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5G新空口物理层综述

供稿人:李远东  供稿时间:2017-8-29   关键字:5G  新空口  

1、引言

 

5G(第五代移动通信)无线接入将远不止对于现有移动宽带作进一步演进,还将是IoT(物联网)的关键使能。从而,5G将极大地助力普通用户及各个垂直行业客户在创新及效率方面达到新高。近期一项专门面向八大重点垂直行业(包括汽车制造业、金融业、公共事业、公共安全、医疗护理、媒体行业、制造业)的调研结果表明,高达89%的接受调研的企业期望5G能为其所在的垂直行业带来颠覆性的变革[1]

 

目前,全球移动通信业界对于5G无线接入技术的设计主要围绕5G三大类应用场景进行[2, 3]:增强型移动宽带(eMBB)、大规模机器类通信(mMTC)、超高可靠与低时延通信(URLLC)。其中的eMBB聚焦于对现有移动宽带接入的数据传输速率、时延、用户密度、容量以及覆盖的全面增强。mMTC被设计用于海量物联网设备的低成本、低功耗接入,相关应用包括智能抄表、智慧物流、现场传感器、身体传感器等。URLLC被设计用于设备、机器间极低时延、超高可靠、甚高可用的车联网通讯、工业控制、工厂自动化、远程手术、智能电网、公共安全等用例。

 

上述的5G三大应用场景,各自有着非常广泛的用例。而这些用例的需求是复杂甚至有时相互矛盾的,因此,如果要全部予以满足,5G无线网络就将包含两大部分:一是现有4G LTE网络的后续演进;二是研发全新的5G无线接入技术---5G NR5G新空口),并对其进行标准化。

 

25G新空口概述

 

5G新空口的工作频率的范围极广---分布于1~100 GHz频段之内,既有低频段也有高/超高频段,从而就有着多种无线网络部署模式。其中,5G宏基站将会部署于较低的频段以覆盖更大的地理区域,5G微基站与5G皮基站则将被部署于覆盖范围有限的移动数据流量热点区域以提供大/超大的系统容量。此外,为了使得5G网络具有好的服务质量及高可靠性,“授权频谱”仍将是5G无线网络的主要用频方式,而于非授权频段内的数据传输则将仅作为授权频段5G系统的补充以提高系统容量、增大数据传输速率[1, 4]5G在用例、工作频段及网络部署方面的愿景如图1所示。

 

图1

1  5G愿景:用例、频谱及部署[1]

 

20164月,3GPP正式启动5G新空口的标准化工作,目标是实现5G新空口在2020年的商用部署。与此前制定3G4G国际标准不同的是,3GPP对于5G国际标准的制定所采取的是分阶段的方式:第一阶段,于20186月冻结3GPP Release 15,其中仅对部分5G新空口的功能进行标准化;第二阶段,于2019年冻结3GPP Release 16,其中的5G新空口功能将可全部满足ITU-R所提出的IMT-20205G)需求[1, 4]。此外,3GPP5G技术标准可能还将在2020年之后作进一步的后续演进,在3GPP Release 17/18等之中增加5G系统新的特性及功能。

 

虽然5G新空口将不与4G LTE后向兼容,但是其在未来的后续演进版本则需要与5G新空口的最初版本后向兼容。此外,由于5G新空口必须支持很广范围的用例,而且其中还有很多用例尚未得到明确定义,因此,确保3GPP Release 153GPP Release 16这两版5G早期国际标准的前向兼容就具有极为重要的意义。

 

35G新空口的物理层设计

 

物理层是任何一种无线通信技术的核心。为了支撑众多用例的极高需求(纵向上看)与差异化很大的需求(横向上看)、大量的工作频段及不同的无线接入网络部署模式,5G新空口的物理层的设计,须遵循两个原则:灵活性、可扩展性。由此,5G新空口物理层的关键技术包括调制方式、波形、帧结构、多天线传输、信道绑定。

 

1)调制方式

 

