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带你读《5G NR物理层技术详解:原理、模型和组件》之二:NR物理层概述

简介: 本书详细阐述5G新的无线接入技术—5G NR物理层技术的基本设计原理、模型和组件,其中物理层模型包括针对5G NR(max到100 GHz)全频段范围的无线电波传播和硬件损伤。物理层技术包括灵活的多载波波形、先进的多天线解决方案,以及针对5G及以后技术的各种服务、部署和频率的信道编码机制。包括一个基于MATLAB的链路级仿真器以探索各种设计选项。

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第2章 NR物理层概述

与任何无线技术一样,物理层是5G NR的核心基础。NR物理层必须支持很宽的频率范围(从低于1 GHz到高达100 GHz)及各种部署(微微蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝)场景。以人为中心和以机器为中心的用例并存,有些用例的需求很极端,甚至不同用例的需求之间相互矛盾。将来的新应用还可能出现新的需求。为了能够顺利地应对这些挑战,3GPP为NR设计了一个灵活的物理层。根据对无线电波传播以及网络和终端硬件非理想性的准确理解,对这些灵活组件可以进行适当的优化。而这正是挑战所在,因为目前对这些特性还了解得很少。NR是第一个在毫米波频率范围应用的移动无线接入技术(支持频率高达100 GHz),信道带宽期望达到GHz范围,并且使用大规模多天线技术。
2018年6月完成的3GPP NR Release 15是发布的第1个NR规范版本。未来所有的NR版本将与第1个版本向后兼容。这就是通常所说的NR向后兼容性,就是说将来开发的所有NR版本中的任何新功能会向后兼容NR的最初版本。为了让读者更容易理解NR的物理层,本章提供了NR物理层的概述(基于第1个NR版本),并且讨论了无线电波传播和硬件的损伤对实现NR物理层带来的相关挑战。下面几章主要介绍NR物理层的基本原理、模型和技术组件。如果读者对NR的详细规范感兴趣,我们强烈推荐阅读参考文献。
本章的组织方式如下。2.1节简要描述NR空中接口(简称空口)的协议栈和物理层在其中的作用。由于本节比较简洁,如果读者对基于3GPP的蜂窝技术(比如,4G LTE)不熟悉,恐怕理解起来相对有难度。本章其余几节只关注物理层部分。2.2节简要描述NR物理层关键技术—调制、波形、多天线和信道编码方案。这些技术组件在第5~8章会逐一详述。2.3节介绍NR物理时频资源结构。2.4~2.5节描述时频资源如何分配给不同类型的信号。2.6~2.7节解释NR灵活的双工机制方案以及灵活的传输结构(帧结构)。最后,2.9节简要总结无线电波传播和硬件损伤所带来的挑战。这些挑战引出了第3章和第4章的内容—针对无线电波传播和硬件损伤分别进行深入探讨。

2.1 无线协议架构

在3GPP术语中,基站是逻辑的无线接入网络节点的实现。例如,在3G UMTS和4G LTE中,网络节点分别是指Node B(NB)和演进的Node B(eNB)。5G NR无线接入网络节点被3GPP命名为下一代Node B(gNB)。有必要强调,gNB是指一个逻辑实体而非基站的物理实现。一个基于标准gNB协议的基站可以通过多种方式实现。这个概念同样适用于在3GPP规范中被称为UE的终端。
NR的无线协议架构可以分为控制平面架构和用户平面架构。用户平面递交用户数据,而控制平面主要负责连接建立、移动性和安全。图2-1表明了NR的用户平面协议栈。协议分为物理(PHYsical,PHY)层、媒体接入控制(Medium Access Control,MAC)层、无线链路控制(Radio Link Control,RLC)层、分组数据汇聚协议(Packet Data Convergence Protocol,PDCP)层和服务数据调整协议(Service Data Adaptation Protocol,SDAP)层。现在我们来简要介绍一下这些层的主要功能。

