5G的目标设置非常高不仅在数据速率上要求达到20Gbps在容量提升上要达到1000倍还要为诸如大规模物联网IoT

Internet

Things和关键通信等新服务提供灵活的平台。

这些高目标要求5G网络采用多种新技术组件。

本章概述了与长期演进LTELong

Term

utilization5G网络需要利用更高频段的频谱以提供更高的数据速率和更大的容量。

波束成形

Beamforming波束成形技术可以通过定向信号来提高数据传输效率减少干扰。

物理层和协议

Physical

protocols5G的物理层和协议与LTE相比有所不同旨在支持更高的带宽、更低的延迟和更高的可靠性。

网络切片

Network

slicing网络切片技术允许网络在逻辑上被划分为多个虚拟网络以满足不同类型的服务需求例如IoT、关键通信等。

双重连接

Dual

通过支持终端同时连接到两个基站提高网络的可靠性和数据吞吐量。

新架构-无线云和边缘计算New

architecture

computing5G引入了新的架构包括无线云和边缘计算这使得网络可以更加灵活和高效地进行资源分配和处理。

一、频谱利用Spectrum

Gbps同时支持极高的移动宽带容量。

毫米波主要适合局部使用场景例如大型活动、户外和室内热点以及固定无线接入的应用场景。

2.5–5.0

GHz频谱将在城市地区用于5G的覆盖和容量通过重用现有的基站站点。

3.5

GHz周围的频谱对5G来说非常有吸引力因为它在全球范围内可用并且频谱资源丰富。

在该频段每个运营商通常可以获得高达100

MHz的带宽。

如果使用大规模多输入多输出MIMO波束成形技术5G在3.5

GHz频段的覆盖范围可以与LTE1800的覆盖范围相媲美低频FDD频段对于广域农村覆盖、超高可靠性以及深度室内穿透是必需的广泛的覆盖对于物联网IoT和关键通信等新应用场景非常重要。

