5G目标应用所需的5G物理层及其实现

本文概述了支持eMBB和URLLC的关键5G目标应用所需的5G物理层及其实现。　　

提到5G，就能不说NR。5G NR，也就是5G新空口技术。所谓空口，指的是移动终端到基站之间的连接协议，是移动通信标准中一个至关重要的标准。我们都知道3G时代的空口核心技术是CDMA，4G的空口核心技术是OFDM。5G时代的应用将空前繁荣，不同应用对空口技术要求也是复杂多样的，因此最重要的当然是灵活性和应变能力，一个统一的空口必须能解决所有问题，灵活适配各种业务。
　　

增强型移动宽带(eMBB)旨在显著改善移动宽带接入的数据速率、延迟、用户密度、容量和覆盖范围，即使在智能高速公路等较为拥挤的环境中，也能够实现AR/VR应用的实时数据流传输。超可靠的低延迟通信(URLLC)使用户和设备能够以最低延迟与其他设备进行双向通信，同时保证高网络 可用性。最后，大规模机器通信(mMTC)使得许多低成本、低功耗、长寿命的设备可以支持嵌入式 高速传感器、停车传感器和智能电表等应用。
　　

物理层设计注意事项
　　

在5G NR物理层中发挥决定性作用的关键特性包括：支持广泛的工作频段，以及这些工作频段包含各种信道带宽和多个部署选项;为应用提供超低延迟服务，这需要关键性传输具有短子帧和抗短突发干扰功能;动态共享频谱以提供上行链路(UL)、下行链路(DL)、侧链路(Side Link)和回程链路;实现多天线技术(多输入、多输出或MIMO)，以提高频谱效率;保持紧密的时间操作和更高效的频率使用，以实现更好的时分双工(TDD)和频分双工(FDD)部署;要求DL和UL对称，使得小型低成本的基站能够在毫米波频率下运行。
　　

目前，业内研究人员正在积极致力于解决实现稳定可靠的5G网络所面临的挑战。
　　

用于5G NR的波形
　　

NR是个复杂的话题，因为它涉及一种基于正交频分复用(OFDM)的新无线标准。OFDM指的是一种“数字多载波调制方法”。随着3GPP采用这一标准之后，NR这一术语被沿用下来，正如用LTE(长期演进)描述4G无线标准一样。
　　

5G无线电接入架构由LTE Evolution和New Radio Access Technology(新无线电接入技术，NR)组成，NR工作在1GHz到100GHz 

OFDM指的是一种“数字多载波调制方法”，其中“使用大量间隔紧密的正交子载波信号在几个并行数据流或信道上传输数据”。NR需要使用LTE以外的新无线电接入技术(RAT，Radio Access Technology)——它必须足够灵活，以支持从小于6GHz到高达100GHz的毫米波(mmWave)频段的更宽范围的频带。
　　

CP-OFDM：下行链路和上行链路

最近，研究人员一直在研究多种不同的多载波波形，并提出5G无线电接入方案。然而，由于正交频分复用(OFDM)方案非常适用于TDD操作和时延敏感的应用，加上该方案能够有效地处理大带宽 的信号，在商业应用上已有诸多成功案例，所以循环前缀(CP)OFDM成为首选为NR。 CP-OFDM的强大优势使其非常适合用于实现5G网络：高频谱效率、MIMO兼容、相位噪声抑制、收发器的简易性、定时误差和符号间干扰电阻。
　　

DFT-S-OFDM：更高效率的上行链路

OFDM波形的主要缺点之一是峰值平均功率比(PAPR)较高，这会降低发射机上RF输出功率放大器的效率，无法最大程度地降低高阶非线性效应。对于智能手机等UE来说，最重要的两点是维持 电池寿命和降低能耗。在移动设备中，射频功率放大器负责将信号传输到基站，因而该器件消耗 的功率最大，因此系统设计人员需要一种波形类型，既可让放大器高效运行，同时又能够满足5G 应用的频谱需求。 

而据华为研究人士表示，选择基于循环前缀的OFDM(CP-OFDM)波形可以实现比LTE更好的频谱约束(滤波或加窗)。下行链路(DL)和上行链路(UL)具有对称波形，并且对于UL具有互补DFT-OFDM，仅有一个数据流。
　　

5G NR采用的波形(华为资料)
　　

比较OFDM与目前的LTE，发现OFDM中具有更好的可扩展性可以实现低得多的延迟——其往返时间(RTT)比当今的LTE低一个数量级。OFDM具有自包含的TDD子帧设计，能够实现更快更灵活的TDD切换和换向，同时支持新的部署场景。
　　

对TDD切换和换向来说，OFDM的自包含TDD子帧设计比LTE的8个HARQ接口更快、更灵活
　　

NR参考信号
　　

为了提高协议效率，以及维持时隙或波束内的传输而不必依赖于其他时隙和波束，NR引入了以下四个主要参考信号，如解调参考信号(DMRS)、相位跟踪参考信号(PTRS)、探测参考信号(SRS) 、信道状态信息参考信号(CSI-RS)。与LTE标准通过不断交换参考信号来管理链路不同的是，NR发射机仅在必要时才发送这些参考信号。
　　

MIMO
　　

为了更高效地使用频谱并为更多用户提供服务，NR计划充分利用MU-MIMO技术。 MU-MIMO利用 多个用户之间不相关的分散空间位置来为MIMO增加多址(多用户)能力。在这种配置中，gNB将 CSI-RS发送给覆盖区域中的UE，并且基于每个UE设备的SRS响应，gNB会计算每个接收机的空间 位置。前往每个接收机的数据流会经过预编码的矩阵(W-Matrix)，矩阵将数据符号组合成信号， 流向gNB天线阵列中每个元件。
　　

多个数据流拥有各自独立且适当的权重，这些权重使每个数据流产生不同的相位偏移，使得波形之间相长干涉，并且同相到达接收机处。这将每个用户位置处的信号强度最大化，同时最大限度 减小其他接收机的方向上的信号强度(零值)。