5G -- 空口关键技术

前言：

        手机(UE)和5G基站(gNodeB)之间的空中接口

新技术的特点：

1、提升速率：大带宽、新编码、高阶调制、F-OFDM、M-MIMO

2、降低时延：灵活帧结构、自包含时隙、免授权调度、D2D

3、提升覆盖：上下行解耦、EN-DC(双连接)、M-MIMO

5G频谱

“Sub 6G”与“毫米波”：

Sub 6G：5G主频段，以3.5 GHz为主

毫米波：5G扩展频段，以28/39/60/73 GHz为主

        在3GPP协议中，5G的总体频谱资源可以分为以下两个频谱范围FR：

1、FR1：410 MHz - 7125 MHz，也就是我们说的低频频段，是5G的主用频段；其中3 GHz以下的频率称之为Sub 3G，其余频段称为C-band

2、FR2：24250 MHz - 52600 MHz，毫米波，也就是我们说的高频频段，为5G的扩展频段，频谱资源丰富

5G频段对比：

// 移动主要用Sub 3G内的2.6GHz频段，电信和联通主要用C-band

5G空口速率提升

• 大带宽(100 MHz)   ---    FR2可提升至 400MHz
• 信道编码（LDPC、Polar）
• 调制（256 QAM）
• F-OFDM

一、提升小区带宽：

4G/5G小区带宽对比：

二、新编码

控制面（UE和基站传输控制信令）：

用户面（UE和基站传输数据）：

层三（NAS/RRC）：空中接口服务的使用者，即RRC信令及用户面数据

层二（PDCP/RLC/MAC）：对不同的层三数据进行区分标识，并提供不同的服务

层一（PHY）：物理层为高层的数据提供无线资源及物理层的处理

SDAP（5G新增）：QOS的映射和管理

5G物理层基本流程和4G一致，但是在编码、调制、资源映射等具体过程存在差别

5G信道编码：

信道编码选择的基本原则：

• 编码性能：纠错能力以及编码冗余率
• 编码效率：复杂程度及能效
• 灵活性：编码的数据块大小

信道编码Ex：

• Turbo编码（3G/4G）：性能好，随着速率的增加，编码的运算量会线性增加，能效成为挑战
• LDPC（业务信道，Q）：性能好，复杂度低，通过并行运算，对高速业务支持好
• Polar码（控制信道，HW）：对小包业务编码性能突出

三、高阶调制（符号携带信息的能力）：

• 5G兼容4G调制方式，同时引入比4G更高阶的调制技术，进一步提升频谱效率
• 当前版本最大的调制效率支持256 QAM，后续版本会引入1024 QAM进一步提升频谱效率
• 256 QAM中每个符号能够承载8个bit信息，相对于64QAM，支持更大的TBS传输，理论峰值频谱效率提升33%

四、F-OFDM（提高频谱利用率）

• F-OFDM技术通过优化滤波器等射频处理，让基站在保证ACLR（相邻频道泄露比）等射频指标时，有效提高系统带宽的频谱利用率及业务灵活性
• 相对4G 90%的频谱利用率，F-OFDM可将5G的频谱利用率最高提升至95%以上

5G空口时延降低

时域资源（帧、子帧、时隙、符号）：

• 无线帧：基本的数据发送周期  --10ms
• 子帧：上下行子帧的分配单位  --1ms
• 时隙：数据调度和同步的最小单位  --1ms/0.5ms/0.25ms/0.125ms/0.0625ms（可配置）
• 符号：调制的基本单位，也是时间域的最小单位 

        // 1个无线帧包含10个子帧，1个子帧可包含多个(可变)时隙，1个时隙可包含12/14个符号

时隙格式：

Slot基本构成：

• Downlink，denoted as D，用于下行传输
• Flexible，denoted as X，可用于下行传输，上行传输，GP或作为预留资源
• Uplink，denoted as U，用于上行传输

