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5G无线通信的新技术
汤圆儿
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发表于 2020-07-14 10:28:18  只看楼主 

 5G无线通信的新技术1 .jpg

 

 5G 相比 4G,从需求上来说,最大的不同是什么?高速率,大连接数,低时延。那么所有新加入的技术一定是为以上三个需求服务的,好,我们来一个一个的捋。

首先,我们来看看 5G 相比 4G 少了什么技术,答案就一个:Turbo 码。
关注 5G 的同学应该都知道这个新闻:
美国时间 2016 年 11 月 17 日凌晨 0 点 45 分,在 3GPP RAN1 87 次会议的 5G 短码方案讨论中,华为公司的 Polar Code(极化码)方案,最终战胜美国的 LDPC 和法国的 Turbo2.0方案,成为 5G 控制信道 eMBB(增强移动宽带)场景编码最终方案。这是国人在 5G 关键技术上的一次重大突破。

至此,不论长码还是短码,Turbo 都被打败了,不对,应该说是法国人、欧洲人被打败了。关于胜者,也就是 LDPC 和 Polar,下面会详细介绍,这里就先按下不表了。
其次,我们来聊聊 5G 相比 4G 新加入的一些技术。

mmWave:也就是毫米波,频率大约为。由于 3Ghz 以下的频段已经使用殆尽,没有多余的频段可供 5G 来使用,而且 5G 需要的带宽动不动就几百 M,所以只能往高频方向发展了。但是频率越高,损耗越大,这就带来了一个问题,随着频率的升高,覆盖性能会越来越差。
那么有没有什么办法让我们既能使用高频率的毫米波,又能够使覆盖性能不降低、甚至增强呢?答案当然是:有,即 Massive MIMO。

Massive MIMO。MIMO 大家都知道,即多个天线端口同时收发,这样就带来了分集增益, 4G 时代一般 4 天线、8 天线等用的比较多。那么大规模 MIMO 是什么呢?顾名思义,就是很多天线同时收发,这个“很多”多到多少呢?答案如下:
也就是说当使用 30Ghz 频点时,基站最多可使用 256 个天线同时收发。使用 70Ghz 频点时,基站最多可使用 1024 根天线。这么多天线,那效果比起 4G 那简直杠杠的。不过对于终端来说,把这么多天线塞进巴掌大的终端里有点不现实,毕竟成本不便宜啊。所以估计在实际使用中会采用 MU-MIMO 的模式。

大规模 MIMO 是不是很屌啊,但是它也带来了一些问题。比如我“当天线数越来越多的时候,波束将变得越来越窄,覆盖区域会受到影响”,什么意思呢?请看下图:

5G无线通信的新技术2 .jpg

上面这幅图中,从左到右分别是 1 个天线,2 个天线和很多(懒得数)个天线时的波束。我们可以看到,当只使用 1 根天线时,其无线信号是向四面八方均匀覆盖的,手机 1,2,3 收到的信号强度是均等的。使用 2 根天线时,信号覆盖就有了一定的方向性,正下方的信号覆盖要强于左右和上方。而使用很多根天线时,波束变的更加集中,覆盖区域变成了一条大宝剑(咦?感觉怪怪的)。这个时候 2号手机能够得到更强的覆盖,但是 1 和 3 号手机就收不到信号了。
那么有没有办法解决上面这个问题呢?答案依然是:有,请看 Beam Management。

Beam Management。这个翻译成中文应该叫波束管理吧。这个功能原理简单:基站在各个方向上都发特定的类似参考信号的东西,终端检测并给基站一个反馈,从而基站就知道了终端的方向。不过虽然原理简单,但是这个实现起来还是有一定难度的,因为我们需要尽量快的确定每个终端的方向,关于波束管理的一些具体细节,暂时还不能确定。

LDPC 编码。前面我们说过,5G 摒弃了 4G 时所采用的 Turbo 编码,换成了什么呢?就是这个 LDPC 码。那么为什么要换?LDPC 码相比 Turbo 码好在哪?主要原因有两个:1)最重要的原因是高通牛逼,人家说用啥就用啥,支持 Turbo的法国人怂了。2)由于 Turbo 编码的引入了交织等操作,所以在码长较长时,复杂度提升, 时延就会变得很大。然而开头我们说了,低时延是 5G 的三个需求之一,所以 Turbo 显得有些力不从心。而 LDPC 就不一样,由于它的校验矩阵的稀疏性,使得它的译码算法时延较短,在长码时比 Turbo 有明显优势。所以 5G 摒弃 Turbo 改用 LDPC 也是有一定道理的。

第三,有哪些东西是 4G 中已经应用,5G 拿来修改了一下接着用的。
UL Waveform。我们知道,在 4G 系统,下行采用 OFDMA,上行采用
SC-FDMA。这是由于 OFDM 的峰均比高,对设备硬件要求比较严格,为了降低手机成本,大家商量后决定 4G 系统的上行传输不用 OFDM,而用 SC-FDMA的方式。那么 5G 时代,用什么多址方式呢?这两年关于 5G 用什么多址复用方式的争论很多,各个公司都变着法儿的炒作新概念。不过这个月 R15 协议出来以后,我发现这方面并没有大的变化。一个较大的改变是上行支持 OFDM 和DFT-S-OFDM。另外,4G 中子载波间隔是固定为 15Khz 的,但是由于 5G 在高频,可使用的带宽很大,所以引入了一个新名词:numerology(我还不知道咋翻译,谁知道告诉我一声)。这个词是什么意思呢?看下面这个表(38.211里面的表)就清楚了:5G 中,子载波间隔不像 4G 时代固定为 15Khz,而是可变的,但一个 RB 还是 12 个子载波,这个没变。

5G无线通信的新技术 3.jpg

Subframe Structure。我们知道,4G 中一个无线帧为 10ms,一个子帧为 1ms,一个 slot 为 0.5ms。到了 5G,无线帧和子帧的长度没有变化,依然为 10ms 和1ms。但是 slot 长度变成了可配置的,其值依赖于两个个参数:μ和 slot configuration。看下面的图:

5G无线通信的新技术4 .jpg

当μ为,0,slot configuration 为 0 时,1 个无线帧包含 10 个子帧,1 个子帧包含 1 个 slot,1 个 slot 包含 14 个 symbol。如下图所示。

5G无线通信的新技术5 .jpg

当μ为 1,slot configuration 为 0 时,就变成了下面的情况:1 个子帧包含两个 slot,每个 slot 都有 14 个 symbol,也就是说 1 个子帧包含 28 个 symbol。

5G无线通信的新技术6 .jpg

以此类推,当μ配成 5,slot configuration 配成 0 时,1 个子帧最多可以有32*14=448 个 symbol,比 symbol 多了 10 几倍呢。这就给速率成倍提升带来了可能性。

HARQ。5G 引入了 self-contained 子帧的概念,即 HARQ 周期从 4G 时代的最小 4ms,缩短为 1ms 之内。这就为超低的时延提供了一些帮助。

5G无线通信的新技术 .pdf

 


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2020-7-14 10:28:10  下载次数: 3
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