5G NR 简介

了解 5G NR 的基础知识，包括其频段、应用以及哪些技术使之成为可能。

5G 是无线智能手机通信的下一代（第五代），已在消费领域大力推广，作为移动设备的升级。但在开发这些设备的工程师眼中，5G 意味着什么？

在本文中，我们将深入探讨 5G NR（新无线电）并探索该新兴标准涵盖的多用途模型和多频段。我们还将了解一些与 5G NR 相关的先进技术。

5G 标准

5G 标准由第三代合作伙伴计划 (3GPP) 制定，该计划由来自七个不同全球标准组织的合作伙伴组成。 5G 标准始于 2017 年 12 月的“第 15 版”，并且随着新特性、功能和要求的增加，在后续版本中得到扩展。

在 3GPP 中有技术规范组 (TSG)，它们致力于以越来越高的抽象级别定义 5G NR 系统。示例级别包括但不限于：

无线电接入网络 (RAN)： 负责定义无线电性能规范的较低级别 (1-3)，其中包括：
- 物理层
- 调制
- 频分双工 (FDD)
- 时分双工 (TDD)
- 波束成形
- 错误检测
- 更正
服务和系统方面 (SA)： 监督整体架构和服务能力，包括计费、计费、网络管理和安全
核心网络和终端 (CT)： 定义用户设备、网络之间的切换、服务质量映射等规范。

5G分层服务的三个频段

随着无线电信技术的进步，频率和带宽稳步增加。如图 1 所示，新一代保留了与现有网络的一些向后兼容性，但扩展到了更多频段。

图 1。 2G、3G、4G 和 5G 网络频谱分配的演变。图片由爱立信提供

随着 5G 进入 30GHz 以上的毫米波 (mmWave) 频率，这一趋势正在向前迈进一大步。这使得 5G NR 能够在低于 6GHz 的频率下支持高达 100MHz 的超宽带宽，在更高的频率下支持高达 400MHz 的超宽带宽。

5G一般可以分为三个频段：

FR1
- 低频： MHz–1 GHz
- 中频：1–7 GHz
FR2
- 更高的频率： 24–48 GHz

如图 2 所示，三个频段旨在协同工作，以满足对带宽、延迟和覆盖范围的不同需求。

图 2。 5G NR 3 个频段的带宽、延迟和覆盖范围之间的关系。图片由研华提供

5G 的初始部署处于较低频率范围 (FR1)，有两个频段（称为低频段和中频段），跨越用于智能手机的更传统的 450 MHz 至 6 GHz 频率。这些较低的频率提供了最大的覆盖范围。

更高的频率范围 (FR2) 向上移动并进入毫米波区域，频率范围为 24 - 100 GHz，以支持更快的下载速度并支持需要超低延迟的新应用。

用于 5G NR 的正交频分复用

上行链路和下行链路连接的 5G 传输均基于 OFDM（正交频分复用）。 OFDM 结合正交幅度调制 (QAM) 和频分复用 (FDM) 以实现高数据速率通信。

由于子载波频率彼此正交，因此各个峰值都与其他子载波的零点对齐（图 3）。

图 3。正交频分复用的频谱。图片由是德科技提供

这最大限度地减少了干扰并允许接收器有效地恢复信号。这些调制副载波可用于支持许多独立的信号（如 FM 无线电频道），但在 5G 应用中通常会组合起来以提高单个频道的数据速率。

NR 规范支持 15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz、240 kHz 或 480 kHz 的可调载波间隔，最多有 3300 个子载波。此外，副载波调制可以是 QPSK（四相移键控）或 16-、64- 或 256-QAM。这些选项提供了多功能性，允许运营商优化通信方案以满足环境和应用。

5G 性能对比 4G

正如我们对每一代智能手机技术所期望的那样，5G 比其前身 4G 速度更快，容量更大。 5G 预计将支持高达 10-20 Gb/s 的峰值数据传输速率和超过 100 Mb/s 的平均数据速率。 5G 还旨在通过提高网络效率和将延迟降低 10 倍至低至 1 毫秒来支持容量增加 100 倍。

除了这些基本改进之外，5G 还被设计为比 4G 更加多样化的电信标准，以支持标准移动宽带以外的应用，包括：

具有低延迟的关键任务通信
面向物联网 (IoT) 的大规模连接
支持所有频谱类型（许可、共享、未许可）
扩展部署模型，包括热点
新的通信模型，例如设备到设备和多跳网格。

5G 使用模型

通常，当我们听到 5G 时，我们会立即想到更好的智能手机，这确实是 5G NR 规范的一个方面。然而，正在开发的标准不仅仅支持更好的智能手机。具体来说，主要有以下三种使用模型，如图4所示：

eMBB （增强型移动宽带）：智能手机、消费类应用程序略有改善
URLLC （超可靠和低延迟通信）：关键任务服务
mMTC （大规模机器类型通信）：想想物联网

图 4。三种 5G NR 使用模型的示例应用。图片 [修改] 由 3GPP 提供

eMBB（增强型移动宽带）

5G NR 网络开发的最初重点是 eMBB，以提高下载和上传速度并减少延迟。 eMBB 有望改善移动视频流并启用包括移动增强和虚拟现实（AR 和 VR）在内的应用程序。 emBB 有望在人口稠密的城市地区、体育或音乐会场馆以及智能办公室中提供增强的无线宽带接入。

URLLC（超可靠低延迟通信）

顾名思义，URLLC 旨在为“实时”应用提供极低延迟的通信，包括自动驾驶汽车、工业自动化和远程手术。显然，这些应用中的每一个都需要具有低错误率和不易察觉的延迟（理论上低至 1 毫秒）的稳健网络连接。这些要求与语音通话或播放您最喜爱的新节目的要求大不相同。

mMTC（大规模机器类型通信）

mMTC 是第三种使用模型，与前两种也有很大不同。 mMTC 将利用 5G NR 可用的宽带宽来支持与“大量”低数据速率设备的通信。应用将包括物联网和智能城市，其中大量节点需要窄带宽用于遥感、监控、交通和停车管理、物流和车队管理以及电子广告牌。

支持 5G 的技术

许多技术进步正在共同推动 5G 通信。本节将涉及从事硬件工作的电气工程师可能感兴趣的一些关键技术。

先进的晶体管技术

硅 CMOS 技术向更精细几何结构的不断发展对于提高手机、基站和网络骨干网所需的处理能力显然很重要。此外，随着 5G 扩展到频谱的毫米波区域，先进晶体管技术的改进正在成为焦点。

如图 5 所示，硅锗 (SiGe)、砷化镓 (GaAs)、氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 都适用于 6 GHz 以上的高频 FR2 频段。特别是GaN和SiC器件被广泛用于需要高频和大功率的基站。

图 5。宽带隙 (WBG) 材料的功率与频率。图片由 Analog Devices 提供

除了晶体管本身，从芯片到印刷电路板 (PCB) 的外部连接还需要封装和先进设计技术方面的技术进步。像封装内的 1 毫米焊线这样简单的东西在毫米波频率下会成为潜在的天线，并且可能具有复杂的阻抗，从而难以实现与 PCB 的 50 Ω 阻抗匹配。转向使用焊球的倒装芯片组装会有所帮助，但阻抗匹配挑战可能仍然存在。