哪些无线技术定义了首个5G NR规范呢?

我已目睹无线技术领域的许多变化和令人惊叹的创新,但没有什么能和5G移动网络出现的根本性转变相提并论。过去几年,我一直领导Qualcomm 研究项目,致力于设计让5G愿景变成现实的无线新空口,它将极大拓展无线网络和设备的能力和效率。
早在2016年3月,3GPP就已着手5G 新空口(NR)的标准化工作,旨在开发一个统一的、更强大的无线空口——5G 新空口(NR)。而在上周,在葡萄牙里斯本的3GPP全体会议上,3GPP成功完成首个5G NR规范——这是在2019年实现5G NR商用部署之路上一个重要的行业里程碑。首个5G NR规范不仅支持开始于2019年的增强型移动宽带的部署,同时也为扩展5G网络至几乎所有行业、所有物体,以及所有连接打下了基础。
那么,哪些无线技术定义了首个5G NR规范呢?
5G NR必须满足不断扩展以及极端多变的连接和部署类型的要求。5G NR还需要充分利用每一点频谱,这些频谱具有不同的频谱使用监管方式,分布在不同的频段 — 从1 GHz以下低频带到1 GHz至10 GHz中频带和称为毫米波的24GHz以上的高频带。因此,没有一种技术可以单独定义5G。相反地,5G将从诸多截然不同的技术创新中被构建。
在Qualcomm,我们已经持续多年开发这些5G基础技术——发明全新的5G技术以推动,甚至是重塑无线的边界。我在Qualcomm研究院工作的好处之一就是能见证我们先进的系统设计和无线技术从理论到设计、标准化、实现,以及最终商用的进程。现在,首个5G NR规范即将完成,我们正见证我们的无线技术发明(归纳在下图一中),让5G NR——我们的5G愿景——成为现实。
图一:5个定义5G NR的无线发明

发明#1:子载波间隔以2的N次方可扩展的可扩展OFDM参数配置

5G NR设计中最重要的决定之一是选择无线波形和多址接入技术。在已经评估并且将继续评估多种方式的同时,我们通过广泛研究(在2015年11月的Qualcomm 研究院报告中发布)发现,正交频分复用(OFDM)体系— 具体来说包括循环前缀正交频分复用(CP-OFDM) 和离散傅里叶变换扩频正交频分复用(DFT-S OFDM)— 是面向5G增强型移动宽带(eMBB)和更多其他场景的正确选择。
既然今天就已经在使用OFDM,那你或许会问“下一步的创新路在何方?”5G NR的一个关键创新之处就是可扩展的OFDM复频参数配置(图1)。今天,LTE支持最多20 MHz的载波带宽,其中OFDMtone(通常称为子载波)之间的间隔几乎是固定的15 kHz。在5G NR中,我们引入了可扩展的OFDM参数配置,从而支持多种频谱频段/类型和部署模式。例如,5G NR必须能够在有更大信道宽度(例如数百MHz)的毫米波频段上工作。
3GPP 5G NR Rel-15规范中将利用可扩展OFDM参数配置,实现子载波间隔能随信道宽度以2的n次方扩展。这样在更大带宽的系统中,FFT点数大小也随之扩展就不会增加处理的复杂性。
图二:可扩展OFDM多载波参数

发明#2:灵活的自包含时隙结构

5G NR设计的另一个关键技术是灵活的基于时隙的框架,以支持运营商在相同频率上高效复用已构想的(和无法预料的)5G业务。实现该灵活框架的关键技术发明就是5G NR自包含时隙结构。在新的自包含时隙结构中(以图三中的TDD为例),每个5G NR传输都是模块化处理,具备独立解码的能力,避免了跨时隙的静态时序关系。通过在时域和频域内对传输进行限定,该灵活设计简化了在未来增加新的5G NR特性/服务——这比之前几代移动通信具有更好的前向兼容性。
得益于UL/DL(上行链路/下行链路)快速转换和可扩展时隙长度(例如子载波间隔为30kHz隔时时隙长度为500µs,而子载波间隔为120kHz时时隙长度则为125µs), 和LTE相比,5G NR自包含时隙结构还带来显著更低的时延。该时隙结构框架在同一个时隙中包含上/下行调度,数据和确认。除更低延迟之外,该模块化时隙结构设计还支持自适应TDD UL/DL配置、先进基于信道互易性的天线技术(例如,基于快速上行探测的下行大规模MIMO导向)以及通过增加子帧头(例如,免授权频谱的竞争解决头)支持其他使用场景 。 这些都让该项发明成为满足许多5G NR需求的关键技术,它也是3GPP 5G NR规范的一部分。
图3:5G NR TDD自包含时隙结构的优势

