在聆聽了今年由NYU WIRELESS(紐約大學專注於5G mmWave研究的一個機構)和諾基亞(Nokia)共同主辦,在紐約大學Tandon工學院(NYU Tandon School of Engineering)舉行的布魯克林5G高峰論壇(Brooklyn 5G Summit)上的許多優秀的5G技術演講後,我注意到5G「NR」這個術語。

你可能還不熟悉5G NR,它指的是5G新空中介面(New Radio)。高通(Qualcomm)評論說,NR是個複雜的話題,因為它涉及一種基於正交分頻多工(OFDM)的新無線標準。

OFDM指的是一種「數位多載波調變方法」,其中「使用大量間隔緊密的正交子載波訊號在幾個並行資料流程或通道上傳輸資料」。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描述4G無線標準一樣。

20170717NT01P1 圖1 5G無線電接取(Radio Access)架構由LTE Evolution和新無線電接取技術(New Radio Access Technology,RAT),也就是NR組成。NR工作在1GHz~100GHz,不相容舊版LTE。

NR需要使用LTE以外的新無線電接取技術——它必須夠靈活,以支持從小於6GHz到高達100GHz的毫米波(mmWave)頻段的更寬範圍頻帶。NR已經選擇了基於OFDM的統一且更有能力的空中介面完成以後的任務。

OFDM是一種定義很好且廣為人知的波形設計原理。4G(LTE及其目前為止的演進)和IEEE 802.11(Wi-Fi)都使用OFDM作為無線發送資料的基本訊號格式。基本上,OFDM使用大量並行窄頻子載波而不是單個寬頻載波來傳輸資訊。

圖2是高通高級副總裁Durga Malladi在2017年布魯克林5G峰會提出的實施時間表。

20170717NT01P2 圖2 5G NR正加速成為5G的全球標準。 (圖片來源:高通)

為什麼OFDM雀屏中選?

選擇OFDM的一些原因如下: ˙OFDM是一種對接收器複雜度要求更低的可縮放波形; ˙OFDM的框架對多重輸入多重輸出(MIMO)空間複用更加有效,這意味著頻譜效率更高; ˙OFDM允許諸如加窗/濾波等強化,以便增強當地語系化; ˙SC-FDM/SC-FDMA非常適合用於宏基站部署中的上行鏈路傳輸。

5G面臨的挑戰導致通訊技術越顯侷限,為了滿足5G NR積極的進度預期和技術訴求,標準機構和設計人員需要竭盡所能,並最充分地利用5G空中介面的各頻譜資源。

3GPP專注於三個關鍵的5G用例: 1.增強行動寬頻(eMBB); 2.大規模機器通訊(mMTC); 3.超可靠低延遲通訊(URLLC)。

上述對於諸如eMBB的更高的網路容量和更高的峰值資料速率、mMTC的連接密度和能量效率,以及URLLC的高可靠性和低延遲特性等情況的優先順序來說,具有重要的關鍵績效指標(KPI)。

採用的波形

華為(Hua Wei)研究員Peiying Zhu評論,選擇基於迴圈首碼的OFDM(CP-OFDM)波形可以實現比LTE更好的頻譜約束(濾波或開窗)。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,僅有一個資料流程(圖3)。

20170717NT01P3 圖3 5G NR採用的波形。 (圖片來源:華為)

比較OFDM與目前的LTE,我們發現OFDM中具有更好的可擴展性可以實現更低的延遲——其往返時間(RTT)比當今的LTE低一個數量等級。OFDM具有自包含的分時多工(TDD)子幀設計,能夠實現更快更靈活的TDD切換和換向,同時支持新的部署環境(圖4)。

20170717NT01P4 圖4 對TDD切換和換向來說,OFDM的獨立TDD子幀設計比LTE的8個HARQ介面更快、更靈活。

可調整性

與目前的LTE相比,OFDM的延遲可以被調整到更短(圖5)。

20170717NT01P5 圖5 相比LTE的8個HARQ介面,OFDM更容易調整到更低延遲。

5G的設計必須具有向前相容性,以便未來我們能夠靈活地逐步實現新的功能和服務;5G NR必須具有足夠的可調整性才能滿足不同的服務和設備的要求。它們包括大規模物聯網(massive IoT)、關鍵任務控制和增強行動寬頻。參見以下頻段分配示例。

低頻段

600MHz、700MHz和850/900MHz等頻段是分配在1GHz的低頻段區域。這些頻段通常用於更長的距離,例如massive IoT(如愛立信(Ericsson)為AT&T提供的每個蜂巢基地台具有數百萬個連接的massive IoT)和行動寬頻。

中頻段

中頻段區域為1GHz~6GHz,例如3.4GHz ~3.8GHz、3.8 GHz ~4.2GHz和4.4GHz ~4.9GHz等頻段。這些頻段通常用於諸如關鍵任務應用和增強行動寬頻等。

高頻段

高頻段區域在24GHz(mmWave)以上,這些頻段專用於「極端頻寬」,如24.25GHz~27.5GHz、27.5GH~29.5GHz、37GHz~40GHz和64 GHz~71GHz。

綜上所述,工程師勢必需要開發新技術以滿足5G NR的要求。