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      Qualcomm博客

      五個定義5G NR(全球5G標準)的無線發明

      2018年1月11日

      Qualcomm products mentioned within this post are offered by Qualcomm Technologies, Inc. and/or its subsidiaries.

      我已目睹無線技術領域的許多變化和令人驚嘆的創新,但沒有什么能和5G移動網絡出現的根本性轉變相提并論。過去幾年,我一直領導Qualcomm 研究項目,致力于設計讓5G愿景變成現實的無線新空口,它將極大拓展無線網絡和設備的能力和效率。

      早在2016年3月,3GPP就已著手5G 新空口(NR)的標準化工作,旨在開發一個統一的、更強大的無線空口——5G 新空口(NR)。而在上周,在葡萄牙里斯本的3GPP全體會議上,3GPP成功完成首個5G NR規范——這是在2019年實現5G NR商用部署之路上一個重要的行業里程碑。首個5G NR規范不僅支持開始于2019年的增強型移動寬帶的部署,同時也為擴展5G網絡至幾乎所有行業、所有物體,以及所有連接打下了基礎。

      那么,哪些無線技術定義了首個5G NR規范呢?

      5G NR必須滿足不斷擴展以及極端多變的連接和部署類型的要求。5G NR還需要充分利用每一點頻譜,這些頻譜具有不同的頻譜使用監管方式,分布在不同的頻段 — 從1 GHz以下低頻帶到1 GHz至10 GHz中頻帶和稱為毫米波的24GHz以上的高頻帶。因此,沒有一種技術可以單獨定義5G。相反地,5G將從諸多截然不同的技術創新中被構建。

      在Qualcomm,我們已經持續多年開發這些5G基礎技術——發明全新的5G技術以推動,甚至是重塑無線的邊界。我在Qualcomm研究院工作的好處之一就是能見證我們先進的系統設計和無線技術從理論到設計、標準化、實現,以及最終商用的進程。現在,首個5G NR規范即將完成,我們正見證我們的無線技術發明(歸納在下圖一中),讓5G NR——我們的5G愿景——成為現實。

      圖一:5個定義5G NR的無線發明

      發明#1:子載波間隔以2的N次方可擴展的可擴展OFDM參數配置

      5G NR設計中最重要的決定之一是選擇無線波形和多址接入技術。在已經評估并且將繼續評估多種方式的同時,我們通過廣泛研究(在2015年11月的Qualcomm 研究院報告中發布)發現,正交頻分復用(OFDM)體系— 具體來說包括循環前綴正交頻分復用(CP-OFDM) 和離散傅里葉變換擴頻正交頻分復用(DFT-S OFDM)— 是面向5G增強型移動寬帶(eMBB)和更多其他場景的正確選擇。

      既然今天就已經在使用OFDM,那你或許會問“下一步的創新路在何方?”5G NR的一個關鍵創新之處就是可擴展的OFDM復頻參數配置(圖1)。今天,LTE支持最多20 MHz的載波帶寬,其中OFDMtone(通常稱為子載波)之間的間隔幾乎是固定的15 kHz。在5G NR中,我們引入了可擴展的OFDM參數配置,從而支持多種頻譜頻段/類型和部署模式。例如,5G NR必須能夠在有更大信道寬度(例如數百MHz)的毫米波頻段上工作。

      3GPP 5G NR Rel-15規范中將利用可擴展OFDM參數配置,實現子載波間隔能隨信道寬度以2的n次方擴展。這樣在更大帶寬的系統中,FFT點數大小也隨之擴展就不會增加處理的復雜性。

      圖二:可擴展OFDM多載波參數

      發明#2:靈活的自包含時隙結構

      5G NR設計的另一個關鍵技術是靈活的基于時隙的框架,以支持運營商在相同頻率上高效復用已構想的(和無法預料的)5G業務。實現該靈活框架的關鍵技術發明就是5G NR自包含時隙結構。在新的自包含時隙結構中(以圖三中的TDD為例),每個5G NR傳輸都是模塊化處理,具備獨立解碼的能力,避免了跨時隙的靜態時序關系。通過在時域和頻域內對傳輸進行限定,該靈活設計簡化了在未來增加新的5G NR特性/服務——這比之前幾代移動通信具有更好的前向兼容性。

      得益于UL/DL(上行鏈路/下行鏈路)快速轉換和可擴展時隙長度(例如子載波間隔為30kHz隔時時隙長度為500μs,而子載波間隔為120kHz時時隙長度則為125μs), 和LTE相比,5G NR自包含時隙結構還帶來顯著更低的時延。該時隙結構框架在同一個時隙中包含上/下行調度,數據和確認。除更低延遲之外,該模塊化時隙結構設計還支持自適應TDD UL/DL配置、先進基于信道互易性的天線技術(例如,基于快速上行探測的下行大規模MIMO導向)以及通過增加子幀頭(例如,免授權頻譜的競爭解決頭)支持其他使用場景 。 這些都讓該項發明成為滿足許多5G NR需求的關鍵技術,它也是3GPP 5G NR規范的一部分。

