5G-NR物理層關鍵技術及其在廣電領域應用中的思考

黃云霞

(甘肅省甘南州廣播電視臺，甘肅 甘南 747000)

0 引言

隨著移動通信技術發展速度的不斷提升，5G標準制定工作正在有序推進過程中。該標準在實際制定過程中將增強型移動寬帶、超可靠低延遲通信以及大規模機器類型通信3種環境條件下通信過程中產生的問題作為主要解決目標。

無線空口在任何通信系統中均會承擔著基礎組成元素地位，5G系統的無線空口可以應用的頻率范圍達到SUB-1～100 GHz，同時也可以支持各種類型及規格的蜂窩小區，并有效滿足不同場景下的通信需求。5G-NR系統物理層結構由3GPP定義，整體結構較為復雜。5G獨立組網于2018年6月正式完成，作為第一個真正意義上的5G版本，后續版本需要以此為基準，向此版本兼容。由此，行業內技術人員主要基于此版本對5G-NR物理層關鍵技術進行研究，并對其在廣電中的應用價值進行探索。

1 5G-NR物理層關鍵技術概述

1.1 MIMO技術

雖然MIMO技術并非目前最先進的技術，但是其在LET系統中發揮的作用以及展現出的價值使得該技術成為5G技術的核心技術之一。該技術在實際應用于5G技術過程中，多天線同時傳輸方案、信道反饋等是其技術標準化的主要側重點，在具體設計過程中需要兼顧開環及閉環傳輸以及半開環傳輸方案，需要支持各種方案在實際應用過程中實現動態切換[1]。

5G-NR天線方案在不同頻段范圍內也存在較大差異。低頻段范圍條件下，MIMO方案主要為LTE版本的加強模式，主要是為日益增長的數據傳輸速率以及系統容量不斷提升要求，因此采用了提升頻譜利用率的方案。5G-NR在實際構建過程中規范了MU-MIMO以及互易性方面，使得該系統可以更加靈活地對參考信號以及控制信令傳輸進行調整，操作者可以上線對傳輸模式進行動態調整，這種靈活的數字化控制多天線陣列傳輸的方式可以使空間分辨率以及頻譜效率大幅提升，準確的信道狀態信息(CSI，ChannelStateInformation)反饋是保證MIMO獲得較大性能提升的重要因素，5G-NR僅在需要時才觸發非周期參考信號用于信道和干擾測量，該CSI反饋過程不僅能簡化系統設計，而且對今后5G-NR的版本有較好的后向兼容性[2]。

在高頻段范圍條件下，可用頻率大幅提升性能，但傳輸過程中存在損耗較大的缺陷。因此，覆蓋率是此條件下天線方案設計的關鍵問題。5G-NR在實際構建過程中對毫米波頻段進行增高處理，波長以及天線陣列尺寸相對短小。為實現提升信號覆蓋率的目的，在此過程中波束賦形發揮著重要作用。5G-NR在實際構架過程中兼顧模擬以及數字波束賦形，模擬波束賦形在實際應用過程中呈現出較好的經濟性，因此適用于6 GHz以上的高頻段條件，而數字波束賦形在資源調度方面呈現出更加靈活的優勢，適用于6 GHz以下的較低頻段。相較于前幾代移動通信系統，5G-NR的CSI反饋架構更具靈活性優勢同時較為統一，這種優勢使得波束賦形在承擔數據傳輸功能外，還可以應用于初始接入以及廣播信道[3]。

1.2 5G-NR波形

5G-NR上下行鏈路與LET系統呈現明顯的差異性。LET系統上下鏈路分別采用CP-OFDM以及DFT-s-OFDM，5G-NR上下鏈路均采用CP-OFDM波形。相同的波形在實際設計過程中更加便利，尤其是在無線回傳以及D2D系統方面，但是需要注意的是該模式同樣存在短板，因此，在單流傳輸覆蓋受限的情況下，上行線路設計中依然保留DFT-s-OFDM波形。

5G-NR在OFDM參數集方面較為靈活，在實際應用過程中可以有效滿足較寬方位條件下的頻率以及應用場景。其子載波間隔幅度可以達到15×2nkHz，其中n為整數。單行的OFDM參數集(見表1)，在不同頻段中具有不同的參數集。其中，DFDM符號長度的7%即是CP長度，需要注意的一點是，其具備一定特殊性，在60 kHz子載波條件下，CP長度受其影響會產生一定量的沿程。不同參數集所支持的最大子載波數量均控制在3 300個，由此，可以計算出不同參數集所支持的最大寬帶。在實際應用過程中，可通過載波聚合的方式實現放大信道寬帶的目的，3GPP R15以及LET所支持的最大載波聚合數量分別為16個和5個。相較于LET，5G-NR頻譜利用率呈現出明顯的大幅提升態勢，LET的頻譜利用率為90%，而5G-NR在濾波以及加窗等頻域處理手段支持下可以使利用率擴大到94%～99%。

