CP-OFDM 能夠面向復(fù)雜程度較低的接收器延展

5G NR 植根于 4G LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）和 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)，是一種全新的射頻接口與射頻接入網(wǎng)絡(luò)。（“NR”，即“New Radio”，中文翻譯為“新空口”或“新射頻”。）5G NR 將成為 5G 通信系統(tǒng)的關(guān)鍵賦能技術(shù)。5G NR 利用當(dāng)前最佳的技術(shù)和手段，滿(mǎn)足各標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的 5G 要求。本章將講解 5G NR 的部分技術(shù)方面，以便您能理解那些背后的技術(shù)。

現(xiàn)在，您可能對(duì) 5G 已有基本認(rèn)識(shí)，下面讓我們?cè)偕钊胍恍?，了?5G 的支持技術(shù)。5G 的骨干技術(shù)如下：

頻譜技術(shù)

動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)

擴(kuò)展正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM），一種將更多數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼到多個(gè)載波頻率的方法

多入多出技術(shù)（MIMO），其中包括同時(shí)利用多個(gè)天線的技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)速度和減少誤差

波束賦形技術(shù)，將來(lái)自多個(gè)天線的射頻信號(hào)合并成一個(gè)指向特定設(shè)備或接收器的強(qiáng)信號(hào)

小蜂窩技術(shù)或網(wǎng)絡(luò)密致化技術(shù)，將多個(gè)蜂窩站點(diǎn)密集放置，以提高可用容量

另外，這些技術(shù)還將顯著強(qiáng)化現(xiàn)有的 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)靈活性、伸縮性和效率。其中部分技術(shù)（例如：動(dòng)態(tài)頻譜共享）已在前幾章講解。其他幾項(xiàng)技術(shù)對(duì)您來(lái)講也許是全新的。我們將在以下各節(jié)分別講解。

頻譜與動(dòng)態(tài)頻譜共享

我們?cè)谇懊娴奈恼轮刑岬?，為滿(mǎn)足增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）的需求（例如：1 Gbps 或以上的數(shù)據(jù)率速度，以及采納用戶(hù)設(shè)備所需的數(shù)據(jù)率），頻譜與動(dòng)態(tài)頻譜共享是兩項(xiàng)必需的技術(shù)。

相對(duì)于 4G LTE，5G 顯著提高了數(shù)據(jù)率。不過(guò)，5G 的大部分優(yōu)勢(shì)都源于新的 5G 頻帶所獲得的帶寬增強(qiáng)（如圖 1 所示）。只有少部分?jǐn)?shù)據(jù)吞吐量的提高是因?yàn)閷?shí)施了 5G NR 技術(shù)。如您所見(jiàn)，頻譜的增加給下行鏈路的數(shù)據(jù)率帶來(lái)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，而載波聚合與 5G NR 技術(shù)升級(jí)僅貢獻(xiàn) 19% 的增長(zhǎng)。

頻分復(fù)用（OFDM）

在 5G NR 開(kāi)發(fā)過(guò)程中，第一步是為 5G NR 設(shè)計(jì)物理層，其中波形是一個(gè)核心技術(shù)組成。在審查多個(gè)提案后，3GPP 選擇擴(kuò)展使用頻分復(fù)用技術(shù)，同時(shí)在上行鏈路和下行鏈路為 5G 添加循環(huán)前綴頻分復(fù)用（CP-OPDM）波型。

圖 1：4G LTE 與 5G NR 下載鏈路數(shù)據(jù)完善情況比較

CP-OFDM 技術(shù)利用多個(gè)平行窄帶子載波來(lái)傳輸信息，而不使用單個(gè)寬帶載波。該技術(shù)定義充分，已在 4G LTE 下行鏈路和Wi-Fi通信標(biāo)準(zhǔn)成功實(shí)施，因此也適合用于 5G NR 設(shè)計(jì)。

不過(guò)，5G NR 上行鏈路還提供了一種不同的波形格式，這種波形格式類(lèi)似 4G LTE 上行鏈路使用的波形模式?離散傅立葉變換擴(kuò)頻正交頻分復(fù)用（DFT-S-OFDM）波形。DFT-S-OFDM 波形是一種 4G 采用的波形，結(jié)合了循環(huán)前綴正交頻分復(fù)用和低峰均比（PAPR）的優(yōu)點(diǎn)。DFTS-OFDM 波形對(duì)上行鏈路有幫助，對(duì)于高功率的 2 級(jí)功率應(yīng)用或者當(dāng)用戶(hù)設(shè)備位于基站蜂窩的邊緣位置，遠(yuǎn)離信號(hào)塔時(shí)，DFT-S-OFDM 可能是首選波形。

在靈活性上，5G NR 提供的子載波間隔方案還超越了 LET 提供的固定 15 kHz 子載波間隔。5G NR 提供的子載波間隔包括 FR2，最大間隔達(dá)到 240 kHz。靈活的載波間隔可用于適當(dāng)支持 5G NR 所需的多元化頻帶、頻譜類(lèi)型及部署模式。

