想要实现5G大范围服务，就要首先牢牢掌握这些技术

4G 的到来仿佛还在昨日，5G 却已近在咫尺。根据 3GPP 的规划， 5G 的大规模测试和部署，最早将于 2019 年开始。也就是说，最快还有一年多的时间，我们就可以享受到 5G 带来的全新体验。然而作为全球通信标准，5G 的意义当然不局限于网速更快，移动宽带体验更优，它的使命在于连接新行业，催生新服务，比如推进工业自动化、大规模物联网、智能家居、自动驾驶等。这些行业和服务都对网络提出了更高的要求，要求网络更可靠、低时延、广覆盖、更安全。各行各业迥异的需求迫切呼唤一种灵活、高效、可扩展的全新网络。5G 应运而生。

 

图 1：5G 的应用领域

 

作为下一代蜂窝网络，5G 网络以 5G NR (New Radio) 统一空中接口（unified air interface）为基础，为满足未来十年及以后不断扩展的全球连接需求而设计。5G NR 技术旨在支持各种设备类型、服务和部署，并将充分利用各种可用频段和各类频谱。

 

显然，5G NR 的设计是一项大工程，搭建 5G NR 不可能也不必从零开始，事实上，5G 将在很大程度上以 4G LTE 为基础，充分利用和创新现有的先进技术。Qualcomm 认为，要实现 5G NR 的搭建，有三类关键技术不可或缺——1. 基于 OFDM 优化的波形和多址接入（Optimized OFDM-based waveforms and multiple access，Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用），2. 灵活的框架设计（A flexible framework），3. 先进的新型无线技术（Advanced wireless technologies）。

 

图 2：5G NR 关键技术

 

一．基于 OFDM 优化的波形和多址接入（Optimized OFDM-based waveforms and multiple access）

 

5G NR 设计过程中最重要的一项决定，就是采用基于 OFDM 优化的波形和多址接入技术，因为 OFDM 技术被当今的 4G LTE 和 Wi-Fi 系统广泛采用，因其可扩展至大带宽应用，而具有高频谱效率和较低的数据复杂性，因此能够很好地满足 5G 要求。 OFDM 技术家族可实现多种增强功能，例如通过加窗或滤波增强频率本地化、在不同用户与服务间提高多路传输效率，以及创建单载波 OFDM 波形，实现高能效上行链路传输。

 

图 3：基于 OFDM 优化的波形

 

简单归纳起来，OFDM 有以下优势：

 

○ 杂度低（Low complexity）：可以兼容低复杂度的信号接收器，比如移动设备

○ 频谱效率高（High spectral efficiency:）：可以高效使用 MIMO，提高数据传输效率。

○ 能耗少（Low power consumption）：可以通过单载波波形，实现高能效上行链路传输。

○ 频率局域化（Frequency localization）：可以通过加窗和滤波，提升频率局域化，最大限度减少信号干扰。

 

图 4：可扩展子载波

 

不过 OFDM 体系也需要创新改造，才能满足 5G 的需求：

 

1. 通过子载波间隔扩展实现可扩展的 OFDM 参数配置(Scalable OFDM numerology with scaling of subcarrier spacing)

 

图 5: 5G NR 不同频谱的带宽和子载波间隔

 

目前，通过 OFDM 子载波之间的 15 kHz 间隔（固定的 OFDM 参数配置），LTE 最高可支持 20 MHz 的载波带宽。为了支持更丰富的频谱类型/带（为了连接尽可能丰富的设备，5G 将利用所有能利用的频谱，如毫米微波、非授权频段）和部署方式。5G NR 将引入可扩展的 OFDM 间隔参数配置。这一点至关重要，因为当 FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换）为更大带宽扩展尺寸时，必须保证不会增加处理的复杂性。而为了支持多种部署模式的不同信道宽度，如上图所示，5G NR 必须适应同一部署下不同的参数配置，在统一的框架下提高多路传输效率。另外，5G NR 也能跨参数实现载波聚合，比如聚合毫米波和 6GHz 以下频段的载波，因而也就具有更强的连接性能。

 

2. 通过 OFDM 加窗提高多路传输效率（Enabling efficient services multiplexing with windowed OFDM）

 

前文提到，5G 将被应用于大规模物联网，这意味着会有数十亿设备在相互连接，5G 势必要提高多路传输的效率，以应对大规模物联网的挑战。为了相邻频带不相互干扰，频带内和频带外信号辐射必须尽可能小。OFDM 能实现波形后处理（post-processing），如时域加窗或频域滤波，来提升频率局域化。如下图，利用 5G NR OFDM 的参数配置，5G 可以在相同的频道内进行多路传输。

 

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