我已目睹無(wú)線(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域的許多變化和令人驚嘆的創(chuàng )新，但沒(méi)有什么能和5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )出現的根本性轉變相提并論。過(guò)去幾年，我一直領(lǐng)導Qualcomm 研究項目，致力于設計讓5G愿景變成現實(shí)的無(wú)線(xiàn)新空口，它將極大拓展無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和設備的能力和效率。
早在2016年3月，3GPP就已著(zhù)手5G 新空口（NR）的標準化工作，旨在開(kāi)發(fā)一個(gè)統一的、更強大的無(wú)線(xiàn)空口——5G 新空口（NR）。而在上周，在葡萄牙里斯本的3GPP全體會(huì )議上，3GPP成功完成首個(gè)5G NR規范——這是在2019年實(shí)現5G NR商用部署之路上一個(gè)重要的行業(yè)里程碑。首個(gè)5G NR規范不僅支持開(kāi)始于2019年的增強型移動(dòng)寬帶的部署，同時(shí)也為擴展5G網(wǎng)絡(luò )至幾乎所有行業(yè)、所有物體，以及所有連接打下了基礎。
那么，哪些無(wú)線(xiàn)技術(shù)定義了首個(gè)5G NR規范呢？
5G NR必須滿(mǎn)足不斷擴展以及極端多變的連接和部署類(lèi)型的要求。5G NR還需要充分利用每一點(diǎn)頻譜，這些頻譜具有不同的頻譜使用監管方式，分布在不同的頻段 — 從1 GHz以下低頻帶到1 GHz至10 GHz中頻帶和稱(chēng)為毫米波的24GHz以上的高頻帶。因此，沒(méi)有一種技術(shù)可以單獨定義5G。相反地，5G將從諸多截然不同的技術(shù)創(chuàng )新中被構建。
在Qualcomm，我們已經(jīng)持續多年開(kāi)發(fā)這些5G基礎技術(shù)——發(fā)明全新的5G技術(shù)以推動(dòng)，甚至是重塑無(wú)線(xiàn)的邊界。我在Qualcomm研究院工作的好處之一就是能見(jiàn)證我們先進(jìn)的系統設計和無(wú)線(xiàn)技術(shù)從理論到設計、標準化、實(shí)現，以及最終商用的進(jìn)程?，F在，首個(gè)5G NR規范即將完成，我們正見(jiàn)證我們的無(wú)線(xiàn)技術(shù)發(fā)明（歸納在下圖一中），讓5G NR——我們的5G愿景——成為現實(shí)。
圖一：5個(gè)定義5G NR的無(wú)線(xiàn)發(fā)明
發(fā)明#1：子載波間隔以2的N次方可擴展的可擴展OFDM參數配置
5G NR設計中最重要的決定之一是選擇無(wú)線(xiàn)波形和多址接入技術(shù)。在已經(jīng)評估并且將繼續評估多種方式的同時(shí)，我們通過(guò)廣泛研究（在2015年11月的Qualcomm 研究院報告中發(fā)布）發(fā)現，正交頻分復用(OFDM)體系— 具體來(lái)說(shuō)包括循環(huán)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(dòng)寬帶(eMBB)和更多其他場(chǎng)景的正確選擇。
既然今天就已經(jīng)在使用OFDM，那你或許會(huì )問(wèn)“下一步的創(chuàng )新路在何方？”5G NR的一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng )新之處就是可擴展的OFDM復頻參數配置（圖1）。今天，LTE支持最多20 MHz的載波帶寬，其中OFDMtone（通常稱(chēng)為子載波）之間的間隔幾乎是固定的15 kHz。在5G NR中，我們引入了可擴展的OFDM參數配置，從而支持多種頻譜頻段/類(lèi)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。
3GPP 5G NR Rel-15規范中將利用可擴展OFDM參數配置，實(shí)現子載波間隔能隨信道寬度以2的n次方擴展。這樣在更大帶寬的系統中，FFT點(diǎn)數大小也隨之擴展就不會(huì )增加處理的復雜性。
圖二：可擴展OFDM多載波參數
發(fā)明#2：靈活的自包含時(shí)隙結構
5G NR設計的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是靈活的基于時(shí)隙的框架，以支持運營(yíng)商在相同頻率上高效復用已構想的（和無(wú)法預料的）5G業(yè)務(wù)。實(shí)現該靈活框架的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)明就是5G NR自包含時(shí)隙結構。在新的自包含時(shí)隙結構中（以圖三中的TDD為例），每個(gè)5G NR傳輸都是模塊化處理，具備獨立解碼的能力，避免了跨時(shí)隙的靜態(tài)時(shí)序關(guān)系。通過(guò)在時(shí)域和頻域內對傳輸進(jìn)行限定，該靈活設計簡(jiǎn)化了在未來(lái)增加新的5G NR特性/服務(wù)——這比之前幾代移動(dòng)通信具有更好的前向兼容性。
得益于UL/DL（上行鏈路/下行鏈路）快速轉換和可擴展時(shí)隙長(cháng)度（例如子載波間隔為30kHz隔時(shí)時(shí)隙長(cháng)度為500μs，而子載波間隔為120kHz時(shí)時(shí)隙長(cháng)度則為125μs）， 和LTE相比，5G NR自包含時(shí)隙結構還帶來(lái)顯著(zhù)更低的時(shí)延。該時(shí)隙結構框架在同一個(gè)時(shí)隙中包含上/下行調度，數據和確認。除更低延遲之外，該模塊化時(shí)隙結構設計還支持自適應TDD UL/DL配置、先進(jìn)基于信道互易性的天線(xiàn)技術(shù)（例如，基于快速上行探測的下行大規模MIMO導向）以及通過(guò)增加子幀頭（例如，免授權頻譜的競爭解決頭）支持其他使用場(chǎng)景 。 這些都讓該項發(fā)明成為滿(mǎn)足許多5G NR需求的關(guān)鍵技術(shù)，它也是3GPP 5G NR規范的一部分。
