5G NR 植根于 4G LTE（長期演進）和 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)，是一種全新的射頻接口與射頻接入網(wǎng)絡(luò)。（“NR”，即“New Radio”，中文翻譯為“新空口”或“新射頻”。）5G NR 將成為 5G 通信系統(tǒng)的關(guān)鍵賦能技術(shù)。5G NR 利用當(dāng)前最佳的技術(shù)和手段，滿足各標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的 5G 要求。本章將講解 5G NR 的部分技術(shù)方面，以便您能理解那些背后的技術(shù)。

現(xiàn)在，您可能對 5G 已有基本認識，下面讓我們再深入一些，了解 5G 的支持技術(shù)。5G 的骨干技術(shù)如下：

頻譜技術(shù)

動態(tài)頻譜共享技術(shù)

擴展正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM），一種將更多數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼到多個載波頻率的方法

多入多出技術(shù)（MIMO），其中包括同時利用多個天線的技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)速度和減少誤差

波束賦形技術(shù)，將來自多個天線的射頻信號合并成一個指向特定設(shè)備或接收器的強信號

小蜂窩技術(shù)或網(wǎng)絡(luò)密致化技術(shù)，將多個蜂窩站點密集放置，以提高可用容量

另外，這些技術(shù)還將顯著強化現(xiàn)有的 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)靈活性、伸縮性和效率。其中部分技術(shù)（例如：動態(tài)頻譜共享）已在前幾章講解。其他幾項技術(shù)對您來講也許是全新的。我們將在以下各節(jié)分別講解。

頻譜與動態(tài)頻譜共享

我們在前面的文章中提到，為滿足增強型移動寬帶（eMBB）的需求（例如：1 Gbps 或以上的數(shù)據(jù)率速度，以及采納用戶設(shè)備所需的數(shù)據(jù)率），頻譜與動態(tài)頻譜共享是兩項必需的技術(shù)。

相對于 4G LTE，5G 顯著提高了數(shù)據(jù)率。不過，5G 的大部分優(yōu)勢都源于新的 5G 頻帶所獲得的帶寬增強（如圖 1 所示）。只有少部分?jǐn)?shù)據(jù)吞吐量的提高是因為實施了 5G NR 技術(shù)。如您所見，頻譜的增加給下行鏈路的數(shù)據(jù)率帶來指數(shù)級增長，而載波聚合與 5G NR 技術(shù)升級僅貢獻 19% 的增長。

頻分復(fù)用（OFDM）

在 5G NR 開發(fā)過程中，第一步是為 5G NR 設(shè)計物理層，其中波形是一個核心技術(shù)組成。在審查多個提案后，3GPP 選擇擴展使用頻分復(fù)用技術(shù)，同時在上行鏈路和下行鏈路為 5G 添加循環(huán)前綴頻分復(fù)用（CP-OPDM）波型。

圖 1：4G LTE 與 5G NR 下載鏈路數(shù)據(jù)完善情況比較

CP-OFDM 技術(shù)利用多個平行窄帶子載波來傳輸信息，而不使用單個寬帶載波。該技術(shù)定義充分，已在 4G LTE 下行鏈路和Wi-Fi通信標(biāo)準(zhǔn)成功實施，因此也適合用于 5G NR 設(shè)計。

不過，5G NR 上行鏈路還提供了一種不同的波形格式，這種波形格式類似 4G LTE 上行鏈路使用的波形模式?離散傅立葉變換擴頻正交頻分復(fù)用（DFT-S-OFDM）波形。DFT-S-OFDM 波形是一種 4G 采用的波形，結(jié)合了循環(huán)前綴正交頻分復(fù)用和低峰均比（PAPR）的優(yōu)點。DFTS-OFDM 波形對上行鏈路有幫助，對于高功率的 2 級功率應(yīng)用或者當(dāng)用戶設(shè)備位于基站蜂窩的邊緣位置，遠離信號塔時，DFT-S-OFDM 可能是首選波形。

在靈活性上，5G NR 提供的子載波間隔方案還超越了 LET 提供的固定 15 kHz 子載波間隔。5G NR 提供的子載波間隔包括 FR2，最大間隔達到 240 kHz。靈活的載波間隔可用于適當(dāng)支持 5G NR 所需的多元化頻帶、頻譜類型及部署模式。

DFT-S-OFDM 非常類似于 LTE 上行鏈路使用的單頻分復(fù)用接入（SCFDMA），CP-OFDM 非常類似于 LTE 下行鏈路使用的正交頻分復(fù)用接入（OFDMA）。3GPP 之所以選擇 CP-OFDM，原因如下：