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  • SDAP层处理服务质量(QoS)流和无线承载之间的映射。根据无线承载的QoS要求将IP数据包映射到无线承载。
  • PDCP层主要负责IP头压缩/解压缩、重排序和重复检测、加密/解密和完整性保护。头压缩机制可以减少空口传输的比特数。加密功能主要是保护用户不被窃听以及确保消息的完整性。重排序和重复检测机制允许数据单元按序递交并删除重复的数据单元。
  • RLC层主要通过自动重传请求(Automatic Repeat Request,ARQ)机制进行纠错、(压缩了报头的)IP数据包的分段/重新分段,以及将数据单元按序递交到高层。
  • MAC层主要负责通过混合ARQ(Hybrid ARQ,HARQ)机制进行纠错以及上行和下行的调度。调度器控制用于传输的上行和下行物理时频资源的分配。当采用载波聚合时,MAC层也需要处理跨多个分量载波的数据复用。
  • PHY层处理编码/解码、调制/解调、多天线处理以及将信号映射到物理时频资源上。

控制平面主要负责针对连接建立、移动性和安全的控制信令。控制信令来自核心网或gNB的无线资源控制(Radio Resource Control,RRC)层。RRC层提供的主要服务包括系统信息广播、寻呼消息发送、安全管理(包括密钥管理)、切换、小区选择/重选、QoS管理以及无线链路失败的检测和恢复。与用户平面相同,RRC消息都是通过PDCP、RLC、MAC和PHY层进行发送。因此,从物理层的角度来看,控制平面和用户平面协议栈向高层提供的服务没有本质的技术差异。

2.2 NR物理层:关键技术

NR物理层的关键技术包括以下几个方面:调制、波形、多天线传输和信道编码。下面我们会对关键技术做简要概述。

2.2.1 调制

同LTE一样,NR上行和下行都支持正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)、16阶正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)、64 QAM和256 QAM调制方式。另外,上行还支持/2-BPSK以进一步降低峰均比,从而在数据速率比较低的时候提高功放效率—这一特性对mMTC业务非常重要。因为NR支持的应用场景非常广泛,很可能所支持的调制方式在未来还需要进一步扩展。例如,1024 QAM也可能会写入NR规范,因为固定的点对点回传已经使用了调制阶数高于256 QAM的调制方式。NR规范中还可能针对不同的UE等级有不同的调制方式。

2.2.2 波形

在至少高达52.6 GHz的频率范围内,NR上行和下行都采用了循环前缀OFDM(Cyclic Prefix OFDM,CP-OFDM)。与LTE相比较,CP-OFDM只用于LTE的下行传输,而上行传输则采用了DFT扩展OFDM(DFT-Spread OFDM,DFTS-OFDM)。上下行采用相同的波形会简化整体设计,尤其对无线回传以及设备对设备(Device-to-Device,D2D)通信而言。而且,对上行覆盖受限的场景,通过单流传输(也就是没有空间复用)提供了使用DFTS-OFDM的可选项。在实现中,gNB可以选择上行波形(CP-OFDM或DFTS-OFDM),而UE应当支持OFDM和DFTS-OFDM两种模式。任何对接收机透明的操作(比如加窗/滤波)都可以基于NR波形展开,以改善频谱所受的限制。
NR具有可扩展的OFDM参数集来满足在宽广的频率范围内的多种服务需求。子载波间隔可扩展,定义为15×2n kHz,其中n为整数,而15 kHz是LTE所用的子载波间隔。在第6章,我们详细介绍了NR的参数集设计。在3GPP Release 15中定义了4种子载波间隔:15 kHz、30 kHz、60 kHz和120 kHz(即n = 1,2,3,4),而且和LTE一样CP开销都为7%(参见表2-1)。对于60 kHz的参数集,还定义了扩展CP。不同的频段定义了不同的参数集。目前,6~24 GHz之间还没有频谱分配给NR,所以也没有定义相应的参数集。当新的频率分配给NR时,将会定义相应的基于15×2n kHz的参数集。对于所有的参数集,激活子载波的数量是3 300。对于3 300个激活子载波,表2-1给出了不同参数集对应的最大带宽。可以通过载波聚合的方式支持更大的信道带宽。在Release 15中,最多可以支持16个分量载波,其中每个分量载波最多可以有3 300个激活子载波。

