5G NR商用布建之路上，一個重要的業界里程碑。

　　首個5G NR規范不僅支持開始于2019年的增強型行動寬帶的布建，同時也為擴展5G網絡至幾乎所有產業、所有物體，以及所有連接打下了基礎。 那么，哪些無線技術定義了首個5G NR規范呢?

　　5G NR規范釋出 芯片商積極布局

　　5G NR必須滿足不斷擴展以及極端多變的連接和布建類型的要求。 5G NR還需要充分利用每一段頻譜，這些頻譜具有不同的頻譜使用監管方式，分布在不同的頻段，不論是從1GHz以下低頻段，或是到1GHz至10GHz中頻段，以及稱為毫米波的24GHz以上的高頻段。 因此，沒有一種技術可以單獨定義5G;相反地，5G將從諸多截然不同的技術創新中被構建。

　　在5G NR規范釋出之后，芯片商和電信營運商也開始積極布局此一市場。 以高通(Qualcomm)為例，該公司多年來持續開發5G基礎技術，并且發明全新的5G技術以推動，甚至是重塑無線的邊界;致力推動其先進系統設計和無線技術從理論到設計、標準化、實現，以及最終商用的進程，以實現5G愿景(圖1)。

　　圖1 5個定義5G NR的無線發明

　　運用可擴展OFDM參數配置增進子載波間隔

　　5G NR設計中最重要的決定之一，是選擇無線波形和多址接入技術。 在已經評估并且將繼續評估多種方式的同時，高通透過廣泛研究(在2015年11月所發布的高通研究部報告中)發現，正交分頻多任務(OFDM)體系，具體來說包括循環前綴正交分頻多任務(CP-OFDM)和離散傅立葉變換擴頻正交分頻多任務 (DFT-S OFDM)，是針對5G增強型行動寬帶(eMBB)和更多其他場景的正確選擇。

　　由于現在OFDM已被使用，或許產業界會問「下一步的創新之路在哪里? 」5G NR的一個關鍵創新之處就是可擴展的OFDM復頻參數配置(圖2)。 現今，LTE支持最多20MHz的載波帶寬，其中OFDMtone(通常稱為子載波)之間的間隔幾乎是固定的15kHz。

　　圖2 可擴展OFDM多載波參數

　　因此，在5G NR中，高通導入了可擴展的OFDM參數配置，從而支持多種頻譜頻段/類型和布建模式。 例如，5G NR必須能夠在有更大頻道寬度(例如數百MHz)的毫米波頻段上工作。

　　此外，3GPP 5G NR Rel-15規范中將利用可擴展OFDM參數配置，實現子載波間隔能隨頻道寬度以2的n次方擴展。 如此一來，在更大帶寬的系統當中，FFT點數大小也隨之擴展，而不會增加處理的復雜性。

　　自包含時隙結構實現彈性框架

　　5G NR設計的另一個關鍵技術是彈性的基于時隙的框架，以支持電信營運商在相同頻率上高效復用已構想的(和無法預料的)5G業務。 實現該靈活、彈性框架的關鍵技術發明就是5G NR自包含時隙結構。

　　在新的自包含時隙結構中(以圖3中的TDD為例)，每個5G NR傳輸都是模塊化處理，具備獨立譯碼的能力，避免了跨時隙的靜態時序關系。 透過在時域和頻域內對傳輸進行限定，該彈性設計簡化了在未來增加新的5G NR特性/服務，這比之前幾代行動通訊具有更好的向下兼容性。

　　圖3 5G NR TDD自包含時隙結構的優勢

　　得益于上傳/下載(UL/DL)快速轉換和可擴展時隙長度，例如子載波間隔為30kHz隔時時隙長度為500μs，而子載波間隔為120kHz時時隙長度則為125μs，和LTE相比，5G NR自包含時隙結構還帶來顯著更低的時延。

　　該時隙結構框架在同一個時隙中包含上/下行調度，數據和確認。 除更低延遲之外，該模塊化時隙結構設計還支持自適應TDD UL/DL配置、先進基于信道互易性的天線技術，例如基于快速上傳探測的下載大規模MIMO導向，以及透過增加子幀支持其他使用場景。 這些都讓該項發明成為滿足許多5G NR需求的關鍵技術，它也是3GPP 5G NR規范的一部分。

