5G NR是什么？面向5G NR的正交频分复用介绍

5G标准

第三代合作伙伴项目（3GPP）正在制定5G标准，该项目由来自七个不同全球标准组织的合作伙伴组成。5G 标准始于 2017 年 12 月的“第 15 版”，随着新特性、功能和要求的增加，将在后续版本中进行扩展。

在 3GPP 中，有技术规范组 （TSG），致力于在越来越高的抽象级别上定义 5G NR 系统。示例级别包括但不限于：

无线接入网 （RAN）： 负责定义无线电性能规范的较低级别 （1-3），其中包括：

物理层

调制

频分双工 （FDD）

时分双工 （TDD）

波束成形

错误检测

校正

服务与系统方面（SA）：监督整体架构和服务功能，包括计费、会计、网络管理和安全

核心网络和终端（CT）：定义用户设备的规格、网络之间的切换、服务质量映射等。

分层5G服务的三个频段

随着无线电信技术的进步，频率和带宽稳步增加。如图 1 所示，新一代保留了与现有网络的一些向后兼容性，但扩展到更多频段。

图 1. 2G、3G、4G 和 5G 网络频谱分配的演变。

随着 5G 向 30GHz 以上的毫米波 （mmWave） 频率发展，这一趋势正在向前迈进。这使得 5G NR 能够在低于 6GHz 的频率下支持高达 100MHz 的超宽带宽，在更高频率下支持高达 400MHz 的超宽带宽。

5G一般可分为三个频段：

FR1型

较低频率：MHz–1 GHz

中频：1–7 GHz

FR2型

更高频率：24–48 GHz

如图 2 所示，这三个频段旨在协同工作，以满足对带宽、延迟和覆盖范围的不同需求。

图2. 5G NR 的 3 个频段的带宽、延迟和覆盖范围之间的关系。

5G 的初始部署在较低频率范围 （FR1） 中，有两个频段（称为低频段和中频段），跨越用于 450 MHz 至 6 GHz 智能手机的更传统频率。这些较低的频率提供了最大的覆盖范围。

更高的频率范围 （FR2） 以 24 - 100 GHz 的频率向上移动到毫米波区域，以支持更快的下载速度，并支持需要超低延迟的新应用。

面向 5G NR 的正交频分复用

上行链路和下行链路连接的 5G 传输均基于 OFDM（正交频分复用）。OFDM 结合了正交幅度调制 （QAM） 和频分复用 （FDM），可实现高数据速率通信。

由于副载波频率彼此正交，因此各个峰值都与其他副载波的零点对齐（图3）。

图3. 正交频分复用的频谱。

这最大限度地减少了干扰，并允许接收器有效地恢复信号。这些调制副载波可用于支持许多独立信号（如FM无线电信道），但在5G应用中，通常组合在一起以提高单个信道的数据速率。

NR 规范支持 15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz、240 kHz 或 480 kHz 的可调载波间隔，最多 3300 个副载波。此外，副载波调制可以是 QPSK（四相移键控）或 16、64 或 256-QAM。这些选项提供了多功能性，使运营商能够优化通信方案以满足环境和应用。

5G 性能与 4G 的比较

正如我们对每一代智能手机技术所期望的那样，5G 比其前身 4G 更快，容量更大。预计 5G 将支持高达 10-20 Gb/s 的峰值数据传输速率和超过 100 Mb/s 的平均数据速率。5G 还旨在通过提高网络效率和将延迟降低 10 倍来支持容量增加 100 倍，从而降低到1 毫秒