带宽选项

5G无线电设计支持多种带宽选项。

在低频段需要窄带载波而在高频段使用宽带载波更加有利。

LTE的最大带宽为20

MHz而5G在子6

MHz带宽。

通过载波聚合可以支持更大的带宽但在宽带频谱分配中宽带载波更加高效。

如果有100

MHz的载波。

载波聚合方案需要每个载波上都有公共信道需要在载波之间进行负载均衡还需要避免不必要的保护带。

相比五个20

MHz的最大带宽选择是一个不错的选择因为在LTE部署的频段中每个运营商的频谱分配通常为20

GHz频段和毫米波频段中有更多的频谱资源这也为5G支持更大的带宽提供了依据。

频谱占用

LTE设计时包含了10%的保护带以避免相邻载波之间的干扰。

20

MHz2

MHz被保留为保护带。

实际部署显示10%的保护带过于宽泛。

此外相比LTE5G在射频要求方面可以更加严格。

因此5G的频谱利用率可以从LTE的90%提高到最高98%。

下图展示了与不同载波带宽和子载波间距的信道间隔相比5G的频谱利用率。

100

MHz和30

5G被设计为支持灵活的带宽分配。

这是因为在某些情况下频段的一部分可能无法使用或者某部分频段受到干扰或者可用的频谱与预定义的3GPP带宽不匹配。

因此系统需要具备灵活性以根据特定需求高效利用频段。

LTE控制信道存在一些局限性LTE下行物理下行控制信道PDCCH分配在整个频段范围内而LTE上行物理上行控制信道PUCCH分配在频段边缘。

如果需要从一侧压缩载波带宽LTE的控制信道分配缺乏灵活性。

5G的控制信道具有更高的灵活性允许在频域中将控制信道分配到合适的位置。

控制信道分配的示意图如图所示。

动态频谱共享

从2G到3G再到LTE的频谱重分配是一个缓慢且相对复杂的过程。

必须从一部分频谱中淘汰旧技术然后将其分配给新技术。

在这些过程中不可能在不同技术之间共享频谱。

从LTE到5G的频谱重分配将变得更加简单这得益于动态频谱共享DSS。

5G和LTE可以在相同的频谱带宽上共存从控制信道的角度来看两者可以共享同一频段资源将在两种技术之间动态分配具体取决于设备的即时分布和容量需求。

二、波束成形Beamforming

波束成形beamforming是提升移动网络性能的一个有吸引力的解决方案。

波束成形可以提供更高的频谱效率从而为现有基站站点增加更多的容量还可以改善链路性能并提供更广泛的覆盖范围。

大规模MIMO主动天线将天线和大量小型射频单元组合成一个单独的封装。

传统的解决方案是将被动天线和射频单元分开。

主动天线在小功率放大器的相位控制可以通过数字处理来实现时能够有效地实现波束成形。

典型的射频单元数量可以是16、32、64或128个这些射频单元集成在主动天线中。

主动天线还使得安装更简便因为天线和射频之间没有电缆连接。

由于没有射频电缆和连接器的损耗功率效率也可以得到提升。

波束成形的好处主要通过大规模MIMO天线得以实现。

目标是使5G无线电设计能够充分优化以支持大规模MIMO波束成形。

波束成形的基本原理如下图所示传统解决方案是通过整个小区范围传输数据而波束成形则是通过窄波束将数据发送给用户。

相同的资源可以在一个扇区内被多个用户复用干扰可以最小化小区容量可以增加。

大规模MIMO是传统MIMO技术的扩展采用具有大量可控发射器的天线阵列。

3GPP将大规模MIMO定义为超过八个发射器。

波束可以通过多种方式形成以提供固定的波束网格或特定于用户设备UE的波束成形。

如果天线有两个收发器TRX分支它可以向一个用户设备发送两个并行流。

如果天线有四个TRX它可以向具有四个天线的一个用户设备发送四个流或者同时使用多用户多输入多输出MU-MIMO向两个用户设备发送双流。

如果天线有64个TRX它可以并行地向多个用户设备发送数据。

TRX的数量是大规模MIMO天线设计中的一个重要因素。

使用的TRX数量越多能够生成的波束数量越多从而带来更大的容量。

但增加更多TRX也使天线更大并增加了成本。

另一个重要的天线设计因素是天线元素的数量这个数量可以大于TRX的数量。

下图展示了一个具有192个元素的天线实例12个垂直、8个水平和2种不同的极化方式。

天线元素的数量决定了天线增益和覆盖范围。

使用更多的天线元素使天线变大并提高天线增益。

天线元素的间距取决于频率在低频段天线的物理尺寸更大。

天线元素的数量决定了天线的增益和天线的尺寸。

天线尺寸还与频率密切相关频段越高天线越小。