现有4G LTE具有QPSK16QAM64QAM256QAM可采取这四种调制方式,5G新空口也将支持。此外,面向mMTC等类型的业务,3GPP5G新空口的上行调制新增了л/2-BPSK,以进一步降低峰均功率比,并提高低数据率信号的功放效率。而且,由于5G新空口将可为范围很广的用例提供服务,就需要新增更高阶的调制技术,比如固定的点到点回程已经采取比256QAM阶数更高的调制技术,从而就需要在5G新空口标准中新增1024QAM。另外,在5G新空口标准中,需要为不同类/级别的用户终端分配不同的信号调制方式[1, 4]

 

2)波形

 

3GPP已经同意在5G新空口的上行与下行(直到52.6 GHz)方向均采取具有可扩展特性(在子载波间隔及循环前缀方面)的循环前缀-正交频分复用(CP-OFDM)技术,这样,上行与下行就有着相同的波形,从而就可简化5G新空口的整体设计---尤其是无线回程以及设备间直接通信(D2D)的设计。此外,3GPP5G新空口在上行方向还可通过采取DFT(离散傅里叶变换)扩展的OFDM以单流传输(即无需空间复用)来支持覆盖有限的场景。除了CP-OFDM外,诸如加窗、滤波等任何对5G新空口接收机透明的操作均可应用于发送端[1,4,5]

 

数值(numerology)可扩展的OFDM可使能部署于各种(范围很大)频段上采取不同模式所部属5G网络的差异化较大甚至很大的业务。其中,子载波间隔的可扩展性体现为其数值是15×2n kHzn为正整数。LTE网络中OFDM的子载波间隔为15 kHz),即30 kHz60 kHz90 kHz等。“2n”这一扩展因数/倍数可确保不同数值的槽及符号在时域对齐---这对于TDD(时分复用)网络的高效使能具有重要意义[6]。与5G新空口OFDM数值相关的细节如图2所示。其中,参数“n”的选择取决于不同的因素[1],包括5G新空口网络部署选项类型、载波频率、业务需求(时延/可靠性/吞吐量)、硬件减损(振荡器相位噪声)、移动性及实施复杂度。比如:面向对时延极为敏感的URLLC、小覆盖区域以及更高的载波频率,可把子载波间隔调大;对于更低载波频率、网络覆盖范围大、窄带终端以及增强型多媒体广播/多播服务(eMBMSs),可把子载波间隔调小;此外,还可能通过复用两种不同的数值(比如用于URLLC的更宽子载波间隔以及用于eMBB/mMTC/eMBMS的更窄子载波间隔),以相同的载波来同时承载具有不同需求的不同类业务。

 

图2

面向5G新空口的可扩展OFDM[1]

 

OFDM信号的频谱在传输带宽之外衰减极慢。为了限制带外辐射,LTE的频谱利用率约为90%,即在20MHz的带宽内,111个物理资源块(PRBs)中得到有效利用(承载数据)的可高达100个。对于5G新空口,3GPP已经提出其频谱利用率要达到高于90%的水平。对此,加窗、滤波都是在频域内限制OFDM信号的可行方式,不过,值得注意的是,由于“频谱限制”(spectrum confinement)可引发自干扰,“频谱效率”与“频谱限制”之间的关系就并非是线性的。

 

3)帧结构

 

5G新空口的帧结构即可在授权频段也可在非授权频段支持频分双工(FDD)以及TDD,其可使能非常低的时延、快速混合自动重传请求(HARQ)、动态TDD、与LTE共存、传输长度可变(比如为URLLC配置短周期,为eMBB配置长周期)。为了增强前向兼容并减小不同功能间的相互干扰,5G新空口帧结构的设计需要遵循以下三大原则[1,4]

 

第一个原则为传输是自包含的。槽中的数据及波束中的数据可自主解码而无需依赖于其他的槽及波束。这就意味着,一个特定槽及一个特定波束中的数据的解调需要有参考信号的辅助。

 

第二个原则为传输要在时域及频域得到良好的定义。“把传输放在前一起”可以使得在未来更容易地引入各种新兴类型的传输与传统的传输同时工作。5G新空口的帧结构避免在跨全系统带宽内映射控制信道。

