技術貼：5G商用在即，再聊5G新空口物理層

　　用于5G的大規模MIMO

　　MIMO方法可再進一步演變為大規模MIMO。當系統的gNB天線比每個信令資源的UE設備數量高 出很多倍時，便可部署大規模MIMO配置。gNB天線的數量遠高于UE設備時，頻譜效率會大幅提 高。與現在的4G系統相比，這種條件使系統能夠在同一頻段內同時為更多的設備提供服務。 NI與三星等行業領先企業攜手，繼續通過其軟件無線電平臺和用于快速無線原型驗證的靈活軟件展示大規模MIMO系統的可行性。

　　目前，大規模MIMO的主要研究焦點是低于6GHz的頻率。此范圍的頻譜非常稀缺，且價值非常高。 在這些頻段中，大規模MIMO系統可以通過空間復用多個終端來顯著提高頻譜效率。 而大規模MIMO系統的另一個優勢是可以為覆蓋區域內的所有UE提供更好且更一致的服務。

　　用于5G的毫米波

　　當前，業內研究人員已將可用的毫米波波段作為下一個前沿研究領域，以滿足未來需要龐大數據的無線應用需求。運行在28 GHz及以上的新型5G系統為更多信道提供更多可用頻譜，這非常適用于數Gbps的鏈路。盡管這些頻率相比6 GHz以下的頻譜較不擁擠，但是卻會受到不同傳播效應的影響，例如更高的自由空間路徑損耗和大氣衰減、室內滲透力弱以及衍射效果差。 為了克服這些負面影響，毫米波天線陣列可以聚焦其波束并利用天線陣列增益。幸運的是，這些天 線陣列的尺寸隨著工作頻率的增加而減小，從而允許在與單個sub-6GHz元件相同的面積內容納包 含更多元件的毫米波天線陣列。

　　通過模擬波束控制簡化復雜性

　　大規模MU-MIMO系統需要比UE設備多得多的發射RF鏈路才能進行適當的空間復用。這與僅通過一個RF鏈饋送到多個天線的系統不同，在單RF鏈中，多個天線的相位通過類似的方式進行控制，以便聚焦和控制輻射方向。對于MU-MIMO目的，這樣的系統可以歸類為具有方向性可控制天線的單天線終端。

　　大規模MIMO系統的主要缺點之一是集成和部署大量RF鏈非常復雜性，而且成本高昂，特別是在毫米波頻率下。研究人員已經提出了幾種混合(數字和模擬)波束成形方案，以允許5G gNB在維持大量天線的同時，不斷降低MU-MIMO的實現成本。

　　最后，我們剛才提到，在毫米波頻率下，信道相干時間顯著降低，這給移動應用帶來了嚴格的限制。 研究人員需要繼續研究在毫米波頻率下改善UE移動性的新方法，但很可能第一次5G毫米波部署將用于固定無線接入應用，例如回程和側鏈(Side Link)。

　　管理波束

　　使用毫米波波段的主要技術挑戰之一是在超過20 GHz的頻率，信號傳播損耗非常高。實際上，這種損耗會減少可能的小區覆蓋區域和范圍。為了彌補這一缺陷，標準制定者采用基于天線陣列的波束形成技術，將RF能量聚焦到單個用戶并提高信號增益。但是，UE不能再依靠毫米波gNB進行全向傳輸信號來建立初始連接。

　　NR標準針對UE采用了新的過程來建立與gNB的初始接入。在到達新小區覆蓋區域時，UE無需識別波束的位置，而是忽略gNB當前正在發送的波束方向，便開始網絡接入過程。 NR初始接入過程為UE建立與gNB的通信提供了一個有效的解決方案。它解決了盲目尋找gNB的 問題，不僅適用于毫米波運行，而且適用于低于6 GHz的全向通信。這意味著初始接入過程必須應用于單波束和多波束場景，此外還必須支持NR和LTE共存。

　　Bandwidth Part

　　在未來的5G應用中，由于不同頻譜的可用性，大量設備和儀器將在不同的頻段中運行。舉個例子， 比如一個RF帶寬有限的UE需要與可以使用載波聚合來填充整個信道的強大設備以及可以使用單 個RF鏈來覆蓋整個信道的第三個設備一起工作。

　　盡管大帶寬會直接提高用戶可以體驗到的數據速率，但這是需要付出代價的。當UE不需要高數據 速率時，大帶寬會導致RF和基帶處理資源被低效利用，這無疑是一種浪費。

　　為了解決這個問題，3GPP提出了一個新概念——bandwidth par(tBWP)：網絡使用一個寬帶載波來配置某個UE，并使用載波聚合獨立地為其他UE分配一組帶內連續分量載波。這允許具有不同功能的各種設備共享相同的寬帶載波。 這種針對UE的不同RF性能進行調整的靈活網絡操作是LTE無法實現的。

　　結論：LTE和5G NR PHY比較

　　5G NR優于當前LTE的一些基本技術特征：

　　更高的頻譜利用率

　　靈活的參數集(Numerology)和框架結構

　　動態管理TDD資源

　　通過增加信道帶寬在毫米波頻率下工作

　　總之，5G無線技術有望為全球更多的人群提供大量可靠、數據豐富且高度連接的應用。雖然部署可支持這一目標的基礎設施以及開發下一代5G設備會面臨著各種嚴峻的設計和測試挑戰，但NI基于平臺的無線技術設計、原型驗證和測試方法將成為未來十年實現5G的關鍵。