5G標(biāo)準(zhǔn)

第三代合作伙伴項(xiàng)目（3GPP）正在制定5G標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)目由來(lái)自七個(gè)不同全球標(biāo)準(zhǔn)組織的合作伙伴組成。5G 標(biāo)準(zhǔn)始于 2017 年 12 月的“第 15 版”，隨著新特性、功能和要求的增加，將在后續(xù)版本中進(jìn)行擴(kuò)展。

在 3GPP 中，有技術(shù)規(guī)范組 （TSG），致力于在越來(lái)越高的抽象級(jí)別上定義 5G NR 系統(tǒng)。示例級(jí)別包括但不限于：

無(wú)線接入網(wǎng) （RAN）：負(fù)責(zé)定義無(wú)線電性能規(guī)范的較低級(jí)別 （1-3），其中包括：

物理層

調(diào)制

頻分雙工 （FDD）

時(shí)分雙工 （TDD）

波束成形

錯(cuò)誤檢測(cè)

校正

服務(wù)與系統(tǒng)方面（SA）：監(jiān)督整體架構(gòu)和服務(wù)功能，包括計(jì)費(fèi)、會(huì)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)管理和安全

核心網(wǎng)絡(luò)和終端（CT）：定義用戶設(shè)備的規(guī)格、網(wǎng)絡(luò)之間的切換、服務(wù)質(zhì)量映射等。

分層5G服務(wù)的三個(gè)頻段

隨著無(wú)線電信技術(shù)的進(jìn)步，頻率和帶寬穩(wěn)步增加。如圖 1 所示，新一代保留了與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的一些向后兼容性，但擴(kuò)展到更多頻段。

圖 1.2G、3G、4G 和 5G 網(wǎng)絡(luò)頻譜分配的演變。

隨著 5G 向 30GHz 以上的毫米波 （mmWave） 頻率發(fā)展，這一趨勢(shì)正在向前邁進(jìn)。這使得 5G NR 能夠在低于 6GHz 的頻率下支持高達(dá) 100MHz 的超寬帶寬，在更高頻率下支持高達(dá) 400MHz 的超寬帶寬。

5G一般可分為三個(gè)頻段：

FR1型

較低頻率：MHz–1 GHz

中頻：1–7 GHz

FR2型

更高頻率：24–48 GHz

如圖 2 所示，這三個(gè)頻段旨在協(xié)同工作，以滿足對(duì)帶寬、延遲和覆蓋范圍的不同需求。

圖2.5G NR 的 3 個(gè)頻段的帶寬、延遲和覆蓋范圍之間的關(guān)系。

5G 的初始部署在較低頻率范圍 （FR1） 中，有兩個(gè)頻段（稱為低頻段和中頻段），跨越用于 450 MHz 至 6 GHz 智能手機(jī)的更傳統(tǒng)頻率。這些較低的頻率提供了最大的覆蓋范圍。

更高的頻率范圍 （FR2） 以 24 - 100 GHz 的頻率向上移動(dòng)到毫米波區(qū)域，以支持更快的下載速度，并支持需要超低延遲的新應(yīng)用。

面向 5G NR 的正交頻分復(fù)用

上行鏈路和下行鏈路連接的 5G 傳輸均基于 OFDM（正交頻分復(fù)用）。OFDM 結(jié)合了正交幅度調(diào)制 （QAM） 和頻分復(fù)用 （FDM），可實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率通信。

由于副載波頻率彼此正交，因此各個(gè)峰值都與其他副載波的零點(diǎn)對(duì)齊（圖3）。

圖3.正交頻分復(fù)用的頻譜。

這最大限度地減少了干擾，并允許接收器有效地恢復(fù)信號(hào)。這些調(diào)制副載波可用于支持許多獨(dú)立信號(hào)（如FM無(wú)線電信道），但在5G應(yīng)用中，通常組合在一起以提高單個(gè)信道的數(shù)據(jù)速率。

NR 規(guī)范支持 15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz、240 kHz 或 480 kHz 的可調(diào)載波間隔，最多 3300 個(gè)副載波。此外，副載波調(diào)制可以是 QPSK（四相移鍵控）或 16、64 或 256-QAM。這些選項(xiàng)提供了多功能性，使運(yùn)營(yíng)商能夠優(yōu)化通信方案以滿足環(huán)境和應(yīng)用。

5G 性能與 4G 的比較

正如我們對(duì)每一代智能手機(jī)技術(shù)所期望的那樣，5G 比其前身 4G 更快，容量更大。預(yù)計(jì) 5G 將支持高達(dá) 10-20 Gb/s 的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率和超過(guò) 100 Mb/s 的平均數(shù)據(jù)速率。5G 還旨在通過(guò)提高網(wǎng)絡(luò)效率和將延遲降低 10 倍來(lái)支持容量增加 100 倍，從而降低到1 毫秒

除了這些基本改進(jìn)之外，5G還被設(shè)計(jì)為比4G更多樣化的電信標(biāo)準(zhǔn)，以支持標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)寬帶以外的應(yīng)用，包括：

低延遲的關(guān)鍵任務(wù)通信

物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的大規(guī)模連接

支持所有頻譜類型（許可、共享、非許可）

擴(kuò)展的部署模型，包括熱點(diǎn)

