5G Explained: Downlink Data in 5G NR
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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