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：

	频段类型	频段优势	频段劣势	部署策略
FR1	Sub 3G	频段低，覆盖性能好	可用频谱资源有限，大部分被当前系统(2G/3G/4G)占用，小区带宽受限	可选频率资源少，小区初期部署苦难，后续可通过refarming或者cloudair方案来部署
FR1	C-band	NR新增频段，频谱资源丰富，小区带宽大	上行链路覆盖较差，上下行不平衡问题明显	5G主要频段，上下行不平衡问题可通过上下行解耦来解决
FR2	毫米波	NR新增频段，小区带宽最大	覆盖能力差，对射频器件性能要求高	初期部署不作为主要部署，主要作为热点eMBB补充，WTTx(家庭宽带)以及D2D等特殊场景

// 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：

4G	5G FR1	5G FR2
1.4 M	5 M	50 M
3 M	10 M	100 M
5 M	15 M	200 M
10 M	20 M	400 M
15 M	25 M
20 M	30 M
	40 M
	50 M
	60 M
	70 M
	80 M
	90 M
	100 M

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）：

	4G		5G
上行	QPSK	1个符号可携带 2bits	QPSK	1个符号可携带 2bits
	16 QAM	1个符号可携带 4bits	16 QAM	1个符号可携带 4bits
	64 QAM	1个符号可携带 6bits	64 QAM	1个符号可携带 6bits
			256 QAM	1个符号可携带 8bits
下行	QPSK	1个符号可携带 2bits	QPSK	1个符号可携带 2bits
	16 QAM	1个符号可携带 4bits	16 QAM	1个符号可携带 4bits
	64 QAM	1个符号可携带 6bits	64 QAM	1个符号可携带 6bits
	256 QAM	1个符号可携带 8bits	256 QAM	1个符号可携带 8bits
			1024 QAM	1个符号可携带 10bits

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）