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OFDM信号的频谱在传输带宽之外衰减很慢。为了满足带外发射要求,LTE的频谱利用率为90%。对于NR,达成共识的频谱利用率可以达到94%~99%。加窗和滤波操作是在频域中限制OFDM信号的可行方式。在第5~6章中,我们介绍了多载波波形频谱限制技术的详细内容。

2.2.3 多天线

多天线技术在LTE时代就已经很重要了,但是对于NR来说,多天线技术在系统设计中起到更为基本的作用。移动通信频谱扩展到毫米波范围使得NR的设计转向以波束为中心,以支持模拟波束赋形来满足覆盖要求。而且,在传统蜂窝频段,多天线技术对于满足5G性能要求也至关重要。
在低频段,LTE后期版本中多天线技术主要用于功能增强。受永无止境的数据速率增长和在拥挤的频谱中追求更高容量等需求的驱动,这些增强主要用来提高频谱效率。有源阵列天线技术的发展使得用数字控制大量天线单元成为可能,这有时也称为大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术。这种技术可以在多天线处理中实现更高的空间解析度,提供更高的频谱效率。为此,NR为多用户MIMO(MU-MIMO)和基于互易性的工作提供了更好的支持。设计出一个用于获取信道状态信息(Channel State Information,CSI)的新框架,可以在参考信号的发送上具有更大的灵活性,并使CSI具有更高的空间解析度。该框架还提供了更精简的系统设计,使其更容易适应多样化的用例及在未来NR版本中引入新的功能。
对于高频,不仅仅是获得很高的频谱效率,主要的挑战是覆盖。这样做的原因是,当使用传统的传输技术时,高频信号的传输损耗相当高,而毫米波频谱中有大量的可用带宽。为了克服更高的传输损耗并提供足够的覆盖,波束赋形就发挥了作用,特别是在视距(Line of Sight,LoS)条件下,在gNB和UE中都可能会使用波束赋形。在当前的硬件技术下,预期在毫米波频率下将普遍使用模拟波束赋形。因此,NR开发了在gNB和UE中支持模拟波束赋形的过程。与前几代移动通信系统不同,NR不仅支持波束赋形用于数据传输,也支持用于初始接入和广播信号。
第7章详细讨论了gNB和UE中的NR多天线技术。

2.2.4 信道编码

NR将低密度奇偶校验(Low Density Parity Check,LDPC)码用于移动宽带(Mobile BroadBand,MBB)的数据传输服务,并且采用极化码用于传输控制信令。从实现角度来看,LDPC码更具吸引力,特别是在数据速率为每秒数千兆比特时。与其他无线技术中采用的LDPC码不同,用于NR的LDPC码使用速率兼容的结构,从而允许以不同的码率进行传输并且使用增量冗余进行HARQ操作。
与数据传输相比,物理层控制信令的信息块较小,并且不使用HARQ传输,因此NR采用了极化码。通过极化码连接一个外码(outer code),并通过执行串行抵消列表解码(successive cancellation list decoding),可在较短的码块长度上实现良好的性能。而对于最小的控制净荷,则使用Reed-Muller码。
NR LDPC和极化码将在第8章中详细讨论。针对URLLC业务的信道编码尚未在3GPP中达成一致。第8章讨论了在较短码块长度场景中如何权衡性能和复杂度来选择编码方案,这些方案可能会成为除LDPC和极化码之外未来NR编码方案的候选。

2.3 物理时频资源

物理时频资源对应于OFDM符号和OFDM符号内的子载波。最小的时频资源指OFDM符号内的一个子载波,被称为一个资源单元(resource element)。传输是以12个子载波为一组进行调度,子载波组称为物理资源块(Physical Resource Block,PRB)。图2-2所示是NR物理时频结构的一个示例。

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在时域中,无线传输通过无线帧(radio frame)、子帧(subframe)、时隙(slot)和微时隙(mini-slot)来进行。如图2-3所示,每个无线帧的长度为10 ms,包含10个子帧,每个子帧的长度为1 ms。一个子帧由一个或者多个相邻的时隙组成,每个时隙含14个相邻的OFDM符号。一个微时隙,理论上可以短至一个OFDM符号,但是在Release 15中,微时隙的长度限制为2、4和7个OFDM符号。一个时隙/微时隙的长度和所选参数集(子载波间隔)成比例,因为OFDM符号的长度和其对应的子载波间隔成反比。

