5G-NR物理層關(guān)鍵技術(shù)及其在廣電領(lǐng)域應(yīng)用中的思考

黃云霞

(甘肅省甘南州廣播電視臺，甘肅 甘南 747000)

0 引言

隨著移動通信技術(shù)發(fā)展速度的不斷提升，5G標(biāo)準(zhǔn)制定工作正在有序推進(jìn)過程中。該標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際制定過程中將增強(qiáng)型移動寬帶、超可靠低延遲通信以及大規(guī)模機(jī)器類型通信3種環(huán)境條件下通信過程中產(chǎn)生的問題作為主要解決目標(biāo)。

無線空口在任何通信系統(tǒng)中均會承擔(dān)著基礎(chǔ)組成元素地位，5G系統(tǒng)的無線空口可以應(yīng)用的頻率范圍達(dá)到SUB-1～100 GHz，同時也可以支持各種類型及規(guī)格的蜂窩小區(qū)，并有效滿足不同場景下的通信需求。5G-NR系統(tǒng)物理層結(jié)構(gòu)由3GPP定義，整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。5G獨(dú)立組網(wǎng)于2018年6月正式完成，作為第一個真正意義上的5G版本，后續(xù)版本需要以此為基準(zhǔn)，向此版本兼容。由此，行業(yè)內(nèi)技術(shù)人員主要基于此版本對5G-NR物理層關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并對其在廣電中的應(yīng)用價值進(jìn)行探索。

1 5G-NR物理層關(guān)鍵技術(shù)概述

1.1 MIMO技術(shù)

雖然MIMO技術(shù)并非目前最先進(jìn)的技術(shù)，但是其在LET系統(tǒng)中發(fā)揮的作用以及展現(xiàn)出的價值使得該技術(shù)成為5G技術(shù)的核心技術(shù)之一。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用于5G技術(shù)過程中，多天線同時傳輸方案、信道反饋等是其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的主要側(cè)重點(diǎn)，在具體設(shè)計(jì)過程中需要兼顧開環(huán)及閉環(huán)傳輸以及半開環(huán)傳輸方案，需要支持各種方案在實(shí)際應(yīng)用過程中實(shí)現(xiàn)動態(tài)切換[1]。

5G-NR天線方案在不同頻段范圍內(nèi)也存在較大差異。低頻段范圍條件下，MIMO方案主要為LTE版本的加強(qiáng)模式，主要是為日益增長的數(shù)據(jù)傳輸速率以及系統(tǒng)容量不斷提升要求，因此采用了提升頻譜利用率的方案。5G-NR在實(shí)際構(gòu)建過程中規(guī)范了MU-MIMO以及互易性方面，使得該系統(tǒng)可以更加靈活地對參考信號以及控制信令傳輸進(jìn)行調(diào)整，操作者可以上線對傳輸模式進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，這種靈活的數(shù)字化控制多天線陣列傳輸?shù)姆绞娇梢允箍臻g分辨率以及頻譜效率大幅提升，準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息(CSI，ChannelStateInformation)反饋是保證MIMO獲得較大性能提升的重要因素，5G-NR僅在需要時才觸發(fā)非周期參考信號用于信道和干擾測量，該CSI反饋過程不僅能簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而且對今后5G-NR的版本有較好的后向兼容性[2]。

在高頻段范圍條件下，可用頻率大幅提升性能，但傳輸過程中存在損耗較大的缺陷。因此，覆蓋率是此條件下天線方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。5G-NR在實(shí)際構(gòu)建過程中對毫米波頻段進(jìn)行增高處理，波長以及天線陣列尺寸相對短小。為實(shí)現(xiàn)提升信號覆蓋率的目的，在此過程中波束賦形發(fā)揮著重要作用。5G-NR在實(shí)際構(gòu)架過程中兼顧模擬以及數(shù)字波束賦形，模擬波束賦形在實(shí)際應(yīng)用過程中呈現(xiàn)出較好的經(jīng)濟(jì)性，因此適用于6 GHz以上的高頻段條件，而數(shù)字波束賦形在資源調(diào)度方面呈現(xiàn)出更加靈活的優(yōu)勢，適用于6 GHz以下的較低頻段。相較于前幾代移動通信系統(tǒng)，5G-NR的CSI反饋架構(gòu)更具靈活性優(yōu)勢同時較為統(tǒng)一，這種優(yōu)勢使得波束賦形在承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸功能外，還可以應(yīng)用于初始接入以及廣播信道[3]。

