前面我們通過文章《5G|5G無線接入》了解了移動(dòng)通信技術(shù)的演進(jìn)過程，知道了5G通過新空口(New Radio,NR)進(jìn)行無線接入，同時(shí)對(duì)5G標(biāo)準(zhǔn)的制定、5G頻譜使用范圍和5G商用情況有了一定的了解。接下來，我們一起學(xué)習(xí)5G NR物理層，了解無線協(xié)議架構(gòu)、5GNR物理層的關(guān)鍵技術(shù)、物理時(shí)頻資源、物理信道、物理信號(hào)、雙工機(jī)制、幀結(jié)構(gòu)、物理層面臨的挑戰(zhàn)等。

與任何無線技術(shù)一樣，物理層是5G NR的核心基礎(chǔ),也是整個(gè)通信系統(tǒng)的最底層，硬件實(shí)現(xiàn)難度大。除了信道編解碼和基帶信號(hào)處理外，大規(guī)模天線技術(shù)和毫米波技術(shù)，成為了物理層實(shí)現(xiàn)的巨大挑戰(zhàn)。

內(nèi)容較長(zhǎng)，耐心看完。

01

5G NR無線協(xié)議架構(gòu)

在3GPP術(shù)語中，基站是邏輯的無線接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。在3G 和4G 中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分別是指Node B（NB）和演進(jìn)的Node B（eNB）。5G NR無線接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被3GPP命名為下一代Node B（gNB）。

確保空口數(shù)傳的可靠性和安全性是空口協(xié)議棧存在的價(jià)值，空口協(xié)議棧呈現(xiàn)三層兩面的架構(gòu)。NR的無線協(xié)議架構(gòu)可以分為控制平面架構(gòu)和用戶平面架構(gòu)。用戶平面遞交用戶數(shù)據(jù)，而控制平面主要負(fù)責(zé)連接建立、移動(dòng)性和安全。NR 協(xié)議棧如圖所示。

NR 協(xié)議棧

協(xié)議分為物理（PHYsical，PHY）層、媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）層、無線鏈路控制（Radio Link Control，RLC）層、分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）層和服務(wù)數(shù)據(jù)調(diào)整協(xié)議（Service Data Adaptation Protocol，SDAP）層。

那么，各層的主要功能是什么，相互之間有何關(guān)系呢？我們以用戶面為例，逐一了解。用戶面協(xié)議棧如下圖所示。

用戶面協(xié)議棧

SDAP層：處理服務(wù)質(zhì)量（QoS）流和無線承載之間的映射。根據(jù)無線承載的QoS要求將IP數(shù)據(jù)包映射到無線承載。

PDCP層：主要負(fù)責(zé)IP頭壓縮/解壓縮、重排序和重復(fù)檢測(cè)、加密/解密和完整性保護(hù)。頭壓縮機(jī)制可以減少空口傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。加密功能主要是保護(hù)用戶不被竊聽以及確保消息的完整性。重排序和重復(fù)檢測(cè)機(jī)制允許數(shù)據(jù)單元按序遞交并刪除重復(fù)的數(shù)據(jù)單元。

RLC層：主要通過自動(dòng)重傳請(qǐng)求（Automatic Repeat Request，ARQ）機(jī)制進(jìn)行糾錯(cuò)、（壓縮了報(bào)頭的）IP數(shù)據(jù)包的分段/重新分段，以及將數(shù)據(jù)單元按序遞交到高層。

MAC層：主要負(fù)責(zé)通過混合ARQ（Hybrid ARQ，HARQ）機(jī)制進(jìn)行糾錯(cuò)以及上行和下行的調(diào)度。調(diào)度器控制用于傳輸?shù)纳闲泻拖滦形锢頃r(shí)頻資源的分配。當(dāng)采用載波聚合時(shí)，MAC層也需要處理跨多個(gè)分量載波的數(shù)據(jù)復(fù)用。