除了这些基本改进之外，5G还被设计为比4G更多样化的电信标准，以支持标准移动宽带以外的应用，包括：

低延迟的关键任务通信

物联网 （IoT） 的大规模连接

支持所有频谱类型（许可、共享、非许可）

扩展的部署模型，包括热点

新的通信模型，例如设备到设备和多跳网格。

5G使用模型

通常，当我们听到 5G 时，我们会立即想到更好的智能手机，这确实是 5G NR 规范的一个方面。然而，这些标准正在开发中，以支持的不仅仅是更好的智能手机。具体来说，有三种主要的使用模型，如图 4 所示：

eMBB（增强型移动宽带）：松散更好的智能手机、消费类应用程序

URLLC（超可靠和低延迟通信）：关键任务服务

mMTC（大规模机器类型通信）：考虑物联网

图4. 三种 5G NR 使用模型的示例应用。

eMBB（增强型移动宽带）

5G NR 网络开发的最初重点是 eMBB，以提高下载和上传速度并减少延迟。eMBB有望改善移动视频流，并实现包括移动增强现实和虚拟现实（AR和VR）在内的应用。emBB预计将在人口稠密的城市地区、体育或音乐会场所以及智能办公室提供增强的无线宽带接入。

URLLC（超可靠低延迟通信）

顾名思义，URLLC旨在为“实时”应用提供非常低延迟的通信，包括自动驾驶汽车、工业自动化和远程手术。显然，这些应用程序中的每一个都需要强大的网络连接，具有低错误率和难以察觉的延迟（理论上低至 1 毫秒）。这些要求与语音通话或流式传输您喜欢的新节目有很大不同。

mMTC（大规模机器类型通信）

mMTC是第三种使用模式，与前两种也有很大不同。mMTC将利用5G NR提供的宽带宽来支持与“大量”低数据速率设备的通信。应用将包括物联网和智慧城市，其中大量节点将需要窄带宽进行遥感、监控、交通和停车管理、物流和车队管理以及电子广告牌。

赋能5G的技术

许多技术进步正在共同实现 5G 通信。本节将介绍从事硬件工作的电气工程师可能感兴趣的一些关键技术。

先进的晶体管技术

硅CMOS技术不断向更精细的几何形状发展，对于提高手机、基站和网络骨干网所需的处理能力显然非常重要。此外，随着 5G 扩展到频谱的毫米波区域，先进晶体管技术的改进正在成为焦点。

如图 5 所示，硅锗 （SiGe）、砷化镓 （GaAs）、氮化镓 （GaN） 和碳化硅 （SiC） 都适合在 6 GHz 以上的高频 FR2 频段工作。特别是，氮化镓和碳化硅器件广泛用于需要高频和高功率的基站。

图5.宽禁带 （WBG） 材料的功率与频率的关系。

除了晶体管本身之外，从芯片到印刷电路板 （PCB） 的外部连接还需要封装方面的技术进步和先进的设计技术。像封装内的 1 mm 键合线这样简单的东西在毫米波频率下会成为潜在的天线，并且可能具有复杂的阻抗，因此很难实现与 PCB 的 50 Ω阻抗匹配。转向使用焊球的倒装芯片组装可能会有所帮助，但阻抗匹配挑战可能仍然存在。

海量多输入多输出天线

由于波长非常短，相控阵天线在5G毫米波频率上变得可行。例如，高通公司在图6中演示的毫米波手机原型似乎有三个4x2相控阵天线部分。相控阵天线可以支持波束成形，以提高天线增益。

图6. 5G NR毫米波手机原型。

在基站中，相控阵的使用预计将激增，成为所谓的大规模多输入多输出（MIMO）系统。使用大量天线和复杂算法，大规模MIMO系统可以采用自适应波束成形和空间分集，以实现以下目的：

通过将窄波束聚焦到每个用户来提高频谱效率

通过天线增益提高能源效率，降低总辐射功率

通过增益和空间分集提高数据速率和容量

通过自适应波束成形跟踪移动用户

基站的数字和模拟处理相结合，为各个用户创造了独特的传输通道。个人用户还可以使用多个天线来增强存在衰落、多径和干扰的通信。

图7. 面向毫米波 5G 的大规模多输入多输出通信。图片由 Alemaishat 等人提供

总结

5G NR不仅仅是移动智能手机的改进网络。增强型移动宽带、超可靠低延迟通信和大规模机器型通信这三种主要使用模式可能会在未来几年带来许多新的应用。

审核编辑：刘清