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科普丨深入了解 5G NR

奔跑的蜗牛 发布于 2020-06-16 15:20:26 浏览 346 点赞 1 收藏 0

5G NR 植根于 4G LTE(长期演进)和 Wi-Fi 标准,是一种全新的射频接口与射频接入网络。(“NR”,即“New Radio”,中文翻译为“新空口”或“新射频”。)5G NR 将成为 5G 通信系统的关键赋能技术。5G NR 利用当前最佳的技术和手段,满足各标准化组织提出的 5G 要求。本章将讲解 5G NR 的部分技术方面,以便您能理解那些背后的技术。

现在,您可能对 5G 已有基本认识,下面让我们再深入一些,了解 5G 的支持技术。5G 的骨干技术如下:

  • 频谱技术
  • 动态频谱共享技术
  • 扩展正交频分复用技术(OFDM),一种将更多数字数据编码到多个载波频率的方法
  • 多入多出技术(MIMO),其中包括同时利用多个天线的技术,以提高数据速度和减少误差
  • 波束赋形技术,将来自多个天线的射频信号合并成一个指向特定设备或接收器的强信号
  • 小蜂窝技术或网络密致化技术,将多个蜂窝站点密集放置,以提高可用容量

另外,这些技术还将显著强化现有的 4G LTE 网络,提高网络灵活性、伸缩性和效率。其中部分技术(例如:动态频谱共享)已在前几章讲解。其他几项技术对您来讲也许是全新的。我们将在以下各节分别讲解。

频谱与动态频谱共享

我们在前面的文章中提到,为满足增强型移动宽带(eMBB)的需求(例如:1 Gbps 或以上的数据率速度,以及采纳用户设备所需的数据率),频谱与动态频谱共享是两项必需的技术。

相对于 4G LTE,5G 显著提高了数据率。不过,5G 的大部分优势都源于新的 5G 频带所获得的带宽增强(如图 1 所示)。只有少部分数据吞吐量的提高是因为实施了 5G NR 技术。如您所见,频谱的增加给下行链路的数据率带来指数级增长,而载波聚合与 5G NR 技术升级仅贡献 19% 的增长。

频分复用(OFDM)

在 5G NR 开发过程中,第一步是为 5G NR 设计物理层,其中波形是一个核心技术组成。在审查多个提案后,3GPP 选择扩展使用频分复用技术,同时在上行链路和下行链路为 5G 添加循环前缀频分复用(CP-OPDM)波型。


图 1:4G LTE 与 5G NR 下载链路数据完善情况比较
CP-OFDM 技术利用多个平行窄带子载波来传输信息,而不使用单个宽带载波。该技术定义充分,已在 4G LTE 下行链路和Wi-Fi通信标准成功实施,因此也适合用于 5G NR 设计。

不过,5G NR 上行链路还提供了一种不同的波形格式,这种波形格式类似 4G LTE 上行链路使用的波形模式⸺离散傅立叶变换扩频正交频分复用(DFT-S-OFDM)波形。DFT-S-OFDM 波形是一种 4G 采用的波形,结合了循环前缀正交频分复用和低峰均比(PAPR)的优点。DFTS-OFDM 波形对上行链路有帮助,对于高功率的 2 级功率应用或者当用户设备位于基站蜂窝的边缘位置,远离信号塔时,DFT-S-OFDM 可能是首选波形。

在灵活性上,5G NR 提供的子载波间隔方案还超越了 LET 提供的固定 15 kHz 子载波间隔。5G NR 提供的子载波间隔包括 FR2,最大间隔达到 240 kHz。灵活的载波间隔可用于适当支持 5G NR 所需的多元化频带、频谱类型及部署模式。

DFT-S-OFDM 非常类似于 LTE 上行链路使用的单频分复用接入(SCFDMA),CP-OFDM 非常类似于 LTE 下行链路使用的正交频分复用接入(OFDMA)。3GPP 之所以选择 CP-OFDM,原因如下:

  • CP-OFDM 能够面向复杂程度较低的接收器延展。
  • 在一些最重要的 5G 性能指标上(例如:与多天线技术的兼容性),CP-OFDM 排名最高。
  • CP-OFDM 的时域控制良好,这一点对于低延时关键应用和时分双工(TDD)部署具有重要意义。

5G MIMO与大规模MIMO

大规模 MIMO 技术是 MIMO 技术的扩展。MIMO 技术有效地、重复地利用同一带宽,以便传输更多数据,实现对频谱更加高效的利用。

今天许多 LTE MIMO 基站都最多由八根天线组成,接收器上有一到二根天线。这使得基站能够同时向 8 名用户分别发送 8 条数据流;如果合二为一,则能够同时向 4 名用户分别发送2条数据流。

随着 4G 向大规模 MIMO 的转移,天线数量出现指数增长⸺多达 16 根、32 根、64 根、128 根,甚至更多。这些天线的集合被称为“天线阵列系统”(AAS)。这有助于通过波束赋形技术,将能量集中到较小的空间区域(参见下节),以极大改善吞吐量和辐射能量效率。

大规模 MIMO 有助于:

  • 防止在非理想方向上传输数据,减轻干涉
  • 减少延时,从而提高速度和可靠性
  • 减少通知和连接的衰落与掉线
  • 同时服务大规模用户群
  • 推出二维波束赋形

大规模 MIMO 不仅能够增加蜂窝容量和蜂窝效率,还能利用锐利天线波束方向图(由多个天线元素组成)平行发送和接收射频信号。在采用大规模 MIMO 技术的基站,每条数据流都有独特的辐射方向图,因此不会相互干涉。每条数据流的信号强度都按照目标用户设备的方向传送;在其他用户设备的方向,信号强度则被减少,以降低干涉。

