5G NR無(wú)線(xiàn)技術(shù)演進(jìn)策略

丁 遠(yuǎn)，王楚鋒

（中通服咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210009）

0 引 言

國(guó)際上，ITU從2017年下半年啟動(dòng)5G技術(shù)方案征集，2020年完成5G標(biāo)準(zhǔn)制定。3GPP在2018年6月份形成了第一版5G標(biāo)準(zhǔn)——R15標(biāo)準(zhǔn)（確定eMBB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）；2019年6月將完成第二版5G標(biāo)準(zhǔn)——R16標(biāo)準(zhǔn)（確定uRLLc和mMTC標(biāo)準(zhǔn)）；2020年中，完成滿(mǎn)足ITU要求的5G標(biāo)準(zhǔn)完整版本[1]。移動(dòng)通信從模擬通信到數(shù)字通信，支持語(yǔ)音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的逐步深入發(fā)展。4G LTE技術(shù)演進(jìn)至5G NR并不是一蹴而就的，而是經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)革新和應(yīng)用逐步完善的。

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)容量始終遵循香農(nóng)定律，如式（1）所示，5G通信也不例外。5G無(wú)線(xiàn)技術(shù)主要采用大帶寬、大規(guī)模天線(xiàn)、波束賦形以及抗干擾等技術(shù)提升網(wǎng)絡(luò)能力[2]。

其中，R代表網(wǎng)絡(luò)速率；n代表天線(xiàn)陣子，5G中代表空分復(fù)用MIMO的應(yīng)用；B代表帶寬，5G將采用100 MHz帶寬；S代表信號(hào)強(qiáng)度，5G中采用波束賦形其信號(hào)更強(qiáng)；N代表噪聲，5G中采用LDPC+Polar編碼減少信道干擾。為達(dá)到這些技術(shù)指標(biāo)，需采用一系列解決方案，如控制面與用戶(hù)面分離、自組織網(wǎng)絡(luò)、新空口技術(shù)以及D2D通信等。

1 5G鏈路預(yù)算

LTE采用Cost231-Hata模型，適用頻段為1 500～2 600 MHz。5G采用3D UMA模型，適用頻段為2～6 GHz，公式為[3]：

其中，PL為路徑損耗，W為街道寬度，h為建筑物平均高度，hBS為基站高度，hUT為終端高度，d3D為終端與基站間的距離，fc為頻率。

以中國(guó)電信的3D UMA傳播模型鏈路預(yù)算為例，其中設(shè)備參數(shù)暫按目前的設(shè)備情況設(shè)置，邊緣速率目標(biāo)暫按照目前業(yè)內(nèi)推薦下行10 Mb/s、上行1 Mb/s邊緣速率進(jìn)行估算。邊緣覆蓋率參考目前4G的邊緣覆蓋率要求，基站天線(xiàn)掛高根據(jù)場(chǎng)景不同分別取值，穿透損耗、街道寬度和建筑物高度根據(jù)不同地域給出典型參考值，其中密集市區(qū)的鏈路預(yù)算表如表1所示。

上述理論分析的站間距為300 m左右，工程實(shí)踐中應(yīng)依據(jù)實(shí)際選址位置靈活部署。因此，3.5G 64天線(xiàn)覆蓋能力與2.6G 8天線(xiàn)相當(dāng)，組網(wǎng)時(shí)站間距規(guī)劃可以滿(mǎn)足300 m以上。現(xiàn)網(wǎng)LTE大部分場(chǎng)景站間距為300 m左右，因此5G-NR組網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)與4G按1:1比例址覆蓋。

2 5G新空口技術(shù)

表2為4G至5G技術(shù)發(fā)展過(guò)程中經(jīng)歷的技術(shù)演進(jìn)。接入方式、雙工方式、調(diào)制方式、干擾協(xié)調(diào)以及時(shí)延控制等方面都逐步加強(qiáng)性能。

2.1 幀結(jié)構(gòu)

