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2020年6月22日 星期一

5G Explained: Downlink Data in 5G NR


源:芯智讯 作者:芯智讯  

提到 5G,就能不說 NR。5G NR,也就是5G 新空口技術。所謂空口,指的是行動終端到基地台之間的連接協議,是行動通信標準中一個非常重要的標準。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。

本文概述了支持 eMBB 和 URLLC 的關鍵 5G 目標應用,所需的 5G 實體層及其實現。

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提到 5G,就能不說 NR。5G NR,也就是 5G 新空口技術。所謂空口,指的是行動終端到基地台之間的連接協議,是行動通信標準中一個非常重要的標準。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複雜多樣的,因此最重要的當然是靈活性和應變能力,一個統一的空口必須能解決所有問題,靈活適配各種業務。

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增強型行動寬頻(eMBB)旨在顯著改善行動寬頻接入的數據速率、延遲、用戶密度、容量和覆蓋範圍,即使在智慧高速公路等較為擁擠的環境中,也能夠實現 AR/VR 應用的即時數據流傳輸。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,同時保證高網路可用性。最後,大規模機器通信(mMTC)使得許多低成本、低功耗、長壽命的設備可以支持嵌入式 高速感測器、停車感測器和智慧電表等應用。

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實體層設計注意事項
在 5G NR 實體層中,發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,包含各種信道頻寬和多個部署選項;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乾擾功能;動態共享頻譜,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地台,能夠在毫米波頻率下運行。

目前,業內研究人員正在積極致力於,解決實現穩定可靠的 5G 網路所面臨的挑戰。

用於 5G NR 的波形
NR 是個複雜的話題,因為它涉及一種基於正交頻分復用(OFDM)的新無線標準。OFDM 指的是一種「數位多載波調制方法」。隨著 3GPP 採用這一標準之後,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。

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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「數位多載波調制方法」,其中「使用大量間隔緊密的正交子載波信號,在幾個並行數據流或信道上傳輸數據」。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,以支持從小於 6GHz 到高達 100GHz 的毫米波(mmWave)頻段的更寬範圍的頻帶。

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,並提出 5G 無線電接入方案。然而,由於正交頻分復用(OFDM)方案非常適用於 TDD 操作和時延敏感的應用,加上該方案能夠有效地處理大頻寬的信號,在商業應用上已有諸多成功案例,所以循環前綴(CP)OFDM 成為首選為 NR。 CP-OFDM 的強大優勢使其非常適合用於實現 5G 網路:高頻譜效率、MIMO 相容、相位噪聲抑制、收發器的簡易性、定時誤差和符號間干擾電阻。

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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。對於智慧手機等 UE 來說,最重要的兩點是維持電池壽命和降低能耗。

在行動設備中,射頻功率放大器負責將信號傳輸到基地台,因而該器件消耗 的功率最大,因此系統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。

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而據華為研究人士表示,選擇基於循環前綴的 OFDM(CP-OFDM)波形可以實現比 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,並且對於 UL 具有互補 DFT-OFDM,僅有一個數據流。

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5G NR採用的波形(華為資料)
比較 OFDM 與目前的 LTE,發現 OFDM 中具有更好的可擴展性可以實現低得多的延遲 —— 其往返時間(RTT)比當今的 LTE 低一個數量級。OFDM 具有自包含的 TDD 子幀設計,能夠實現更快更靈活的 TDD 切換和換向,同時支持新的佈署場景。

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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
為了提高協議效率,以及維持時隙或波束內的傳輸,而不必依賴於其他時隙和波束,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) 、信道狀態資訊參考信號(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 發射機僅在必要時才發送這些參考信號。

MIMO
為了更高效地使用頻譜,並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 發送給覆蓋區域中的 UE,並且基於每個 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據流,會經過預編碼的矩陣(W-Matrix),矩陣將數據符號組合成信號, 流向 gNB 天線陣列中每個元件。

多個數據流擁有各自獨立且適當的權重,這些權重使每個數據流產生不同的相位偏移,使得波形之間相長干涉,並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)。

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用於 5G 的大規模 MIMO
MIMO 方法,可再進一步演變為大規模 MIMO。當系統的 gNB 天線,比每個信令資源的 UE 設備數量高出很多倍時,便可佈署大規模 MIMO 配置。gNB 天線的數量遠高於 UE 設備時,頻譜效率會大幅提高。與現在的 4G 系統相比,這種條件使系統能夠在同一頻段內,同時為更多的設備提供服務。NI 與三星等行業領先企業攜手,繼續透過其軟體無線電平台,和用於快速無線原型驗證的靈活軟體,展示大規模 MIMO 系統的可行性。

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目前,大規模 MIMO 的主要研究焦點是低於 6GHz 的頻率。此範圍的頻譜非常稀缺,且價值非常高。 在這些頻段中,大規模 MIMO 系統,可以透過空間復用多個終端,來顯著提高頻譜效率。而大規模 MIMO 系統的另一個優勢,是可以為覆蓋區域內的所有 UE,提供更好且更一致的服務。