DFT-S-OFDM 非常類(lèi)似于 LTE 上行鏈路使用的單頻分復(fù)用接入（SCFDMA），CP-OFDM 非常類(lèi)似于 LTE 下行鏈路使用的正交頻分復(fù)用接入（OFDMA）。3GPP 之所以選擇 CP-OFDM，原因如下：

CP-OFDM 能夠面向復(fù)雜程度較低的接收器延展。

在一些最重要的 5G 性能指標(biāo)上（例如：與多天線技術(shù)的兼容性），CP-OFDM 排名最高。

CP-OFDM 的時(shí)域控制良好，這一點(diǎn)對(duì)于低延時(shí)關(guān)鍵應(yīng)用和時(shí)分雙工（TDD）部署具有重要意義。

5G MIMO與大規(guī)模MIMO

大規(guī)模 MIMO 技術(shù)是 MIMO 技術(shù)的擴(kuò)展。MIMO 技術(shù)有效地、重復(fù)地利用同一帶寬，以便傳輸更多數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜更加高效的利用。

今天許多 LTE MIMO 基站都最多由八根天線組成，接收器上有一到二根天線。這使得基站能夠同時(shí)向 8 名用戶(hù)分別發(fā)送 8 條數(shù)據(jù)流；如果合二為一，則能夠同時(shí)向 4 名用戶(hù)分別發(fā)送2條數(shù)據(jù)流。

隨著 4G 向大規(guī)模 MIMO 的轉(zhuǎn)移，天線數(shù)量出現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)?多達(dá) 16 根、32 根、64 根、128 根，甚至更多。這些天線的集合被稱(chēng)為“天線陣列系統(tǒng)”（AAS）。這有助于通過(guò)波束賦形技術(shù)，將能量集中到較小的空間區(qū)域（參見(jiàn)下節(jié)），以極大改善吞吐量和輻射能量效率。

大規(guī)模 MIMO 有助于：

防止在非理想方向上傳輸數(shù)據(jù)，減輕干涉

減少延時(shí)，從而提高速度和可靠性

減少通知和連接的衰落與掉線

同時(shí)服務(wù)大規(guī)模用戶(hù)群

推出二維波束賦形

大規(guī)模 MIMO 不僅能夠增加蜂窩容量和蜂窩效率，還能利用銳利天線波束方向圖（由多個(gè)天線元素組成）平行發(fā)送和接收射頻信號(hào)。在采用大規(guī)模 MIMO 技術(shù)的基站，每條數(shù)據(jù)流都有獨(dú)特的輻射方向圖，因此不會(huì)相互干涉。每條數(shù)據(jù)流的信號(hào)強(qiáng)度都按照目標(biāo)用戶(hù)設(shè)備的方向傳送；在其他用戶(hù)設(shè)備的方向，信號(hào)強(qiáng)度則被減少，以降低干涉。

波束賦形

波束賦形技術(shù)對(duì)天線陣列中的單根天線的量級(jí)和相位進(jìn)行適當(dāng)加權(quán)，利用多根天線來(lái)控制波形的傳送方向，為 5G 帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì)。由于波束賦形技術(shù)是大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)使用的一項(xiàng)技術(shù)，因此有時(shí)“波束賦形”與“大規(guī)模 MIMO”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)可以互換使用。

波束賦形技術(shù)被用于毫米波頻譜，基本頻率在 24 GHz 以上。該頻譜使用的是 200 至 400 MHz 的寬信道帶寬，因此提供了超高的數(shù)據(jù)傳輸速度。承運(yùn)商將使用該技術(shù)部署 5G 固定無(wú)線接入服務(wù)（FWA），作為“最后一英里”連接解決方案，為家庭和企業(yè)提供高速連接。

固定無(wú)線接入毫米波有一個(gè)缺點(diǎn)：雨、植物或建筑物等，都可能造成毫米波信號(hào)衰減（即：信號(hào)強(qiáng)度損失）。在這些情況下，有時(shí)候難以保持用戶(hù)設(shè)備處于視距范圍，因此會(huì)造成信號(hào)延遲、衰減以及到達(dá)信號(hào)發(fā)生變化。不過(guò)，波束賦形技術(shù)有助于減少這些負(fù)面效果，如下圖所示。通過(guò)利用大規(guī)模 MIMO 和波束賦形技術(shù)帶來(lái)的多條路徑，即使在視距受限的情況下，也可以對(duì)天線元素與用戶(hù)設(shè)備之間的空間信道進(jìn)行定性及數(shù)字化編碼和解碼，從而有助于減少信號(hào)損失。

圖 2：大規(guī)模 MIMO 與波束賦形

圖 2 所示的大規(guī)模 MIMO 波束賦形基站技術(shù)被部署在城鎮(zhèn)等人口稠密地區(qū)。

網(wǎng)絡(luò)密致化

今天，無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)包含眾多元素，有大蜂窩基站、地鐵蜂窩基站，還有室內(nèi)外分布式天線系統(tǒng)和小蜂窩基站。這些元素在異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）環(huán)境下共同工作，如下圖所示。