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物理层使用时频资源进行传输。和LTE一样,NR中的时频资源(资源单元)代表了物理信道或者物理信号。在3GPP术语中,物理信道对应于承载高层信息的一组资源单元,而物理信号对应于不承载高层信息的一组资源单元(用于物理层)。在下面几节中,我们会对这两方面都做讨论。

2.4 物理信道

承载高层(在物理层之上的各层)信息的时频资源被称为物理信道[1]。物理信道分为上行和下行两种:

  • 物理下行共享信道(Physical Downlink Shared CHannel,PDSCH),用于下行数据传输。
  • 物理下行控制信道(Physical Downlink Control CHannel,PDCCH),用于下行控制信息传输,下行控制信息包括:接收下行数据(PDSCH)所需的调度决策以及允许UE传输上行数据(PUSCH)的调度授权。
  • 物理广播信道(Physical Broadcast CHannel,PBCH),用于UE接入网络所需的系统信息广播。
  • 物理上行共享信道(Physical Uplink Shared CHannel,PUSCH),用于(UE进行)上行数据传输。
  • 物理上行控制信道(Physical Uplink Control CHannel,PUCCH),用于传输上行控制信息,上行控制信息包括:HARQ反馈确认(指示下行传输是否成功)、调度请求(向网络请求用于上行传输的时频资源),以及用于链路自适应的下行信道状态信息。
  • 物理随机接入信道(Physical Random Access CHannel,PRACH),被UE用来请求建立连接,称为随机接入。

下面简要介绍gNB和UE之间的下行传输和上行传输。在下行链路中,UE通常每个时隙监听一次PDCCH(PDCCH也可以配置多次来支持超低时延传输)。当检测到有效的PDCCH时,UE按照gNB的调度决策接收PDSCH上的一个数据单位(称为传输块)。随后,UE发送HARQ确认来回应,指示数据是否被成功解码。在解码不成功的情况下,进行重传调度。对于上行数据传输,UE首先为待传数据向gNB请求物理时频资源。这被称为调度请求,并且通过PUCCH发送。gNB(通过PDCCH)发送调度授权来回应,该授权允许UE使用特定的时频资源来传输。在调度授权之后,UE通过PUSCH传输数据。gNB接收上行数据并发送HARQ确认,指示上行数据传输是否被成功解码。在解码失败的情况下,进行重传调度。为了支持超低时延通信,网络也可以为UE预先配置传输资源以避免发送调度请求以及调度授权信令。这被称为无授权传输(grant-free transmission)。此方案的缺陷是即使UE没有数据待传也要为UE保留不必要的时频资源。

2.5 物理信号

由PHY层使用但不承载来自高层(即物理层之上的各层)信息的时频资源,被称为物理信号。物理信号是用于不同目的的参考信号,例如解调、信道估计、同步和信道状态信息。上下行链路中有不同的物理信号。下行物理信号包括:

  • 解调参考信号(DM-RS)
  • 相位跟踪参考信号(PT-RS)
  • 信道状态信息参考信号(CSI-RS)
  • 主同步信号(PSS)
  • 辅同步信号(SSS)

上行物理信号包括:

  • 解调参考信号(DM-RS)
  • 相位跟踪参考信号(PT-RS)
  • 探测参考信号(SRS)