新的通信模型，例如設(shè)備到設(shè)備和多跳網(wǎng)格。

5G使用模型

通常，當(dāng)我們聽(tīng)到 5G 時(shí)，我們會(huì)立即想到更好的智能手機(jī)，這確實(shí)是 5G NR 規(guī)范的一個(gè)方面。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)正在開(kāi)發(fā)中，以支持的不僅僅是更好的智能手機(jī)。具體來(lái)說(shuō)，有三種主要的使用模型，如圖 4 所示：

eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）：松散更好的智能手機(jī)、消費(fèi)類應(yīng)用程序

URLLC（超可靠和低延遲通信）：關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)

mMTC（大規(guī)模機(jī)器類型通信）：考慮物聯(lián)網(wǎng)

圖4.三種 5G NR 使用模型的示例應(yīng)用。

eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）

5G NR 網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的最初重點(diǎn)是 eMBB，以提高下載和上傳速度并減少延遲。eMBB有望改善移動(dòng)視頻流，并實(shí)現(xiàn)包括移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)（AR和VR）在內(nèi)的應(yīng)用。emBB預(yù)計(jì)將在人口稠密的城市地區(qū)、體育或音樂(lè)會(huì)場(chǎng)所以及智能辦公室提供增強(qiáng)的無(wú)線寬帶接入。

URLLC（超可靠低延遲通信）

顧名思義，URLLC旨在為“實(shí)時(shí)”應(yīng)用提供非常低延遲的通信，包括自動(dòng)駕駛汽車、工業(yè)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程手術(shù)。顯然，這些應(yīng)用程序中的每一個(gè)都需要強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)連接，具有低錯(cuò)誤率和難以察覺(jué)的延遲（理論上低至 1 毫秒）。這些要求與語(yǔ)音通話或流式傳輸您喜歡的新節(jié)目有很大不同。

mMTC（大規(guī)模機(jī)器類型通信）

mMTC是第三種使用模式，與前兩種也有很大不同。mMTC將利用5G NR提供的寬帶寬來(lái)支持與“大量”低數(shù)據(jù)速率設(shè)備的通信。應(yīng)用將包括物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市，其中大量節(jié)點(diǎn)將需要窄帶寬進(jìn)行遙感、監(jiān)控、交通和停車管理、物流和車隊(duì)管理以及電子廣告牌。

賦能5G的技術(shù)

許多技術(shù)進(jìn)步正在共同實(shí)現(xiàn) 5G 通信。本節(jié)將介紹從事硬件工作的電氣工程師可能感興趣的一些關(guān)鍵技術(shù)。

先進(jìn)的晶體管技術(shù)

硅CMOS技術(shù)不斷向更精細(xì)的幾何形狀發(fā)展，對(duì)于提高手機(jī)、基站和網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)所需的處理能力顯然非常重要。此外，隨著 5G 擴(kuò)展到頻譜的毫米波區(qū)域，先進(jìn)晶體管技術(shù)的改進(jìn)正在成為焦點(diǎn)。

如圖 5 所示，硅鍺 （SiGe）、砷化鎵 （GaAs）、氮化鎵 （GaN） 和碳化硅 （SiC） 都適合在 6 GHz 以上的高頻 FR2 頻段工作。特別是，氮化鎵和碳化硅器件廣泛用于需要高頻和高功率的基站。

圖5.寬禁帶 （WBG） 材料的功率與頻率的關(guān)系。

除了晶體管本身之外，從芯片到印刷電路板 （PCB） 的外部連接還需要封裝方面的技術(shù)進(jìn)步和先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)。像封裝內(nèi)的 1 mm 鍵合線這樣簡(jiǎn)單的東西在毫米波頻率下會(huì)成為潛在的天線，并且可能具有復(fù)雜的阻抗，因此很難實(shí)現(xiàn)與 PCB 的 50 Ω阻抗匹配。轉(zhuǎn)向使用焊球的倒裝芯片組裝可能會(huì)有所幫助，但阻抗匹配挑戰(zhàn)可能仍然存在。

海量多輸入多輸出天線

由于波長(zhǎng)非常短，相控陣天線在5G毫米波頻率上變得可行。例如，高通公司在圖6中演示的毫米波手機(jī)原型似乎有三個(gè)4x2相控陣天線部分。相控陣天線可以支持波束成形，以提高天線增益。

圖6.5G NR毫米波手機(jī)原型。

在基站中，相控陣的使用預(yù)計(jì)將激增，成為所謂的大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)。使用大量天線和復(fù)雜算法，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可以采用自適應(yīng)波束成形和空間分集，以實(shí)現(xiàn)以下目的：

通過(guò)將窄波束聚焦到每個(gè)用戶來(lái)提高頻譜效率

通過(guò)天線增益提高能源效率，降低總輻射功率

通過(guò)增益和空間分集提高數(shù)據(jù)速率和容量

通過(guò)自適應(yīng)波束成形跟蹤移動(dòng)用戶

基站的數(shù)字和模擬處理相結(jié)合，為各個(gè)用戶創(chuàng)造了獨(dú)特的傳輸通道。個(gè)人用戶還可以使用多個(gè)天線來(lái)增強(qiáng)存在衰落、多徑和干擾的通信。

圖7.面向毫米波 5G 的大規(guī)模多輸入多輸出通信。圖片由 Alemaishat 等人提供

總結(jié)

5G NR不僅僅是移動(dòng)智能手機(jī)的改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)。增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、超可靠低延遲通信和大規(guī)模機(jī)器型通信這三種主要使用模式可能會(huì)在未來(lái)幾年帶來(lái)許多新的應(yīng)用。

審核編輯：劉清