5G中的關鍵技術解讀

，謝謝。

4G的到來彷彿還在昨日，5G卻已近在咫尺。根據3GPP的規劃， 5G的大規模測試和部署，最早將於2019年開始。也就是說，最快還有一年多的時間，我們就可以享受到5G帶來的全新體驗。然而作為全球通信標準，5G的意義當然不局限於網速更快，移動寬頻體驗更優，它的使命在於連接新行業，催生新服務，比如推進工業自動化、大規模物聯網、智能家居、自動駕駛等。這些行業和服務都對網路提出了更高的要求，要求網路更可靠、低時延、廣覆蓋、更安全。各行各業迥異的需求迫切呼喚一種靈活、高效、可擴展的全新網路。5G應運而生。

圖1：5G的應用領域

作為下一代蜂窩網路，5G 網路以 5G NR (New Radio) 統一空中介面（unified airinterface）為基礎，為滿足未來十年及以後不斷擴展的全球連接需求而設計。5G NR 技術旨在支持各種設備類型、服務和部署，並將充分利用各種可用頻段和各類頻譜。顯然，5G NR的設計是一項大工程，搭建5G NR不可能也不必從零開始，事實上，5G 將在很大程度上以4G LTE為基礎，充分利用和創新現有的先進技術。

Qualcomm認為，要實現5G NR的搭建，有三類關鍵技術不可或缺——1. 基於OFDM優化的波形和多址接入（Optimized OFDM-based waveforms and multiple access，Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用），2. 靈活的框架設計（A flexible framework），3. 先進的新型無線技術（Advanced wireless technologies）。

圖2：5G NR關鍵技術一．

基於OFDM優化的波形和多址接入（Optimized OFDM-based waveforms and multiple access）5G NR設計過程中最重要的一項決定，就是採用基於OFDM優化的波形和多址接入技術，因為OFDM 技術被當今的 4G LTE 和 Wi-Fi 系統廣泛採用，因其可擴展至大帶寬應用，而具有高頻譜效率和較低的數據複雜性，因此能夠很好地滿足 5G 要求。 OFDM 技術家族可實現多種增強功能，例如通過加窗或濾波增強頻率本地化、在不同用戶與服務間提高多路傳輸效率，以及創建單載波 OFDM 波形，實現高能效上行鏈路傳輸。

圖3：基於OFDM優化的波形

簡單歸納起來，OFDM有以下優勢：Ÿ 複雜度低（Low complexity）：可以兼容低複雜度的信號接收器，比如移動設備Ÿ 頻譜效率高（High spectral efficiency:）：可以高效使用 MIMO，提高數據傳輸效率。Ÿ 能耗少（Low power consumption）：可以通過單載波波形，實現高能效上行鏈路傳輸。Ÿ 頻率局域化（Frequencylocalization）：可以通過加窗和濾波，提升頻率局域化，最大限度減少信號干擾。

圖4：可擴展子載波

不過OFDM體系也需要創新改造，才能滿足5G的需求：1. 通過子載波間隔擴展實現可擴展的OFDM參數配置(Scalable OFDM numerology with scaling of subcarrier spacing)

圖5: 5G NR不同頻譜的帶寬和子載波間隔

目前，通過OFDM子載波之間的15 kHz間隔（固定的OFDM參數配置），LTE最高可支持20 MHz的載波帶寬。為了支持更豐富的頻譜類型/帶（為了連接儘可能豐富的設備，5G將利用所有能利用的頻譜，如毫米微波、非授權頻段）和部署方式。5G NR將引入可擴展的OFDM間隔參數配置。這一點至關重要，因為當FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換）為更大帶寬擴展尺寸時，必須保證不會增加處理的複雜性。而為了支持多種部署模式的不同通道寬度，如上圖所示，5G NR必須適應同一部署下不同的參數配置，在統一的框架下提高多路傳輸效率。

另外，5G NR也能跨參數實現載波聚合，比如聚合毫米波和6GHz以下頻段的載波，因而也就具有更強的連接性能。2. 通過OFDM加窗提高多路傳輸效率（Enabling efficient services multiplexing with windowed OFDM）前文提到，5G 將被應用於大規模物聯網，這意味著會有數十億設備在相互連接，5G勢必要提高多路傳輸的效率，以應對大規模物聯網的挑戰。為了相鄰頻帶不相互干擾，頻帶內和頻帶外信號輻射必須儘可能小。OFDM能實現波形后處理（post-processing），如時域加窗或頻域濾波，來提升頻率局域化。如下圖，利用5G NR OFDM的參數配置，5G可以在相同的頻道內進行多路傳輸。

