解码 NR 设计| 带你读《5G 空口设计与实践进阶 》之二-阿里云开发者社区

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解码 NR 设计| 带你读《5G 空口设计与实践进阶 》之二

简介: NR 主要是从超大带宽传输、多载波传输、更高阶调制、超密集组网以及大规模天线等方面来实现更高速率的。这些技术的实现,与 NR 物理层的设计密切相关。
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NR 演进之路

| 1.1 NR 的需求和目标 |

| 1.2 解码 NR 设计 |

在 NR 的三大典型场景中,不同场景对关键能力指标的侧重点不同,如图 1-3所示。其中,增强移动宽带 eMBB 是移动通信系统设计最基本的覆盖目标。eMBB要求在连续广覆盖场景下,无论用户处于覆盖中心还是边缘,无论终端处于静止还是高速移动,都能获得最低 100 Mbit/s 的体验速率保证。而实际上,由于多普勒效应的存在,高移动性与高速率保证是一对某种程度上互斥的指标。这就决定了,NR 的设计必须是系统性的优化或重设计,使原本对立的性能指标趋于整体最优。而海量机器类通信(mMTC)既要求支持海量的设备接入,又要求极高的网络能效,同理也免不了性能与成本的博弈。超高可靠低时延通信(uRLLC)对时延、可靠性等能力有严格的要求,且极可能与 eMBB 业务并存,此时单一的空口技术优化或突破已无法同时满足多个差异化的指标需求。因此,NR 的设计需要系统性的解决方案,定义 NR 的将是一组关键技术而非单一技术。需要强调的是,NR 选择的技术不一定是理论上最先进的,但一定是可实现和满足需求的。

image.png

图 1-4 简化和归纳了 NR 典型应用场景的主要需求,以及相应的解决方案。对于高速率需求,主要通过超大带宽传输、多载波优化、更高阶调制、超密集组网以及大规模阵列天线等技术方案解决;对于广覆盖需求,可从信道覆盖增强、辅助上行、终端增强等方面入手;对于高移动性需求,为了克服多普勒频偏的影响,主要是从系统参数设计和优化的途径实现。对于低时延需求,则必须通过网络架构调整以及空口技术的优化解决;而对于大连接需求,目前主流的思路是通过非正交多址接入及相应的免调度接入机制等来实现。

image.png

下面重点讨论高速率、广覆盖、高移动性、低时延和大连接的基本约束和实现。

1.2.1 高速率需求的实现

高速率是 NR 及历代移动通信系统的重要提升方向。对于高速率的追求,实际是对香农极限(Shannon Limit)的不断逼近。
香农第二定理给出了有噪信道信息传输速率的上限。对于给定的存在随机热噪声的通信信道,其信道容量 C 可表示为

image.png

在式(1-1)中,B 是可用的信道带宽,S 是接收信号平均功率,N 是加在接收信号上的白噪声功率。
1.高速率的基本约束
由式(1-1)可知,限制可达数据传输速率的两个重要因素分别是信噪比和可用带宽。更进一步地分析,假设以信息速率 R 进行通信,Eb 是接收信号的每比特能量,则接收信号功率 S 可以表示为

image.png

用 n0 表示噪声单边功率谱密度,则噪声功率 N 可以表示为

image.png

由于理论上可达数据传输速率不可能超过香农极限,联系式(1-2)和式(1-3),则有

image.png

定义无线链路带宽利用率γ =R/B,则有

image.png

变化不等式(1-5),可计算出,在一定噪声功率密度下,给定带宽利用率γ 所需要达到的每比特接收能量的下限:

image.png

接收端所需image.png与带宽利用率γ 的关系曲线如图 1-5 所示。

image.png

图 1-5 提供了一种新的视角,即在给定噪声功率密度下,观测可用带宽 B的变化对某种信息速率 R 对应所需的接收信号功率 S 的影响,分析后得出以下基本结论。

  • 当γ >1 时,image.png随着γ 迅速增长,也就是说,更高的数据速率要求高信噪比或信干比,但如果可用带宽 B 与信息速率 R 成比例增长,则会降低该信息速率下所需的最小接收信号功率 S,这类场景我们称为带宽受限。
  • 当 γ<<1时,无论γ 取何值,image.png趋于某个定值,此时,可用带宽 B的增长并不完全影响某种信息速率所需的接收信号功率 S,在给定噪声功率密度下,任何信息速率 R 的增长都要求接收端最小信号功率要有 image.png的相对增长,这类场景我们称为功率受限。