      圖3:5G NR TDD自包含時隙結構的優勢

      發明#3:先進的ME-LDPC和CA-Polar信道編碼

      連同可擴展參數配置和靈活的5G NR服務框架,物理層設計應包括可提供穩健性能和靈活性的高效信道編碼方案。盡管Turbo碼一直非常適合3G和4G,但Qualcomm 研究院已經證明,從復雜性和實現角度來看,當擴展到極高吞吐量和更大編碼塊長度(block lengths)時,低密度奇偶校驗碼(LDPC),尤其是由Qualcomm倡導的ME-LDPC,更具優勢,如圖4所示。因此,3GPP 5G NR Rel-15規范將利用ME-LDPC作為增強型移動寬帶(eMBB)數據信道的編碼方式。

      此外,3GPP選擇Polar信道編碼作為增強型移動寬帶(eMBB)控制信道的編碼方式。Qualcomm做出重大貢獻的CRC-Aided Polar(CA-Polar)信道編碼,可帶來性能增益,因此它被應用在在多種5G NR控制應用場景中。

      圖4:ME-LDPC編碼下吞吐量的變化

      發明#4:大規模MIMO

      我們的5G設計還推動了MIMO天線技術的發展。通過智能地使用更多天線,我們可以提升網絡容量和覆蓋。也就是說,更多空間數據流可以顯著提高頻譜效率(例如,借助多用戶大規模MIMO),支持在每赫茲上傳輸更多比特,并且智能波束成形技術可以通過在下行鏈路的特定方向聚焦射頻能量來擴展基站的覆蓋范圍。相應地,在上行鏈路上,基站在特定方向接收,可以減少的噪音和干擾。

      5G NR大規模MIMO技術將利用基站端的2D天線陣列完成3D波束成型,從而利用中頻段頻譜中更高的頻帶。對于充分利用3D波束成型,準確和及時的信道知識是必不可少的。我們針對快速基于信道互易性的TDD大規模MIMO——5G NR規范的一部分——優化的設計,將利用自包含時隙結構和增強的參考信號,以支持更快速和更準確的信道反饋。我們的測試結果顯示,面向在3 GHz至5GHz中頻段工作的5G NR新部署重用現有宏蜂窩基站(例如,工作在2GHz)是可行的。全新多用戶大規模MIMO設計的這些測試結果顯示,容量和小區邊緣用戶吞吐量(如圖5)顯著提升,這對提供更統一的5G移動寬帶用戶體驗很關鍵。

      圖5:5G NR大規模MIMO模擬

      發明#5:移動毫米波

      我們的5G NR設計不僅實現了中頻段頻譜中更高頻率的在宏/小型基站部署中的應用,同時也開啟頻譜中超過24GHz的毫米波用于移動寬帶的機會。這些高頻段有豐富的可用頻譜資源,支持極速數據速率和容量,這將重塑移動體驗。然而,增加的傳播損耗,易受障礙物影響(如頭、手、身體、樹葉、建筑),以及射頻電路的復雜性和功效,都讓這些高頻段一直以來沒有用于移動通信。不過,現在,5G NR毫米波正改變這一切,Qualcomm引路前行。

      為了使毫米波用于移動寬帶通信系統,我們已經在關鍵設計元素中鉆研多年——向行業也向我們自己證明其可行性。如我們在今年早些時候的世界移動大會上所展示的那樣,Qualcomm研究院5G毫米波原型系統在基站和設備中使用了大量的天線元,配合智能/快速波束成型和波束追蹤算法,展示了用于非視距通信和設備移動場景下可持續的寬帶通信。盡管還有很多工作要做,我們相信可以實現移動行業的下一個里程碑——在2019年讓5G NR毫米波在移動網絡和移動設備中(包括智能手機)商用。

      圖6:工作在28 GHz頻段的Qualcomm研究院5G毫米波原型系統

      3GPP Release-15 5G NR規范將為增強型移動寬帶及更多應用搭建基礎,而5G技術路線圖才剛剛開始。我們已經著手多項全新的技術發明,這些發明將驅動未來變革和5G NR網絡和設備的擴展。引領全新的技術如:5G NR頻譜共享,解鎖更多頻譜并支持全新的部署類型;5G NR超可靠、低延時通信支持全新的關鍵任務服務;5G NR蜂窩車聯網(C-V2X)賦予自動駕駛新的能力;5G NR 集成化接入和回程(IAB)減少回程花費,作為更高效的網絡密集化手段5G NR海量物聯網帶來低功耗,廣覆蓋的物聯網。

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