从波形到MIMO:5G新无线电5件事

5摹新的无线电(NR)是与使用LTE来形容4G技术或通用移动通信服务(UMTS)来描述3G移动通信行业。首先,5G NR的第15版规范于2018年6月获得批准。这些规范将继续发展,以涵盖5G NR设备的独立(SA)访问的详细技术功能。
以下是5G物理层的五个关键技术方面,使这一全球通信标准能够提供大量可靠,数据丰富且高度连接的应用。
1. 5G NR波形
CP-OFDM:下行链路和上行链路
图1图1 CP-OFDM符号在数据的每一侧包含循环前缀。
图2图2 OFDM(a)和DFT-S-OFDM(b)的时间和频率比较。
图3图3 6 GHz以上的NR波段。
近年来,研究人员一直在研究不同的多载波波形,为5G无线电接入提出了许多建议。使用正交频分复用(OFDM)的波形适用于时分双工操作。它们支持对延迟敏感的应用,并通过有效处理更大带宽信号展示了成功的商业实现。此外,OFDM信号的高频谱效率和MIMO兼容性有助于满足这种新的全球蜂窝通信标准的极端数据速率和密度覆盖需求。
由于信道估计和均衡技术,OFDM波形在频率选择性信道中表现出很强的弹性。通过将OFDM符号末尾的副本附加到符号的开头(循环前缀),接收器可以更好地容忍同步错误并防止符号间干扰(参见图1)。因此,3GPP决定使用循环前缀OFDM(CP-OFDM)作为用于5G下行链路和上行链路的波形,用于高达256-QAM的调制方案。
DFT-S-OFDM:更高效率的上行链路
OFDM波形遭受高峰值平均功率比(PAPR)。由于RF功率放大器在移动设备中消耗的功率最大,系统设计人员需要一个支持高效放大器操作的波形,同时满足5G的频谱需求。对于上行链路(即,用户到基站),NR向用户设备(UE)提供使用CP-OFDM的选项或称为离散傅里叶变换扩展OFDM(DFT-S-OFDM)的混合格式波形。使用DFT-S-OFDM,发射机使用相同的数据调制所有子载波(见图2)。它降低了峰均比,同时保留了OFDM提供的多径干扰弹性和灵活的子载波频率分配。在具有CP-OFDM的PAPR可以是11到13dB的情况下,对于DFT-S-OFDM,其仅为6到9dB。
2.灵活的子载体间隔,框架结构
多频段的操作是5G NR的一个新方面,从3 GHz以下的现有蜂窝频段,到3 GHz和5 GHz之间的更宽频带,再到mmWave频谱。图3显示了为6 GHz以上的NR操作定义的电流频带。
随着载波频率的增加,系统相位噪声也会增加。例如,1和28 GHz的载波之间的相位噪声差异约为20 dB。这种增加使得mmWave接收器难以用窄的,固定的子载波间隔(SCS)和LTE的符号持续时间来解调OFDM波形。此外,对于移动用户,由于多普勒频移,信道相干时间随着载波频率的增加而降低,这意味着系统在较高载波频率上测量信道和完成单个时隙传输的时间较短。在mmWave处使用窄的子载波间隔导致不可接受的高误差矢量幅度,具有相当大的性能降级。
为了解决这些挑战,3GPP在灵活的子载波间隔上进行了标准化,该间隔缩放了正交子载波之间的空间,从用于LTE的15kHz子载波间隔开始,并且在mmWave处达到30,60或120kHz间隔。利用LTE数字学确保NR部署将与LTE网络共存并与时间保持一致。
图4图4使用MU-MIMO的空间复用。
3. MIMO
图5图5使用mMIMO进行空间复用可提高gNB容量。
图6图6 30 GHz的64元素阵列具有与单个3 GHz贴片天线相同的大小孔径。
为了提高容量和频谱效率,5G NR使用多个用户的分布式和不相关的空间位置。使用多用户MIMO(MU-MIMO)技术,基站(gNB)同时向不同用户发送数据流,最大化每个用户位置处的信号强度,同时降低其他接收器方向上的信号强度(创建空值)。这使得gNB能够独立且同时地与多个UE通信(参见图4)。
mMIMO用于5G
大规模MIMO(mMIMO)是指具有比用户多得多的gNB天线的通信场景。gNB天线和UE之间的巨大差异可以在频谱效率方面产生巨大的提升,使通信系统能够在与当今4G系统相同的频带内同时服务更多设备(参见图5)。行业领导者使用软件定义的无线电和灵活的软件证明了mMIMO系统对5G的可行性,这使得能够实现快速的无线系统原型设计。1
4.毫米波为5G
工作在28 GHz或其他mmWave频段的5G系统具有更多可用频谱的优势,可实现更大的频道。虽然mmWave波段的频谱拥挤程度低于6 GHz以下的波段,但在这些频率下使用的通信系统必须应对非常不同的传播效应:更高的自由空间路径损耗和大气衰减,室内穿透力弱以及物体周围的衍射不良。为了克服这些不希望的影响,mmWave天线阵列聚焦光束并利用天线阵列增益。幸运的是,这些阵列的大小随着频率的增加而减小,使得具有许多元件的mmWave天线阵列与单个6GHz以下的元件大致相同(参见图6)。
如上所述,信道相干时间在mmWave频率处显着降低,对UE移动性应用施加了严格的限制。随着研究人员继续研究提高mmWave移动性的新方法,首批5G mmWave部署可能会为家庭宽带,回程和侧链等固定无线接入应用提供服务。
5.带宽部件
随着5G应用的增长,设备和设备的多样性将必须在具有不同频谱可用​​性的许多不同频带上成功运行。一个示例是具有有限RF带宽的UE在可以使用载波聚合填充整个信道的更强大的设备旁边以及可以用单个RF链覆盖整个信道的第三设备旁边的情况。2
虽然宽带宽可为用户提供更高的数据速率,但需要付出代价。如果UE不需要高数据速率,则使用比所需更宽的带宽是RF和基带处理资源的低效使用。5G NR介绍的带宽部分(BWP),其中网络协商用于特定UE占据一个宽带载波,分别与连续的资源块的子集配置的其它UE的概念。这允许具有不同能力的更多种类的设备共享相同的宽带载波。LTE不存在调整到UE的不同RF能力的这种灵活的网络操作。
摘要
由于更高的带宽信道和多个数字选项,NR系统将在低于6 GHz和mmWave频段运行,适当地处理多径延迟扩展,信道相干时间和相位噪声。NR利用mMIMO和波束成形的最新发展,最大限度地提高频谱效率,并为更多用户提供更好的服务质量。虽然创建下一代5G设备会带来重大的设计和测试挑战,但基于平台的设计,原型设计和测试这些新无线技术的方法是5G在未来十年内成为现实的关键。
参考
  1. 1. G. Xu,T。Li等人,“Full Dimension MIMO(FD-MIMO):展示商业可行性”,IEEE Journal on Communications Areas in Communications,Vol。2017年8月35日第8期,ieeexplore.ieee.org/abstract/document/7938334/。
  2. 2. 3GPP技术规范组无线电接入网,“NR,用于控制的物理层程序”,TS 38.213 V15.0.0,https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3215。

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