2.高速率的实现思路
根据前述的讨论,为获取更高的数据速率,增大带宽、提高信噪比是主要的途径。NR 实现高速率的设计思路也源于此。
(1)超大带宽传输。
在带宽受限时,为了高效利用可获得的接收信号功率,更准确地说是可获得的信噪比,增加系统带宽是提高信息速率最直接的方法。因此,超大带宽传输是 NR 的主要设计方向。
超大带宽传输面临的严峻问题是,低频带资源稀缺,且考虑到目前的频率占用情况,低频带难以提供足够的连片带宽,因而 NR 将采用高频通信。这是由于无线通信的最大信号带宽约是载波频率的 5%,载波频率越高,可实现的信号带宽也越大。
根据 R15,NR 定义的工作带宽最大可达 100 MHz(Sub 6G)和 400 MHz(mmWave),这相比 LTE 单载波最大带宽 20 MHz 的设计提高 5~20 倍。需要指出的是,工作带宽不可能也不必要无限拓展。这是由于,一方面,应用更高带宽对基站和终端的无线器件有影响,设计支持更高带宽的射频器件将更加复杂且成本更为昂贵;另一方面,在给定信噪比时,即使带宽趋于无穷大,信道容量也不会趋于无限大,而只是 S/n0 的 1.44 倍。相关证明如下。
根据式(1-3),可将式(1-1)改写为

image.png

image.png,则式(1-7)可进一步改写为

image.png

利用关系式

image.png


image.png

可以从式(1-8)写出

image.png

根据式(1-11)画出的信道容量 C 和带宽 B 的关系曲线如图 1-6 所示。

image.png

(2)多载波传输。
在讨论超大带宽传输时,通常需要关注的细节还有无线信道频率选择性对信号传输的衰减。一般来说,更高带宽传输时受到信道频率选择性的影响更大。因此,在超大带宽传输时,必须考虑专门的传输方案和信号设计。典型的解决方法如多载波传输。
多载波传输是通过传输多路窄带的子载波信号来替代传输一路宽带信号。M 路子载波信号通过频率复用后在相同的无线链路上共同传输至同一接收机,既能够使整体数据速率增加到 M 倍,又能使无线信道频率选择性所造成的信号衰减仅取决于每个子载波的带宽。
LTE 选择的多载波传输方案是,下行链路采用 CP-OFDM,上行链路采用DFT-S-OFDM。在 R15 中,NR 沿用了 OFDM 技术,区别主要有两方面:其一,NR 上行链路既支持 OFDM 又支持 DFT-S-OFDM;其二,NR 的 OFDM 基本参数支持多种 Numerologies(参数集)。
(3)更高阶调制。
在前文对带宽受限的讨论中已推导出,更高的带宽利用率要求更大的image.png这意味着,在给定带宽时,要获取更高的信息速率,需要保证更高的信噪比。但实际上,在小区轻负载或者用户靠近小区中心等特定场景下,较高的信噪比是可保证的。因而在这类场景且给定传输带宽的条件下,可以通过高阶调制来提高数据传输速率。
从 LTE 到 NR,数据信道的调制方式演进见表 1-2。

image.png

相对 LTE,NR 增加了 256QAM 和π/2-BPSK 两种调制方式。256QAM 的星座图共有 256 个星座点,每个符号可以代表 8 bit 的信息,因而理论上 256QAM的带宽利用率是 QPSK 的 4 倍,但由此带来的代价是对抗噪声和干扰的能力降低。反之,在给定传输带宽,当信噪比变差时,数据信道必须回落到低阶调制的方式,以保证可靠的数据传输。这也是 NR 在上行信道引入π/2-BPSK 以提高小区边缘覆盖的原因。
(4)超密集组网。
根据图 1-5 和图 1-6,当可用带宽增大到一定程度时,由于噪声功率的增大,带宽 B 作用于信道容量提升的增益将趋缓,此时系统功率受限。为了获取更高速率,必须提高接收端信号功率,或者更准确地说,必须提高信噪比。
假定噪声功率一定,提高发射端发射功率是解决功率受限问题的可选方案。但实际上,出于电磁辐射对人体的影响、节能降耗的运营需求以及射频器件功放设计的限制等因素,发射端功率无法显著提升。对应 R15,NR 上行链路也仅是在若干频带(n41/n77/n78/n79)上允许终端提高 3 dB 发射功率。因此,仍需寻求在传输功率恒定条件下的解决方案。
在给定发射功率和噪声功率的条件下,决定接收信号功率的主要因素是链路传播损耗。因此,适当缩减小区的覆盖区域,可以缩短收发两端的距离并至少在理论上可以减少传播损耗,保证接收端信号功率的幅值,增加可获得的数据速率。
实际上,NR 也采用了类似的技术手段,即超密集组网,来实现局部热点区域的数据速率的成倍提升。
(5)大规模阵列天线。
在给定发射功率条件下,提高整体接收信号功率的另一种可选方法是增加接收端的天线数,即通过分集增益成比例地提高信噪比,从而在给定收发距离下也能达到更高的数据速率。但仅在收发的任意一侧增加天线数来提高数据速率是有上限的,更进一步的提高还需要在收发两端均增加天线数,以获得空分复用增益,突破数据速率提升的限制。上述方法即 MIMO 技术。
实际上,MIMO 技术已经在 LTE 中得到了广泛的应用。而 NR 将进一步增加天线的规模,通过巨大的阵列增益来改善接收信号强度并更好地抑制用户间干扰,从而实现更高速率。
综上所述,NR 主要是从超大带宽传输、多载波传输、更高阶调制、超密集组网以及大规模天线等方面来实现更高速率的。这些技术的实现,与 NR 物理层的设计密切相关,具体将在后续章节介绍。此外,作为补充,前述讨论均是基于给定噪声功率的前提条件,在实际应用中,还可以通过使用更加先进的RF 设计来降低接收端噪声,提升可达的信噪比。

1.2.2 广覆盖需求的实现

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