圖6：5G NR可針對不同服務進行高效多路傳輸

面對這一需求，Qualcomm正積極推動CP-ODFM（循環前綴正交頻分復用）加窗技術，大量的分析和試驗結果表明，它能有效減少頻帶內和頻帶外的輻射，從而顯著提高頻率局域化。CP-ODFM技術的效果已被實踐證實，現在正廣泛應用於LTE網路體系中。 二．靈活的框架設計顯然，要實現5G的大範圍服務，僅有基於OFDM優化的波形和多址接入技術是遠遠不夠的。設計5G NR的同時，我們還在設計一種靈活的5G 網路架構，以進一步提高5G服務多路傳輸的效率。這種靈活性即體現在頻域，更體現在時域上，5G NR的框架能充分滿足5G的不同的服務和應用場景。

圖7：5G NR靈活的框架設計

• 可擴展的時間間隔（Scalable Transmission Time Interval (TTI)）相比當前的 4G LTE網路，5G NR將使時延降低一個數量級。目前LTE網路中，TTI（時間間隔）固定在1 ms（毫秒）。為此，3GPP在4G演進的過程中提出一個降低時延的項目。儘管技術細節還不得而知，但這一項目的規劃目標就是要將一次傅里葉變換的時延降低為目前的1/8（即從1.14ms降低至143µs（微秒））。而為了支持「長時延需求」的服務，5G NR的靈活框架設計可以向上或向下擴展TTI（即使用更長或更短的TTI），依具體需求而變。除此之外，5G NR同樣支持同一頻率下以不同的TTI進行多路傳輸。比如，高Qos（服務質量）要求的移動寬頻服務可以選擇使用500 µs的TTI，而不是像LTE時代只能用標準TTI，同時，另一個對時延很敏感的服務可以用上更短的TTI，比如140 µs，而不是非得等到下一個子幀到來，也就是500 µs以後。也就是說上一次傳輸結束以後，兩者可以同時開始，從而節省了等待時間。

• 自包含集成子幀（Self-contained integrated subframe）自包含集成子幀是另一項關鍵技術，對降低時延、向前兼容和其他一系列5G特性意義重大。通過把數據的傳輸（transmission）和確認（acknowledgement）包含在一個子幀內，時延可顯著降低。下圖展示的是一個TDD下行鏈路子幀，從網路到設備的數據傳輸和從設備發回的確認信號都在同一個子幀內。而且通過5G NR獨立集成子幀，每個TTI都以模塊化處理完成，比如同意下載→數據下行→保護間隔→上行確認。

圖8：5G NR獨立集成子幀

模塊化同樣支持不同類型的子幀為未來的各種新服務進行多路傳輸，配合5G NR框架支持空白子幀和空白頻率資源的設計，使其擁有向前兼容性——未來的新型服務可以以同步或非同步狀態部署在同一頻率內。

三．先進的新型無線技術（Advanced wireless technologies）我們在開頭提到過，5G必然是在充分利用現有技術的基礎之上，充分創新才能實現的，而4G LTE正是目前最先進的移動網路平台，5G在演進的同時，LTE本身也還在不斷進化（比如最近實現的千兆級4G+），5G不可避免地要利用目前用在4G LTE上的先進技術，如載波聚合，MIMO技術，非共享頻譜的利用，等等；可以說，5G在很大程度上是以4G為基礎的。

• 大規模MIMO（Massive MIMO）

圖9：大規模MIMO

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術是目前無線通信領域的一個重要創新研究項目，通過智能使用多根天線（設備端或基站端），發射或接受更多的信號空間流，能顯著提高通道容量；而通過智能波束成型，將射頻的能量集中在一個方向上，可以提高信號的覆蓋範圍。這兩項優勢足以使其成為5G NR的核心技術之一，因此我們一直在努力推進MIMO技術的演化，比如從2x2提高到了目前4x4 MIMO。但更多的天線也意為著佔用更多的空間，要在空間有限的設備中容納進更多天線顯然不現實，所以，只能在基站端疊加更多MIMO。從目前的理論來看，5G NR可以在基站端使用最多256根天線，而通過天線的二維排布，可以實現3D波束成型，從而提高通道容量和覆蓋。

