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五大無線發明讓全球5G標準(5G NR)變成現實
日期:2017-01-20 17:48:15   作者:
我已經在Qualcomm工作15年以上,大部分時間從事無線工作,目睹無線技術領域的許多變化和令人驚嘆的創新,但沒有什么能夠和5G移動網絡出現的根本性轉變相提并論。過去幾年,我一直領導Qualcomm Research項目,致力于設計讓5G愿景變成現實的新無線空口以及新的5G網絡架構。目前,3GPP 5G標準化工作正有序地推進,這項工作將制定名為5G新空口(5G NR)的全球規范,我們正積極致力于5G設計,以促進并加快其發展。

讓5G NR變成現實非常復雜。5G NR必須滿足一系列不斷擴展、多種多樣的連接需求,它不僅將連接人,還要在廣泛的行業和服務中連接并控制機器、物體和終端。統一空口要靈活且敏捷地應用合適的技術、頻譜和帶寬,以此滿足每個應用的需求并支持面向未來服務與終端類型的高效復用。5G NR還需要充分利用大量可用頻譜監管范式和頻段中的每一點頻譜 - 從1GHz以下低頻帶到1-6GHz中頻帶和稱為毫米波的高頻帶。

這要求在我們開創3G、4G和Wi-Fi時創建的基礎上進行新技術創新。這里沒有定義5G的單一技術組件。相反地,5G將從諸多截然不同的技術創新中被構建。Qualcomm是發明公司。多年來我們一直在開發這些5G構建模塊 - 發明正突破并且會重新定義無線邊界的5G新技術。我們已開發先進的5G NR原型系統,用于測試、演示和試驗5G發明。現在,我們即將迎來5G移動網絡,我們的無線發明正促進3GPP全球5G NR標準的制定,這將支持從2019年開始,基于符合標準的基礎設施與終端來進行大規模5G部署。

我在Qualcomm Research的工作最有成就感的一個方面是,看到我們的先進系統設計和無線技術從理論開始,一直到設計、標準化、實現和最終商用。下面我們快速瀏覽一下正讓5G NR和我們的5G愿景變成現實的五大關鍵無線發明。


發明#1:實現2n子載波間隔擴展的可擴展OFDM參數配置


5G NR設計中最重要的決定之一是選擇無線電波形和多址接入技術。在已經評估并且將繼續評估多種方式的同時,我們通過廣泛研究(一年前在Qualcomm Research報告中發布)發現,正交頻分復用(OFDM)體系 — 具體來說包括循環前綴正交頻分復用(CP-OFDM)和離散傅里葉變換擴頻正交頻分復用(DFT-S OFDM)——是面向5G增強型移動寬帶(eMBB)和更多其他場景的正確選擇。

由于LTE在下行鏈路中使用OFDM并且在上行鏈路中使用DFT-S OFDM,我們的研究表明,上行鏈路支持DFT-S-OFDM和CP OFDM具有優勢,基于場景自適應切換對于DFT-S OFDM的鏈路預算和MIMO空間復用都有好處。最近3GPP NR第14版研究項目同意在eMBB下行鏈路中支持CP-OFDM并且針對eMBB上行鏈路DFT-S-OFDM與CP-OFDM形成互補。

既然今天已經在使用OFDM,那你或許會問“進一步創新路在何方?”答案是可擴展的OFDM復頻參數配置。今天,通過OFDM音調(通常稱為子載波)之間的15kHz間隔——這幾乎是固定的OFDM參數配置,LTE支持最多20MHz的載波帶寬。借助5G NR,我們已推出可擴展的OFDM參數配置,它能支持多種頻譜頻段/類型和部署模式。例如,5G NR必須能夠在有更大信道寬度(例如數百MHz)的毫米波頻段上工作。我們的設計引入能夠隨著信道寬度而擴展的OFDM子載波間隔,當FFT為更大帶寬擴展尺寸的時候,也不會增加處理的復雜性。最近3GPP已在5G NR第14版研究項目中,選定了實現子載波間隔2n擴展的可擴展OFDM參數配置。