TRX的数量可以等于或小于天线元素的数量决定了容量增益。

MIMO流的数量可以等于或小于TRX的数量决定了峰值数据传输能力主要取决于基带处理能力。

当天线元素的数量大于TRX的数量时额外的元素通常以更多的行形式添加。

一个典型的MIMO天线可能具有192个天线元素、64个发射器并支持最多16个MIMO流。

在这种天线中每个TRX有三行天线。

sweeping。

波束扫描指的是同步信号synchronization

signa和广播信道broadcast

channel在时间域中通过不同波束传输的操作。

LTE中不支持公共信道的波束成形。

5G支持用户特定的参考信号reference

signals能够实现用户特定的波束成形。

LTE必须使用小区特定的参考信号CRScell‐specific

reference

signals这些信号不能用于波束成形。

5G中没有遗留设备的限制因为波束成形从5G的第一版规范开始就已被包括在内。

而在LTE中波束成形必须基于上行链路测量参考信号SRSSounding

Reference

因为遗留设备不支持波束成形反馈。

5G支持更多的发射分支。

5G初步支持64个发射分支的反馈而LTE在Release

8中支持4TXRelease

组合成一个单独的封装。

传统的解决方案是将被动天线passive

antenna在小功率放大器的相位控制可以通过数字处理来实现时能够有效地实现波束成形。

典型的射频单元数量可以是16、32、64或128个这些射频单元集成在主动天线中。

主动天线还使得安装更简便因为天线和射频之间没有电缆连接。

由于没有射频电缆和连接器的损耗功率效率也可以得到提升。

下图展示了一个具有64个TRX的诺基亚主动天线。

Flexible

5G无线设计需要在物理层和协议层中提供更强的灵活性。

本节介绍了主要新解决方案领域。

Flexible

5G无线需要具备支持所有不同频谱选项的灵活性。

解决方案是灵活的数字化技术5G被设计为根据带宽和延迟要求支持多种子载波间隔和调度间隔。

在15版中定义了15-240

kHz的子载波间隔。

在后续版本中可以支持更高的子载波间隔。

使用更高的子载波间隔可以在一个子帧中容纳更多的符号从而降低获取时间。

较窄的间隔用于较窄的5G带宽并且更适合极端的覆盖范围。

如果考虑在3.5

kHz的2N倍数。

如果需要非常低的延迟可以使用所谓的迷你时隙其中传输时间短于一个时隙。

同时也可以将多个时隙组合在一起。

全球大多数2.5

GHz或更高频率的范围内获得。

5G无线电设计支持更宽的带宽如在更高频率下可达到100

MHz甚至400

LTE第8版具有1毫秒的最小传输时间这在实际中导致最小的往返时间为10-15毫秒。

传输时间在两个方向上均为1毫秒缓冲时间为0.5毫秒解码时间是1毫秒的倍数。

如果我们想缩短往返时间就需要定义更短的传输时间。

在高速分组接入HSPA

High

Access中最小传输时间为2毫秒在LTE中为1毫秒在5G中为0.125毫秒这使得5G中的往返时间能够达到1-2毫秒。

更短的帧大小还要求控制信道采用不同的结构并且用户设备UEs和基站base

stations的处理时间更快。

下图展示了传输时间和相应的往返时间。

5G子帧subframe长度为1毫秒具有1、2、4个或更多时隙具体取决于子载波间隔subcarrier

spacing。

每个时隙长度为14个符号。

典型的调度间隔为一个时隙。

此外还可以使用迷你时隙调度数据迷你时隙的长度通常为2、4或7个符号。

迷你时隙的目的是为所有子载波间隔提供低延迟通信low

latency

communication。

迷你时隙带来了灵活性允许低延迟服务使用非常短的传输时间而其他服务则可以使用更长的传输时间。

下图中展示了一个1毫秒的时隙和一个0.14毫秒的由两个符号组成的迷你时隙。

自包含子帧

subframe包括下行链路downlink和上行链路uplink的控制部分。

这种设计支持在同一TDD子帧内进行确认/否认ACK/NACK反馈从而实现低时延操作。

单个子帧包含与数据传输相关的所有内容下行许可downlink

grant、下行数据downlink

ACK。

自包含子帧的模块化特性使其在5G网络中引入新服务时非常方便。

由于支持空白子帧自包含子帧使得在同一载波上与未来服务的前向兼容成为可能。

自包含子帧被分为下行控制downlink

