商用在即，再聊5G新空口物理层
编者按：本文概述了支持eMBB和URLLC的关键5G目标应用所需的5G物理层及其实现。由于文章篇幅较长，如果没有时间耐心看完，可以直接请点击文末“阅读原文”下载《5G新空口物理层介绍》白皮书以备查阅。
提到5G，就能不说NR。5G NR，也就是5G新空口技术。所谓空口，指的是移动终端到基站之间的连接协议,是移动通信标准中一个至关重要的标准。我们都知道3G时代的空口核心技术是CDMA，4G的空口核心技术是OFDM。5G时代的应用将空前繁荣，不同应用对空口技术要求也是复杂多样的,因此最重要的当然是灵活性和应变能力，一个统一的空口必须能解决所有问题，灵活适配各种业务。
增强型移动宽带（eMBB）旨在显著改善移动宽带接入的数据速率、延迟、用户密度、容量和覆盖范围，即使在智能高速公路等较为拥挤的环境中，也能够实现AR/VR应用的实时数据流传输。超可靠的低延迟通信（URLLC）使用户和设备能够以最低延迟与其他设备进行双向通信，同时保证高网络 可用性。最后，大规模机器通信（mMTC）使得许多低成本、低功耗、长寿命的设备可以支持嵌入式 高速传感器、停车传感器和智能电表等应用。
图片来源：中商产业研究院
物理层设计注意事项
在5G NR物理层中发挥决定性作用的关键特性包括：支持广泛的工作频段，以及这些工作频段包含各种信道带宽和多个部署选项；为应用提供超低延迟服务，这需要关键性传输具有短子帧和抗短突发干扰功能；动态共享频谱以提供上行链路（UL）、下行链路（DL）、侧链路(Side Link)和回程链路；实现多天线技术（多输入、多输出或MIMO），以提高频谱效率；保持紧密的时间操作和更高效的频率使用，以实现更好的时分双工（TDD）和频分双工（FDD）部署；要求DL和UL对称，使得小型低成本的基站能够在毫米波频率下运行。
目前，业内研究人员正在积极致力于解决实现稳定可靠的5G网络所面临的挑战。
用于5G NR的波形
NR是个复杂的话题，因为它涉及一种基于正交频分复用(OFDM)的新无线标准。OFDM指的是一种“数字多载波调制方法”。随着3GPP采用这一标准之后，NR这一术语被沿用下来，正如用LTE(长期演进)描述4G无线标准一样。
5G无线电接入架构由LTE Evolution和New Radio Access Technology（新无线电接入技术，NR）组成，NR工作在1GHz到100GHz
OFDM指的是一种“数字多载波调制方法”，其中“使用大量间隔紧密的正交子载波信号在几个并行数据流或信道上传输数据”。NR需要使用LTE以外的新无线电接入技术（RAT，Radio Access Technology）——它必须足够灵活，以支持从小于6GHz到高达100GHz的毫米波（mmWave）频段的更宽范围的频带。
CP-OFDM：下行链路和上行链路
最近，研究人员一直在研究多种不同的多载波波形，并提出5G无线电接入方案。然而，由于正交频分复用（OFDM）方案非常适用于TDD操作和时延敏感的应用，加上该方案能够有效地处理大带宽 的信号，在商业应用上已有诸多成功案例，所以循环前缀（CP）OFDM成为首选为NR。 CP-OFDM的强大优势使其非常适合用于实现5G网络：高频谱效率、MIMO兼容、相位噪声抑制、收发器的简易性、定时误差和符号间干扰电阻。
DFT-S-OFDM：更高效率的上行链路
OFDM波形的主要缺点之一是峰值平均功率比（PAPR）较高，这会降低发射机上RF输出功率放大器的效率，无法最大程度地降低高阶非线性效应。对于智能手机等UE来说，最重要的两点是维持 电池寿命和降低能耗。在移动设备中，射频功率放大器负责将信号传输到基站，因而该器件消耗 的功率最大，因此系统设计人员需要一种波形类型，既可让放大器高效运行，同时又能够满足5G 应用的频谱需求。
而据华为研究人士表示，选择基于循环前缀的OFDM（CP-OFDM）波形可以实现比LTE更好的频谱约束（滤波或加窗）。下行链路（DL）和上行链路（UL）具有对称波形，并且对于UL具有互补DFT-OFDM，仅有一个数据流。
比较OFDM与目前的LTE，发现OFDM中具有更好的可扩展性可以实现低得多的延迟——其往返时间（RTT）比当今的LTE低一个数量级。OFDM具有自包含的TDD子帧设计，能够实现更快更灵活的TDD切换和换向，同时支持新的部署场景。
NR参考信号
为了提高协议效率，以及维持时隙或波束内的传输而不必依赖于其他时隙和波束，NR引入了以下四个主要参考信号，如解调参考信号（DMRS）、相位跟踪参考信号（PTRS）、探测参考信号（SRS） 、信道状态信息参考信号（CSI-RS）。与LTE标准通过不断交换参考信号来管理链路不同的是，NR发射机仅在必要时才发送这些参考信号。
MIMO
为了更高效地使用频谱并为更多用户提供服务，NR计划充分利用MU-MIMO技术。 MU-MIMO利用 多个用户之间不相关的分散空间位置来为MIMO增加多址（多用户）能力。在这种配置中，gNB将 CSI-RS发送给覆盖区域中的UE，并且基于每个UE设备的SRS响应，gNB会计算每个接收机的空间 位置。前往每个接收机的数据流会经过预编码的矩阵（W-Matrix），矩阵将数据符号组合成信号， 流向gNB天线阵列中每个元件。
