5G新空口技术探秘

全球半导体观察2020-06-29 10:11:29


当前,4G建设方兴未艾,5G(第五代移动通信)的讨论和推进却已如火如荼。

5G是面向全球移动通信行业以及全球整个ICT(信息通信技术)生态系统的下一个创新前沿。

全球移动通信业界已经形成了这样的共识:为了极大地扩展并增强移动互联网的应用领域,并支撑未来丰富的无线IoT(物联网)应用,5G将会聚焦于对既有/传统移动通信系统的变革。

在此过程中,5G新空口技术的引入加速了5G的开发和建设进程。

5G新空口是什么?

打个比方:你要和你女朋友商量一些事情。如何商量呢?当然是通过对话。


女朋友:我想买一支香水。
你:买买买!不买不是人!


在这个对话过程中发生了什么呢?你女朋友表达了“想买香水”这个意思,你表达了“支持”的态度。你们表达的意思,可以认为是“信息”。

那么,这个对话是如何成立的呢?首先你俩说的都是中文编码,其次你俩都遵循了合理的语法结构调制,再次你俩都用声带振动发声、用耳朵等听觉感官接收波形、天线

因此,所谓“空口”,就是说如何通过电磁波来承载所需要发送的信息的一系列规范。而所谓“新空口”,就是比较新的空口,其新旧是相对于4G LTE而言的。

新空口或5G NR(New Radio)可能不是最原始的表述,不过,3GPP第15版引入了5G新空口(NR)移动通信标准的正式定义。

所以,之于5G,NR等同于移动通信行业使用LTE来描述4G技术或UMTS来描述3G技术。


5G新空口的关键进程和技术

3GPP第15版规范草案于2017年12月获得批准,预计将于2019年中期完成。

然而,第15版仅仅是一个开始,因为它只规定了5G移动通信标准的第一阶段。版本16提供了第二阶段的规范,预计将于2019年12月完成。

分析认为,增强型移动互联网业务、海量连接的物联网业务和超高可靠性与超低时延业务将成为未来5G应用最重要的几大场景。

这些场景也对空口技术提出了更高的要求,包括多样包容性、长尾性以及不确定性。所以,需要考虑统一的新空口,以极大的灵活性适配各类业务,并且面向未来。

首先是频谱方面,3GPP第15版概述了几组专门针对2.5 GHz到40 GHz范围内的NR部署的新频谱,所以5G时代使用新的频谱是毋庸置疑的事情。

从目前的进程来看,3.3 GHz~3.8 GHz频段有可能在2018年直接部署到5G网络。

此频段的高带宽对运营商来说非常有吸引力,但低于40 GHz的频谱或许仅仅是一个开始,未来的3GPP版本将可允许使用高达86 GHz的频谱。

目前来看,在24 GHz以上,较窄波束宽度的模拟波束成形可使5G基站更有效地控制下行链路信号,在使用更高阶的调制方案的情况下,这种方法可让下行链路传输的接收者受益于更高的信号强度。

所以基础波形的设计是实现统一空口的基础,同时兼顾灵活性和频谱的利用效率。


为了优化移动设备的信号强度,5G新空口使用了模拟和数字波束成形的组合。尤其对于5G,信号传播的挑战和较小的天线尺寸激发了模拟波束形成技术的广泛使用,所以波束形成将在5G推进的过程中发挥重大做作用。


尽管已经为5G提出了许多候选波形,但新空口的第一阶段仍将使用4G时代的OFDM波形,尤其是在下行链路中。

不过,与LTE不同的是,5G新空口在上行链路中使用的则是基于CP-OFDM和DFT-S-OFDM的波形。此外,与LTE相比,5G新空口还允许子载波间隔存在显着变化。

然而,短期来看,第一台5G设备仍将依赖LTE。

因为,5G新空口第一阶段最终将包含独立组网和非独立组网模式。在非独立组网模式下,移动设备同时使用4G和5G网络,保持与LTE eNB和5G gNB的连接。

基于5G新空口技术的发展趋势和现状,目前不少信息通信产业链上下游的厂商都在为5G时代的到来蓄力,而NI(美国国家仪器公司,National Instruments,简称NI)就是其中之一。

由于5G将采用新频段、更高带宽和新的波束成形技术,这将给设计和测试工程师带来严峻挑战,这些挑战可能令人望而却步,不过别担心,NI将随时为你提供测试、测量和系统嵌入等方面的帮助,让你更快的开发下一代移动通信系统。

事实上,在前不久的MWC 2018展会上,NI就推出了多个5G相关的解决方案,包括NI-RFmx NR测量软件、5G射频测试解决方案以及5G IODT互操作性开发性测试合作等案例。

NI-RFmx NR测量软件是符合3GPP标准第15版的Sub-6GHz 5G新空口参考测试解决方案。该方案是一种经济高效且高性能的测试选项,可帮助工程师快速对其设计进行特性分析,并更轻松地从研发过渡到生产测试环境,其关键部分是NI-RFmx NR测量软件,该软件跟随着3GPP规范的步伐进行演变,非常适合测试新型宽带RFIC,特别是在3.3-4.2GHz和4.4-5.0GHz频段工作的RFIC。【了解更多】


基于NI-RFmx NR测量软件,NI还和RF解决方案的领先供应商 Qorvo®, Inc.联合演示测试了首款市售5G RF前端模块(FEM),展现了其在5G测试、测量和系统嵌入等方面的实力。借助NI PXI系统的灵活性,可使用各种波形快速测试Qorvo公司的5G FEM设计,而且可以重复使用相同的硬件。PXI测试系统以NI矢量信号收发器(VST) 技术为基础,可实现更智能化的自动测试。NI以软件为中心的方法可帮助半导体客户满足最棘手的测试覆盖率、测量质量和产品上市要求。【了解更多】

同时,NI还与三星公司合作开发了用于5G新空口的5G测试用户设备,双方成功演示了三星28GHz基站与NI测试UE如何进行通信。如上文所述,3GPP于2017年12月正式发布了5G NR标准的第一稿。创建新5G生态系统的下一个重要步骤是要求设备和设备制造商相互测试符合此标准的设备,以实现设备互操作性的目标。互操作设备测试(即Inter-Operability Device Testing,IODT)用于测试基站和设备是否可以建立和维护一个可靠的通信链路,以便在规定的测试条件下实现5G性能。

此次合作在最高性能级别上探索了5G新空口标准,也就是在下行链路速率超过3Gbps的完整2x2 MIMO配置下利用全部的可用带宽和最大数量的分量载波(8个)。 而测试UE使用了NI 28GHz毫米波收发仪系统以及基于NI LabVIEW系统设计软件开发的符合5G NR Phase 1的协议栈。了解更多


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