PHY層：處理編碼/解碼、調(diào)制/解調(diào)、多天線處理以及將信號(hào)映射到物理時(shí)頻資源上。

控制平面主要負(fù)責(zé)針對(duì)連接建立、移動(dòng)性和安全的控制信令?？刂菩帕顏碜院诵木W(wǎng)或gNB的無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）層。RRC層提供的主要服務(wù)包括系統(tǒng)信息廣播、尋呼消息發(fā)送、安全管理（包括密鑰管理）、切換、小區(qū)選擇/重選、QoS管理以及無線鏈路失敗的檢測(cè)和恢復(fù)。與用戶平面相同，RRC消息都是通過PDCP、RLC、MAC和PHY層進(jìn)行發(fā)送。

5G和4G協(xié)議棧有何異同，下面做了一個(gè)對(duì)比：

要想深入理解協(xié)議棧，就去看5G協(xié)議吧。

根據(jù)協(xié)議棧圖示，我們通常有層一（L1）、層二（L2）和層三（L3）的說法。對(duì)于無線通信協(xié)議工程師來說，L2和L3是他們需要進(jìn)行開發(fā)的；對(duì)于FPGA工程師而言，重點(diǎn)在于L1的硬件實(shí)現(xiàn)。

5G NR系列，我們將重點(diǎn)放在物理層，干最累的活，掙最辛苦的錢。

NR物理層都有哪些關(guān)鍵技術(shù)，我們一起來看看。

02

物理層關(guān)鍵技術(shù)

NR物理層的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：調(diào)制、波形、多天線傳輸和信道編碼。下面我們對(duì)關(guān)鍵技術(shù)做簡(jiǎn)要概述。

2.1 調(diào)制

關(guān)于調(diào)制的概念，我們?cè)凇缎盘?hào)與系統(tǒng)》、《通信原理》、《高頻電路》等課程中都有學(xué)習(xí)。信號(hào)調(diào)制是使一種波形的某些特性按另一種波形或信號(hào)而變化的過程或處理方法。在無線電通信中，利用電磁波作為信息的載體。通信系統(tǒng)中發(fā)送端的原始電信號(hào)通常具有頻率很低的頻譜分量，一般不適宜直接在信道中進(jìn)行傳輸。因此，通常需要將原始信號(hào)變換成頻帶適合信道傳輸?shù)母哳l信號(hào)，這一過程被稱為調(diào)制。

調(diào)制可以形象地理解為：一個(gè)小伙子（原始電信號(hào)）為了到達(dá)遠(yuǎn)方去參加某個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議，從成都（發(fā)射端）乘上了飛機(jī)（高頻載波），穿梭在大好河山或藍(lán)天白云間（無線信道），經(jīng)過一段時(shí)間后（傳輸延時(shí)），最后到達(dá)北京（接收端），成功見到了各領(lǐng)域?qū)W術(shù)大咖和技術(shù)專家。

好了，話說回來，我們看看5G NR中的調(diào)制。同LTE一樣，NR上行和下行都支持正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）、16階正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）、64 QAM和256 QAM調(diào)制方式。另外，上行還支持Π/2-BPSK以進(jìn)一步降低峰均比，從而在數(shù)據(jù)速率比較低的時(shí)候提高功放效率，這一特性對(duì)mMTC業(yè)務(wù)非常重要。因?yàn)?/span>NR支持的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，很可能所支持的調(diào)制方式在未來還需要進(jìn)一步擴(kuò)展。

與LTE相比，5G的調(diào)制方案中，調(diào)制階數(shù)可達(dá)8階。階數(shù)越高，對(duì)于解調(diào)的要求也就越高。誤差向量幅度（EVM）是衡量信號(hào)質(zhì)量的重要指標(biāo)，峰均比（PAPR）則會(huì)影響功率器件的非線性效應(yīng)。我們通常希望PAPR和EVM在保證信號(hào)功率適當(dāng)?shù)那疤嵯?，盡可能小。

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，信道編碼和調(diào)制技術(shù)也在不斷演進(jìn)。

2.2波形

在至少高達(dá)52.6 GHz的頻率范圍內(nèi)，NR上行和下行都采用了循環(huán)前綴OFDM（Cyclic Prefix OFDM，CP-OFDM）。我們知道，5G NR的頻率可達(dá)100GHz，即可使用太赫茲頻段。與LTE相比較，CP-OFDM只用于LTE的下行傳輸，而上行傳輸則采用了DFT擴(kuò)展OFDM（DFT-Spread OFDM，DFTS-OFDM）。上下行采用相同的波形會(huì)簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)，尤其對(duì)無線回傳以及設(shè)備對(duì)設(shè)備（Device-to-Device，D2D）通信而言。