1.2 5G-NR波形

5G-NR上下行鏈路與LET系統(tǒng)呈現(xiàn)明顯的差異性。LET系統(tǒng)上下鏈路分別采用CP-OFDM以及DFT-s-OFDM，5G-NR上下鏈路均采用CP-OFDM波形。相同的波形在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中更加便利，尤其是在無線回傳以及D2D系統(tǒng)方面，但是需要注意的是該模式同樣存在短板，因此，在單流傳輸覆蓋受限的情況下，上行線路設(shè)計(jì)中依然保留DFT-s-OFDM波形。

5G-NR在OFDM參數(shù)集方面較為靈活，在實(shí)際應(yīng)用過程中可以有效滿足較寬方位條件下的頻率以及應(yīng)用場景。其子載波間隔幅度可以達(dá)到15×2nkHz，其中n為整數(shù)。單行的OFDM參數(shù)集(見表1)，在不同頻段中具有不同的參數(shù)集。其中，DFDM符號長度的7%即是CP長度，需要注意的一點(diǎn)是，其具備一定特殊性，在60 kHz子載波條件下，CP長度受其影響會產(chǎn)生一定量的沿程。不同參數(shù)集所支持的最大子載波數(shù)量均控制在3 300個，由此，可以計(jì)算出不同參數(shù)集所支持的最大寬帶。在實(shí)際應(yīng)用過程中，可通過載波聚合的方式實(shí)現(xiàn)放大信道寬帶的目的，3GPP R15以及LET所支持的最大載波聚合數(shù)量分別為16個和5個。相較于LET，5G-NR頻譜利用率呈現(xiàn)出明顯的大幅提升態(tài)勢，LET的頻譜利用率為90%，而5G-NR在濾波以及加窗等頻域處理手段支持下可以使利用率擴(kuò)大到94%～99%。

表1 5G-NR典型OFDM參數(shù)集

2 5G-NR物理層關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于廣電領(lǐng)域的價值分析

2.1 MIMO技術(shù)分析

MIMO技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)出的價值以及功能使其得到了廣泛應(yīng)用，即使該技術(shù)并非是前沿技術(shù)，但是依然被5G-NR視為核心技術(shù)之一，同時其在提升頻譜效率以及傳輸速率等方面展現(xiàn)出較大的發(fā)展前景?，F(xiàn)階段，MIMO技術(shù)逐漸融入到廣電標(biāo)準(zhǔn)中，其中以ATSC3.0、DVB-T2為典型代表，然而我國廣電標(biāo)準(zhǔn)中尚未融入該技術(shù)，而導(dǎo)致廣電系統(tǒng)未應(yīng)用該技術(shù)的主要因素包含以下幾點(diǎn)。

1)天線尺寸差異限制MIMO技術(shù)應(yīng)用。信道非相干性是確保MIMO技術(shù)性能得到完美發(fā)揮的重要前提，這就要求發(fā)送端以及接收端天線間距應(yīng)分別控制在波長10倍以上以及半波長。而廣播電視頻段相對較低，天線尺寸較大，難以滿足MIMO技術(shù)的應(yīng)用。

2)反饋信道不滿足實(shí)際應(yīng)用要求。MIMO技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中要求反饋信道滿足鏈路自適應(yīng)支持閉環(huán)MIMO條件，然而當(dāng)前廣播電視在反饋信道建設(shè)方面缺失，僅支持開環(huán)MIMO。