 

第三个原则为避免跨槽以及跨不同传输方向的静态及/或严格的时间关系。比如,不宜使用预定义的传输时间而宜采取异步HARQ

 

由上文图2所示,5G新空口中的一个槽由7个或14个长度≤60 kHzOFDM符号以及14个长度≥120 kHzOFDM符号组成。而且,所选择的数值不同,槽的周期也随之变化---这是由于OFDM的符号周期与其子载波间隔之间是成反比的关系。图3提供了TDD(具有上行/下行切换的保护长度)的相关示例。

 

图3

面向eMBBURLLCTDD帧结构;在免授权频段的运行(使用LBT[1]

 

为了支持具有灵活起点及短于常规槽周期的传输,可以把一个槽划分为若干个微槽(mini-slot)。其中,一个微槽的长度可以短至与一个OFDM符号的相当,从而可实现在任何时间点启动。由此,微槽就可适用于各种应用场景,包括低时延传输、非授权频段内的传输、毫米波频段(mmWave band)内的传输。

 

在低时延的应用场景(比如URLLC)中,传输需要快速启动而无需等待一个槽边界的启动。当在非授权频段内传输数据时,最好在执行完会话前侦听(LBT)之后就立刻启动传输。此外,在毫米波频段内传输数据,大量可用频谱资源意味着由少数OFDM符号支持的负载对于很多数据包而言是足够大的。上文的图3提供了通过微槽在非授权频段内进行URLLC传输以及基于LBT的传输的示例,而且,图3还表明,可以通过聚合多个槽来承载对极低时延不敏感的业务(比如eMBB)。此外,大的传输周期可以增强5G新空口网络的覆盖,并减小负载,这是由于,其可进行上行/下行切换(TDD网络)、传输参考信号以及控制信息。

 

通过使能同时接收与传输(即在时域内叠加上行与下行),可面向FDD制式的5G新空口网络采取相同的帧结构。这种帧结构也同样适用于D2D通信:发起或者调度传输的终端设备可以采取下行槽的帧结构,响应传输的终端设备可以采取上行槽的帧结构。

 

5G新空口的帧结构也能容许进行快速HARQ,于其中,解码是在下行数据的接收期间进行的,而且HARQ是在保护周期内由用户终端在从下行接收转换为上行传输时发出的。

 

为了获得低时延的效果,一个槽(或一组聚合的槽)在其起始时就与控制信号及参考信号前置(front-loaded)。

 

4)参考信号设计

 

为了提高网络的能效(能量利用效率),并保证后向兼容,5G新空口通过超精益的设计(ultra-lean design)来最小化“永远在线的传输”:与LTE中的相关设置相比,5G新空口的参考信号仅在需要时才传输。主要有解调参考信号(DMRS)、相位追踪参考信号(PTRS)、测量参考信号(SRS)、信道状态信息参考信号(CSI-RS)这四种5G新空口参考信号[1,4]

 

DMRS参考信号用于对无线信道进行评估,以利于信号解调。DMRS是用户终端特定的参考信号(即每个终端的DMRS信号不同),可被波束赋型、可被纳入到受调度的资源,并仅在需要时才发射(既可在上行方向也可在下行方向)。为了支持多层MIMO传输,可调度多个正交的DMRS端口---其中每个DMRS端口与MIMO的每一层相对应;“正交”可通过梳状结构的频分复用(FDM)、时分复用(TDM)以及码分复用CDM(以基本序列或正交掩码的循环移位)来达到。DMRS信号的设计要考虑早期的解码需求以支持各种低时延应用,所以基本的DMRS模式是前载(front loaded)。面向低速移动的应用场景,DMRS在时域采取低密度。然而,在高速移动的应用场景,DMRS的时间密度要增大以及时跟踪无线信道的快速变化。

 