NR具有可擴(kuò)展的OFDM參數(shù)集來滿足在寬廣的頻率范圍內(nèi)的多種服務(wù)需求。子載波間隔可擴(kuò)展，定義為15×2^n kHz，其中n為整數(shù)，而15kHz是LTE所用的子載波間隔。在3GPP R15中定義了4種子載波間隔：15 kHz、30 kHz、60 kHz和120 kHz（即n = 1,2,3,4），而且和LTE一樣CP開銷都為7%。對(duì)于所有的參數(shù)集，激活子載波的數(shù)量是3300。對(duì)于3300個(gè)激活子載波，下表給出了不同參數(shù)集對(duì)應(yīng)的最大帶寬。可以通過載波聚合的方式支持更大的信道帶寬。在R15中，最多可以支持16個(gè)分量載波，其中每個(gè)分量載波最多可以有3300個(gè)激活子載波。在LTE中，20M帶寬的激活子載波數(shù)為1200。

OFDM信號(hào)的頻譜在傳輸帶寬之外衰減很慢。為了滿足帶外發(fā)射要求，LTE的頻譜利用率為90%。對(duì)于NR，頻譜利用率可以達(dá)到94%～99%。加窗和濾波操作是在頻域中限制OFDM信號(hào)的可行方式。后面我們會(huì)學(xué)習(xí)關(guān)于加窗的OFDM（W-OFDM）和通用濾波的OFDM（UF-OFDM）。

2.3多天線

在4G時(shí)代，我們已經(jīng)在使用多天線技術(shù)了。比如，在我們的手機(jī)中，一般就有LTE四天線，WIFI兩天線等。對(duì)于5G NR而言，多天線技術(shù)同樣十分重要。在低頻段，LTE后期版本中多天線技術(shù)主要用于功能增強(qiáng)。受永無止境的數(shù)據(jù)速率增長(zhǎng)和在擁擠的頻譜中追求更高容量等需求的驅(qū)動(dòng)，這些增強(qiáng)主要用來提高頻譜效率。有源陣列天線技術(shù)的發(fā)展使得用數(shù)字控制大量天線單元成為可能，這有時(shí)也稱為大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)。這種技術(shù)可以在多天線處理中實(shí)現(xiàn)更高的空間解析度，提供更高的頻譜效率。

massive MIMO是多天線技術(shù)演進(jìn)的高端形態(tài)，是5G網(wǎng)絡(luò)提升速率、降低網(wǎng)絡(luò)干擾的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

我們知道，對(duì)于空間的電磁波而言，頻率越高，波長(zhǎng)越短，傳輸損耗越大，穿透力受限，從而影響信號(hào)的覆蓋范圍。5G 引入了高頻段頻率，雖然可以提高傳輸速率，但是信號(hào)傳輸?shù)木嚯x不足。美國(guó)在5G發(fā)展技術(shù)路線上，就是前期主推高頻段的毫米波應(yīng)用于5G通信，而低頻段被美國(guó)軍方持有（最近的消息是，美國(guó)為了發(fā)展5G，美國(guó)防部考慮開放低頻段給民用）。

對(duì)于高頻，不僅僅是獲得很高的頻譜效率，主要的挑戰(zhàn)是覆蓋。這樣做的原因是，當(dāng)使用傳統(tǒng)的傳輸技術(shù)時(shí)，高頻信號(hào)的傳輸損耗相當(dāng)高，而毫米波頻譜中有大量的可用帶寬。為了克服更高的傳輸損耗并提供足夠的覆蓋，波束賦形就發(fā)揮了作用，特別是在視距（Line of Sight，LoS）條件下，在gNB和UE中都可能會(huì)使用波束賦形。

說到這里，人眼視距根據(jù)個(gè)人情況而定，有的可能是千里眼，有的可能5米外男女不分。還有一種超視距，你猜拿來干嘛？感興趣的同學(xué)，可以繼續(xù)深入下去。

