我已目睹無線技術(shù)領(lǐng)域的許多變化和令人驚嘆的創(chuàng)新，但沒有什么能和5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的根本性轉(zhuǎn)變相提并論。過去幾年，我一直領(lǐng)導(dǎo)Qualcomm 研究項(xiàng)目，致力于設(shè)計(jì)讓5G愿景變成現(xiàn)實(shí)的無線新空口，它將極大拓展無線網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的能力和效率。
早在2016年3月，3GPP就已著手5G 新空口（NR）的標(biāo)準(zhǔn)化工作，旨在開發(fā)一個(gè)統(tǒng)一的、更強(qiáng)大的無線空口——5G 新空口（NR）。而在上周，在葡萄牙里斯本的3GPP全體會議上，3GPP成功完成首個(gè)5G NR規(guī)范——這是在2019年實(shí)現(xiàn)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(guī)范不僅支持開始于2019年的增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶的部署，同時(shí)也為擴(kuò)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(chǔ)。
那么，哪些無線技術(shù)定義了首個(gè)5G NR規(guī)范呢？
5G NR必須滿足不斷擴(kuò)展以及極端多變的連接和部署類型的要求。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(jiān)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中頻帶和稱為毫米波的24GHz以上的高頻帶。因此，沒有一種技術(shù)可以單獨(dú)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(gòu)建。
在Qualcomm，我們已經(jīng)持續(xù)多年開發(fā)這些5G基礎(chǔ)技術(shù)——發(fā)明全新的5G技術(shù)以推動(dòng)，甚至是重塑無線的邊界。我在Qualcomm研究院工作的好處之一就是能見證我們先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和無線技術(shù)從理論到設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)現(xiàn)，以及最終商用的進(jìn)程。現(xiàn)在，首個(gè)5G NR規(guī)范即將完成，我們正見證我們的無線技術(shù)發(fā)明（歸納在下圖一中），讓5G NR——我們的5G愿景——成為現(xiàn)實(shí)。
圖一：5個(gè)定義5G NR的無線發(fā)明
發(fā)明#1：子載波間隔以2的N次方可擴(kuò)展的可擴(kuò)展OFDM參數(shù)配置
5G NR設(shè)計(jì)中最重要的決定之一是選擇無線波形和多址接入技術(shù)。在已經(jīng)評估并且將繼續(xù)評估多種方式的同時(shí)，我們通過廣泛研究（在2015年11月的Qualcomm 研究院報(bào)告中發(fā)布）發(fā)現(xiàn)，正交頻分復(fù)用(OFDM)體系— 具體來說包括循環(huán)前綴正交頻分復(fù)用(CP-OFDM) 和離散傅里葉變換擴(kuò)頻正交頻分復(fù)用(DFT-S OFDM)— 是面向5G增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)和更多其他場景的正確選擇。
既然今天就已經(jīng)在使用OFDM，那你或許會問“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(kuò)展的OFDM復(fù)頻參數(shù)配置（圖1）。今天，LTE支持最多20 MHz的載波帶寬，其中OFDMtone（通常稱為子載波）之間的間隔幾乎是固定的15 kHz。在5G NR中，我們引入了可擴(kuò)展的OFDM參數(shù)配置，從而支持多種頻譜頻段/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(shù)百M(fèi)Hz）的毫米波頻段上工作。
3GPP 5G NR Rel-15規(guī)范中將利用可擴(kuò)展OFDM參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)子載波間隔能隨信道寬度以2的n次方擴(kuò)展。這樣在更大帶寬的系統(tǒng)中，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)大小也隨之?dāng)U展就不會增加處理的復(fù)雜性。
圖二：可擴(kuò)展OFDM多載波參數(shù)
發(fā)明#2：靈活的自包含時(shí)隙結(jié)構(gòu)
5G NR設(shè)計(jì)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(yùn)營商在相同頻率上高效復(fù)用已構(gòu)想的（和無法預(yù)料的）5G業(yè)務(wù)。實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)。在新的自包含時(shí)隙結(jié)構(gòu)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(dú)立解碼的能力，避免了跨時(shí)隙的靜態(tài)時(shí)序關(guān)系。通過在時(shí)域和頻域內(nèi)對傳輸進(jìn)行限定，該靈活設(shè)計(jì)簡化了在未來增加新的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(zhuǎn)換和可擴(kuò)展時(shí)隙長度（例如子載波間隔為30kHz隔時(shí)時(shí)隙長度為500μs，而子載波間隔為120kHz時(shí)時(shí)隙長度則為125μs）， 和LTE相比，5G NR自包含時(shí)隙結(jié)構(gòu)還帶來顯著更低的時(shí)延。該時(shí)隙結(jié)構(gòu)框架在同一個(gè)時(shí)隙中包含上/下行調(diào)度，數(shù)據(jù)和確認(rèn)。除更低延遲之外，該模塊化時(shí)隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還支持自適應(yīng)TDD UL/DL配置、先進(jìn)基于信道互易性的天線技術(shù)（例如，基于快速上行探測的下行大規(guī)模MIMO導(dǎo)向）以及通過增加子幀頭（例如，免授權(quán)頻譜的競爭解決頭）支持其他使用場景 。 這些都讓該項(xiàng)發(fā)明成為滿足許多5G NR需求的關(guān)鍵技術(shù)，它也是3GPP 5G NR規(guī)范的一部分。
