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五大无线发明让全球5G标准–5G NR变成现实

我已经在Qualcomm工作15年以上,大部分时间从事无线工作,目睹无线技术领域的许多变化和令人惊叹的创新,但没有什么能够和5G移动网络出现的根本性转变相提并论。过去几年,我一直领导Qualcomm Research项目,致力于设计让5G愿景变成现实的新无线空口以及新的5G网络架构。目前,3GPP 5G标准化工作正有序地推进,这项工作将制定名为5G新空口(5G NR)的全球规范,我们正积极致力于5G设计,以促进并加快其发展。

让5G NR变成现实非常复杂。5G NR必须满足一系列不断扩展、多种多样的连接需求,它不仅将连接人,还要在广泛的行业和服务中连接并控制机器、物体和终端。统一空口要灵活且敏捷地应用合适的技术、频谱和带宽,以此满足每个应用的需求并支持面向未来服务与终端类型的高效复用。5G NR还需要充分利用大量可用频谱监管范式和频段中的每一点频谱 — 从1 GHz以下低频带到1 GHz至6 GHz中频带和称为毫米波的高频带。

这要求在我们开创3G、4G和Wi-Fi时创建的基础上进行新技术创新。这里没有定义5G的单一技术组件。相反地,5G将从诸多截然不同的技术创新中被构建。Qualcomm是发明公司。多年来我们一直在开发这些5G构建模块 — 发明正突破并且会重新定义无线边界的5G新技术。我们已开发先进的5G NR原型系统,用于测试、演示和试验5G发明。现在,我们即将迎来5G移动网络,我们的无线发明正促进3GPP全球5G NR标准的制定,这将支持从2019年开始,基于符合标准的基础设施与终端来进行大规模5G部署。

我在Qualcomm Research的工作最有成就感的一个方面是,看到我们的先进系统设计和无线技术从理论开始,一直到设计、标准化、实现和最终商用。下面我们快速浏览一下正让5G NR和我们的5G愿景变成现实的五大关键无线发明。

发明#1:实现2n子载波间隔扩展的可扩展OFDM参数配置

5G NR设计中最重要的决定之一是选择无线电波形和多址接入技术。在已经评估并且将继续评估多种方式的同时,我们通过广泛研究(一年前在Qualcomm Research报告中发布)发现,正交频分复用(OFDM)体系 — 具体来说包括循环前缀正交频分复用(CP-OFDM)1 和离散傅里叶变换扩频正交频分复用(DFT-S OFDM)2 — 是面向5G增强型移动宽带(eMBB)和更多其他场景的正确选择。

由于LTE在下行链路中使用OFDM并且在上行链路中使用DFT-S OFDM,我们的研究表明,上行链路支持DFT-S-OFDM和CP OFDM具有优势,基于场景自适应切换对于DFT-S OFDM的链路预算和MIMO空间复用都有好处。最近3GPP NR第14版研究项目同意在eMBB下行链路中支持CP-OFDM并且针对eMBB上行链路DFT-S-OFDM与CP-OFDM形成互补。

既然今天已经在使用OFDM,那你或许会问“进一步创新路在何方?”答案是可扩展的OFDM复频参数配置(图1)。今天,通过OFDM音调(通常称为子载波)之间的15 kHz间隔——这几乎是固定的OFDM参数配置,LTE支持最多20 MHz的载波带宽。借助5G NR,我们已推出可扩展的OFDM参数配置,它能支持多种频谱频段/类型和部署模式。例如,5G NR必须能够在有更大信道宽度(例如数百MHz)的毫米波频段上工作。我们的设计引入能够随着信道宽度而扩展的OFDM子载波间隔,当FFT为更大带宽扩展尺寸的时候,也不会增加处理的复杂性。最近3GPP已在5G NR第14版研究项目中,选定了实现子载波间隔2n扩展的可扩展OFDM参数配置。

可扩展OFDM参数配置

发明#2:灵活、动态、自给式TDD子帧设计

5G NR设计的另一个关键组件是将支持网络运营商在相同频率上高效复用构想的(和无法预料的)5G服务的灵活框架。我们针对该5G NR框架设计的关键组件是自给式集成子帧。如图2所示,通过在相同子帧(例如,以TDD下行链路为中心的子帧)内包含数据传输和后解码确认来实现更低延迟。有了5G NR自给式集成子帧,每个传输都是在一个时期内完成的模块化事物(例如,下行授权 > 下行数据 > 保护时间 > 上行确认)。除更低延迟之外,该模块化子帧设计支持前向兼容性、自适应UL/DL配置、先进互易天线技术(例如,基于快速上行探测的下行大规模MIMO导向)以及通过增加子帧头(例如,免授权频谱的竞争解决头)支持的其他使用场景 — 让该项发明成为满足许多5G NR需求的关键技术。