CP-OFDM 能夠面向復(fù)雜程度較低的接收器延展。

在一些最重要的 5G 性能指標(biāo)上（例如：與多天線技術(shù)的兼容性），CP-OFDM 排名最高。

CP-OFDM 的時域控制良好，這一點對于低延時關(guān)鍵應(yīng)用和時分雙工（TDD）部署具有重要意義。

5G MIMO與大規(guī)模MIMO

大規(guī)模 MIMO 技術(shù)是 MIMO 技術(shù)的擴展。MIMO 技術(shù)有效地、重復(fù)地利用同一帶寬，以便傳輸更多數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對頻譜更加高效的利用。

今天許多 LTE MIMO 基站都最多由八根天線組成，接收器上有一到二根天線。這使得基站能夠同時向 8 名用戶分別發(fā)送 8 條數(shù)據(jù)流；如果合二為一，則能夠同時向 4 名用戶分別發(fā)送2條數(shù)據(jù)流。

隨著 4G 向大規(guī)模 MIMO 的轉(zhuǎn)移，天線數(shù)量出現(xiàn)指數(shù)增長?多達 16 根、32 根、64 根、128 根，甚至更多。這些天線的集合被稱為“天線陣列系統(tǒng)”（AAS）。這有助于通過波束賦形技術(shù)，將能量集中到較小的空間區(qū)域（參見下節(jié)），以極大改善吞吐量和輻射能量效率。

大規(guī)模 MIMO 有助于：

防止在非理想方向上傳輸數(shù)據(jù)，減輕干涉

減少延時，從而提高速度和可靠性

減少通知和連接的衰落與掉線

同時服務(wù)大規(guī)模用戶群

推出二維波束賦形

大規(guī)模 MIMO 不僅能夠增加蜂窩容量和蜂窩效率，還能利用銳利天線波束方向圖（由多個天線元素組成）平行發(fā)送和接收射頻信號。在采用大規(guī)模 MIMO 技術(shù)的基站，每條數(shù)據(jù)流都有獨特的輻射方向圖，因此不會相互干涉。每條數(shù)據(jù)流的信號強度都按照目標(biāo)用戶設(shè)備的方向傳送；在其他用戶設(shè)備的方向，信號強度則被減少，以降低干涉。

波束賦形

波束賦形技術(shù)對天線陣列中的單根天線的量級和相位進行適當(dāng)加權(quán)，利用多根天線來控制波形的傳送方向，為 5G 帶來顯著優(yōu)勢。由于波束賦形技術(shù)是大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)使用的一項技術(shù)，因此有時“波束賦形”與“大規(guī)模 MIMO”這兩個術(shù)語可以互換使用。

波束賦形技術(shù)被用于毫米波頻譜，基本頻率在 24 GHz 以上。該頻譜使用的是 200 至 400 MHz 的寬信道帶寬，因此提供了超高的數(shù)據(jù)傳輸速度。承運商將使用該技術(shù)部署 5G 固定無線接入服務(wù)（FWA），作為“最后一英里”連接解決方案，為家庭和企業(yè)提供高速連接。

固定無線接入毫米波有一個缺點：雨、植物或建筑物等，都可能造成毫米波信號衰減（即：信號強度損失）。在這些情況下，有時候難以保持用戶設(shè)備處于視距范圍，因此會造成信號延遲、衰減以及到達信號發(fā)生變化。不過，波束賦形技術(shù)有助于減少這些負面效果，如下圖所示。通過利用大規(guī)模 MIMO 和波束賦形技術(shù)帶來的多條路徑，即使在視距受限的情況下，也可以對天線元素與用戶設(shè)備之間的空間信道進行定性及數(shù)字化編碼和解碼，從而有助于減少信號損失。

圖 2：大規(guī)模 MIMO 與波束賦形

圖 2 所示的大規(guī)模 MIMO 波束賦形基站技術(shù)被部署在城鎮(zhèn)等人口稠密地區(qū)。

網(wǎng)絡(luò)密致化

今天，無線基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)包含眾多元素，有大蜂窩基站、地鐵蜂窩基站，還有室內(nèi)外分布式天線系統(tǒng)和小蜂窩基站。這些元素在異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）環(huán)境下共同工作，如下圖所示。

圖 3：無線基礎(chǔ)設(shè)施異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)與小蜂窩基站集成