NR采用极简(ultralean)设计,可最大限度地减少永远在线(always-on)的传输,从而增强网络能效,减少干扰,并确保向前兼容。与LTE中的设置相反,NR中的参考信号仅在必要时发送。接下来,我们简要讨论四个主要的参考信号:DM-RS、PT-RS、CSI-RS和SRS。
DM-RS用于估计解调的无线信道。DM-RS是UE特定的,可以进行波束赋形传输,仅针对调度资源,并且仅在必要时传输,包括下行链路和上行链路。DM-RS的设计考虑了提前解码的要求,以支持低时延的应用。因此,DM-RS位于时隙的起始位置(称为前置DM-RS)。对于低速场景,在时域上使用低密度DM-RS(即,一个时隙中较少的OFDM符号包含DM-RS)。对于高速场景,在时域上增加DM-RS的密度以跟踪无线信道的快速变化。
NR中引入PT-RS以补偿振荡器相位噪声。通常,相位噪声随振荡器载波频率的升高而增加。因此可以在高频(例如毫米波)使用PT-RS以抑制相位噪声。OFDM信号中的相位噪声引起的主要衰减之一是对所有子载波造成相同的相位旋转,称为公共相位误差(Common Phase Error,CPE)(将在第6章和第7章中详细讨论)。所设计的PT-RS在频域中比较稀疏,而在时域中非常密集,原因如下:由CPE产生的相位旋转对于一个OFDM符号内的所有子载波是相同的,但OFDM符号之间的相位噪声具有低相关性。PT-RS在频域的密度为每个PRB中一个子载波,或者每两个PRB中一个子载波,或者每四个PRB中一个子载波。在时域的密度为每个OFDM符号一个,或者每两个OFDM符号一个,或者每四个OFDM中符号一个。图2-4给出了DM-RS和PT-RS时频结构的一个示例。和DM-RS一样,PT-RS也是UE特定的,只针对所调度的资源,也可以进行波束赋形。PT-RS的配置依赖于振荡器的质量、载波频率、OFDM子载波间隔,以及用于传输的调制编码方式(Modulation and Coding Scheme,MCS)。
CSI-RS是下行参考信号,主要用于获取CSI、波束管理、时间/频率跟踪和上行功率控制。它的设计非常灵活,以支持多样化的用例。用于获取CSI的CSI-RS用于确定信道的CSI参数,如用于链路自适应和确定预编码器的信道质量指示(Channel Quality Indicator,CQI)、秩指示(Rank Indicator,RI)以及预编码矩阵指示(Precoding Matrix Indicator,PMI)。此外,所谓的CSI干扰测量(CSI Interference Measurement,CSI-IM)资源,是零功率CSI-RS(ZP CSI-RS)资源,可以配置用于UE的干扰测量。CSI-RS通过测量每个波束的参考信号接收功率(Reference Signal Received Power,RSRP)来评估用于数据传输的候选波束,从而进行波束管理。它还可用于波束恢复。跟踪参考信号(Tracking Reference Signal,TRS)是指配置的用于时间/频率跟踪的CSI-RS。TRS可用于精细的时间和频率同步及多普勒和时延扩展估计。这是信道估计和解调所需要的。

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在上行链路中发送SRS来进行CSI测量,主要用于调度和链路自适应。在NR中,SRS也将用于基于互易性的大规模MIMO预编码器设计和上行波束管理。SRS采用模块化和灵活的设计以支持不同的过程和UE能力。

2.6 双工机制

与LTE一样,NR支持TDD和FDD传输。双工机制通常取决于频谱分配。在较低频率,频谱分配大多是对称的,这意味着选择FDD传输。在较高频率下,频谱分配通常是不对称的,这意味着需要选择TDD传输。此外,NR支持动态TDD,上行和下行分配随时间动态改变。这是对LTE的关键增强之一,在业务快速变化的场景下非常有用。传输调度决策由gNB调度器做出,UE服从调度决策。如果有必要,网络可以协调相邻网络站点之间的调度决策来避免干扰。也可以半静态配置TDD特定的上行/下行转换周期。3GPP Release 15给出了对应不同OFDM参数集的上行/下行转换周期,如表2-2所示。

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2.7 帧结构

NR帧结构遵循三个关键设计原则,以增强向前兼容性,并且减少不同功能之间的交互。第一个原则是传输自包含原则。一个时隙和一个波束中的数据可以独立解码,而不依赖于其他时隙和波束。这意味着在给定时隙和给定波束中已经包含解调数据所需的参考信号。第二个原则是时频集中传输原则。集中传输有助于将来引入新的传输类型,同时兼容现有的数据传输类型。NR的帧结构避免了将控制信道映射到整个系统带宽。第三个原则是时隙之间和不同传输方向之间避免静态的或者严格的定时关系。例如,5G NR使用异步HARQ,取代了4G所使用的需要预先设定重传时间的同步HARQ。
NR帧结构支持TDD和FDD传输,并可工作于授权和非授权频谱。它支持极低时延、快速HARQ确认、动态TDD、与LTE共存以及可变长度的传输(例如,URLLC的持续时间短而增强MBB(eMBB)的持续时间长)。图2-5提供了TDD模式下不同场景的NR帧结构的示例。