自给式集成子帧设计(例如,TDD下行链路)

发明#3:先进、灵活的LDPC信道编码

连同可扩展参数配置和灵活的5G NR服务框架,物理层设计应包括可提供稳健性能和灵活性的高效信道编码方案。尽管Turbo码一直非常适合3G和4G,但Qualcomm Research已证明,从复杂性和实现角度来看,当扩展到极高吞吐量和更大块长度(block lengths)时,低密度奇偶校验码(LDPC)具有优势,如图3所示。此外,LDPC编码已被证明,对于需要一个高效混合ARQ体系的无线衰落信道来说,它是理想的解决方案。因此,最近3GPP选定先进的LDPC作为eMBB数据信道编码方案。

灵活的LDPC码支持吞吐量扩展

发明#4:先进大规模MIMO天线技术

我们的5G设计还促进MIMO天线技术发展。通过智能地使用更多天线,我们可以提升网络容量和覆盖面。即,更多空间数据流可以显著提高频谱效率(例如,借助多用户大规模MIMO),支持每赫兹传输更多比特,并且智能波束成形和波束跟踪可以通过在特定方向聚焦射频能量来扩展基站范围。

我们已展示5G NR大规模MIMO技术将如何在具有3D波束成形能力的基站,利用2D天线阵列开启6 GHz以下频谱的更高频段。借助快速互易TDD大规模MIMO,我们的测试结果显示,面向在3 GHz至5GHz频段工作的5G NR新部署重用现有宏蜂窝基站是可行的。全新多用户大规模MIMO设计的这些测试结果显示,容量和小区边缘用户吞吐量显著提升,这对提供更统一的5G移动宽带用户体验很关键。

我们的5G设计不仅面向宏/小型基站部署支持使用3至6 GHz频段的更高频率,而且将面向移动宽带开辟24 GHz以上频段毫米波新机会。在这些高频上可用的充裕频谱能够提供将重塑数据体验的极致数据速度和容量。但是,动用毫米波伴随着一系列自身挑战。在这些更高频段上传输,遭遇高得多的路径损失并且容易受阻挡。但正如我们通过广泛测试Qualcomm Research 5G毫米波原型系统所证明的那样,参阅图4,动用毫米波频段的创想不再遥不可及。我们正利用基站和终端中的大量天线单元以及智能波束成形和波束跟踪算法展示持续宽带通信,甚至包括非视距通信和终端移动。我们在该领域的早期研发已带来首款5G调制解调器 — 将支持早期5G毫米波试验和部署的高通骁龙X50 5G调制解调器。

Qualcomm Research 5G毫米波原型系统在28 GHz工作

发明#5:先进频谱共享技术

频谱是移动通信最重要的资源,获得更多频谱意味着网络可以提供更高用户吞吐量和容量。但是频谱稀缺,我们必须寻找充分利用现有资源的创新方式。今天,我们正开创频谱共享技术,例如LTE-U/LAA、LWA、LSA、CBRS和MulteFire。

5G NR设计为原生支持全部频谱类型,灵活地利用潜在频谱共享新范式,因帧结构的设计具有前向兼容性。这创造在5G中将频谱共享提升到新水平的创新机会。这些创新将提供更多可用频谱,但也通过支持可动态适应载荷工况的协作式分层共享机制提高总体利用率。为了让其变成现实,最近我们发布5G NR频谱共享原型系统(图5),推动3GPP标准化并支持影响深远的试验。

5G NR频谱共享支持充分利用全部频谱类型

这仅仅是开始

这五大关键发明仅仅是成为我们5G设计一部分的几项惊人发明。如果没有合适的硬件、软件和固件推动,它们将只是纸上概念。我们的5G NR原型系统不仅用作公司5G设计的测试平台,还是密切跟踪3GPP标准化进度的试验平台,支持与领先移动网络运营商和基础设施厂商开展5G NR试验,例如我们最近宣布与SK电信和爱立信开展试验。这些活动对加快大规模5G商用网络部署至关重要。

希望更多地了解这些发明和其他5G工作吗?请查阅我们的新5G NR白皮书,它全面概述我们的5G愿景和全新5G NR设计详情。

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