用於 5G 的毫米波
當前,業內研究人員已將可用的毫米波波段,作為下一個前沿研究領域,以滿足未來需要龐大數據的無線應用需求。運行在 28 GHz 及以上的新型 5G 系統,為更多信道提供更多可用頻譜,這非常適用於數 Gbps 的鏈路。

儘管這些頻率相比 6 GHz 以下的頻譜較不擁擠,但是卻會受到不同傳播效應的影響,例如更高的自由空間路徑損耗,和大氣衰減、室內滲透力弱,以及衍射效果差。 

為了克服這些負面影響,毫米波天線陣列可以聚焦其波束,並利用天線陣列增益。幸運的是,這些天 線陣列的尺寸隨著工作頻率的增加而減小,從而允許在與單個 sub-6GHz 元件相同的面積內,容納包含更多元件的毫米波天線陣列。

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透過模擬波束控制簡化複雜性
大規模 MU-MIMO 系統,需要比 UE 設備多得多的發射 RF 鏈路,才能進行適當的空間復用。這與僅通過一個 RF 鏈饋送到多個天線的系統不同,在單 RF 鏈中,多個天線的相位通過類似的方式進行控制,以便聚焦和控制輻射方向。對於 MU-MIMO 目的,這樣的系統可以歸類為,具有方向性可控制天線的單天線終端。

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大規模 MIMO 系統的主要缺點之一是整合,和佈署大量 RF 鏈非常複雜性,而且成本高昂,特別是在毫米波頻率下。研究人員已經提出了幾種混合(數位和類比)波束成形方案,以允許 5G gNB 在維持大量天線的同時,不斷降低 MU-MIMO 的實現成本。
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最後,我們剛才提到,在毫米波頻率下,信道相干時間顯著降低,這給行動應用帶來了嚴格的限制。 研究人員需要繼續研究在毫米波頻率下,改善 UE 移動性的新方法,但很可能第一次 5G 毫米波佈署,將用於固定無線接入應用,例如回程和側鏈(Side Link)。

管理波束
使用毫米波波段的主要技術挑戰之一,是在超過 20 GHz 的頻率,信號傳播損耗非常高。實際上,這種損耗會減少可能的社區覆蓋區域和範圍。為了彌補這一缺陷,標準制訂者採用基於天線陣列的波束形成技術,將 RF 能量聚焦到單個用戶並提高信號增益。但是,UE 不能再依靠毫米波 gNB 進行全向傳輸信號來建立初始連接。
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NR 標準針對 UE 採用了新的過程,來建立與 gNB 的初始接入。在到達新社區覆蓋區域時,UE 無需辨識波束的位置,而是忽略 gNB 當前正在發送的波束方向,便開始網路接入過程。 NR 初始接入過程為 UE 建立與 gNB 的通信,提供了一個有效的解決方案。它解決了盲目尋找 gNB 的問題,不僅適用於毫米波運行,而且適用於低於 6 GHz 的全向通信。這意味著初始接入過程,必須應用於單波束和多波束場景,此外還必須支持 NR 和 LTE 共存。

Bandwidth Part
在未來的 5G 應用中,由於不同頻譜的可用性,大量設備和儀器將在不同的頻段中運行。舉個例子, 比如一個 RF 頻寬有限的 UE,需要與可以使用載波聚合,來填充整個信道的強大設備,以及可以使用單個 RF 鏈來覆蓋,整個信道的第三個設備一起工作。

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儘管大頻寬會直接提高,用戶可以體驗到的數據速率,但這是需要付出代價的。當 UE 不需要高數據速率時,大頻寬會導致 RF 和基頻處理資源被低效利用,這無疑是一種浪費。

為瞭解決這個問題,3GPP 提出了一個新概念 —— bandwidth par(tBWP):網路使用一個寬頻載波來配置某個 UE,並使用載波聚合獨立地為其他 UE 分配一組頻內連續分量載波。這允許具有不同功能的各種設備,共享相同的寬頻載波。 這種針對 UE 的不同 RF 性能,進行調整的靈活網路操作,是 LTE 無法實現的。

結論:LTE 和 5G NR PHY 比較
5G NR 優於當前 LTE 的一些基本技術特徵:

更高的頻譜利用率
靈活的參數集(Numerology)和框架結構
動態管理 TDD 資源
透過增加信道頻寬在毫米波頻率下工作

總之,5G 無線技術有望為全球更多的人群提供大量可靠、數據豐富且高度連接的應用。雖然部署可支持這一目標的基礎設施,以及開發下一代 5G 設備會面臨著,各種嚴峻的設計和測試挑戰,但 NI 基於平台的無線技術設計、原型驗證和測試方法,將成為未來十年實現 5G 的關鍵。

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