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NR还可以采用微时隙来支持具有灵活起始位置并且持续时间短于常规时隙的传输。原则上,微时隙可以短至一个OFDM符号,而且可以随时开始。在Release 15中,微时隙限制为2个、4个和7个OFDM符号。微时隙在很多场景中都很有用,包括低时延传输、非授权频谱的传输以及毫米波频谱中的传输。在低时延场景下,传输需要立即开始而无须等待到时隙边界才开始传输(比如,超可靠低时延通信(URLLC))。在非授权频谱上传输时,采用微时隙很有好处,比如可以在先听后说(Listen-Before-Talk,LBT)机制之后立即开始传输。因为毫米波有大量可用带宽,大多数的数据包用几个OFDM符号就可以传送完。图2-5提供了URLLC和基于LBT在非授权频谱使用微时隙传输的示例,并说明对不要求极低时延的业务(例如eMBB)可以采用多个时隙聚合的方式。较长的传输持续时间有助于增加覆盖或减少(在TDD模式中)因上下行转换而导致的开销,以及参考信号和控制信息的传输开销。
通过采用同时接收和发送(即下行链路和上行链路可以在时间上重叠),相同的帧结构也可用于FDD。这种帧结构也适用于设备到设备(D2D)通信。在D2D的情况下,下行时隙结构可用于由终端发起(或调度)的传输,而上行时隙结构可以用于终端响应的传输。
为了获得低时延,一个时隙(或在时隙聚合情况下的一组时隙)的控制信号和参考信号前置于该时隙(或该组时隙)的开始位置,如图2-6所示。NR帧结构也允许快速的HARQ确认,即解码操作在接收下行数据期间进行,UE在保护间隔(guard period)期间(即从下行接收切换到上行发送时)准备HARQ确认。NR支持极短长度的上行控制信号(伴随着较长的格式),以提供从终端到基站的快速HARQ反馈。图2-6显示了一个自包含时隙的例子,其中从数据发送结束到接收来自终端的确认的时延仅为一个OFDM符号。

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2.8 物理层过程和测量

NR规范中定义了许多物理层过程,例如小区搜索、功率控制、上行同步和定时控制、随机接入和波束管理,以及与信道状态信息相关的过程。NR规范还定义了物理层测量,用于同频和异频切换、RAT间切换、定时测量,以及无线资源管理的相关测量。这些详细说明(除了波束管理过程)都超出了本书的范围。我们强烈建议读者通过参考文献来进一步了解。

2.9 物理层的挑战

5G NR是第一个工作在毫米波频率的蜂窝技术,支持GHz级别的带宽,并使用大规模天线。这些方面给NR物理层带来了许多挑战,主要原因是对无线电波在毫米波的传播特性以及硬件损伤(在基站和终端处)都缺乏了解。要实现高性能的NR,准确理解无线传播和硬件损伤的特性非常重要。第3章和第4章详细讨论了无线电波传播、信道建模和硬件损伤建模。在下文中,我们将简要讨论其中一些挑战。