在當(dāng)前的硬件技術(shù)下，預(yù)期在毫米波頻率下將普遍使用模擬波束賦形。因此，NR開發(fā)了在gNB和UE中支持模擬波束賦形的過程。后面，我們將更為詳細(xì)地討論多天線技術(shù)。

2.4信道編碼

NR將低密度奇偶校驗(yàn)（Low Density Parity Check，LDPC）碼用于移動(dòng)寬帶（Mobile BroadBand，MBB）的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，并且采用極化(polar)碼用于傳輸控制信令。

從實(shí)現(xiàn)角度來看，LDPC碼更具吸引力，特別是在數(shù)據(jù)速率為每秒數(shù)千兆比特時(shí)。與其他無線技術(shù)中采用的LDPC碼不同，用于NR的LDPC碼使用速率兼容的結(jié)構(gòu)，從而允許以不同的碼率進(jìn)行傳輸并且使用增量冗余進(jìn)行HARQ操作。

關(guān)于5G信道編碼方案的投票事件，應(yīng)該也有所耳聞，這里就不說了。與其坐而“聯(lián)想”，不如奮起“華為”。

與數(shù)據(jù)傳輸相比，物理層控制信令的信息塊較小，并且不使用HARQ傳輸，因此NR采用了極化碼。通過極化碼連接一個(gè)外碼（outer code），并通過執(zhí)行串行抵消列表解碼（successive cancellation list decoding），可在較短的碼塊長(zhǎng)度上實(shí)現(xiàn)良好的性能。而對(duì)于最小的控制凈荷，則使用Reed-Muller碼。

在5G R15版本中，對(duì)于傳輸信道和控制信息的編碼方案，如下表所示。

傳輸信道	編碼方案
UL-SCH	LDPC碼
DL-SCH
PCH
BCH	polar碼

控制信息	編碼方案
DCI	polar碼
UCI	分組碼
	polar碼

03

物理時(shí)頻資源

在LTE、5G等通信標(biāo)準(zhǔn)中，物理時(shí)頻資源對(duì)應(yīng)于OFDM符號(hào)和OFDM符號(hào)內(nèi)的子載波。最小的時(shí)頻資源指OFDM符號(hào)內(nèi)的一個(gè)子載波，被稱為一個(gè)資源單元（resource element）。傳輸是以12個(gè)子載波為一組進(jìn)行調(diào)度，子載波組稱為物理資源塊（Physical Resource Block，PRB）。NR的時(shí)頻結(jié)構(gòu)示例，如下圖所示。橫坐標(biāo)為時(shí)域（OFDM符號(hào)），縱坐標(biāo)為頻域（OFDM子載波）。

在時(shí)域中，無線傳輸通過無線幀（radio frame）、子幀（subframe）、時(shí)隙（slot）和微時(shí)隙（mini-slot）來進(jìn)行。NR 幀結(jié)構(gòu)如下圖所示，每個(gè)無線幀的長(zhǎng)度為10 ms，包含10個(gè)子幀，每個(gè)子幀的長(zhǎng)度為1 ms。

一個(gè)子幀由一個(gè)或者多個(gè)相鄰的時(shí)隙組成，每個(gè)時(shí)隙含14個(gè)相鄰的OFDM符號(hào)。一個(gè)微時(shí)隙，理論上可以短至一個(gè)OFDM符號(hào)，在R 15中，微時(shí)隙的長(zhǎng)度限制為2、4和7個(gè)OFDM符號(hào)。一個(gè)時(shí)隙／微時(shí)隙的長(zhǎng)度和所選參數(shù)集（子載波間隔）成比例，因?yàn)?/span>OFDM符號(hào)的長(zhǎng)度和其對(duì)應(yīng)的子載波間隔成反比。

物理層使用時(shí)頻資源進(jìn)行傳輸。和LTE一樣，NR中的時(shí)頻資源（資源單元）代表了物理信道或者物理信號(hào)。在3GPP術(shù)語中，物理信道對(duì)應(yīng)于承載高層信息的一組資源單元，而物理信號(hào)對(duì)應(yīng)于不承載高層信息的一組資源單元（用于物理層）。