圖3:5G NR TDD自包含時(shí)隙結(jié)構(gòu)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(kuò)展參數(shù)配置和靈活的5G NR服務(wù)框架，物理層設(shè)計(jì)應(yīng)包括可提供穩(wěn)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(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)角度來看，當(dāng)擴(kuò)展到極高吞吐量和更大編碼塊長度（block lengths）時(shí)，低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)，尤其是由Qualcomm倡導(dǎo)的ME-LDPC，更具優(yōu)勢，如圖4所示。因此，3GPP 5G NR Rel-15規(guī)范將利用ME-LDPC作為增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）數(shù)據(jù)信道的編碼方式。
此外，3GPP選擇Polar信道編碼作為增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）控制信道的編碼方式。Qualcomm做出重大貢獻(xiàn)的CRC-Aided Polar（CA-Polar）信道編碼，可帶來性能增益，因此它被應(yīng)用在在多種5G NR控制應(yīng)用場景中。
圖4：ME-LDPC編碼下吞吐量的變化
發(fā)明#4：大規(guī)模MIMO
我們的5G設(shè)計(jì)還推動(dòng)了MIMO天線技術(shù)的發(fā)展。通過智能地使用更多天線，我們可以提升網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋。也就是說，更多空間數(shù)據(jù)流可以顯著提高頻譜效率（例如，借助多用戶大規(guī)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)可以通過在下行鏈路的特定方向聚焦射頻能量來擴(kuò)展基站的覆蓋范圍。相應(yīng)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(guī)模MIMO技術(shù)將利用基站端的2D天線陣列完成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(zhǔn)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(guī)模MIMO——5G NR規(guī)范的一部分——優(yōu)化的設(shè)計(jì)，將利用自包含時(shí)隙結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的參考信號，以支持更快速和更準(zhǔn)確的信道反饋。我們的測試結(jié)果顯示，面向在3 GHz至5GHz中頻段工作的5G NR新部署重用現(xiàn)有宏蜂窩基站（例如，工作在2GHz）是可行的。全新多用戶大規(guī)模MIMO設(shè)計(jì)的這些測試結(jié)果顯示，容量和小區(qū)邊緣用戶吞吐量（如圖5）顯著提升，這對提供更統(tǒng)一的5G移動(dòng)寬帶用戶體驗(yàn)很關(guān)鍵。
圖5：5G NR大規(guī)模MIMO模擬
發(fā)明#5：移動(dòng)毫米波
我們的5G NR設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了中頻段頻譜中更高頻率的在宏/小型基站部署中的應(yīng)用，同時(shí)也開啟頻譜中超過24GHz的毫米波用于移動(dòng)寬帶的機(jī)會。這些高頻段有豐富的可用頻譜資源，支持極速數(shù)據(jù)速率和容量，這將重塑移動(dòng)體驗(yàn)。然而，增加的傳播損耗，易受障礙物影響（如頭、手、身體、樹葉、建筑），以及射頻電路的復(fù)雜性和功效，都讓這些高頻段一直以來沒有用于移動(dòng)通信。不過，現(xiàn)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(tǒng)，我們已經(jīng)在關(guān)鍵設(shè)計(jì)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)大會上所展示的那樣，Qualcomm研究院5G毫米波原型系統(tǒng)在基站和設(shè)備中使用了大量的天線元，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(shè)備移動(dòng)場景下可持續(xù)的寬帶通信。盡管還有很多工作要做，我們相信可以實(shí)現(xiàn)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(shè)備中（包括智能手機(jī)）商用。
圖6：工作在28 GHz頻段的Qualcomm研究院5G毫米波原型系統(tǒng)
3GPP Release-15 5G NR規(guī)范將為增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶及更多應(yīng)用搭建基礎(chǔ)，而5G技術(shù)路線圖才剛剛開始。我們已經(jīng)著手多項(xiàng)全新的技術(shù)發(fā)明，這些發(fā)明將驅(qū)動(dòng)未來變革和5G NR網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的擴(kuò)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(fèi)，作為更高效的網(wǎng)絡(luò)密集化手段；5G NR海量物聯(lián)網(wǎng)帶來低功耗，廣覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)。