control部分。

在动态TDD操作的情况下数据部分可以用于下行或上行传输。

由于控制信道位于子帧的边缘下行链路和上行链路的控制信道之间不存在干扰。

自包含子帧还带来了其他优势包括支持非授权频段操作unlicensed

band

optimization。

下行链路和上行链路之间的快速切换有助于在互易信道reciprocal

channel情况下通过大规模MIMO天线优化性能如下图所示。

HARQ

Request。

异步HARQ允许在第一次传输后以灵活的延迟进行重传这为包调度器优化提供了更多自由度。

而LTE在上行链路中使用同步HARQ其中重传必须在第一次传输后8毫秒内发生。

在LTE中重传的需求通过下行链路中的NACK消息进行信令。

5G则不使用显式的ACK/NACK信令而是通过使用相同过程号的新上行资源分配来指示重传的需求。

精简载波

LTE基站每毫秒传输4次参考信号CRS。

用户设备UEs需要参考信号来进行小区搜索、移动性测量、以及信道估计和解码。

即使在小区内没有已连接的UELTE的参考信号也必须持续传输。

5G系统设计则有所不同5G没有CRS而是使用用户特定的参考信号参考信号与数据一起传输。

如果没有用户数据传输则不会传输参考信号。

灵活的参考信号传输有许多好处

降低基站功耗

consumption由于不需要频繁传输参考信号5G基站可以在低负载情况下利用省电模式。

最终目标是“零用户—零功耗”。

减少参考信号干扰

Less

signals这有助于最小化小区间干扰提升网络容量。

在最大负载时LTE小区参考信号占基站总功耗的10%而在低负载情况下参考信号所占比例显著更高甚至达到干扰的50%。

更高效的波束成形

More

beamformingCRS对于用户特定波束成形没有用处波束成形需要用户特定的参考信号。

由于波束成形是5G系统的重要组成部分参考信号结构需要相应设计。

下图展示了LTE参考信号的传输在5毫秒的时间段内传输20次即每毫秒传输4次。

5G则没有任何CRS只有同步信号和广播信道通常每20毫秒传输一次。

当子载波间隔增大时5G公共信道的相对占比会更低。

图中展示了15

kHz和30

参考信号用于用户数据的信道估计和解调。

在5G中参考信号的传输频率是自适应的。

这带来的好处是可以根据环境和预期的移动速度优化传输。

多普勒频率Δf可以通过移动速度v、载波频率f和光速c来计算

如果我们想支持500

Hz。

接收到的信号相位每秒会发生1600次显著变化这意味着所需的参考信号频率需要显著更高。

因此参考信号必须在每毫秒内多次传输。

另一方面如果移动速度较低如3

km/h则多普勒频率仅为10

Hz信道在10毫秒以上的时间内保持相似。

LTE无线电设计支持最大为750

Hz的多普勒频率并且参考符号的频率是固定的。

自适应参考信号频率如图3.14所示。

参考信号的频率还取决于多普勒扩展。

当存在主导传播路径时如3GPP高速列车HST模型在频率偏移校正后残余的多普勒扩展较小。

对于具有U形多普勒扩展和零平均频率偏移的信道需要大量的参考信号。

我们还注意到用户设备UE会同步到下行链路信号包括多普勒扩展。

因此基站接收机中经历的多普勒偏移可能是此处所示的两倍。

自适应用户设备专用带宽

5G允许为每个用户设备UE配置不同的带宽这也被称为带宽部分Bandwidth

MHz载波下UE1使用100

MHz带宽可以支持高数据速率的移动宽带而较小的带宽则可以用于要求较低的应用。

带宽可以根据数据速率需求动态适应每个UE。

在下一个时刻UE1的带宽被调整为20

MHz。

这种适应性带来了设备功耗的好处既有来自射频RF的节能也有来自基带的节能。

UE只需在其自己的带宽部分内进行接收和传输。

需要注意的是Release

15中UE类别没有变化即使UE被允许瞬时使用较少的带宽所有UE仍然必须支持完整的100

分布式MIMO

分布式MIMO指的是从两个或多个小区向用户设备UE进行下行传输或从UE向两个或多个小区进行上行接收。

分布式多输入多输出dMIMODistributed

Multiple

​​​​​​​也被称为协调多点传输CoMPCoordinated

Multipoint

Transmission和多传输接收点TRPMulti‐Transmission

Reception

Point。

分布式MIMO的目标是通过增加向UE的信号功率、最小化小区间干扰以及提高连接可靠性来改善小区边缘的性能。

