【導讀】『這個(gè)知識不太冷』系列，旨在幫助小伙伴們喚醒知識的記憶，將挑選一部分Qorvo劃重點(diǎn)的知識點(diǎn)，結合產(chǎn)業(yè)現狀解讀，以此溫故知新、查漏補缺。接下來(lái)，我們談一談5G射頻。
『這個(gè)知識不太冷』系列，旨在幫助小伙伴們喚醒知識的記憶，將挑選一部分Qorvo劃重點(diǎn)的知識點(diǎn)，結合產(chǎn)業(yè)現狀解讀，以此溫故知新、查漏補缺。接下來(lái)，我們談一談5G射頻。
本文（上篇）將講解5G NR的部分技術(shù)方面，以便您能理解那些背后的技術(shù)。后續推送的下篇將介紹射頻前端（RFFE）背后的一些特征和技術(shù)。
深入了解5G NR
現在，您可能對5G已有基本認識，下面讓我們再深入一些，了解5G的支持技術(shù)。5G的骨干技術(shù)如下：
? 頻譜技術(shù)
? 動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)
? 擴展正交頻分復用技術(shù)（OFDM）， 一種將更多數字數據編碼到多個(gè)載波頻率的方法。
? 多進(jìn)多出技術(shù)（MIMO），其中包括同時(shí)利用多個(gè)天線(xiàn)的技術(shù)，以提高數據速度和減少誤差。
? 波束賦形技術(shù)，將來(lái)自多個(gè)天線(xiàn)的射頻信號合并成一個(gè)指向特定設備或接收器的強信號。
? 小蜂窩技術(shù)或網(wǎng)絡(luò )密致化技術(shù)，將多個(gè)蜂窩站點(diǎn)密集放置，以提高可用容量。
另外，這些技術(shù)還將顯著(zhù)強化現有的4G LTE網(wǎng)絡(luò )，提高網(wǎng)絡(luò )靈活性、伸縮性和效率。其中部分技術(shù)（如5G頻譜）已在前文講解，其他幾項技術(shù)我們將在以下各節分別講解。
#頻譜與動(dòng)態(tài)頻譜共享#
前文提到，為滿(mǎn)足增強型移動(dòng)寬帶（eMBB）的需求（例如：1Gbps或以上的數據率速度，以及采納用戶(hù)設備所需的數據率），頻譜與動(dòng)態(tài)頻譜共享是兩項必需的技術(shù)。
相對于4G LTE ，5G顯著(zhù)提高了數據率。不過(guò)，5G的大部分優(yōu)勢都源于新的5G頻帶所獲得的帶寬增強，只有少部分數據吞吐量的提高是因為實(shí)施了5G NR技術(shù)。如您所見(jiàn)，頻譜的增加給下行鏈路的數據率帶來(lái)指數級增長(cháng)，而載波聚合與5G NR技術(shù)升級僅貢獻19%的增長(cháng)。
4G LTE與5G NR下載鏈路數據完善情況比較
#頻分復用（OFDM）#
在5G NR開(kāi)發(fā)過(guò)程中，第一步是為5G NR設計物理層，其中波形是一個(gè)核心技術(shù)組成。在審查多個(gè)提案后，3GPP選擇擴展使用頻分復用技術(shù)，同時(shí)在上行鏈路和下行鏈路為5G添加循環(huán)前綴頻分復用（CP-OPDM）波型。
CP-OFDM技術(shù)利用多個(gè)平行窄帶子載波來(lái)傳輸信息，而不使用單個(gè)寬帶載波。該技術(shù)定義充分，已在4G LTE下行鏈路和Wi-Fi通信標準成功實(shí)施，因此也適合用于5G NR設計。
不過(guò)，5G NR上行鏈路還提供了一種不同的波形格式，這種波形格式類(lèi)似4G LTE上行鏈路使用的波形模式離散傅立葉變換擴頻正交頻分復用（DFT-S-OFDM）波形。DFT-S-OFDM波形是一種4G采用的波形，結合了循環(huán)前綴正交頻分復用和低峰均比（PAPR）的優(yōu)點(diǎn)。DFT-S-OFDM波形對上行鏈路有幫助，對于高功率的2級功率應用或者當用戶(hù)設備位于基站蜂窩的邊緣位置，遠離信號塔時(shí)，DFT-S-OFDM可能是首選波形。
在靈活性上，5G NR提供的子載波間隔方案還超越了LET提供的固定15kHz子載波間隔。5G NR提供的子載波間隔包括FR2，最大間隔達到240kHz。靈活的載波間隔可用于適當支持5G NR所需的多元化頻帶、頻譜類(lèi)型及部署模式。
DFT-S-OFDM非常類(lèi)似于LTE上行鏈路使用的單頻分復用接入（SCFDMA），CP-OFDM非常類(lèi)似于LTE下行鏈路使用的正交頻分復用接入（OFDMA）。3GPP之所以選擇CP-OFDM，原因如下：