2. 毫米波（mmWave）

圖10：毫米波

對無線通信稍有了解的人應該知道，頻率越高，能傳輸的信息量也越大，也就是體驗到的網速更快。正是因為這一優勢，我們把目光聚焦在了頻率極高的毫米波上（目前毫米波主要應用於射電天文學、遙感等領域）。全新 5G 技術正首次將頻率大於 24 GHz 以上頻段（通常稱為毫米波）應用於移動寬頻通信。大量可用的高頻段頻譜可提供極致數據傳輸速度和容量，這將重塑移動體驗。但毫米波的利用並非易事，使用毫米波頻段傳輸更容易造成路徑受阻與損耗（信號衍射能力有限）。通常情況下，毫米波頻段傳輸的信號甚至無法穿透牆體（回想一下你家的5GHz Wi-Fi有多容易被牆體屏蔽），此外，它還面臨著波形和能量消耗等問題。不過，我們已經在天線和信號處理技術方面取得了一些進展。通過利用基站和設備內的多根天線，配合智能波束成型和波束追蹤演算法，可以顯著提升5G毫米波覆蓋範圍，排除干擾。同時， 5G NR 還將充分利用6GHz以下頻段和 4G LTE ，讓毫米波的連接性能更上一層。

圖11：Qualcomm 5G NR毫米波試驗

在毫米波領域，Qualcomm一直走在前沿。我們實現了移動設備中的802.11ad60 GHz晶元的商業化，除此之外，我們也在積極研發和測試28GHz頻段（可擴展至其他頻段）的毫米波原型。不久前，我們在一個人口密集的住宅區附近做了一次模擬實驗，現場數據顯示，視距內（line-of-sight）的覆蓋可達350米，而非視距（Non-Line-of-Sight）的覆蓋可達150米。另外，我們最近還發布了第一塊5G毫米波數據機，驍龍X50，以支持今年下半年的5G毫米波早期實驗部署。

3. 頻譜共享（Spectrum sharing techniques）

圖12：頻譜共享

使用共享頻譜和非授權頻譜，可將 5G 擴展到多個維度，實現更大容量、使用更多頻譜、支持新的部署場景。這不僅將使擁有授權頻譜的移動運營商受益，而且會為沒有授權頻譜的廠商創造機會，如有線運營商、企業和物聯網垂直行業，使他們能夠充分利用 5G NR 技術。5G NR 原生地支持所有頻譜類型，並通過前向兼容靈活地利用全新的頻譜共享模式。這為在 5G 中創新的使用頻譜共享技術創造了機遇。我們在頻譜共享技術領域，同樣走在前沿，比如LTE-U,LAA, LWA, CBRS, LSA, 還有MulteFire，這些技術已經用在了LTE上，5G NR將在這基礎上加以創新。

圖13：5G NR原生地支持所有頻譜類型

4. 先進的通道編碼設計（Advanced channel coding design）

目前LTE網路的編碼還不足以應對未來的數據傳輸需求，因此迫切需要一種更高效的通道編碼設計，以提高數據傳輸速率，並利用更大的編碼信息塊契合移動寬頻流量配置，同時，還要繼續提高現有通道編碼技術（如LTE Turbo）的性能極限。在這方面，Qualcomm促成了行業統一採用LDPC通道編碼，LDPC編碼已被證明，對於需要一個高效混合HARQ體系的無線衰落通道來說，它是理想的解決方案。從下圖可以看出，LDPC的傳輸效率遠超LTE Turbo，且易平行化的解碼設計，能以低複雜度和低時延，擴展達到更高的傳輸速率。

圖14：大信息塊長度下不同通道編碼的表現

總結：我們在開頭提到，5G並非憑空而來，它的實現有賴於對現有技術的深入研究利用，比如用在LTE Advanced和LTE Advanced Pro 上的載波聚合、LTE物聯網、車聯網等技術。未來兩年，4G和5G將平行發展，一邊是4G的繼續成熟，一邊是5G的創新研發。根據3GPP的規劃，Release 15預計會在2018年6月發布，不過由於行業的推動，這個時間很可能會提早三五個月，保守估計，5GNR的大規模商業化部署最早將在2019年開始。

圖15：5G研究項目長期規劃

作為移動通訊行業的領軍企業之一，推動5G儘早實現，我們責無旁貸，我們也在用實際行動積極推動5G的創新和構建，正如Qualcomm CEO 史蒂夫·莫倫科夫所言：「我們發明的一切、改進的一切以及克服的每一項困難，都為創造 5G 技術的無限機遇奠定了堅實的基礎。當別人在談論 5G 時，我們已開始著手構建。」就像我們以開創性的貢獻，將3G和4G融入今天的生活，我們會與合作夥伴協作前行，不斷拓展無線通信的邊界，將世界帶向5G，讓萬物互聯更快到來。一句話總結：繼往開來，行勝於言。

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