简单分析工程师不可不知的5G知识

在过去的几年里，研究人员一直在努力探索新概念和新技术来回答“什么是5G”。第三代合作伙伴计划组织（3GPP）是一个负责发布无线通信标准规范的标准机构。他们制定了一个5G时间表，这一时间表的第一阶段称为新空口（New Radio, NR），时间期限是2017年12月，因此目前所剩的时间已经不多了。


图1 - 5G新空口技术的第一个规范预定于2017年年底发布，并在2018年进一步更新。

虽然NR阶段1将不同于当今移动通信中常用的LTE协议，但二者也有相似之处。LTE和NR之间最显著的差异是载波带宽和工作频率。除此之外，NR在模拟以及数字领域还增加了新的波束赋形能力。下表逐一比较了LTE和NR的一些重要规范。


表1 – 提议用于5G的毫米波频带

为了满足紧迫的5G部署时间表，一个分阶段计划被提出来。该计划包含两种版本的NR：独立版本和非独立版本。非独立版本将以LTE eNB为主节点，并将NRgNB（等同于5G NR的eNB）的辅小区连接到EPC。如下图所示：




图2.1和2.2

5G NR非独立版本的目的是在5G技术部署初期利用现有基础设施，而独立版本的目标是向后兼容未来的无线标准。独立网络可以与非独立网络共存并同步运行。独立版本的具体推出日期尚未确定，但是NR阶段1已将其作为一项用例考虑在内，独立组网模式的示意图如下。




图3

除了标准化机构所作出的努力之外，Verizon和韩国电信（KT）正在尝试将准5G技术商业化。

Verizon计划在2017年冬天部署基于5G技术论坛（Verizon 5GTF或V5GTF）物理层的固定无线接入技术。V5GTF将在28GHz下运行，可为“最后一公里”应用提供高速互联网，但不覆盖移动应用；

另一方面，KT计划在2018年2月举行的冬季奥运会上部署准5G技术，部署细节尚未公开。

经过广泛的讨论和争论后，5G的工作频率也渐渐明了。以下基于3GPP的讨论结果列出了几个正在考虑的候选频率。

- LTE与5G功能比较



表2 - LTE与5G功能比较

值得注意的是，6GHz以下的频率在5G技术中仍发挥着重要作用。各个企业正在尝试将LTE中的带宽提高到目前的5倍。上表列出的是一些重点考虑的频率，但该列表并不完整。例如，T-Mobile计划在美国进行5G部署时使用600MHz左右的频谱。

尽管NR第一阶段的毫米波（mmWave）频率尚待确定，但由于不同区域的需求，仍然需要使用多个频段。例如，
中国监管机构提议使用24.75-27.5和37-42.5GHz频段；
美国的FCC提议使用28GHz和37-40GHz之间的两个频段；
欧盟明确表示将不再使用28GHz，而是把焦点转向24-27GHz频段以及38GHz和39GHz频段；
韩国和日本一致表示使用28GHz左右的频段。

更好地了解可能的标准内容是理解5G商业化的第一步，但组件和系统设计以及设备验证和测试仍面临着一些其他挑战，这些都可能影响新技术的部署进度。集成波束赋形等技术需要改变功率放大器和收发器等RFIC的设计。为了最大限度地减少系统损耗，越来越多的天线阵列正在集成到PA和收发器使用的芯片和模块中。因此，工程师无法再使用传统的有线测试方法来测试这些设备。相反，曾经被业界禁止的空中测试技术正在日益普及。

新空口，尤其是对于毫米波频率，要比LTE复杂得多。现有的大部分测试设备无法满足在较高载波频率和更宽带宽下进行空中测量的需求。事实上，即使是像RF功率测量这样最简单的测量任务，在5G的研发过程中都需要进行重新考虑，因为关于进行经校准的空中测量意味着什么，业界尚没有明确的定义和统一的意见。

虽然第1层和第2层协议的标准化即将敲定，但仍有许多挑战等待解决。至今为止，5G已经开辟了无线通信的新时代，而且显然这仅仅是一个开始。为了实现5G的商业化部署，现在轮到RFIC设计及测试和测量行业利用无线研究人员的研究成果进行创新了。