分布式MIMO可以被视为大规模MIMO的扩展其中发射机不在单一天线内而是分布在不同的位置。

下图中三个无线单元同时向单一UE传输数据。

传输由一个集中式单元centralized

unit​​​​​​​控制该单元与每个无线单元之间通过低延迟连接进行通信。

分布式MIMO具有显著的潜力尤其是在小区边缘条件下能够提升用户的数据速率。

CoMP技术已经在LTE的上行链路中成功应用尤其是在上行容量成为瓶颈的繁忙大型活动中。

现场结果表明CoMP可以使上行链路容量提高三倍。

由于缺乏UE的支持以及FDD模式下需要快速反馈信令CoMP在LTE的下行链路中获得的增益较为困难。

相比之下5G在下行链路中利用CoMP的潜力更强。

Waveforms

Communications​​​​​​​中的时分多址TDMATime

Division

Access​​​​​​​到3G宽带码分多址WCDMAWideband

Code‐Division

Access​​​​​​​移动技术中已经使用了多种不同的波形。

在LTE中上行链路采用的是单载波频分多址SC-FDMASingle

Carrier

Access这一方案是为尽量减少用户设备UE的射频要求而选择的。

在5G中SC-FDMA选项仍然被保留以实现最大覆盖范围。

然而5G上行链路的主要波形是OFDMA这与LTE的上行链路不同。

选择OFDMA的原因在于其性能显著优于SC-FDMA尤其是在多天线传输和高阶调制下。

LTE中并未实现多天线上行链路传输而5G部署中预计会包含这一功能。

5G对更高数据速率的追求解释了为什么在上行链路中更倾向于使用OFDMA。

10.

在移动通信系统中需要使用信道编码来提供更可靠的数据和控制连接以应对衰落和干扰。

在3G和LTE中数据通道使用的是Turbo编码而5G则采用了不同的方案数据通道使用低密度奇偶校验LDPC编码控制通道使用极化编码Polar。

LDPC、Turbo和Polar在数据密集型应用中的链路性能相似但LDPC在实现复杂度方面明显优于Turbo和Polar。

当5G的峰值数据速率甚至超过10

LDPC在每单位硅面积的Gbps效率方面表现最佳且在每纳焦耳比特的能量效率上也最为优秀。

LDPC具有最有效的实现方式得益于其并行化架构和灵活的编码设计可以满足新的无线接入要求。

极化编码在3GPP中提出用于5G但在高数据速率下极化编码的效率不如LDPC。

作为折衷极化编码被选用于控制通道。

11.

processing的概念旨在最小化解码延迟和UE用户设备功耗。

LTE子帧的结构是控制部分、参考信号和数据按顺序排列LTE

UE必须接收完整的子帧才能开始解码。

而在5G中子帧的开头是解调参考信号DMRSDemodulation

Reference

然后是可以逐个解码的数据符号。

这种方法被称为前加载DMRSfront-loaded

DMRS其目标是最小化解码延迟。

流水线处理使得解码更加快速和连续。

当没有数据传输到UE时流水线处理还可以使UE更快速地进入睡眠模式。

12.

协议进行新的结构设计以最小化设置时间和信令。

LTE的RRC设计有两个RRC状态空闲状态和连接状态。

LTE

UE通常处于空闲状态以最小化UE的功耗。

当需要传输数据时UE首先切换到RRC连接状态完成数据传输后在不活跃定时器到期后UE返回到空闲状态。

LTE的这种方式对于频繁传输低数据量的场景如智能手机或物联网设备并不理想。

5G规格包括RRC连接不活跃状态目标是维持RRC连接较长时间并最小化RRC设置信令。

UE即使在长时间不活跃后也能发送数据而无需任何RRC设置信令这样也可以减少延迟。

最小化的信令对UE、无线网络和核心网络都有好处。

需要注意的是连接不活跃状态与3G的Cell_PCH寻呼信道Paging

Channel状态相似在这种状态下RRC连接维持较长时间同时最小化UE的功耗。

13.

在LTE中任何上行数据传输都需要UE向基站请求容量随后基站做出数据包调度决策并进行资源分配。

即使RRC连接已建立这一分配周期仍会引入额外的延迟和信令。

5G设计引入了无授权接入grant-free

access允许UE在没有任何调度的情况下发送一些数据。

无授权接入也被称为基于争用的接入。

无授权接入最小化了延迟和相关信令。

无授权接入类似于3G随机接入信道RACH上的数据传输。

14.