? CP-OFDM能夠面向復雜程度較低的接收器延展。
? 在一些最重要的5G性能指標上（例如：與多天線(xiàn)技術(shù)的兼容性），CP-OFDM排名最高。
? CP-OFDM的時(shí)域控制良好，這一點(diǎn)對于低延時(shí)關(guān)鍵應用和時(shí)分雙工（TDD）部署具有重要意義。
? 與其他波形相比，CP-OFDM對于相位噪聲和多普勒效應（頻率變化與波長(cháng)變化）的耐受性更強。
? CP-OFDM在MIMO空間復用上的效率更高，這相當于提高了頻譜效率。
? 在大規范部署條件下，CP-OFDM非常適合上行鏈路傳輸。
#5G MIMO與大規模MIMO#
大規模MIMO技術(shù)是MIMO技術(shù)的擴展。MIMO技術(shù)有效地、重復地利用同一帶寬，以便傳輸更多數據，實(shí)現對頻譜更加高效的利用。
今天許多LTE MIMO基站都最多由八根天線(xiàn)組成，接收器上有一到二根天線(xiàn)。這使得基站能夠同時(shí)向8名用戶(hù)分別發(fā)送8條數據流；如果合二為 一，則能夠同時(shí)向4名用戶(hù)分別發(fā)送2條數據流。
隨著(zhù)4G向大規模MIMO的轉移，天線(xiàn)數量出現指數增至多達16根、32根、64根、128根，甚至更多。這些天線(xiàn)的集合被稱(chēng)為“天線(xiàn)陣列系統”（AAS）。這有助于通過(guò)波束賦形技術(shù)，將能量集中到較小的空間區域（參見(jiàn)下節），以極大改善吞吐量和輻射能量效率。
大規模MIMO有助于：
? 防止在非理想方向上傳輸數據，減輕干涉
? 減少延時(shí)，從而提高速度和可靠性
? 減少通知和連接的衰落與掉線(xiàn)
? 同時(shí)服務(wù)大規模用戶(hù)群
? 推出二維波束賦形
大規模MIMO不僅能夠增加蜂窩容量和蜂窩效率，還能利用銳利天線(xiàn)波束方向圖（由多個(gè)天線(xiàn)元素組成）平行發(fā)送和接收射頻信號。在采用大規模MIMO技術(shù)的基站，每條數據流都有獨特的輻射方向圖，因此不會(huì )相互干涉。每條數據流的信號強度都按照目標用戶(hù)設備的方向傳送；在其他用戶(hù)設備的方向，信號強度則被減少，以降低干涉。
#波束賦形#
波束賦形技術(shù)對天線(xiàn)陣列中的單根天線(xiàn)的量級和相位進(jìn)行適當加權，利用多根天線(xiàn)來(lái)控制波形的傳送方向，為5G帶來(lái)顯著(zhù)優(yōu)勢。由于波束賦形技術(shù)是大規模MIMO系統使用的一項技術(shù)，因此有時(shí)“波束賦形”與 “大規模MIMO”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)可以互換使用。
波束賦形技術(shù)被用于毫米波頻譜，基本頻率在24GHz以上。該頻譜使用的是200至400MHz的寬信道帶寬，因此提供了超高的數據傳輸速度。承運商將使用該技術(shù)部署5G固定無(wú)線(xiàn)接入服務(wù)（FWA），作為“最后一英里”連接解決方案，為家庭和企業(yè)提供高速連接。
固定無(wú)線(xiàn)接入毫米波有一個(gè)缺點(diǎn)：雨、植物或建筑物等，都可能造成毫米波信號衰減。在這些情況下，有時(shí)候難以保持用戶(hù)設備處于視距范圍，因此會(huì )造成信號延遲、衰減以及到達信號發(fā)生變化。不過(guò)，波束賦形技術(shù)有助于減少這些負面效果。通過(guò)利用大規模MIMO和波束賦形技術(shù)帶來(lái)的多條路徑，即使在視距受限的情況下，也可以對天線(xiàn)元素與用戶(hù)設備之間的空間信道進(jìn)行定性及數字化編碼和解碼，從而有助于減少信號損失。
大規模MIMO與波束賦形
#網(wǎng)絡(luò )密致化#
今天，無(wú)線(xiàn)基礎設施網(wǎng)絡(luò )包含眾多元素，有大蜂窩基站、地鐵蜂窩基站，還有室內外分布式天線(xiàn)系統和小蜂窩基站。這些元素在異質(zhì)網(wǎng)絡(luò )（HetNet）環(huán)境下共同工作，如下圖所示。
無(wú)線(xiàn)基礎設施異質(zhì)網(wǎng)絡(luò )與小蜂窩基站集成