PTRS参考信号之所以能被引入5G新空口,是为了使能对于相位噪声的补偿。一般地,随着振荡器载波频率的上升,相位噪声也会增大,从而,对于工作于高频段(比如毫米波频段)的5G无线网络,就可利用PTRS信号来消除相位噪声。对于OFDM信号,由相位噪声可引起的负面效应之一是“所有子载波均产生相位旋转”,这种现象被业界成为共相位误差(CPE)。由于由CPE产生的相位旋转对于在一个OFDM符号内的所有子载波都是完全相同的,但是各个OFDM符号之间的相位噪声是低度相关的(即相关性低),从而,PTRS信号就被设计为在频域具有低密度而在时域则具有高密度。PTRS是用户终端特定的参考信号(即每个终端的PTRS信号不同),可被波束赋型、可被纳入到受调度的资源。PTRS端口的数量可以小于总的端口数,而且PTRS端口之间的正交可通过FDM来实现。此外,PTRS信号的配置,是根据振荡器质量、载波频率、OFDM子载波间隔、用于信号传输的调制及编码格式来进行的。

 

SRS参考信号传输于上行方向,主要面向调度以及链路适配进行信道状态信息(CSI)测量。对于5G新空口,SRS将有望被用于面向大规模天线阵列(Massive MIMO)的基于互易性的预编码器设计,也有望被用于上行波束管理。此外,SRS可能将会有模块化的、灵活的设计,以支持不同的流程以及用户终端(UE)能力。

 

5)多天线传输

 

根据不同的工作频段,5G新空口将采取不同的天线解决方案与技术。对于较低频段,可采用少量或中度数量的有源天线(最高约32副发射天线),并通常采用频分双工(FDD)。此种配置下,CSI信息的获取,需要在下行方向传输CSI-RS,并需要上行方向上报CSI。此外,由于低频段的可用带宽有限,在5G新空口网络中,就需要通过多用户MIMOMU-MIMO)以及更高阶的空间复用(以相比于LTE更高精度的CSI报告)来提高频谱效率[1,4,7]

 

对于较高频段,可以在给定空间内部署大量的天线,从而可增大波束赋型以及MU-MIMO的能力。此处假设采取时分双工(TDD)的频谱配置以及基于互易的运行模式。于是,通过上行信道测量可以明确信道估计的形式获得高精度的CSI信息。这种高精度CSI可使能5G新空口基站采用复杂的预编码算法,从而就可增大对于多用户干扰的抑制---但如果互易性不佳,就可能需要用户终端对小区间干扰或者校准信息进行反馈。

 

对于更高频段(处于毫米波范围),目前对于5G新空口的研究一般采取模拟的波束赋型,但该解决方案容易限制每个单波束在每个时间单位及无线链路之内的传输。该频段的波长很小,从而等向(各向同性)天线单元就很小,从而就需要采用大量的天线单元来保证覆盖效果。为了补偿数值很大的路径损耗,需要同时在发射端以及接收端部署波束赋型(对控制信道传输也是如此)。另外,还需要面向CSI信息的获取研发一种新兴类型的波束管理流程,其中,5G毫米波新空口基站及时按顺序扫描无线发射机波束。而且,用户终端需要通过维持一个适当的无线接收机波束以使能对于所选定发射机波束的接收。

 

为了支撑诸多不同的用例,5G新空口采取了高度灵活且统一的CSI框架,其中,与LTE的相比,CSI测量、CSI上报以及实际的下行传输之间的耦合有所减少。可以把CSI框架看成是一个工具箱,其中面向信道及干扰测量的不同CSI上报设置及CSI-RS资源设置可以混合并匹配起来,以与天线部署及在用的传输机制相对应,而且其中不同波束的CSI报告可以得到动态的触发。此外,CSI框架也支持诸如多点传输及协调的更为先进的技术。反之,控制信息与数据的传输遵循自包含原则---对传输(比如伴随DMRS参考信号)进行解码所需的所有信息均包含于传输自身之中。从而,随着用户终端在5G新空口网络中移动,网络就可无缝地改变传输点或波束。

 

6)信道编码

 

