5g NR 入门 --带你了解新无线电通信领域的先进技术

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了解基础的5g NR (新无线电) ，包括其频带，应用，什么技术使之成为可能
   5G 是无线智能手机通信领域的下一代(第五代)产品，作为移动设备的升级产品，它在消费者界得到了大力推广。但是在开发这些设备的工程师眼中，5 g 意味着什么呢？
   在本文中，我们将更深入地研究5g NR，并探索这一新兴标准所涵盖的多用途模型和多频段。我们还将介绍一些与5g NR 相关的先进技术。

5G 标准
   第三代合作伙伴计划(3GPP)正在制定5g 标准，该计划由来自7个不同全球标准组织的合作伙伴组成。5G 标准始于2017年12月的“ Release 15”，随着新特性、功能和需求的增加，5G 标准将在随后的版本中得到扩展。
在3gpp 内部是技术规范组(tsg) ，致力于在不断增加的抽象层次中定义5g NR 系统。示例级别包括但不限于:

无线接达网络:负责定义低水平(1-3)的无线电性能规格，其中包括:
- 物理层

调制

频分双工(FDD)

时分双工(TDD)

波束形成

错误检测

更正

服务与系统方面(SA) : 监督整个体系结构和服务功能，包括计费、计费、网络管理和安全

核心网络与终端(CT) : 定义用户设备的规格、网络之间的切换、服务映射的质量等。

分层5g 服务的三个频带
随着无线通讯技术的进步，频率和带宽稳步增加。如图1所示，新一代保留了现有网络的一些向下兼容，但扩展到更多的频段。

图1.2 g、3 g、4 g 和5 g 网络的频谱分配演变图片

当5g 进入30ghz 以上的毫米波(mmWave)频率时，这种趋势正在向前迈进一大步。这使得5g NR 能够支持频率低于6吉赫的最高100兆赫的超宽带宽，在更高频率的最高400兆赫。
5G 一般可分为三个频段:

FR1
- 低频: MHz-1 GHz

中频: 1-7吉赫

FR2
- 较高频率: 24-48吉赫

如图2所示，这三个波段被设计成一起工作，以满足不同的带宽、延迟和覆盖需求。

图2. 带宽、延迟和5 g NR 3个波段覆盖率之间的关系。

5G 的最初部署是在较低的频率范围(FR1) ，有两个频段(称为低频和中频) ，跨越更传统的频率，用于450mhz 到6ghz 的智能手机。这些较低的频率提供最大的覆盖范围。
更高的频率范围(FR2)向上移动并进入 mmWave 区域，频率从24-100 GHz，以支持更快的下载速度，并启用需要超低延迟的新应用程序。

正交频分多址为5 g NR
无论是上行链路还是下行链路，5G 传输都是基于 OFDM 技术的正交频分多址。正交频分复用技术结合了正交幅度调制和频分复用技术来实现高速数据传输。
由于副载波频率彼此正交，各个峰值都与其他副载波的零点排成一线(图3)。

图3. 频谱的正交频分多址图片

这最大限度地减少了干扰，并允许接收器有效地恢复信号。这些调制子载波可以用来支持许多独立的信号(如调频无线电信道) ，但在5g 应用程序通常是结合起来，以提高单一信道的数据速率。
NR 规格支持15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz、240 kHz 或480 kHz 的可调载波间距，最大子载波数为3300。此外，子载波调制可以是 QPSK (四相移键控)或16-，64-，或256-qam。这些选项提供了通用性，允许操作员优化通信方案，以满足环境和应用程序。

5 g 性能与4 g 的比较
正如我们对每一代新一代智能手机技术的期待，5 g 比前一代4 g 更快，提供更多的容量。5G 预计支持高达10-20gb/s 的峰值数据传输速率，平均数据速率超过100mb/s 5G 的设计还支持通过提高网络效率增加100倍的容量，延迟降低10倍，最低可达1毫秒。
除了这些基本的改进之外，5G 正被设计成比4g 更加多样化的电信标准，以支持标准移动宽带以外的应用，包括:

低延迟的任务关键通信

物联网的大规模连接

支持所有频谱类型(授权、共享、未授权)