波束赋形

波束赋形技术对天线阵列中的单根天线的量级和相位进行适当加权,利用多根天线来控制波形的传送方向,为 5G 带来显著优势。由于波束赋形技术是大规模 MIMO 系统使用的一项技术,因此有时“波束赋形”与“大规模 MIMO”这两个术语可以互换使用。

波束赋形技术被用于毫米波频谱,基本频率在 24 GHz 以上。该频谱使用的是 200 至 400 MHz 的宽信道带宽,因此提供了超高的数据传输速度。承运商将使用该技术部署 5G 固定无线接入服务(FWA),作为“最后一英里”连接解决方案,为家庭和企业提供高速连接。

固定无线接入毫米波有一个缺点:雨、植物或建筑物等,都可能造成毫米波信号衰减(即:信号强度损失)。在这些情况下,有时候难以保持用户设备处于视距范围,因此会造成信号延迟、衰减以及到达信号发生变化。不过,波束赋形技术有助于减少这些负面效果,如下图所示。通过利用大规模 MIMO 和波束赋形技术带来的多条路径,即使在视距受限的情况下,也可以对天线元素与用户设备之间的空间信道进行定性及数字化编码和解码,从而有助于减少信号损失。


图 2:大规模 MIMO 与波束赋形
图 2 所示的大规模 MIMO 波束赋形基站技术被部署在城镇等人口稠密地区。

网络密致化

今天,无线基础设施网络包含众多元素,有大蜂窝基站、地铁蜂窝基站,还有室内外分布式天线系统和小蜂窝基站。这些元素在异质网络(HetNet)环境下共同工作,如下图所示。

图 3:无线基础设施异质网络与小蜂窝基站集成

所谓“密致化”,是一种通过增强蜂窝站点,提高可用蜂窝容量的技术。这种蜂窝可以是微蜂窝或小蜂窝,以应对网络容量紧张的区域。另外,这些蜂窝还可以分担周边大基站和微基站的通信流量。

小蜂窝基站是一种将蜂窝基站拆分成更小型群组的迷你基站。另外,还可根据覆盖面积的大小,细分为皮蜂窝基站、微蜂窝基站和飞蜂窝基站,并且这些基站既可以设在室内,也可以设在室外(参见表 1)。

表 1:基站类型

据管道通向网络。小蜂窝基站则将这条管道拆分成覆盖一定区域的多条小型管道。小蜂窝基站的主要目标是提高大蜂窝基站的边缘数据容量或者覆盖大蜂窝不能覆盖的区域(覆盖不良),最终目标是完善数据、速度和网络效率。图 4 所示为小蜂窝集成网络。


图 4:小蜂窝集成网络
小蜂窝:

  • 提高数据容量,尤其是高端购物区或城市中心区等高度稠密的区域。
  • 消除了高成本的屋顶系统和设备或租用成本。
  • 提高了手机性能。

在讨论密致化与小蜂窝基站时,我们需要考虑到物联网——物联网设备使用多种无线技术进行连接。小蜂窝基站的实施以及众多设备的互联,将构成大规模、超可靠、低延时机器类通信(MTC)的一个关键方面。物联网的传输类型大致分为以下四种:

  • 有线传输
  • 中短距离无线传输(从蓝牙到网状网络 Wi-Fi、ZigBee)
  • 长距离无线传输(4G LTE 和 5G 蜂窝),低功率广域网(LPWAN)
  • 卫星传输

5G 将可实现大规模物联网,大规模物联网能够支持数百亿个设备、物品和机器,并且这些设备都需要连接无处不在。这些设备可以是移动设备、漫游设备,还可以是固定设备。

5G NR 频谱载波聚合

“载波聚合”是一种将两个以上载波合并成一条数据信道,以增加数据容量的技术。通过利用现有网络频谱,载波聚合技术让运营商能够提供更高的上行链路和下行链路数据率,因此能够提高网络性能和确保高质量用户体验。载波聚合为 4G 提高用户数据吞吐量做出重要贡献,并且还将在 5G 起到同样重要的作用。为了增加容量,全球运营商都在积极地添加载波聚合频带和功能(例如:MIMO),如表 2 所示。

我们在之前的文章提到,相关命名惯例因为 5G 频带而发生改变。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 命名则使用字母“B”指代“频带”。5G NR 使用的 LTE 频带仍将使用相同的频带编号,只是增加了 n 标识符。

表 2:全球载波聚合频带与功能

波频率提供高达 700 MHz 的信道带宽。在 7 GHz 以下频带,可以利用 4 条 100 Mhz 信道,实现 400 MHz 瞬时带宽。

在频分双工(FDD)或时分双工(TDD)条件下,每条分量载波能够获得 1.4 Mhz、3 Mhz、5 Mhz、10 Mhz、15 MHz 或 20 MHz 带宽。因此,如果有 5 条 20 MHz 分量载波,那么利用载波聚合,最高可以实现 100 MHz 带宽。在时分双工条件下,分量载波的带宽和数量必须在上下行链路保持相同。4G LTE-Advanced Pro 能够提供最高 100 MHz 带宽,支持 32 条分量载波,因此最高带宽可以达到 640 MHz。在 5G NR 条件下,还有另外一个载波聚合方案,该方案被称为“双重连接”,该方案能够聚合 4G LTE 和 5G NR 频带。

注:本文出自公众号【Qorvo半导体】,版权归原作者所有。

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