本文概述了支持eMBB和URLLC的關鍵5G目標應用所需的5G物理層及其實現。

　　提到5G，就能不說NR。5G NR，也就是5G新空口技術。所謂空口，指的是移動終端到基站之間的連接協議，是移動通信標準中一個至關重要的標準。我們都知道3G時代的空口核心技術是CDMA，4G的空口核心技術是OFDM。5G時代的應用將空前繁榮，不同應用對空口技術要求也是復雜多樣的，因此最重要的當然是靈活性和應變能力，一個統一的空口必須能解決所有問題，靈活適配各種業務。

　　增強型移動寬帶(eMBB)旨在顯著改善移動寬帶接入的數據速率、延遲、用戶密度、容量和覆蓋范圍，即使在智能高速公路等較為擁擠的環境中，也能夠實現AR/VR應用的實時數據流傳輸。超可靠的低延遲通信(URLLC)使用戶和設備能夠以最低延遲與其他設備進行雙向通信，同時保證高網絡 可用性。最后，大規模機器通信(mMTC)使得許多低成本、低功耗、長壽命的設備可以支持嵌入式 高速傳感器、停車傳感器和智能電表等應用。

　　物理層設計注意事項

　　在5G NR物理層中發揮決定性作用的關鍵特性包括：支持廣泛的工作頻段，以及這些工作頻段包含各種信道帶寬和多個部署選項;為應用提供超低延遲服務，這需要關鍵性傳輸具有短子幀和抗短突發干擾功能;動態共享頻譜以提供上行鏈路(UL)、下行鏈路(DL)、側鏈路(Side Link)和回程鏈路;實現多天線技術(多輸入、多輸出或MIMO)，以提高頻譜效率;保持緊密的時間操作和更高效的頻率使用，以實現更好的時分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)部署;要求DL和UL對稱，使得小型低成本的基站能夠在毫米波頻率下運行。

　　目前，業內研究人員正在積極致力于解決實現穩定可靠的5G網絡所面臨的挑戰。

　　用于5G NR的波形

　　NR是個復雜的話題，因為它涉及一種基于正交頻分復用(OFDM)的新無線標準。OFDM指的是一種“數字多載波調制方法”。隨著3GPP采用這一標準之后，NR這一術語被沿用下來，正如用LTE(長期演進)描述4G無線標準一樣。

　　5G無線電接入架構由LTE Evolution和New Radio Access Technology(新無線電接入技術，NR)組成，NR工作在1GHz到100GHz

　　OFDM指的是一種“數字多載波調制方法”，其中“使用大量間隔緊密的正交子載波信號在幾個并行數據流或信道上傳輸數據”。NR需要使用LTE以外的新無線電接入技術(RAT，Radio Access Technology)——它必須足夠靈活，以支持從小于6GHz到高達100GHz的毫米波(mmWave)頻段的更寬范圍的頻帶。

　　CP-OFDM：下行鏈路和上行鏈路

　　最近，研究人員一直在研究多種不同的多載波波形，并提出5G無線電接入方案。然而，由于正交頻分復用(OFDM)方案非常適用于TDD操作和時延敏感的應用，加上該方案能夠有效地處理大帶寬 的信號，在商業應用上已有諸多成功案例，所以循環前綴(CP)OFDM成為首選為NR。 CP-OFDM的強大優勢使其非常適合用于實現5G網絡：高頻譜效率、MIMO兼容、相位噪聲抑制、收發器的簡易性、定時誤差和符號間干擾電阻。

　　DFT-S-OFDM：更高效率的上行鏈路

　　OFDM波形的主要缺點之一是峰值平均功率比(PAPR)較高，這會降低發射機上RF輸出功率放大器的效率，無法最大程度地降低高階非線性效應。對于智能手機等UE來說，最重要的兩點是維持 電池壽命和降低能耗。在移動設備中，射頻功率放大器負責將信號傳輸到基站，因而該器件消耗 的功率最大，因此系統設計人員需要一種波形類型，既可讓放大器高效運行，同時又能夠滿足5G 應用的頻譜需求。

　　而據華為研究人士表示，選擇基于循環前綴的OFDM(CP-OFDM)波形可以實現比LTE更好的頻譜約束(濾波或加窗)。下行鏈路(DL)和上行鏈路(UL)具有對稱波形，并且對于UL具有互補DFT-OFDM，僅有一個數據流。

　　5G NR采用的波形(華為資料)

　　比較OFDM與目前的LTE，發現OFDM中具有更好的可擴展性可以實現低得多的延遲——其往返時間(RTT)比當今的LTE低一個數量級。OFDM具有自包含的TDD子幀設計，能夠實現更快更靈活的TDD切換和換向，同時支持新的部署場景。

　　對TDD切換和換向來說，OFDM的自包含TDD子幀設計比LTE的8個HARQ接口更快、更靈活

　　NR參考信號

　　為了提高協議效率，以及維持時隙或波束內的傳輸而不必依賴于其他時隙和波束，NR引入了以下四個主要參考信號，如解調參考信號(DMRS)、相位跟蹤參考信號(PTRS)、探測參考信號(SRS) 、信道狀態信息參考信號(CSI-RS)。與LTE標準通過不斷交換參考信號來管理鏈路不同的是，NR發射機僅在必要時才發送這些參考信號。

　　MIMO

　　為了更高效地使用頻譜并為更多用戶提供服務，NR計劃充分利用MU-MIMO技術。 MU-MIMO利用 多個用戶之間不相關的分散空間位置來為MIMO增加多址(多用戶)能力。在這種配置中，gNB將 CSI-RS發送給覆蓋區域中的UE，并且基于每個UE設備的SRS響應，gNB會計算每個接收機的空間 位置。前往每個接收機的數據流會經過預編碼的矩陣(W-Matrix)，矩陣將數據符號組合成信號， 流向gNB天線陣列中每個元件。

　　多個數據流擁有各自獨立且適當的權重，這些權重使每個數據流產生不同的相位偏移，使得波形之間相長干涉，并且同相到達接收機處。這將每個用戶位置處的信號強度最大化，同時最大限度 減小其他接收機的方向上的信號強度(零值)。