發明#2:靈活、動態、自給式TDD子幀設計


5G NR設計的另一個關鍵組件是將支持網絡運營商在相同頻率上高效復用構想的(和無法預料的)5G服務的靈活框架。我們針對該5G NR框架設計的關鍵組件是自給式集成子幀。通過在相同子幀(例如,以TDD下行鏈路為中心的子幀)內包含數據傳輸和后解碼確認來實現更低延遲。有了5G NR自給式集成子幀,每個傳輸都是在一個時期內完成的模塊化事物(例如,下行授權 > 下行數據 > 保護時間 > 上行確認)。除更低延遲之外,該模塊化子幀設計支持前向兼容性、自適應UL/DL配置、先進互易天線技術(例如,基于快速上行探測的下行大規模MIMO導向)以及通過增加子幀頭(例如,免授權頻譜的競爭解決頭)支持的其他使用場景 — 讓該項發明成為滿足許多5G NR需求的關鍵技術。


發明#3:先進、靈活的LDPC信道編碼


連同可擴展參數配置和靈活的5G NR服務框架,物理層設計應包括可提供穩健性能和靈活性的高效信道編碼方案。盡管Turbo碼一直非常適合3G和4G,但Qualcomm Research已證明,從復雜性和實現角度來看,當擴展到極高吞吐量和更大塊長度(block lengths)時,低密度奇偶校驗碼(LDPC)具有優勢。此外,LDPC編碼已被證明,對于需要一個高效混合ARQ體系的無線衰落信道來說,它是理想的解決方案。因此,最近3GPP選定先進的LDPC作為eMBB數據信道編碼方案。


發明#4:先進大規模MIMO天線技術


我們的5G設計還促進MIMO天線技術發展。通過智能地使用更多天線,我們可以提升網絡容量和覆蓋面。即,更多空間數據流可以顯著提高頻譜效率(例如,借助多用戶大規模MIMO),支持每赫茲傳輸更多比特,并且智能波束成形和波束跟蹤可以通過在特定方向聚焦射頻能量來擴展基站范圍。

我們已展示5G NR大規模MIMO技術將如何在具有3D波束成形能力的基站,利用2D天線陣列開啟6GHz以下頻譜的更高頻段。借助快速互易TDD大規模MIMO,我們的測試結果顯示,面向在3-5GHz頻段工作的5G NR新部署重用現有宏蜂窩基站是可行的。全新多用戶大規模MIMO設計的這些測試結果顯示,容量和小區邊緣用戶吞吐量顯著提升,這對提供更統一的5G移動寬帶用戶體驗很關鍵。

我們的5G設計不僅面向宏/小型基站部署支持使用3-6GHz頻段的更高頻率,而且將面向移動寬帶開辟24GHz以上頻段毫米波新機會。在這些高頻上可用的充裕頻譜能夠提供將重塑數據體驗的極致數據速度和容量。但是,動用毫米波伴隨著一系列自身挑戰。在這些更高頻段上傳輸,遭遇高得多的路徑損失并且容易受阻擋。但正如我們通過廣泛測試Qualcomm Research 5G毫米波原型系統所證明的那樣,參閱圖4,動用毫米波頻段的創想不再遙不可及。我們正利用基站和終端中的大量天線單元以及智能波束成形和波束跟蹤算法展示持續寬帶通信,甚至包括非視距通信和終端移動。我們在該領域的早期研發已帶來首款5G調制解調器 — 將支持早期5G毫米波試驗和部署的高通驍龍X50 5G調制解調器。


發明#5:先進頻譜共享技術


頻譜是移動通信最重要的資源,獲得更多頻譜意味著網絡可以提供更高用戶吞吐量和容量。但是頻譜稀缺,我們必須尋找充分利用現有資源的創新方式。今天,我們正開創頻譜共享技術,例如LTE-U/LAA、LWA、LSA、CBRS和MulteFire。

5G NR設計為原生支持全部頻譜類型,靈活地利用潛在頻譜共享新范式,因幀結構的設計具有前向兼容性。這創造在5G中將頻譜共享提升到新水平的創新機會。這些創新將提供更多可用頻譜,但也通過支持可動態適應載荷工況的協作式分層共享機制提高總體利用率。為了讓其變成現實,最近我們發布5G NR頻譜共享原型系統,推動3GPP標準化并支持影響深遠的試驗。

這五大關鍵發明僅僅是成為我們5G設計一部分的幾項驚人發明。如果沒有合適的硬件、軟件和固件推動,它們將只是紙上概念。我們的5G NR原型系統不僅用作公司5G設計的測試平臺,還是密切跟蹤3GPP標準化進度的試驗平臺,支持與領先移動網絡運營商和基礎設施廠商開展5G NR試驗,例如我們最近宣布與SK電信和愛立信開展試驗。這些活動對加快大規模5G商用網絡部署至關重要。

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