5GNR的三大关键技术

5G NR三大关键技术
一、Massive MIMO
在2010年底，贝尔实验室的Thomas在《无线通信》中提出了5G中的大规模多天线的概念。

在Massive MIMO系统中，通过建立极大数目的信道实现信号的高速传输，并通过大规模天线简化MAC层设计来最终实现信号的低时延传输。

因为这些可实现的优点，Massive MIMO技术被认为是5G中的一项关键可行技术。

Massive MIMO 是传统MIMO技术的扩展和延伸，其特征（集中式Massive MIMO ）在于以大规模天线阵的方式集中放置数十根甚至数百根以上天线。

Massive MIMO技术可以直接通过增加天线数量来增加系统容量。

基站天线数量远大于其能够同时服务的终端天线数，形成了Massive MIMO无线通信系统，以达到更充分地利用空间维度，提供更高的数据速率，大幅度提升频谱效率的目的。

随着基站天线数的增加，Massive MIMO可以通过终端移动的随机性以及信道衰落的不相关性，利用不同用户间信道的近似正交性降低用户间干扰，实现多用户空分复用。

由于Massive MIMO技术的上述特点，在近年来5G新空口的研究中，Massive MIMO技术是非常重要的关键技术之一。

Massive MIMO 的优势
1. 相较于传统的MIMO系统，Massive MIMO系统的空间分辨率被极大地提升了。

Massive MIMO技术可以在没有基站分裂的条件下实现空间资源的深度挖掘。

2. 波束赋形技术能够让能量极小的波束集中在一块小型区域，因此干扰能够被极大地减少。

波束赋形技术可以与小区分裂、小区分簇相结合，并与毫米波高频段共同应用于无线短距离传输系统中，将信号强度集中于特定方向和特定用户群，实现信号的可靠高速传输。

3. Massive MIMO技术能够通过不同的维度（空域、时域、频域、极化域）提升频谱利用效率和能量利用效率。

与4G的差异
5G新空口Massive MIMO技术的显著特点之一是天线数量远高于LTE系统。

为了满足5G新空口的性能需求，发射及接收点（TRP ――Transmission and Reception Point ）考虑支持到256Tx。

在NR仿真假设的相关讨论中，70GHz TRP的收发天线数甚至可以达到1024个。

虽然高频段的路径损耗和穿透损耗
都比较大，但对于减小天线尺寸，在相同的天线阵平面面积部署更多的天线数上具有天然的优势。

5G新空口Massive MIMO技术的另一个特点是频率跨度大且带宽大。

NR的载波频率范围从4GHz左右到6GHz以上的高频段，可能支持的载波带宽也从80MHz 到1GHz左右。

如何在不显著增加TRP发射功率的前提下，提供类似LTE的覆盖？可行的解决方法就是充分利用数量众多的天线，一方面利用天线本身的增益，另一方面采用波束赋形技术，将发射功率集中在窄波束上，以提升覆盖性能。

可见相对于LTE更窄的波束及波束赋形是5G新空口Massive MIMO的必然选择，特别是对于6GHz以上的高频频谱。

二、新波形FB-OFDM
LTE采用正交频分复用（OFDM ）技术，子载波和OFDM符号构成的时频资源组成了LTE系统的无线物理时频资源。

通过使用循环前缀（CP），CP-OFDM 系统能很好地解决多径时延问题，并且将频率选择性信道分成了一套平行的平坦信道，简化了信道估计方法，提高了信道估计精度。

然而，由于CP-OFDM
系统带外泄露较大，目前LTE系统在频域上使用了保护间隔，降低了频谱效率，且CP-OFDM系统性能对相邻子带间的频偏和时偏比较敏感，要求相邻子带间的用户严格同步，因此不利于不同子带间不同业务的应用。

各大公司在5G技术研究中，把抑制带外泄露做为一个重要的方向。

如基于滤波器组多载波的移位正交复读调制（FBMC-OQAM ）技术，基于子带滤波的正交频分复用（F-OFDM ）技术，通用滤波的多载波（UFMC ）技术，通用频分复用（GFDM ）技术和基于滤波器组的正交频分复用（FB-OFDM ）技术。

FB-OFDM技术在原理上是通过多个滤波器（即滤波器组）对传输带宽里的多个子载波分别滤波，然后在叠加在一起形成时域数据信号，与其他方案相比：
1. 与LTE技术兼容性好。

2. 波形函数选择灵活性好。

不同场景使用不同的波形函数，以满足不同场景的重点需求。

3. 带外泄露小。

通过选择合适的波形函数，可以很好地抑制带外泄露，有利于减少保护子载波个数，并且提高频谱效率，特别是提高窄带频谱效率。

4. 异步性能好。

不同子带间可以异步，不同子带的子载波间隔和符号长度可以不同，以满足不同业务的需求，而且子带间不需要保护间隔，同一子带的不同子帧用户对同步的要求也降低了。

5. 资源调度灵活。

由于是子载波级滤波，因此子带的最小单位可以是单个子载波，即可以基于单个子载波进行调度，并且每个子载波之间可以异步。

三、新型调制编码
2016年11月18日在美国内华达州举办的RAN1 87次会议上，经过激烈的讨论，国际移动通信标准化组织3GPP最终确定了5G增强移动宽带（eMBB）场景的信道编码技术方案，其中，Polar码作为控制信道的编码方案；LDPC码作为数据信道的编码方案。

什么是信道编码？
数据通过无线信号在手机和基站间传送，由于受到无线干扰、弱覆盖等原因影响，发送的数据和基站接收到数据有时会不一致，为了纠错，移动通信系统就引入了信道编码技术。

信道编码，简单的讲就是我们在有K比特的数据块中插入冗余比特，形成一个更长的码块，这个码块的长度为N比特，N>K，N-K就是用于检测和纠错的冗余比特，编码率R就是K/N o 一个好的信道编码，是在一定的编码率下，能无限接入信道容量的理论极限。

5G为什么采用与4G不同的编码方案？
3G与4G均采用了turbo码的信道编码方案。

5G时代，峰值速率要求20Gbps，时延在0.5ms。

Turbo码编码简单，Turbo码的2个核心标志是卷积码和迭代译码，解码性能出色，3G与4G均采用了turbo码的信道编码方案。

但是LDPC码的译码可以并行，利用硬件换取速度，虽然硬件资源消耗大，但是可以更好的适应5G的
需求。

Turbo码迭代次数多，译码时延较大译码时延大，不适用于5G高速率、低时
延应用场景。

LDPC码则可以硬件实现并行运算，线性时间内可以编解码，非常适合高速率处理的场景。

Polar码则基于信道极化现象和串行译码方式提升信息比特的可靠性。

基于信道的组合和分离，当组合信道的数量趋于无穷大的时候，一部分信道趋向于完美的信道，而一部分信道则趋向于纯噪声信道，即信道极化现象。

基于此信道极化现象可以构造一种极化码，选择性使用组合信道中比较好的，因此极化码理论上可以达到香农极限。

Polar码的优势是计算量小，小规模的芯片就可以实现，商业化后设备成本较低。

但Polar码在长信号以及数据传输上更能体现出优势，香农理论的验证也是Polar在长
码上而不是在短码上实现的。

因此，Polar码拿下信令信道编码方案，LDPC码拿下数据信道编码方案。