Slot类型：

• Type1：全下行，DL - only slot
• Type2：全上行，UL - only slot
• Type3：全灵活资源，Flexible - only slot
• Type4：至少一个上行或下行符号，其余灵活配置

自包含时隙：

        在NR的slot结构中，有两种特殊的Slot结构，我们称之为自包含时隙，其设计目标是为了缩短上下行数传的RTT时延；

• 下行自包含时隙：同一个时隙中包含下行数传以及对应的HARQ反馈
• 上行自包含时隙：同一个时隙中包含上行调度信息以及上行数传

免授权调度：

        由于调度存在RTT时延，NR中对于时延比较敏感的业务提出免调度的过程，终端有需求直接发送

D2D通信：

        D2D通信，基站分配频谱用于终端之间直接进行用户面数传

频谱分配模式可分为：

• 使用蜂窝小区的剩余资源
• 复用蜂窝小区下行资源
• 复用蜂窝小区上行资源

干扰控制：适当的功率控制，能够在D2D复用蜂窝资源时，有效协调D2D与蜂窝网络间的干扰

5G空口覆盖提升

5G上下行覆盖不平衡，上行覆盖是短板：

• 发射功率：UE 23 dBm（200mw）； gNodeB功率：50.8 dBm（120w/200w）
• 天线配置：UE 2T4R；gNodeB：64T64R

        // NR 3.5GHz 上下行存在13.7 db的GAP

SUL上下行解耦（切换上行频率）：

        SUL是弥补C-Band上行覆盖短板的重要技术

• 相比下行覆盖，C-Band上行有13.7 dB的覆盖差距
• 通过将上行的发送切换到1.8G（4G），可以有效补偿上行覆盖问题

超级上行：

        SUL主要用于解决C-Band上行覆盖问题，而“超级上行”在小区中近点还有上行容量和体验有优势，且可保证全场景有增益（增加上行带宽，降低时延）

Massive MIMO（多入多出 -- 空间域资源）

        大规模天线阵列的多天线形态，实现三维波束赋型和多用户资源复用，提升覆盖能力和系统容量的大规模阵列天线方案

Massive MIMO对网络的要求：

频段要求：

• 由于Massive MIMO的天线阵子数量远远超过传统的天线，阵子之间的距离不宜过大（和波长有关），否则造成天线尺寸过大，无法满足工程安装的要求
• 阵子之间的距离和频段相关，频段越高阵子间隔越小，越有利于Massive MIMO的部署（Massive MIMO一般只用于2.6GHz以上的频段）

双工方式的要求：

• Massive MIMO中引入了波束赋型技术，TDD（时分双工）系统的上下行信道的互易性更有利于下行赋型的权值计算，因此TDD系统更适合部署Massive MIMO
• 通过引入了新的参考信号（CSI-RS），也可以实现FDD系统的下行权值计算，但性能比TDD略差

Massive MIMO增益：

降低上行干扰：

        接收分集，用户级波束跟踪，解决“高干扰”，合并信号抑制深衰落

增强覆盖（波束赋型）：

•  业务信道：高增益窄波束、赋型方向动态调整
• 广播信道：高增益窄波束、场景化的波束扫描

提升小区容量（空分复用）：

• 多用户虚拟MIMO（MU-MIMO）特性通过多个UE配组复用相同的时频资源，同时传输多流数据，从而提高小区的平均行吞吐率
• MU-MIMO配对原则：不同UE之间SINR接近，不同UE之间信道相关性低
• Massive MIMO采用更多的窄波束，因此UE之间更容易满足MU-MIMO的配对条件，并且Massive MIMO支持的流的数量更大，可以支持更多UE的配对

总结

高速率、高频效：

        大带宽、Massive MIMO（复用）、高阶调制、LDPC码、F-OFDM

低时延：

        灵活的帧结构、自包含时隙、CUDU分离

覆盖增强：

        SUL（上下行解耦）、超级上行、Massive MIMO（波束赋型）