有的同學(xué)可能已經(jīng)蒙圈了，什么是物理信道，什么又是物理信號(hào)？下面我們分別來講一講著兩個(gè)術(shù)語。

04

物理信道

定義：承載高層（在物理層之上的各層）信息的時(shí)頻資源被稱為物理信道。

我們可以結(jié)合上面的時(shí)頻資源來理解，相當(dāng)于高層給傳輸數(shù)據(jù)和控制信息分配的一條通道。由于通過高頻載波進(jìn)行信號(hào)傳輸，因此，我們需要給所傳輸?shù)姆?hào)分配對(duì)應(yīng)的頻率。我們可以在某一時(shí)刻，將某一個(gè)OFDM符號(hào)在12個(gè)子載波帶寬上同時(shí)傳輸，而在下一個(gè)時(shí)刻，我們接著在同樣的12個(gè)子載波帶寬上傳輸接著的符號(hào)。不同的符號(hào)，可能攜帶著不同的信息。就好比在高速公路上，有12車道，在同一個(gè)觀察點(diǎn)，在不同時(shí)刻，并行行駛的車輛有所不同。

在通信中，物理信號(hào)可以分為上行和下行兩種：

物理下行共享信道（Physical Downlink Shared CHannel，PDSCH），用于下行數(shù)據(jù)傳輸。

物理下行控制信道（Physical Downlink Control CHannel，PDCCH），用于下行控制信息傳輸，下行控制信息包括：接收下行數(shù)據(jù)（PDSCH）所需的調(diào)度決策以及允許UE傳輸上行數(shù)據(jù)（PUSCH）的調(diào)度授權(quán)。

物理廣播信道（Physical Broadcast CHannel，PBCH），用于UE接入網(wǎng)絡(luò)所需的系統(tǒng)信息廣播。

物理上行共享信道（Physical Uplink Shared CHannel，PUSCH），用于（UE進(jìn)行）上行數(shù)據(jù)傳輸。

物理上行控制信道（Physical Uplink Control CHannel，PUCCH），用于傳輸上行控制信息，上行控制信息包括：HARQ反饋確認(rèn)（指示下行傳輸是否成功）、調(diào)度請(qǐng)求（向網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求用于上行傳輸?shù)臅r(shí)頻資源），以及用于鏈路自適應(yīng)的下行信道狀態(tài)信息。

物理隨機(jī)接入信道（Physical Random Access CHannel，PRACH），被UE用來請(qǐng)求建立連接，稱為隨機(jī)接入。

這里，我們有必要簡(jiǎn)單說一下，什么是上行信道，什么是下行信道。

在通信里面，上下行一般針對(duì)基站和用戶終端而言。從基站到用戶終端（比如你手里的手機(jī)）這條通道，我們叫它下行信道；而從用戶終端到基站這條通道，我們叫它上行信道。

是不是很簡(jiǎn)單。那么對(duì)于設(shè)備到設(shè)備（D2D）互相通信，你說，上行和下行怎么區(qū)分？

接下來，我們講講什么是物理信號(hào)。

05

物理信號(hào)

定義：由PHY層使用但不承載來自高層（即物理層之上的各層）信息的時(shí)頻資源，被稱為物理信號(hào)。

物理信號(hào)是用于不同目的的參考信號(hào)，例如解調(diào)、信道估計(jì)、同步和信道狀態(tài)信息。上下行鏈路中有不同的物理信號(hào)。

下行物理信號(hào)包括：

• 解調(diào)參考信號(hào)（DM-RS）

• 相位跟蹤參考信號(hào)（PT-RS）

• 信道狀態(tài)信息參考信號(hào)（CSI-RS）

• 主同步信號(hào)（PSS）

• 輔同步信號(hào)（SSS）

上行物理信號(hào)包括：

• 解調(diào)參考信號(hào)（DM-RS）

• 相位跟蹤參考信號(hào)（PT-RS）

• 探測(cè)參考信號(hào)（SRS）

我們簡(jiǎn)要討論四個(gè)主要的參考信號(hào)：DM-RS、PT-RS、CSI-RS和SRS。

DM-RS用于估計(jì)解調(diào)的無線信道。DM-RS是UE特定的，可以進(jìn)行波束賦形傳輸，僅針對(duì)調(diào)度資源，并且僅在必要時(shí)傳輸，包括下行鏈路和上行鏈路。DM-RS的設(shè)計(jì)考慮了提前解碼的要求，以支持低時(shí)延的應(yīng)用。對(duì)于低速場(chǎng)景，在時(shí)域上使用低密度DM-RS。對(duì)于高速場(chǎng)景，在時(shí)域上增加DM-RS的密度以跟蹤無線信道的快速變化。DM-RS具有衡包絡(luò)特征，可用于接收機(jī)粗同步和無線信道估計(jì)。