发明#3:先进的ME-LDPC和CA-Polar信道编码

连同可扩展参数配置和灵活的5G NR服务框架,物理层设计应包括可提供稳健性能和灵活性的高效信道编码方案。尽管Turbo码一直非常适合3G和4G,但Qualcomm 研究院已经证明,从复杂性和实现角度来看,当扩展到极高吞吐量和更大编码块长度(block lengths)时,低密度奇偶校验码(LDPC),尤其是由Qualcomm倡导的ME-LDPC,更具优势,如图4所示。因此,3GPP 5G NR Rel-15规范将利用ME-LDPC作为增强型移动宽带(eMBB)数据信道的编码方式。
此外,3GPP选择Polar信道编码作为增强型移动宽带(eMBB)控制信道的编码方式。Qualcomm做出重大贡献的CRC-Aided Polar(CA-Polar)信道编码,可带来性能增益,因此它被应用在在多种5G NR控制应用场景中。
图4:ME-LDPC编码下吞吐量的变化

发明#4:大规模MIMO

我们的5G设计还推动了MIMO天线技术的发展。通过智能地使用更多天线,我们可以提升网络容量和覆盖。也就是说,更多空间数据流可以显著提高频谱效率(例如,借助多用户大规模MIMO),支持在每赫兹上传输更多比特,并且智能波束成形技术可以通过在下行链路的特定方向聚焦射频能量来扩展基站的覆盖范围。相应地,在上行链路上,基站在特定方向接收,可以减少的噪音和干扰。
5G NR大规模MIMO技术将利用基站端的2D天线阵列完成3D波束成型,从而利用中频段频谱中更高的频带。对于充分利用3D波束成型,准确和及时的信道知识是必不可少的。我们针对快速基于信道互易性的TDD大规模MIMO——5G NR规范的一部分——优化的设计,将利用自包含时隙结构和增强的参考信号,以支持更快速和更准确的信道反馈。我们的测试结果显示,面向在3 GHz至5GHz中频段工作的5G NR新部署重用现有宏蜂窝基站(例如,工作在2GHz)是可行的。全新多用户大规模MIMO设计的这些测试结果显示,容量和小区边缘用户吞吐量(如图5)显著提升,这对提供更统一的5G移动宽带用户体验很关键。
图5:5G NR大规模MIMO模拟

发明#5:移动毫米波

我们的5G NR设计不仅实现了中频段频谱中更高频率的在宏/小型基站部署中的应用,同时也开启频谱中超过24GHz的毫米波用于移动宽带的机会。这些高频段有丰富的可用频谱资源,支持极速数据速率和容量,这将重塑移动体验。然而,增加的传播损耗,易受障碍物影响(如头、手、身体、树叶、建筑),以及射频电路的复杂性和功效,都让这些高频段一直以来没有用于移动通信。不过,现在,5G NR毫米波正改变这一切,Qualcomm引路前行。
为了使毫米波用于移动宽带通信系统,我们已经在关键设计元素中钻研多年——向行业也向我们自己证明其可行性。如我们在今年早些时候的世界移动大会上所展示的那样,Qualcomm研究院5G毫米波原型系统在基站和设备中使用了大量的天线元,配合智能/快速波束成型和波束追踪算法,展示了用于非视距通信和设备移动场景下可持续的宽带通信。尽管还有很多工作要做,我们相信可以实现移动行业的下一个里程碑——在2019年让5G NR毫米波在移动网络和移动设备中(包括智能手机)商用。
图6:工作在28 GHz频段的Qualcomm研究院5G毫米波原型系统
3GPP Release-15 5G NR规范将为增强型移动宽带及更多应用搭建基础,而5G技术路线图才刚刚开始。我们已经着手多项全新的技术发明,这些发明将驱动未来变革和5G NR网络和设备的扩展。引领全新的技术如:5G NR频谱共享,解锁更多频谱并支持全新的部署类型;5G NR超可靠、低延时通信支持全新的关键任务服务;5G NR蜂窝车联网(C-V2X)赋予自动驾驶新的能力;5G NR 集成化接入和回程(IAB)减少回程花费,作为更高效的网络密集化手段;5G NR海量物联网带来低功耗,广覆盖的物联网。

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