3)成本及指標(biāo)增益關(guān)系方面尚不明確?；谏鲜鱿拗?，廣播電視在考慮MIMO技術(shù)使用時應(yīng)以2×2等低階為主，通過采用交叉極化天線、天線小型化等技術(shù)解決天線尺寸問題，通過基于統(tǒng)計(jì)信道信息的預(yù)編碼方案改善缺乏反饋鏈路情況下的MIMO性能。目前，將MIMO技術(shù)應(yīng)用于廣播電視領(lǐng)域可行的方案主要有兩類。

一類是依托于單頻網(wǎng)。MIMO兩路發(fā)射信號選取2個不同的發(fā)射站點(diǎn)。該模式并非首創(chuàng)，DVB-T2即采用此方法，主要原理為基于單頻網(wǎng)，將2個不同的發(fā)射站點(diǎn)以及經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)處理的Alamouti編碼相結(jié)合達(dá)成發(fā)射信息的目的。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及具體研究表明，在利用已有單頻網(wǎng)設(shè)備條件下，此方面可以將傳輸性能提升1.5 dB左右，有效實(shí)現(xiàn)了提升信號覆蓋效率。

另一類是天線收發(fā)端處設(shè)置交叉極化天線。在信號傳輸方面主要將經(jīng)過預(yù)編碼的兩路信號通過不同極化方向進(jìn)行傳輸。該方案既可以利用MIMO的空間分集提升覆蓋性能，也可以利用MIMO的空間復(fù)用克服給定信道帶寬中單天線無線通信的信道容量限制，但收發(fā)端都得增加MIMO相應(yīng)的處理系統(tǒng)，例如空分復(fù)用模塊、預(yù)編碼模塊、檢測解碼模塊及多天線等。ATSC3.0標(biāo)準(zhǔn)采用了2×2MIMO，配合多種可選預(yù)編碼技術(shù)等，使其性能較SISO有較大幅度的提升。

現(xiàn)階段，國際上已經(jīng)開始推動600 mHz以及700 mHz移植到移動通信業(yè)務(wù)之中，由此，隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展，MIMO作為核心技術(shù)，其硬件成本會隨之下降。隨著高清電視、AR/VR及360°全景視頻發(fā)展速度的不斷提升，MIMO技術(shù)在廣電領(lǐng)域中的發(fā)展前景會隨著寬帶內(nèi)高數(shù)據(jù)速率的需求提升而提升。

2.2 波形技術(shù)對比

當(dāng)前，正交頻分復(fù)用技術(shù)被廣泛應(yīng)用于5G系統(tǒng)以及廣電領(lǐng)域之中，保護(hù)間隔以及OFDM長度是二者之間的主要區(qū)別。

5G系統(tǒng)以及廣電系統(tǒng)在保護(hù)間隔方面的差異主要體現(xiàn)在插入內(nèi)容以及長度方面，CP-OFDM主要采用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，而TDS-OFDM則再次采用PN序列以及同步信息。前者在抗干擾能力方面具備較大優(yōu)勢，而后者則選擇“犧牲”一部分抗干擾能力獲取提升接收端信道估計(jì)以及同步性能。信道的時延拓展及覆蓋半徑與保護(hù)間隔之間呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，保護(hù)間隔會隨著時延拓展以及覆蓋半徑提升而提升?？紤]到廣電系統(tǒng)的覆蓋半徑遠(yuǎn)高于5G系統(tǒng)，因此廣電系統(tǒng)的保護(hù)間隔也相對較長。由此，在討論利用5G-NR開展大范圍廣播、組播業(yè)務(wù)時，必須要考慮在現(xiàn)有波形參數(shù)上定義加長版的CP及OFDM長度。

3 結(jié)語

目前，5G技術(shù)已經(jīng)成為未來通信技術(shù)發(fā)展的重要進(jìn)步，未來，5G技術(shù)將逐漸成為推動國家社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要動力。從技術(shù)層面出發(fā)，5G-NR物理層關(guān)鍵技術(shù)具備應(yīng)用于廣電系統(tǒng)的價值，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中需要將MIMO技術(shù)的適用性以及CP與CFDM長度作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。