所謂“密致化”，是一種通過(guò)增強蜂窩站點(diǎn)，提高可用蜂窩容量的技術(shù)。這種蜂窩可以是微蜂窩或小蜂窩， 以應對網(wǎng)絡(luò )容量緊張的區域。另外，這些蜂窩還可以分擔周邊大基站和微基站的通信流量。
小蜂窩基站是一種將蜂窩基站拆分成更小型群組的迷你基站。另外，還可根據覆蓋面積的大小，細分為皮蜂窩基站、微蜂窩基站和飛蜂窩基站，并且這些基站既可以設在室內，也可以設在室外。
微蜂窩基站與小蜂窩基站之間存在重要區別。微蜂窩基站有一條大型數據管道通向網(wǎng)絡(luò )。小蜂窩基站則將這條管道拆分成覆蓋一定區域的多條小型管道。小蜂窩基站的主要目標是提高大蜂窩基站的邊緣數據容量或 者覆蓋大蜂窩不能覆蓋的區域（覆蓋不良） ，最終目標是完善數據、速度和網(wǎng)絡(luò )效率。下圖所示為小蜂窩集成網(wǎng)絡(luò )。
小蜂窩集成網(wǎng)絡(luò )
小蜂窩：
? 提高數據容量，尤其是高端購物區或城市中心區等高度稠密的區域。
? 消除了高成本的屋頂系統和設備或租用成本。
? 提高了手機性能。
在討論密致化與小蜂窩基站時(shí)，我們需要考慮物聯(lián)網(wǎng)設備使用多種無(wú)線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行連接。小蜂窩基站的實(shí)施以及眾多設備的互聯(lián)，將構成大規模、超可靠、低延時(shí)機械類(lèi)通信（MTC）的一個(gè)關(guān)鍵方面。
物聯(lián)網(wǎng)的傳輸類(lèi)型大致分為以下四種：
? 有線(xiàn)傳輸
? 中短距離無(wú)線(xiàn)傳輸（從藍牙到網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )Wi-Fi、ZigBee）
? 長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)傳輸（4G LTE和5G蜂窩），低功率廣域網(wǎng)（LPWAN）
? 衛星傳輸
5G將可實(shí)現大規模物聯(lián)網(wǎng)， 大規模物聯(lián)網(wǎng)能夠支持數百億個(gè)設備、物品和機器，并且這些設備都需要連接無(wú)處不在。這些設備可以是移動(dòng)設備、漫游設備，還可以是固定設備。
#5G NR頻譜載波聚合#
“載波聚合”是一種將兩個(gè)以上載波合并成一條數據信道， 以增加數據容量的技術(shù)。通過(guò)利用現有網(wǎng)絡(luò )頻譜，載波聚合技術(shù)讓運營(yíng)商能夠提供更高的上行鏈路和下行鏈路數據率，因此能夠提高網(wǎng)絡(luò )性能和確保高質(zhì)量用戶(hù)體驗。載波聚合為4G提高用戶(hù)數據吞吐量做出重要貢獻，并且還將在5G起到同樣重要的作用。為了增加容量，全球運營(yíng)商都在積極地添加載波聚合頻帶和功能（例如：MIMO）。
相關(guān)命名慣例因為5G頻帶而發(fā)生改變。5G命名重新加入字母“n”（即n77或n78），用以指代“New Radio”（即新空口）；而4G命名則使用字母“B”指代“頻帶”。5G NR使用的LTE頻帶仍將使用相同的頻帶編號，只是增加了n標識符。
5G載波聚合將提供帶有非對稱(chēng)上下載功能的多重連接能力，并且在毫米波頻率提供高達700MHz的信道帶寬。在7GHz以下頻帶，可以利用4條100MHz信道，實(shí)現400MHz瞬時(shí)帶寬。
在頻分雙工（FDD）或時(shí)分雙工（TDD）條件下，每條分量載波能夠獲得1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz或20MHz帶寬。因此，如果有5條20MHz分量載波，那么利用載波聚合，最高可以實(shí)現100MHz帶寬。在時(shí)分雙工條件下，分量載波的帶寬和數量必須在上下行鏈路保持相同。4G LTE-Advanced Pro能夠提供最高100MHz帶寬，支持32條分量載波，因此最高帶寬可以達到640MHz。于是在5G NR條件下，還有另外一個(gè)載波聚合方案，該方案被稱(chēng)為“雙重連接”，能夠聚合4G LTE和5G NR頻帶。
文章來(lái)源：Qorvo半導體
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