NR中引入PT-RS以補(bǔ)償振蕩器相位噪聲。通常，相位噪聲隨振蕩器載波頻率的升高而增加。因此可以在高頻（例如毫米波）使用PT-RS以抑制相位噪聲。OFDM信號(hào)中的相位噪聲引起的主要衰減之一是對(duì)所有子載波造成相同的相位旋轉(zhuǎn)，稱為公共相位誤差。

CSI-RS是下行參考信號(hào)，主要用于獲取CSI、波束管理、時(shí)間/頻率跟蹤和上行功率控制。它的設(shè)計(jì)非常靈活，以支持多樣化的用例。用于獲取CSI的CSI-RS用于確定信道的CSI參數(shù)，如用于鏈路自適應(yīng)和確定預(yù)編碼器的信道質(zhì)量指示（Channel Quality Indicator，CQI）、秩指示（Rank Indicator，RI）以及預(yù)編碼矩陣指示（Precoding Matrix Indicator，PMI）。

在上行鏈路中發(fā)送SRS來進(jìn)行CSI測(cè)量，主要用于調(diào)度和鏈路自適應(yīng)。在NR中，SRS也將用于基于互易性的大規(guī)模MIMO預(yù)編碼器設(shè)計(jì)和上行波束管理。SRS采用模塊化和靈活的設(shè)計(jì)以支持不同的過程和UE能力。

06

雙工機(jī)制

與LTE一樣，NR支持TDD和FDD傳輸。雙工機(jī)制通常取決于頻譜分配。在較低頻率，頻譜分配大多是對(duì)稱的，這意味著選擇FDD傳輸。在較高頻率下，頻譜分配通常是不對(duì)稱的，這意味著需要選擇TDD傳輸。此外，NR支持動(dòng)態(tài)TDD，上行和下行分配隨時(shí)間動(dòng)態(tài)改變。

此外，5G 還提出了靈活雙工機(jī)制。首先我們來看看全雙工和靈活雙工的圖示。

全雙工

靈活雙工

6.1 全雙工技術(shù)

時(shí)分雙工：上下行鏈路同頻，分時(shí)。即：上下行鏈路使用同一頻段，但是上行和下行在不同時(shí)刻進(jìn)行。

分頻雙工：上下行鏈路同時(shí)，分頻。即：上下行鏈路同時(shí)工作，但使用不同的頻段。

全雙工：上下行鏈路同頻，同時(shí)。這應(yīng)該才是真正意義上的全雙工，不過，似乎實(shí)現(xiàn)難度較大，仰仗各位大佬了。

6.2 靈活雙工技術(shù)

基本原理：隨著在線視頻業(yè)務(wù)的增加，以及社交網(wǎng)絡(luò)的推廣，未來移動(dòng)流量呈現(xiàn)出多變特性：上下行業(yè)務(wù)需求隨時(shí)間、地點(diǎn)而變化等，目前通信系統(tǒng)采用相對(duì)固定的頻譜資源分配將無法滿足不同小區(qū)變化的業(yè)務(wù)需求。靈活雙工能夠根據(jù)上下行業(yè)務(wù)變化情況動(dòng)態(tài)分配上下行資源，有效提高系統(tǒng)資源利用率。

靈活雙工技術(shù)主要應(yīng)用于低功率節(jié)點(diǎn)的小基站和低功率的中繼節(jié)點(diǎn)。

想想為什么不用在宏基站呢？

07

物理層的挑戰(zhàn)