扩大部署模式，包括热点

新的通信模型，如设备到设备和多跳网格。

5 g 使用模型
通常当我们听到5 g 的时候，我们会立刻想到更好的智能手机，这确实是5 g NR 规格的一个方面。然而，这些标准的开发不仅仅是为了支持更好的智能手机。具体来说，有三个主要的使用模型，如图4所示:

eMBB (增强型移动宽带) : 大致上更好的智能手机，消费者应用程序

URLLC (超可靠和低延迟通信) : 任务关键服务

mMTC (大规模机器类型通信) : 想想物联网

图4. 三种5g 天然橡胶使用模式的应用实例。

增强型流动宽频
   5G NR 网络开发的初始重点是 eMBB，以提高下载和上传速度，减少延迟。eMBB 有望改进移动视频流，并使包括移动增强和虚拟现实(AR 和 VR)在内的应用成为可能。预计 emBB 将在人口稠密的市区、体育或音乐会场地以及智能办公室提供更便捷的无线宽带接入。

超可靠低延迟通信
   顾名思义，URLLC 旨在为包括自动车辆、工业自动化和远程手术在内的“实时”应用程序提供非常低延迟的通信。显然，这些应用程序中的每一个都需要具有低错误率和不可察觉的延迟(理论上低至1毫秒)的健壮网络连接。这些要求与语音呼叫或者流媒体播放你最喜欢的新节目有很大的不同。
大规模机器类型通信
mMTC 是第三个使用模型，与前两个模型有很大的不同。mMTC 将利用5g NR 的宽带宽，支持与“大量”低速率设备的通信。应用将包括物联网和智慧城市，在这些领域中，大量节点需要窄带来进行遥感、监测、交通和停车管理、后勤和车队管理以及电子广告牌。

支持5 g 的技术
   许多技术进步正在共同促成5 g 通信。本节将涉及在硬件中工作的电气工程师可能感兴趣的一些关键技术。

高级晶体管技术
   硅 CMOS 技术的不断进步对于提高手机、基站和网络骨干所需的处理能力显然是非常重要的。此外，随着5 g 扩展到频谱的毫米波区域，先进晶体管技术的改进正占据中心舞台。
如图5所示，锗硅(SiGe)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)都适合在6ghz 以上的高频 fr2波段工作。尤其是 GaN 和 SiC 器件广泛应用于需要高频和高功率的基站。

图5。宽带隙(WBG)材料的功率与频率。

除了晶体管本身，芯片与印刷电路板(PCB)之间的外部连接需要封装技术和先进的设计技术的进步。在毫米波频率下，一个简单的1毫米接线就可以成为一个潜在的天线，而且它的阻抗很复杂，很难达到50 ω 的阻抗与 PCB 匹配。使用焊球进行倒装芯片组装可能会有所帮助，但是阻抗匹配的挑战可能仍然存在。

大规模 MIMO 天线
由于相控阵天线波长非常短，5G 毫米波频段的相控阵天线成为可能。例如，高通公司在图6中展示的毫米波手机原型似乎有三个4x2相控阵天线部分。相控阵天线可以支持波束形成，从而提高天线增益。

图6.5G NR mmWave 手机原型。

在基站中，相控阵的使用预计会爆炸性地发展成为所谓的大规模 MIMO 天线(MIMO)系统。使用大量的天线和复杂的算法，一个大规模 MIMO 系统可以采用自适应波束形成和空间分集:

频谱效率通过对每个用户的窄光束聚焦

通过天线增益降低总辐射功率的能量效率

通过增益和空间多样性提高数据传输速率和容量

基于自适应波束形成的移动用户跟踪

基站的数字和模拟处理相结合，为个别用户创造了独特的传输通道。单个用户也可以使用多个天线来增强在衰落、多径和干扰情况下的通信。

图7. 用于毫米波5 g 的大规模 MIMO 通信

摘要
   5 g NR 不仅仅是移动智能手机网络的改进。增强型移动宽带、超可靠低延迟通信和大规模机器式通信这三种主要应用模式将在未来几年产生许多新的应用。

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