5G物理層變化與應用用例及其演進

5G 首次亮相，預計將對很多行業(yè)產生重大影響。全球移動設備供應商協(xié)會 （GSA） 2020 年 11 月設備生態(tài)系統(tǒng)報告顯示，市場上已經推出近 500 款 5G 設備?！?a target="_blank">電子時報》2019 年 9 月的另一份報告預測，到 2024 年，在近 16 億部設備中，大約 45% 預計將是 5G 移動設備。這表示未來幾年將有巨大增長。

與前幾代通常專注于支持蜂窩通信或移動電話的無線技術不同，5G 承諾為各種跨行業(yè)設備提供連接和支持。GSA 2020 年 11 月的設備生態(tài)系統(tǒng)報告顯示，除了手機之外，市場還發(fā)布了近 19 款不同規(guī)格的 5G 設備，包括熱點、客戶端設備 （CPE）、快裝式加密狗、筆記本電腦、車載路由器、無人機、機器人和許多其他設備。

5G 物理層變化

為了支持各種各樣的設備，以及許多令人興奮的新應用用例，5G 引入了許多物理層變化。

其中最明顯的差異之一是頻譜。由于 LTE被束縛在 3 GHz以下的頻率范圍內，因此全球監(jiān)管機構為 5G 開放了更加廣泛的頻譜范圍。5G 有兩種不同的頻段分類：頻段 1 （FR1），范圍為 410 MHz 至 7.125 GHz。頻段 2 （FR2），也稱為毫米波 （mmWave），支持的運行范圍為 24.25 GHz 至 52.6 GHz。

添加新頻譜的主要原因是這些頻譜支持極高的信道容量和帶寬。與支持最高 20 MHz 帶寬的 LTE 不同，5G 在 FR1 中提供高達 100 MHz 的帶寬，在 FR2 中提供高達 400 MHz 的帶寬。如此高的帶寬可以轉化為高達 10 Gbps 的數據速率。

5G 的另一關鍵點是支持靈活的子載波間隔 （SCS），這有助于 5G 在各種應用用例中的實現和運行。除了 LTE 提供的 15 KHz 固定子載波間隔外，5G 還提供 30、60、120 和 240 KHz 這幾個額外的間隔，而這可以帶來兩大主要優(yōu)勢：

首先，載波間隔越大，時隙越小，這樣便可根據用例優(yōu)化資源分配。例如，具有極高數據速率的增強型移動寬頻（eMBB 應用）將需要更大的時隙持續(xù)時間（較小的 SCS）來以適應較大的數據有效負載。而有效負載較低的物聯網設備則可能需要更短的時隙持續(xù)時間。

靈活數值的第二個優(yōu)勢是使用寬載波間隔有助于抵抗多普勒頻移。這樣不僅可以減輕干擾，而且還能提高毫米波頻率下的可靠性。這就是為什么 FR2不支持較小的子載波間隔（15 kHz 和 30 kHz）的原因。

波束成形是幫助在毫米波頻率范圍內運行的最關鍵功能之一。雖然 LTE 以空間多路復用形式支持 MIMO，但在毫米波頻率下，更高的路徑損耗使其難以維持足夠的 SNR。因此，通過在所需方向引導無線電能量來補償損耗變得至關重要。波束成形正是通過利用多個天線陣列來提高 SNR 和信號接收可能性。

應用用例

這些物理層變化可以為哪些應用提供支持？5G 旨在服務三大類用例：eMBB、超可靠低延遲 （URLLC） 和大容量工業(yè)通信 （mMTC），每種類型都有不同的性能要求。到 2021 年，5G 將繼續(xù)專注于 eMBB 和固定無線接入。在 2021 年至 2023 年之間，5G 將演進為支持 URLLC 專用網絡和 mMTC。

這些 5G 應用用例要求高數據速率、最低延遲和更優(yōu)化的通信。例如，某些應用（如增強/虛擬現實和視頻流）需要大量數據，因此需要更寬的帶寬和更高的吞吐量。其他用例（如工業(yè)和汽車自動化）對延時容忍度極高，要求可靠性達到 10-9 級別，延遲在 1 毫秒內。第三類用例源于物聯網和智能設備之間的廣泛連接需求，要求一種能夠支持大容量通信的技術。

全球運營商都在努力尋找最佳頻段來支持這些用例。例如，較低的頻帶提供的容量有限，但可用于在全國范圍內擴展覆蓋范圍。中頻帶頻率提供了最佳的覆蓋范圍和容量，并且在全球得到廣泛部署。毫米波范圍內的較高頻段主要用于為高數據量/高容量的應用提供服務，例如 AR/VR 或視頻流。

5G 在用例支持上的演進

3GPP Release 15 更側重于提供用于增強型移動寬帶用例的平臺。這包括需要更高帶寬的高數據量應用，以及固定的無線接入通信。

Release 16 已于 2020 年 6 月完成，其中包括了用于為 URLLC 用例或工業(yè)物聯網 （IIoT） 應用提供支持的增強功能。這些增強將可為包括工業(yè)設施和工廠為實現工廠自動化或基礎設施監(jiān)視所需的專用網絡提供支持。在 Release 16 中，多點傳輸偵聽也得到增強，旨在提高鏈路可靠性和改善延遲，這都是改進 C-V2X 或自動駕駛通信所必需的功能。此版本還支持更精確定位的應用，在未授權頻段部署 5G，以及更好的節(jié)能特性，這一切都旨在為工業(yè)物聯網應用提供支持。

下一代 5G 技術規(guī)范（Release 17）將于 2022 年發(fā)布，并將專注于 5G 技術規(guī)范的持續(xù)擴展，其增強的重點將是 mMTC 和 NR-Light 設備（例如可穿戴設備或工業(yè)傳感器）。

考慮到這些用例，以及為支持這些用例而引入 5G 的物理層變化，我的下一篇博客文章將探討 5G 的一些測試挑戰(zhàn)和考慮因素。同時，請訪問關于此主題的網絡研討會的重播。
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