所謂“密致化”，是一種通過增強蜂窩站點，提高可用蜂窩容量的技術(shù)。這種蜂窩可以是微蜂窩或小蜂窩，以應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)容量緊張的區(qū)域。另外，這些蜂窩還可以分擔(dān)周邊大基站和微基站的通信流量。

小蜂窩基站是一種將蜂窩基站拆分成更小型群組的迷你基站。另外，還可根據(jù)覆蓋面積的大小，細分為皮蜂窩基站、微蜂窩基站和飛蜂窩基站，并且這些基站既可以設(shè)在室內(nèi)，也可以設(shè)在室外（參見表 1）。

表 1：基站類型

據(jù)管道通向網(wǎng)絡(luò)。小蜂窩基站則將這條管道拆分成覆蓋一定區(qū)域的多條小型管道。小蜂窩基站的主要目標(biāo)是提高大蜂窩基站的邊緣數(shù)據(jù)容量或者覆蓋大蜂窩不能覆蓋的區(qū)域（覆蓋不良），最終目標(biāo)是完善數(shù)據(jù)、速度和網(wǎng)絡(luò)效率。圖 4 所示為小蜂窩集成網(wǎng)絡(luò)。

圖 4：小蜂窩集成網(wǎng)絡(luò)

小蜂窩：

提高數(shù)據(jù)容量，尤其是高端購物區(qū)或城市中心區(qū)等高度稠密的區(qū)域。

消除了高成本的屋頂系統(tǒng)和設(shè)備或租用成本。

提高了手機性能。

在討論密致化與小蜂窩基站時，我們需要考慮到物聯(lián)網(wǎng)——物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用多種無線技術(shù)進行連接。小蜂窩基站的實施以及眾多設(shè)備的互聯(lián)，將構(gòu)成大規(guī)模、超可靠、低延時機器類通信（MTC）的一個關(guān)鍵方面。物聯(lián)網(wǎng)的傳輸類型大致分為以下四種：

有線傳輸

中短距離無線傳輸（從藍牙到網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) Wi-Fi、ZigBee）

長距離無線傳輸（4G LTE 和 5G 蜂窩），低功率廣域網(wǎng)（LPWAN）

衛(wèi)星傳輸

5G 將可實現(xiàn)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)，大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)能夠支持?jǐn)?shù)百億個設(shè)備、物品和機器，并且這些設(shè)備都需要連接無處不在。這些設(shè)備可以是移動設(shè)備、漫游設(shè)備，還可以是固定設(shè)備。

5G NR 頻譜載波聚合

“載波聚合”是一種將兩個以上載波合并成一條數(shù)據(jù)信道，以增加數(shù)據(jù)容量的技術(shù)。通過利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)頻譜，載波聚合技術(shù)讓運營商能夠提供更高的上行鏈路和下行鏈路數(shù)據(jù)率，因此能夠提高網(wǎng)絡(luò)性能和確保高質(zhì)量用戶體驗。載波聚合為 4G 提高用戶數(shù)據(jù)吞吐量做出重要貢獻，并且還將在 5G 起到同樣重要的作用。為了增加容量，全球運營商都在積極地添加載波聚合頻帶和功能（例如：MIMO），如表 2 所示。

我們在之前的文章提到，相關(guān)命名慣例因為 5G 頻帶而發(fā)生改變。5G 命名重新加入字母“n”（即：n77 或 n78），用以指代“New Radio”（即：新空口）；而 4G 命名則使用字母“B”指代“頻帶”。5G NR 使用的 LTE 頻帶仍將使用相同的頻帶編號，只是增加了 n 標(biāo)識符。

表 2：全球載波聚合頻帶與功能

波頻率提供高達 700 MHz 的信道帶寬。在 7 GHz 以下頻帶，可以利用 4 條 100 Mhz 信道，實現(xiàn) 400 MHz 瞬時帶寬。

在頻分雙工（FDD）或時分雙工（TDD）條件下，每條分量載波能夠獲得 1.4 Mhz、3 Mhz、5 Mhz、10 Mhz、15 MHz 或 20 MHz 帶寬。因此，如果有 5 條 20 MHz 分量載波，那么利用載波聚合，最高可以實現(xiàn) 100 MHz 帶寬。在時分雙工條件下，分量載波的帶寬和數(shù)量必須在上下行鏈路保持相同。4G LTE-Advanced Pro 能夠提供最高 100 MHz 帶寬，支持 32 條分量載波，因此最高帶寬可以達到 640 MHz。在 5G NR 條件下，還有另外一個載波聚合方案，該方案被稱為“雙重連接”，該方案能夠聚合 4G LTE 和 5G NR 頻帶。
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