5G NR是第一個(gè)工作在毫米波頻率的蜂窩技術(shù)，支持GHz級(jí)別的帶寬，并使用大規(guī)模天線。這些方面給NR物理層帶來了許多挑戰(zhàn)，主要原因是對(duì)無線電波在毫米波的傳播特性以及硬件損傷（在基站和終端處）都缺乏了解。要實(shí)現(xiàn)高性能的NR，準(zhǔn)確理解無線傳播和硬件損傷的特性非常重要。

7.1 無線傳播挑戰(zhàn)

因?yàn)樘炀€孔徑與波長(zhǎng)的平方成正比，因此對(duì)采用固定天線方向圖的接收天線，當(dāng)頻率升高時(shí)，天線的傳輸損耗隨著頻率的平方而增加。隨著頻率升高穿透損耗會(huì)大幅增加，對(duì)于室外到室內(nèi)的場(chǎng)景將面臨挑戰(zhàn)。使用波束賦形和窄波束傳輸?shù)牧硪粋€(gè)影響是，由于波束的突然阻擋而造成的信道的動(dòng)態(tài)變化會(huì)更大也更快。由于高頻覆蓋距離短，這也是毫米波不太被看好的原因之一，當(dāng)然，在高流量短距離聚集場(chǎng)合（如體育館、廣場(chǎng)、大型會(huì)議等），可實(shí)現(xiàn)高速大容量通信。

NR的主要挑戰(zhàn)是，與在較低頻率使用的傳統(tǒng)技術(shù)效果相比，新型多天線技術(shù)在多大程度上可以補(bǔ)償在較高頻率下的性能損失甚至獲得增益。

目前，針對(duì)毫米波應(yīng)用研究，美帝和韓國(guó)棒子處于前沿（前面提到，美帝在5G上，一開始就押寶在高頻段的毫米波），我們國(guó)家也正在開展相關(guān)試驗(yàn)研究，部分毫米波技術(shù)開始商用。

7.2 硬件挑戰(zhàn)

射頻功率放大器（Power Amplifier，PA）作為無線收發(fā)機(jī)前端的重要構(gòu)建模塊之一，一直是主要的耗電模塊。工作在密集和高度集成的天線陣列中，除非有足夠的隔離，否則PA性能可能受到相互耦合的影響。

射頻振蕩器是模擬前端的另一個(gè)非理想源，尤其是工作于毫米波波段時(shí)，更成為一個(gè)限制因素。射頻振蕩器在非常高的頻率下更難保持穩(wěn)定的振蕩，因?yàn)殡S著損耗的增加諧振回路的品質(zhì)因數(shù)會(huì)降低，并且由于受限于晶體管技術(shù)的基本限制而無法產(chǎn)生功率。因此，隨著相位噪聲增加，相干傳輸可能變得越來越困難。

由于先進(jìn)的信號(hào)處理硬件和算法可以補(bǔ)償一些更突出的損傷問題，因此數(shù)字轉(zhuǎn)換器，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital-to-Analog Converter，DAC）是連接模擬域和數(shù)字域的關(guān)鍵組件。不幸的是，因?yàn)閿?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是混合信號(hào)器件，通常需要線性晶體管技術(shù)，因此并不遵循摩爾定律，不具有相同的比例效應(yīng)。在這種情況下，縮小幾何尺寸以增加可用的處理速度未必是一個(gè)好的選擇，因?yàn)檫@樣使得晶體管更像開關(guān)一樣工作。

此外，使用大規(guī)模MIMO，可能會(huì)降低有效分辨率，這將造成越來越多的量化噪聲，如果不加以抑制，可能會(huì)在很大程度上破壞信號(hào)。為了評(píng)估粗略量化的影響，我們可以基于確定性行為模型或隨機(jī)過程的進(jìn)行建模。

為了便于硬件實(shí)現(xiàn)，我們先通過MATLAB數(shù)學(xué)工具來評(píng)估無線器件隨時(shí)間/頻率和空間變化的非理想行為。具體來說，這是因?yàn)檫@些模型可作為高級(jí)補(bǔ)償技術(shù)（如數(shù)字預(yù)失真（Digital Pre-Distortion，DPD）或相位噪聲跟蹤）的基礎(chǔ)。然而，在實(shí)際通信系統(tǒng)中極為復(fù)雜，射頻器件對(duì)信號(hào)損傷影響極大，一些信道模型可能并不適用。