多个数据流拥有各自独立且适当的权重，这些权重使每个数据流产生不同的相位偏移，使得波形之间相长干涉，并且同相到达接收机处。这将每个用户位置处的信号强度最大化，同时最大限度 减小其他接收机的方向上的信号强度（零值）。
用于5G的大规模MIMO
MIMO方法可再进一步演变为大规模MIMO。当系统的gNB天线比每个信令资源的UE设备数量高 出很多倍时，便可部署大规模MIMO配置。gNB天线的数量远高于UE设备时，频谱效率会大幅提 高。与现在的4G系统相比，这种条件使系统能够在同一频段内同时为更多的设备提供服务。 NI与三星等行业领先企业携手，继续通过其软件无线电平台和用于快速无线原型验证的灵活软件展示大规模MIMO系统的可行性。
目前，大规模MIMO的主要研究焦点是低于6GHz的频率。此范围的频谱非常稀缺，且价值非常高。 在这些频段中，大规模MIMO系统可以通过空间复用多个终端来显著提高频谱效率。 而大规模MIMO系统的另一个优势是可以为覆盖区域内的所有UE提供更好且更一致的服务。
用于5G的毫米波
当前，业内研究人员已将可用的毫米波波段作为下一个前沿研究领域，以满足未来需要庞大数据的无线应用需求。运行在28 GHz及以上的新型5G系统为更多信道提供更多可用频谱，这非常适用于数Gbps的链路。尽管这些频率相比6 GHz以下的频谱较不拥挤，但是却会受到不同传播效应的影响，例如更高的自由空间路径损耗和大气衰减、室内渗透力弱以及衍射效果差。 为了克服这些负面影响，毫米波天线阵列可以聚焦其波束并利用天线阵列增益。幸运的是，这些天 线阵列的尺寸随着工作频率的增加而减小，从而允许在与单个sub-6GHz元件相同的面积内容纳包 含更多元件的毫米波天线阵列。
通过模拟波束控制简化复杂性
大规模MU-MIMO系统需要比UE设备多得多的发射RF链路才能进行适当的空间复用。这与仅通过一个RF链馈送到多个天线的系统不同，在单RF链中，多个天线的相位通过类似的方式进行控制，以便聚焦和控制辐射方向。对于MU-MIMO目的，这样的系统可以归类为具有方向性可控制天线的单天线终端。
大规模MIMO系统的主要缺点之一是集成和部署大量RF链非常复杂性，而且成本高昂，特别是在毫米波频率下。研究人员已经提出了几种混合（数字和模拟）波束成形方案，以允许5G gNB在维持大量天线的同时，不断降低MU-MIMO的实现成本。
最后，我们刚才提到，在毫米波频率下，信道相干时间显着降低，这给移动应用带来了严格的限制。 研究人员需要继续研究在毫米波频率下改善UE移动性的新方法，但很可能第一次5G毫米波部署将用于固定无线接入应用，例如回程和侧链(Side Link)。
管理波束
使用毫米波波段的主要技术挑战之一是在超过20 GHz的频率，信号传播损耗非常高。实际上，这种损耗会减少可能的小区覆盖区域和范围。为了弥补这一缺陷，标准制定者采用基于天线阵列的波束形成技术，将RF能量聚焦到单个用户并提高信号增益。但是，UE不能再依靠毫米波gNB进行全向传输信号来建立初始连接。
NR标准针对UE采用了新的过程来建立与gNB的初始接入。在到达新小区覆盖区域时，UE无需识别波束的位置，而是忽略gNB当前正在发送的波束方向，便开始网络接入过程。 NR初始接入过程为UE建立与gNB的通信提供了一个有效的解决方案。它解决了盲目寻找gNB的 问题，不仅适用于毫米波运行，而且适用于低于6 GHz的全向通信。这意味着初始接入过程必须应用于单波束和多波束场景，此外还必须支持NR和LTE共存。
Bandwidth Part
在未来的5G应用中，由于不同频谱的可用性，大量设备和仪器将在不同的频段中运行。举个例子， 比如一个RF带宽有限的UE需要与可以使用载波聚合来填充整个信道的强大设备以及可以使用单 个RF链来覆盖整个信道的第三个设备一起工作。
尽管大带宽会直接提高用户可以体验到的数据速率，但这是需要付出代价的。当UE不需要高数据 速率时，大带宽会导致RF和基带处理资源被低效利用，这无疑是一种浪费。
为了解决这个问题，3GPP提出了一个新概念——bandwidth par（tBWP）：网络使用一个宽带载波来配置某个UE，并使用载波聚合独立地为其他UE分配一组带内连续分量载波。这允许具有不同功能的各种设备共享相同的宽带载波。 这种针对UE的不同RF性能进行调整的灵活网络操作是LTE无法实现的。
结论：LTE和5G NR PHY比较
5G NR优于当前LTE的一些基本技术特征： |
更高的频谱利用率 灵活的参数集（Numerology）和框架结构 动态管理TDD资源 通过增加信道带宽在毫米波频率下工作 |
总之，5G无线技术有望为全球更多的人群提供大量可靠、数据丰富且高度连接的应用。虽然部署可支持这一目标的基础设施以及开发下一代5G设备会面临着各种严峻的设计和测试挑战，但NI基于平台的无线技术设计、原型验证和测试方法将成为未来十年实现5G的关键。
编辑：芯智讯-夏天/浪客剑
由于篇幅有限，本文只是简单概述了支持eMBB和URLLC的关键5G目标应用所需的5G物理层及其实现。更多丰富内容，请点击“阅读原文”下载《5G新空口物理层介绍》白皮书。