5G幀結(jié)構(gòu)由固定結(jié)構(gòu)和靈活結(jié)構(gòu)兩部分組成。其中，固定結(jié)構(gòu)與LTE結(jié)構(gòu)一致，采用的是固定的14符號(hào)。LTE和NR共模時(shí)，時(shí)隙與幀結(jié)構(gòu)同步，小區(qū)搜索和頻率測(cè)量也同步。靈活的子構(gòu)架是5G NR獨(dú)有的，時(shí)隙和字符長(zhǎng)度可根據(jù)子載波間隔靈活定義。

NR 1個(gè)無(wú)線(xiàn)幀為10 ms，分成10個(gè)子幀，每個(gè)子幀1 ms；每個(gè)子幀劃分為4時(shí)隙（若子載波間隔變化，1個(gè)子幀中的時(shí)隙個(gè)數(shù)相應(yīng)調(diào)整），每時(shí)隙14符號(hào)[4]，如圖1所示。NR的系統(tǒng)帶寬利用率最高可達(dá)97%（LTE為90%），進(jìn)一步提升了頻譜利用價(jià)值。此外，5G定義了一種新子時(shí)隙構(gòu)架Mini-Slot，可用于快速靈活的服務(wù)調(diào)度，如超高可靠低時(shí)延（URLLC）應(yīng)用場(chǎng)景。

表1 5G鏈路預(yù)算表

由不同的子載波間隔和實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度可伸縮的時(shí)隙/Mini-Slot，一個(gè)時(shí)隙由14個(gè)OFDM符號(hào)組成，可采用自包含一體化結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)傳輸和其對(duì)應(yīng)的確認(rèn)信息都包含在同一個(gè)時(shí)隙中，以達(dá)到降低時(shí)延的目的。一個(gè)Mini-Slot至少可由2、4、7個(gè)OFDM符號(hào)組成。可擴(kuò)展的OFDM參數(shù)集支持15～480 kHz的子載波間隔。較大的子載波間隔可以降低高頻部署多普勒頻移的影響，也可滿(mǎn)足URLLC極短的符號(hào)長(zhǎng)度和TTI長(zhǎng)度要求。較小的子載波間隔可以滿(mǎn)足mMTC海量連接數(shù)和同時(shí)連接數(shù)的要求，在相同發(fā)射功率下覆蓋能力更具優(yōu)勢(shì)，如圖2所示。

2.2 編碼方式

LTE業(yè)務(wù)信道采用Turbo碼，控制信道采用卷積碼。5G NR數(shù)據(jù)信道采用LDPC編碼，控制信道和廣播信道用Polar編碼，提高了NR信道編碼效率，適應(yīng)5G大數(shù)據(jù)量、高可靠性和低時(shí)延的傳輸需求。

2.3 新型波形

LTE下行采用OFDM波形，NR下行采用F-OFDM。F-OFDM技術(shù)通過(guò)優(yōu)化濾波器、數(shù)字預(yù)失真（Digital Pre-Distortion，DPD）、射頻等通道處理，使基站在保證相鄰頻道泄漏比（Adjacent Channel Leakage Ratio，ACLR）、阻塞等射頻協(xié)議指標(biāo)時(shí)，有效提高系統(tǒng)帶寬的頻譜利用率和峰值吞吐量。

LTE上行僅采用DFT-S-OFDM波形，NR上行同時(shí)采用了CP-OFDM波形和DFT-S-OFDM兩種波形，可根據(jù)信道狀態(tài)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。CP-OFDM波形是一種多載波傳輸技術(shù)，在調(diào)度上更加靈活，在高信噪比環(huán)境下鏈路性能較好，可適用于小區(qū)中心用戶(hù)。CP-OFDM波形是一種多載波傳輸技術(shù)，調(diào)度上更加靈活，在高信噪比環(huán)境下鏈路性能較好。

表2 4G/5G制式主要參數(shù)對(duì)比

圖1 NR幀結(jié)構(gòu)