圖3:5G NR TDD自包含時(shí)隙結構的優(yōu)勢
發(fā)明#3：先進(jìn)的ME-LDPC和CA-Polar信道編碼
連同可擴展參數配置和靈活的5G NR服務(wù)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 研究院已經(jīng)證明，從復雜性和實(shí)現角度來(lái)看，當擴展到極高吞吐量和更大編碼塊長(cháng)度（block lengths）時(shí)，低密度奇偶校驗碼(LDPC)，尤其是由Qualcomm倡導的ME-LDPC，更具優(yōu)勢，如圖4所示。因此，3GPP 5G NR Rel-15規范將利用ME-LDPC作為增強型移動(dòng)寬帶（eMBB）數據信道的編碼方式。
此外，3GPP選擇Polar信道編碼作為增強型移動(dòng)寬帶（eMBB）控制信道的編碼方式。Qualcomm做出重大貢獻的CRC-Aided Polar（CA-Polar）信道編碼，可帶來(lái)性能增益，因此它被應用在在多種5G NR控制應用場(chǎng)景中。
圖4：ME-LDPC編碼下吞吐量的變化
發(fā)明#4：大規模MIMO
我們的5G設計還推動(dòng)了MIMO天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展。通過(guò)智能地使用更多天線(xiàn)，我們可以提升網(wǎng)絡(luò )容量和覆蓋。也就是說(shuō)，更多空間數據流可以顯著(zhù)提高頻譜效率（例如，借助多用戶(hù)大規模MIMO），支持在每赫茲上傳輸更多比特，并且智能波束成形技術(shù)可以通過(guò)在下行鏈路的特定方向聚焦射頻能量來(lái)擴展基站的覆蓋范圍。相應地，在上行鏈路上，基站在特定方向接收，可以減少的噪音和干擾。
5G NR大規模MIMO技術(shù)將利用基站端的2D天線(xiàn)陣列完成3D波束成型，從而利用中頻段頻譜中更高的頻帶。對于充分利用3D波束成型，準確和及時(shí)的信道知識是必不可少的。我們針對快速基于信道互易性的TDD大規模MIMO——5G NR規范的一部分——優(yōu)化的設計，將利用自包含時(shí)隙結構和增強的參考信號，以支持更快速和更準確的信道反饋。我們的測試結果顯示，面向在3 GHz至5GHz中頻段工作的5G NR新部署重用現有宏蜂窩基站（例如，工作在2GHz）是可行的。全新多用戶(hù)大規模MIMO設計的這些測試結果顯示，容量和小區邊緣用戶(hù)吞吐量（如圖5）顯著(zhù)提升，這對提供更統一的5G移動(dòng)寬帶用戶(hù)體驗很關(guān)鍵。
圖5：5G NR大規模MIMO模擬
發(fā)明#5：移動(dòng)毫米波
我們的5G NR設計不僅實(shí)現了中頻段頻譜中更高頻率的在宏/小型基站部署中的應用，同時(shí)也開(kāi)啟頻譜中超過(guò)24GHz的毫米波用于移動(dòng)寬帶的機會(huì )。這些高頻段有豐富的可用頻譜資源，支持極速數據速率和容量，這將重塑移動(dòng)體驗。然而，增加的傳播損耗，易受障礙物影響（如頭、手、身體、樹(shù)葉、建筑），以及射頻電路的復雜性和功效，都讓這些高頻段一直以來(lái)沒(méi)有用于移動(dòng)通信。不過(guò)，現在，5G NR毫米波正改變這一切，Qualcomm引路前行。
為了使毫米波用于移動(dòng)寬帶通信系統，我們已經(jīng)在關(guān)鍵設計元素中鉆研多年——向行業(yè)也向我們自己證明其可行性。如我們在今年早些時(shí)候的世界移動(dòng)大會(huì )上所展示的那樣，Qualcomm研究院5G毫米波原型系統在基站和設備中使用了大量的天線(xiàn)元，配合智能/快速波束成型和波束追蹤算法，展示了用于非視距通信和設備移動(dòng)場(chǎng)景下可持續的寬帶通信。盡管還有很多工作要做，我們相信可以實(shí)現移動(dòng)行業(yè)的下一個(gè)里程碑——在2019年讓5G NR毫米波在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )和移動(dòng)設備中（包括智能手機）商用。
圖6：工作在28 GHz頻段的Qualcomm研究院5G毫米波原型系統
3GPP Release-15 5G NR規范將為增強型移動(dòng)寬帶及更多應用搭建基礎，而5G技術(shù)路線(xiàn)圖才剛剛開(kāi)始。我們已經(jīng)著(zhù)手多項全新的技術(shù)發(fā)明，這些發(fā)明將驅動(dòng)未來(lái)變革和5G NR網(wǎng)絡(luò )和設備的擴展。引領(lǐng)全新的技術(shù)如：5G NR頻譜共享，解鎖更多頻譜并支持全新的部署類(lèi)型；5G NR超可靠、低延時(shí)通信支持全新的關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)；5G NR蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)(C-V2X)賦予自動(dòng)駕駛新的能力；5G NR 集成化接入和回程（IAB）減少回程花費，作為更高效的網(wǎng)絡(luò )密集化手段；5G NR海量物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)低功耗，廣覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)。