圖 3：無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)與小蜂窩基站集成

所謂“密致化”，是一種通過(guò)增強(qiáng)蜂窩站點(diǎn)，提高可用蜂窩容量的技術(shù)。這種蜂窩可以是微蜂窩或小蜂窩，以應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量緊張的區(qū)域。另外，這些蜂窩還可以分擔(dān)周邊大基站和微基站的通信流量。

小蜂窩基站是一種將蜂窩基站拆分成更小型群組的迷你基站。另外，還可根據(jù)覆蓋面積的大小，細(xì)分為皮蜂窩基站、微蜂窩基站和飛蜂窩基站，并且這些基站既可以設(shè)在室內(nèi)，也可以設(shè)在室外（參見(jiàn)表 1）。

表 1：基站類(lèi)型

據(jù)管道通向網(wǎng)絡(luò)。小蜂窩基站則將這條管道拆分成覆蓋一定區(qū)域的多條小型管道。小蜂窩基站的主要目標(biāo)是提高大蜂窩基站的邊緣數(shù)據(jù)容量或者覆蓋大蜂窩不能覆蓋的區(qū)域（覆蓋不良），最終目標(biāo)是完善數(shù)據(jù)、速度和網(wǎng)絡(luò)效率。圖 4 所示為小蜂窩集成網(wǎng)絡(luò)。

圖 4：小蜂窩集成網(wǎng)絡(luò)

小蜂窩：

提高數(shù)據(jù)容量，尤其是高端購(gòu)物區(qū)或城市中心區(qū)等高度稠密的區(qū)域。

消除了高成本的屋頂系統(tǒng)和設(shè)備或租用成本。

提高了手機(jī)性能。

在討論密致化與小蜂窩基站時(shí)，我們需要考慮到物聯(lián)網(wǎng)——物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用多種無(wú)線技術(shù)進(jìn)行連接。小蜂窩基站的實(shí)施以及眾多設(shè)備的互聯(lián)，將構(gòu)成大規(guī)模、超可靠、低延時(shí)機(jī)器類(lèi)通信（MTC）的一個(gè)關(guān)鍵方面。物聯(lián)網(wǎng)的傳輸類(lèi)型大致分為以下四種：

有線傳輸

中短距離無(wú)線傳輸（從藍(lán)牙到網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) Wi-Fi、ZigBee）

長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸（4G LTE 和 5G 蜂窩），低功率廣域網(wǎng)（LPWAN）

衛(wèi)星傳輸

5G 將可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)，大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)能夠支持?jǐn)?shù)百億個(gè)設(shè)備、物品和機(jī)器，并且這些設(shè)備都需要連接無(wú)處不在。這些設(shè)備可以是移動(dòng)設(shè)備、漫游設(shè)備，還可以是固定設(shè)備。

5G NR 頻譜載波聚合

“載波聚合”是一種將兩個(gè)以上載波合并成一條數(shù)據(jù)信道，以增加數(shù)據(jù)容量的技術(shù)。通過(guò)利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)頻譜，載波聚合技術(shù)讓運(yùn)營(yíng)商能夠提供更高的上行鏈路和下行鏈路數(shù)據(jù)率，因此能夠提高網(wǎng)絡(luò)性能和確保高質(zhì)量用戶(hù)體驗(yàn)。載波聚合為 4G 提高用戶(hù)數(shù)據(jù)吞吐量做出重要貢獻(xiàn)，并且還將在 5G 起到同樣重要的作用。為了增加容量，全球運(yùn)營(yíng)商都在積極地添加載波聚合頻帶和功能（例如：MIMO），如表 2 所示。

我們?cè)谥暗奈恼绿岬?，相關(guān)命名慣例因?yàn)?5G 頻帶而發(fā)生改變。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 命名則使用字母“B”指代“頻帶”。5G NR 使用的 LTE 頻帶仍將使用相同的頻帶編號(hào)，只是增加了 n 標(biāo)識(shí)符。

表 2：全球載波聚合頻帶與功能

波頻率提供高達(dá) 700 MHz 的信道帶寬。在 7 GHz 以下頻帶，可以利用 4 條 100 Mhz 信道，實(shí)現(xiàn) 400 MHz 瞬時(shí)帶寬。

在頻分雙工（FDD）或時(shí)分雙工（TDD）條件下，每條分量載波能夠獲得 1.4 Mhz、3 Mhz、5 Mhz、10 Mhz、15 MHz 或 20 MHz 帶寬。因此，如果有 5 條 20 MHz 分量載波，那么利用載波聚合，最高可以實(shí)現(xiàn) 100 MHz 帶寬。在時(shí)分雙工條件下，分量載波的帶寬和數(shù)量必須在上下行鏈路保持相同。4G LTE-Advanced Pro 能夠提供最高 100 MHz 帶寬，支持 32 條分量載波，因此最高帶寬可以達(dá)到 640 MHz。在 5G NR 條件下，還有另外一個(gè)載波聚合方案，該方案被稱(chēng)為“雙重連接”，該方案能夠聚合 4G LTE 和 5G NR 頻帶。
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