2.4 雙式方式

NR空口支持靈活雙工方式，可在成對(duì)頻譜和非成對(duì)頻譜上靈活管理上下行資源。對(duì)于TDD系統(tǒng)，一個(gè)時(shí)隙中上行OFDM符號(hào)、下行OFDM符號(hào)的配比具有半靜態(tài)和動(dòng)態(tài)配置兩種方式。對(duì)于FDD系統(tǒng)，可以把上行和下行頻帶作為兩個(gè)獨(dú)立的TDD頻帶來(lái)操作。靈活雙工將帶來(lái)站間的上下行干擾，3GPP擬支持靈活雙工干擾消除，預(yù)計(jì)R16版本才能完成。

2.5 參考信號(hào)

NR空口舍棄了LTE空口小區(qū)級(jí)的參考信號(hào)CRS，有利于降低基站的能耗和組網(wǎng)干擾，并利于前向兼容性設(shè)計(jì)。支持4種UE級(jí)的參考信號(hào)——解調(diào)參考信號(hào)DMRS、相位追蹤參考信號(hào)PTRS、測(cè)量參考信號(hào)SRS和信道狀態(tài)信息參考信號(hào)CSI-RS。控制信道和業(yè)務(wù)信道的DMRS獨(dú)立設(shè)計(jì)，業(yè)務(wù)信道具有前載DMRS和額外DMRS。前載DMRS有利于快速解調(diào)，以支持各種低時(shí)延應(yīng)用；額外DMRS應(yīng)用于高速移動(dòng)場(chǎng)景。PTRS的引入消除了當(dāng)5G部署在高頻段的相位噪聲，CP-OFDM波形和DFT-S-OFDM波形的PTRS獨(dú)立設(shè)計(jì)。SRS從LTE使用1個(gè)OFDM符號(hào)增加為可使用連續(xù)1、2、4個(gè)OFDM符號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)更好的測(cè)量精度和效果，以用于波束管理[5]。

2.6 調(diào)制方式

5G兼容LTE調(diào)制方式，同時(shí)引入比LTE更高階的調(diào)制技術(shù)如256 QAM，進(jìn)一步提升頻譜效率（1 024 QAM主要用于毫米波通信方面）。

2.7 5G大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)

5G使用3D-MIMO技術(shù)，天線(xiàn)數(shù)及端口數(shù)配置上百根集成天線(xiàn)陣子，支持更多用戶(hù)的空間復(fù)用傳輸，大大提升了5G系統(tǒng)頻譜效率。隨著陣子數(shù)的增加，波束越來(lái)越窄，如圖3所示。

大規(guī)模天線(xiàn)陣列在三維空間形成高增益窄細(xì)波束，提供更靈活的空間復(fù)用能力，有利于改善接收端接收信號(hào)和抑制用戶(hù)間的干擾，實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)容量和頻譜利用效率。通過(guò)相位的調(diào)整，可以控制波束的指向，產(chǎn)生具有指向性的波束，以增強(qiáng)波束方向的信號(hào)，補(bǔ)償無(wú)線(xiàn)傳播損耗，可用于廣域覆蓋、深度覆蓋以及高樓覆蓋等場(chǎng)景。

圖2 F-OFDM時(shí)隙資源分配

圖3 波束陣子

大規(guī)模天線(xiàn)在提升性能的同時(shí)，設(shè)備成本、體積和重量相比傳統(tǒng)的無(wú)源天線(xiàn)也有明顯增加。大規(guī)模天線(xiàn)模塊化后易于安裝、部署、維護(hù)，預(yù)期能夠降低運(yùn)營(yíng)成本，并且易于組成不同天線(xiàn)形態(tài)用于不同應(yīng)用場(chǎng)景。目前，各家廠(chǎng)家都已開(kāi)發(fā)出192天線(xiàn)振子的設(shè)備，將在5G工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用。

3 結(jié) 論

經(jīng)鏈路預(yù)算和試驗(yàn)網(wǎng)實(shí)測(cè)，5G NR單站覆蓋范圍與LTE范圍一致，其幀結(jié)構(gòu)、編碼方式、波形、雙工方式、參考信號(hào)、調(diào)制方式以及大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了5G時(shí)代的高帶寬、高速率、低時(shí)延、高可靠以及廣連接。