5G无线设计支持多种不同的部署场景。

典型的基站覆盖范围较小从几百米到几公里不等。

也可能出现需要非常大覆盖范围的情况例如在海洋等开阔区域提供覆盖或者为飞机提供覆盖或使用气球或无人机为极端地点提供覆盖。

非常大的小区范围必须在物理层设计中考虑因为传播延迟的影响。

5G支持最高300公里的小区范围相应的单程传播延迟为1毫秒如图3.21所示。

LTE的设计范围为100公里。

长传播延迟在接收RACH前导码和定时提前量范围时需要考虑。

图3.22展示了随机接入的情况其中来自远距离UE的上行信号晚2毫秒到达。

UE在前导码传输期间无法感知传播延迟。

因此必须在上行接收窗口中考虑传播延迟。

5G的上行接收是同步的这要求来自远距离UE的传输必须比近距离UE的传输提前开始以便在基站中实现上行的同时接收。

上行传输的时序通过定时提前量进行调整信令的范围足够大可以容纳300公里的小区范围。

四、网络切片

5G网络旨在支持针对延迟、吞吐量、容量和可用性的多样化和极端需求。

网络切片Network

Slicing为在统一网络基础设施中满足所有用例的需求提供了解决方案。

下图展示了网络切片的概念。

例如同一网络基础设施可以同时支持智能手机、平板电脑、虚拟现实连接、个人健康设备、关键远程控制或汽车连接。

LTE支持服务质量QoS区分但在5G中需要更进一步的解决方案。

五、双连接与LTE

5G是首个与传统无线网络紧密集成的无线解决方案旨在实现平滑的部署和无缝体验。

这个解决方案被称为双连接dual

connectivity即5G用户设备UE可以同时连接到5G无线网络和LTE无线网络。

3GPP支持的5G首个版本采用了非独立组网NSA架构并实现了双连接。

在这种架构下5G基站gNodeB和LTE基站eNodeB都连接到演进分组核心网EPC。

控制面通过LTE进行传输。

该架构被称为Option

5G也可以作为独立组网SA解决方案进行部署不需要LTE使用架构Option

2和5G核心网5G-CN。

与NSA方案相比SA方案更为简洁因为无需在5G和LTE之间进行互通。

SA的优势在于它可以提供比NSA更低的延迟因为没有包含LTE协议这些协议可能会导致额外的延迟。

5G核心网支持新的端到端服务。

以后也可以使用NSA架构其中5G和LTE节点都连接到新的5G核心网。

控制面可以通过LTE或通过5G进行传输分别对应Option

7和Option

无线网络架构通常是分布式的其中所有的无线处理都在基站的天线附近进行。

核心网络架构则高度集中只有少数几个核心站点。

未来的架构将有所不同无线处理将变得更加集中以便更好地扩展而核心处理将变得更加分布式以降低延迟。

这一演变将把边缘云服务器引入移动网络。

这些服务器的位置可以承载无线和核心网络功能。

5G规范旨在支持无线云通过在无线网络中定义新的接口将功能分割到分布式射频RF站点和集中式边缘云站点之间。

无线云的实现能够实现网络扩展性例如在增加大量物联网IoT连接设备时。

图3.26展示了主要的功能拆分选项及相关的传输要求。

最右侧的图示为分布式选项其中所有无线功能都靠近天线。

这种选项在大多数LTE网络中使用且在5G网络中也较为典型。

最左侧的图示是另一种LTE网络中使用的选项即基带托管baseband

hoteling所有基带处理都集中在一个地方。

基带和射频之间可以使用公共无线接口CPRI。

CPRI要求非常低的延迟且CPRI的数据率要求会随着带宽和天线数量的增加而增加。

如果我们有一个100MHz的5G载波配备64TRX的大规模MIMO和16个数据流则CPRI的数据率要求接近1Tbps没有CPRI压缩这使得在5G中使用CPRI接口变得困难。

因此考虑了两种具有更宽松传输要求的功能拆分选项。

低层和高层拆分选项将延迟敏感的功能放置在靠近射频的位置而较少延迟敏感的功能则放在边缘云站点。

这可以最小化传输要求。

如果传输网络能够提供低延迟1毫秒则只有部分Layer

1的其余部分以及其他层则位于边缘云中。

这种情况下的接口称为增强型公共无线接口eCPRI。

如果传输延迟较高则更多功能将位于天线站点只有部分Layer

2和Layer

预计5G网络将提供显著更高的能力、更高的数据速率并支持一系列新服务从低延迟和高可靠性到低成本的物联网模块。

为了实现这些目标需要新的技术组件。

本章总结了主要的新技术具有宽带载波的新频谱选项、优化的波束赋形无线设计、灵活的物理层和协议层、网络切片、双连接以及云优化的网络架构。

5G意味着网络设计和优化的巨大变化。

参考资料