5G新空口的数据信道采取低密度奇偶校验(LDPC)编码,控制信道采取极化编码(polar code)。LDPC编码由其奇偶校验矩阵定义,每一行代表一个编码位(bit),每一列代表一个奇偶校验方程。5G新空口中的LDPC编码采用准循环结构,其中的奇偶校验矩阵由更小的基矩阵定义,基矩阵的每个输入代表一个Z×Z零矩阵或者一个平移的Z×Z单位矩阵[1,4]

 

与其他无线技术中所采用的LDPC编码不同的是,考虑用于5G新空口的LDPC编码采取的是如图4所示的速率兼容结构(a rate-compatible structure)。图4左上的淡蓝色部分(基矩阵)可进行高速率编码---编码率为2/38/9,还可通过扩展基矩阵并加入图4左侧中部深蓝色部分标示的行与列来生成额外的奇偶校验位---从而就可用更低的编码率来传输,或者用于面向诸如采取增量冗余的HARQ等生成额外的奇偶校验码。由于用于更高编码率的奇偶校验矩阵更小,相关的解码时延以及复杂度就得到降低,加之由准循环结构可达到高平行度,就可获得非常高的峰值吞吐以及低时延。此外,5G新空口的奇偶校验矩阵可以扩展至相比LTEturbo码更低的编码率,从而,LDPC编码就可在低编码的情况下率获得更高的编码增益,从而适用于需要高可靠性的那些5G用例。

图4

4  5G新空口LDPC矩阵的结构[1]

 

极化码将被用于5G新空口的层1及层2控制信令,但非常短的消息除外。极化码提出于2008[8],是一种较新的编码方式,也是以合适的解码(面向多种信道)复杂度达到香农极限的第一批编码技术。

 

通过把极化码编码器与外部编码器串联起来,并跟踪解码器此前解码的比特位(表单)的最可能数值,可以用更短的块长度(比如层1及层2控制信令长度的典型数值)获得良好性能。此外,如果上述表单的尺寸更大,纠错性能就会更好,但解码器的实现复杂度会更大、成本会更高。

 

4、结论

所有5G新空口物理层关键技术(调制方式、波形、帧结构、参考信号设计、多天线传输、信道编码)的设计,均需要充分考虑到灵活性、超精益设计、前向兼容性这三大要素。只有具备了高度的灵活性以及可扩展性,5G新空口才能同时满足大量不同用例、工作频段以及部署模式的需求。此外,内在的前向兼容能力将可保证5G新空口通过后续持续演进来满足目前尚不能预见到的将来的需求。

 

参考文献:

[1] AliA.Zaidi, Robert Baldemair, Mattias Andersson, elt all. 5G NR PHYSICAL LAYER DESIGN

[EB/OL].https://www.ericsson.com/assets/local/publications/ericsson-technology-review/docs/2017/designing-for-the-future---the-5g-nr-physical-layer.pdf, 2017-07-26.

[2] 3GPP TR 38.913: 5G: Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies, 2017-08-03.

[3] 5G-PPP. 5G Architecture (V2.0)

[EB/OL].https://5g-ppp.eu/wp-content/uploads/2017/07/5G-PPP-5G-Architecture-White-Paper-2-Summer-2017_For-Public-Consultation.pdf, 2017-07-18.

[4]Yifei Y, Xinhui W. 5G New Radio: Physical Layer Overview[J]. ZTE Communications, 2017, 15(S1):3-10.

[5]Zekeriyya Esat Ankaralı, Berker Peköz, and Hüseyin Arslan[J]. ZTE Communications, 2017, 15(S1):11-19.

[6] AliA.Zaidi, Robert Baldemair, Hugo Tullberg, elt all. Waveform and Numerology to Support 5G Services and Requirements[EB/OL].http://ieeexplore.ieee.org/document/7744816/, 2016-11-15.

[7]Stefano Buzzi, Carmen D'Andrea. Massive MIMO 5G Cellular Networks: mmWave vs. μWave Frequencies[J]. ZTE Communications, 2017, 15(S1):41-48.

[8] Erdal Arikan. Channel Polarization: A Method for Constructing Capacity-Achieving Codes for Symmetric Binary-Input Memoryless Channels

[EB/OL].http://ieeexplore.ieee.org/document/5075875/, 2009-06-16.

 


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