表1 5G-NR典型OFDM參數集

2 5G-NR物理層關鍵技術應用于廣電領域的價值分析

2.1 MIMO技術分析

MIMO技術在實際應用中體現出的價值以及功能使其得到了廣泛應用，即使該技術并非是前沿技術，但是依然被5G-NR視為核心技術之一，同時其在提升頻譜效率以及傳輸速率等方面展現出較大的發展前景。現階段，MIMO技術逐漸融入到廣電標準中，其中以ATSC3.0、DVB-T2為典型代表，然而我國廣電標準中尚未融入該技術，而導致廣電系統未應用該技術的主要因素包含以下幾點。

1)天線尺寸差異限制MIMO技術應用。信道非相干性是確保MIMO技術性能得到完美發揮的重要前提，這就要求發送端以及接收端天線間距應分別控制在波長10倍以上以及半波長。而廣播電視頻段相對較低，天線尺寸較大，難以滿足MIMO技術的應用。

2)反饋信道不滿足實際應用要求。MIMO技術在實際應用過程中要求反饋信道滿足鏈路自適應支持閉環MIMO條件，然而當前廣播電視在反饋信道建設方面缺失，僅支持開環MIMO。

3)成本及指標增益關系方面尚不明確。基于上述限制，廣播電視在考慮MIMO技術使用時應以2×2等低階為主，通過采用交叉極化天線、天線小型化等技術解決天線尺寸問題，通過基于統計信道信息的預編碼方案改善缺乏反饋鏈路情況下的MIMO性能。目前，將MIMO技術應用于廣播電視領域可行的方案主要有兩類。

一類是依托于單頻網。MIMO兩路發射信號選取2個不同的發射站點。該模式并非首創，DVB-T2即采用此方法，主要原理為基于單頻網，將2個不同的發射站點以及經過優化改進處理的Alamouti編碼相結合達成發射信息的目的。根據實踐經驗以及具體研究表明，在利用已有單頻網設備條件下，此方面可以將傳輸性能提升1.5 dB左右，有效實現了提升信號覆蓋效率。

另一類是天線收發端處設置交叉極化天線。在信號傳輸方面主要將經過預編碼的兩路信號通過不同極化方向進行傳輸。該方案既可以利用MIMO的空間分集提升覆蓋性能，也可以利用MIMO的空間復用克服給定信道帶寬中單天線無線通信的信道容量限制，但收發端都得增加MIMO相應的處理系統，例如空分復用模塊、預編碼模塊、檢測解碼模塊及多天線等。ATSC3.0標準采用了2×2MIMO，配合多種可選預編碼技術等，使其性能較SISO有較大幅度的提升。

現階段，國際上已經開始推動600 mHz以及700 mHz移植到移動通信業務之中，由此，隨著5G技術的快速發展，MIMO作為核心技術，其硬件成本會隨之下降。隨著高清電視、AR/VR及360°全景視頻發展速度的不斷提升，MIMO技術在廣電領域中的發展前景會隨著寬帶內高數據速率的需求提升而提升。

2.2 波形技術對比

當前，正交頻分復用技術被廣泛應用于5G系統以及廣電領域之中，保護間隔以及OFDM長度是二者之間的主要區別。

5G系統以及廣電系統在保護間隔方面的差異主要體現在插入內容以及長度方面，CP-OFDM主要采用循環前綴作為保護間隔，而TDS-OFDM則再次采用PN序列以及同步信息。前者在抗干擾能力方面具備較大優勢，而后者則選擇“犧牲”一部分抗干擾能力獲取提升接收端信道估計以及同步性能。信道的時延拓展及覆蓋半徑與保護間隔之間呈現出明顯的正相關關系，保護間隔會隨著時延拓展以及覆蓋半徑提升而提升。考慮到廣電系統的覆蓋半徑遠高于5G系統，因此廣電系統的保護間隔也相對較長。由此，在討論利用5G-NR開展大范圍廣播、組播業務時，必須要考慮在現有波形參數上定義加長版的CP及OFDM長度。

3 結語

目前，5G技術已經成為未來通信技術發展的重要進步，未來，5G技術將逐漸成為推動國家社會經濟建設以及產業轉型發展的重要動力。從技術層面出發，5G-NR物理層關鍵技術具備應用于廣電系統的價值，但是在實際設計過程中需要將MIMO技術的適用性以及CP與CFDM長度作為關鍵環節。