　　先進ME-LDPC/CA-Polar頻道編碼滿足多元應用場景

　　連同可擴展參數配置和靈活的5G NR服務框架，物理層設計應包括可提供穩健性能和靈活性的高效信道編碼方案。

　　盡管Turbo碼一直非常適合3G和4G，但高通研究部已經證明，從復雜性和實現角度來看，當擴展到極高吞吐量和更大編碼塊長度(Block Lengths)時，低密度同位碼(LDPC)，尤其是ME-LDPC，更具優勢，如圖4所示。 因此，3GPP 5G NR Rel-15規范將利用ME-LDPC作為增強型行動寬帶數據頻道的編碼方式。

　　圖4 ME-LDPC編碼下吞吐量的變化

　　此外，3GPP選擇Polar頻道編碼作為增強型行動寬帶控制頻道的編碼方式;而高通的CRC-Aided Polar(CA-Polar)頻道編碼，可帶來性能增益，因此它被應用在多種5G NR控制應用場景中。

　　大規模MIMO提升容量/覆蓋率

　　MIMO天線技術的發展也是5G設計重點。 透過智能地使用更多天線，可以提升網絡容量和覆蓋率。 也就是說，更多空間數據串流可以顯著提高頻譜效率(例如借助多用戶大規模MIMO)，支持在每赫茲(Hz)上傳輸更多位(bit)。

　　同時，智能波束成形技術還可以通過在下載鏈路的特定方向聚焦射頻能量來擴展基地臺的覆蓋范圍;相應地，在上傳鏈路上，基地臺在特定方向接收，可以減少的噪音和干擾。

　　5G NR大規模MIMO技術將利用基地臺端的2D天線數組完成3D波束成型，從而利用中頻段頻譜中更高的頻段。 然而，對于充分利用3D波束成形，準確和實時的信道知識是必不可少的。

　　對此，針對快速基于信道互易性的TDD大規模MIMO，5G NR規范的一部分進行設計優化，將利用自包含時隙結構和增強的參考訊號，以支持更快速和更準確的信道回饋。

　　此一測試結果顯示，將現有的大型蜂巢式基地臺(例如在2GHz頻段)重新用于在3GHz至5GHz中頻段工作的全新5G NR布建是可行的。 全新多用戶大規模MIMO設計的這些測試結果顯示，容量和基地臺邊緣用戶吞吐量(如圖5)顯著提升，這對提供更統一的5G行動寬帶用戶體驗至為關鍵。

　　圖5 5G NR大規模MIMO仿真

　　行動毫米波布局腳步加快

　　上述的5G NR設計不僅實現了中頻段頻譜中更高頻率的在大型/小型基地臺布建中的應用，同時也開啟頻譜中超過24GHz的毫米波用于行動寬帶的機會。

　　這些高頻段有豐富的可用頻譜資源，支持極速數據速率和容量，這將重塑行動體驗。 然而，增加的傳播損耗，易受障礙物影響(如頭、手、身體、樹葉、建筑)，以及射頻電路的復雜性和功效，都讓這些高頻段一直以來沒有用于行動通訊。 不過，現在，5G NR毫米波正改變這一切。

　　為了使毫米波用于行動寬帶通訊系統，我們已經在關鍵設計元素中鉆研多年，證明其可行性。 如在2017年的世界行動通訊大會上所展示的，高通研究部5G毫米波原型系統在基地臺和設備中使用了大量的天線元，配合智能/快速波束成形和波束追蹤算法，展示了用于非視距通訊和設備行動場景下可持續的寬帶通訊(圖6)。 我們相信可以實現行動產業的下一個里程碑，在2019年讓5G NR毫米波在行動網絡和行動設備中(包括智能型手機)商用。

　　圖6 工作在28GHz頻段的高通研究部5G毫米波原型系統

　　眾多技術發明驅動5G NR創新應用

　　3GPP Release-15 5G NR規范將為增強型行動寬帶及更多應用搭建基礎，而5G技術藍圖才剛剛開始。 芯片商已經著手多項全新的技術發明，這些發明將驅動未來變革和5G NR網絡和設備的擴展，引領全新的技術如，5G NR頻譜共享，解鎖更多頻譜并支持全新的布建類型;5G NR超可靠、低時延通訊支持全新的關鍵任務服務;5G NR蜂巢式車聯網(C-V2X)賦予自動駕駛新的能力;5G NR整合化接入和回程(IAB)減少回程花費，作為更高效的網絡密集化手段;5G NR海量物聯網帶來低功耗，覆蓋更廣的物聯網。