5G商用在即，5G新空口物理層

提到5G，就能不說NR。5G NR，也就是5G新空口技術。所謂空口，指的是移動終端到基站之間的連接協(xié)議，是移動通信標準中一個至關重要的標準。我們都知道3G時代的空口核心技術是CDMA，4G的空口核心技術是OFDM。5G時代的應用將空前繁榮，不同應用對空口技術要求也是復雜多樣的，因此最重要的當然是靈活性和應變能力，一個統(tǒng)一的空口必須能解決所有問題，靈活適配各種業(yè)務。

增強型移動寬帶（eMBB）旨在顯著改善移動寬帶接入的數(shù)據(jù)速率、延遲、用戶密度、容量和覆蓋范圍，即使在智能高速公路等較為擁擠的環(huán)境中，也能夠實現(xiàn)AR／VR應用的實時數(shù)據(jù)流傳輸。超可靠的低延遲通信（URLLC）使用戶和設備能夠以最低延遲與其他設備進行雙向通信，同時保證高網(wǎng)絡 可用性。最后，大規(guī)模機器通信（mMTC）使得許多低成本、低功耗、長壽命的設備可以支持嵌入式 高速傳感器、停車傳感器和智能電表等應用。

物理層設計注意事項

在5G NR物理層中發(fā)揮決定性作用的關鍵特性包括：支持廣泛的工作頻段，以及這些工作頻段包含各種信道帶寬和多個部署選項；為應用提供超低延遲服務，這需要關鍵性傳輸具有短子幀和抗短突發(fā)干擾功能；動態(tài)共享頻譜以提供上行鏈路（UL）、下行鏈路（DL）、側鏈路（Side Link）和回程鏈路；實現(xiàn)多天線技術（多輸入、多輸出或MIMO），以提高頻譜效率；保持緊密的時間操作和更高效的頻率使用，以實現(xiàn)更好的時分雙工（TDD）和頻分雙工（FDD）部署；要求DL和UL對稱，使得小型低成本的基站能夠在毫米波頻率下運行。

目前，業(yè)內研究人員正在積極致力于解決實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的5G網(wǎng)絡所面臨的挑戰(zhàn)。

用于5G NR的波形

NR是個復雜的話題，因為它涉及一種基于正交頻分復用（OFDM）的新無線標準。OFDM指的是一種“數(shù)字多載波調制方法”。隨著3GPP采用這一標準之后，NR這一術語被沿用下來，正如用LTE（長期演進）描述4G無線標準一樣。

5G無線電接入架構由LTE Evolution和New Radio Access Technology（新無線電接入技術，NR）組成，NR工作在1GHz到100GHz

OFDM指的是一種“數(shù)字多載波調制方法”，其中“使用大量間隔緊密的正交子載波信號在幾個并行數(shù)據(jù)流或信道上傳輸數(shù)據(jù)”。NR需要使用LTE以外的新無線電接入技術（RAT，Radio Access Technology）——它必須足夠靈活，以支持從小于6GHz到高達100GHz的毫米波（mmWave）頻段的更寬范圍的頻帶。

CP－OFDM：下行鏈路和上行鏈路

最近，研究人員一直在研究多種不同的多載波波形，并提出5G無線電接入方案。然而，由于正交頻分復用（OFDM）方案非常適用于TDD操作和時延敏感的應用，加上該方案能夠有效地處理大帶寬 的信號，在商業(yè)應用上已有諸多成功案例，所以循環(huán)前綴（CP）OFDM成為首選為NR。 CP－OFDM的強大優(yōu)勢使其非常適合用于實現(xiàn)5G網(wǎng)絡：高頻譜效率、MIMO兼容、相位噪聲抑制、收發(fā)器的簡易性、定時誤差和符號間干擾電阻。

DFT－S－OFDM：更高效率的上行鏈路

OFDM波形的主要缺點之一是峰值平均功率比（PAPR）較高，這會降低發(fā)射機上RF輸出功率放大器的效率，無法最大程度地降低高階非線性效應。對于智能手機等UE來說，最重要的兩點是維持 電池壽命和降低能耗。在移動設備中，射頻功率放大器負責將信號傳輸?shù)交荆蚨撈骷?的功率最大，因此系統(tǒng)設計人員需要一種波形類型，既可讓放大器高效運行，同時又能夠滿足5G 應用的頻譜需求。

而據(jù)華為研究人士表示，選擇基于循環(huán)前綴的OFDM（CP－OFDM）波形可以實現(xiàn)比LTE更好的頻譜約束（濾波或加窗）。下行鏈路（DL）和上行鏈路（UL）具有對稱波形，并且對于UL具有互補DFT－OFDM，僅有一個數(shù)據(jù)流。

比較OFDM與目前的LTE，發(fā)現(xiàn)OFDM中具有更好的可擴展性可以實現(xiàn)低得多的延遲——其往返時間（RTT）比當今的LTE低一個數(shù)量級。OFDM具有自包含的TDD子幀設計，能夠實現(xiàn)更快更靈活的TDD切換和換向，同時支持新的部署場景。

對TDD切換和換向來說，OFDM的自包含TDD子幀設計比LTE的8個HARQ接口更快、更靈活

NR參考信號

為了提高協(xié)議效率，以及維持時隙或波束內的傳輸而不必依賴于其他時隙和波束，NR引入了以下四個主要參考信號，如解調參考信號（DMRS）、相位跟蹤參考信號（PTRS）、探測參考信號（SRS） 、信道狀態(tài)信息參考信號（CSI－RS）。與LTE標準通過不斷交換參考信號來管理鏈路不同的是，NR發(fā)射機僅在必要時才發(fā)送這些參考信號。

MIMO

為了更高效地使用頻譜并為更多用戶提供服務，NR計劃充分利用MU－MIMO技術。 MU－MIMO利用 多個用戶之間不相關的分散空間位置來為MIMO增加多址（多用戶）能力。在這種配置中，gNB將 CSI－RS發(fā)送給覆蓋區(qū)域中的UE，并且基于每個UE設備的SRS響應，gNB會計算每個接收機的空間 位置。前往每個接收機的數(shù)據(jù)流會經(jīng)過預編碼的矩陣（W－Matrix），矩陣將數(shù)據(jù)符號組合成信號， 流向gNB天線陣列中每個元件。

多個數(shù)據(jù)流擁有各自獨立且適當?shù)臋嘀?，這些權重使每個數(shù)據(jù)流產(chǎn)生不同的相位偏移，使得波形之間相長干涉，并且同相到達接收機處。這將每個用戶位置處的信號強度最大化，同時最大限度 減小其他接收機的方向上的信號強度（零值）。