高通解读5G中的关键技术

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。

作为下一代蜂窝网络，5G 网络以 5G NR （New Radio） 统一空中接口（unified airinterface）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。

图1:5G的应用领域

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的关键技术

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：? 复杂度低（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（Frequencylocalization）：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5:5GNR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。

图6：5G NR可针对不同服务进行高效多路传输

面对这一需求，Qualcomm正积极推动CP-ODFM（循环前缀正交频分复用）加窗技术，大量的分析和试验结果表明，它能有效减少频带内和频带外的辐射，从而显著提高频率局域化。CP-ODFM技术的效果已被实践证实，现在正广泛应用于LTE网络体系中。 二．灵活的框架设计显然，要实