2.9.1 传播相关的挑战

因为天线孔径与波长的平方成正比,因此对采用固定天线方向图的接收天线,当频率升高时,天线的传输损耗随着频率的平方而增加。由于传播效应还可能会造成一些额外的损耗,特别是在非视距(Non-Line of Sight,NLoS)条件下。这里的挑战是利用先进的多天线技术来控制信号在有利方向传输并增加接收天线的孔径。此时还是不完全清楚,通过多天线技术,在较高频率下信道条件能有多大程度的改善。在某些情况下,如LoS,甚至对高频传输更为有利。有一点很明确,随着频率升高穿透损耗会大幅增加,对于室外到室内的场景将面临挑战。使用波束赋形和窄波束传输的另一个影响是,由于波束的突然阻挡而造成的信道的动态变化会更大也更快。而且,传播信道的方向扩展特性尚不清楚。对于那些方向高度分散(富散射)的信道,高增益天线并不是很有用,因为它们只会捕获/指向来自发射机/接收机的一小部分信号。在这种情况下全相关天线合并技术更为适合。但是,当天线阵列尺寸很大即天线单元数量很大时,这种技术非常复杂,而且非常耗费资源。
NR的主要挑战是,与在较低频率使用的传统技术效果相比,新型多天线技术在多大程度上可以补偿在较高频率下的性能损失甚至获得增益。在LoS条件下,使用更高频率和波束赋形是有利的,如第3章所述。此外,在NLoS场景中,传播损耗不会随频率升高而急剧增加(在0 log f到6 log f的范围内),室外到室内传输除外。但是,NR的早期部署预计主要依赖模拟波束赋形,传播信道要求高指向性。不幸的是,只有少数方向解析度高的信道测量方式,这也意味着在毫米波频率下波束赋形的性能在很大程度上是未知的。

2.9.2 硬件相关的挑战

考虑到日益增长的高数据速率需求转移到NR,频谱效率以及更多带宽的需求正在迅速增加。用于解决这一增长需求的技术组件包括先进的多天线技术,如大规模多用户(Multi User,MU)MIMO或毫米波波段采用的模拟波束赋形。无论是部署的收发机数量的增长,还是工作频率以及带宽的增加,都为高效的无线实现带来新的挑战。
射频功率放大器(Power Amplifier,PA)作为无线收发机前端的重要构建模块之一,一直是主要的耗电模块。工作在密集和高度集成的天线阵列中,除非有足够的隔离,否则PA性能可能受到相互耦合的影响。这引入了由负载调制造成的另一个失真源,因为对放大器的有源阻抗随时间而变化。使用指向性传输的天线系统的另一个关键问题是如何评估失真行为的空间分布。在传统方法中,失真遵循与有用信号相同的方式,但是使用了MU-MIMO预编码或波束赋形技术,通常情况并非如此。
射频振荡器是模拟前端的另一个非理想源,尤其是工作于毫米波波段时,更成为一个限制因素。射频振荡器在非常高的频率下更难保持稳定的振荡,因为随着损耗的增加谐振回路的品质因数会降低,并且由于受限于晶体管技术的基本限制而无法产生功率。因此,随着相位噪声增加,相干传输可能变得越来越困难。因此,需要对相位噪声进行精确建模,以评估其影响并提供基本的应对策略,比如跟踪等。可以采用锁相环(Phase-Locked Loop,PLL)技术来降低窄带1/f部分的相位噪声,这部分噪声可能对基于OFDM的传输带来更显著的负面影响,但这是以增加白噪声水平为代价的。
由于先进的信号处理硬件和算法可以补偿一些更突出的损伤问题,因此数字转换器,如模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)和数模转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC)是连接模拟域和数字域的关键组件。不幸的是,因为数据转换器是混合信号器件,通常需要线性晶体管技术,因此并不遵循摩尔定律,不具有相同的比例效应。在这种情况下,缩小几何尺寸以增加可用的处理速度未必是一个好的选择,因为这样使得晶体管更像开关一样工作。如文献所示,大规模MU-MIMO可能会降低有效分辨率。然而,这将造成越来越多的量化噪声,如果不加以抑制,可能会在很大程度上破坏信号。为了评估粗略量化的影响,基于确定性行为模型或随机过程的不同建模技术可能对我们有所帮助。
总的来说,对改进的数学工具的需求比以往任何时候都大,希望能够借助这些工具来评估无线器件随时间/频率和空间变化的非理想行为。具体来说,这是因为这些模型可作为高级补偿技术(如数字预失真(Digital Pre-Distortion,DPD)或相位噪声跟踪)的基础。当前该领域的发展使得能进一步分析和理解射频非理想性在大型天线阵列中的表现。由于对通带或基带数据过采样,基于此的大部分行为模型不一定可用,目前另一个刚刚开始的相关建模领域是无线损伤的随机模型,旨在帮助链路级或系统级性能分析。这个建模框架将在第4章进一步讨论。

参考文献

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