5G-NR物理层关键技术及其在广电领域应用中的思考

黄云霞

(甘肃省甘南州广播电视台，甘肃 甘南 747000)

0 引言

随着移动通信技术发展速度的不断提升，5G标准制定工作正在有序推进过程中。该标准在实际制定过程中将增强型移动宽带、超可靠低延迟通信以及大规模机器类型通信3种环境条件下通信过程中产生的问题作为主要解决目标。

无线空口在任何通信系统中均会承担着基础组成元素地位，5G系统的无线空口可以应用的频率范围达到SUB-1～100 GHz，同时也可以支持各种类型及规格的蜂窝小区，并有效满足不同场景下的通信需求。5G-NR系统物理层结构由3GPP定义，整体结构较为复杂。5G独立组网于2018年6月正式完成，作为第一个真正意义上的5G版本，后续版本需要以此为基准，向此版本兼容。由此，行业内技术人员主要基于此版本对5G-NR物理层关键技术进行研究，并对其在广电中的应用价值进行探索。

1 5G-NR物理层关键技术概述

1.1 MIMO技术

虽然MIMO技术并非目前最先进的技术，但是其在LET系统中发挥的作用以及展现出的价值使得该技术成为5G技术的核心技术之一。该技术在实际应用于5G技术过程中，多天线同时传输方案、信道反馈等是其技术标准化的主要侧重点，在具体设计过程中需要兼顾开环及闭环传输以及半开环传输方案，需要支持各种方案在实际应用过程中实现动态切换[1]。

5G-NR天线方案在不同频段范围内也存在较大差异。低频段范围条件下，MIMO方案主要为LTE版本的加强模式，主要是为日益增长的数据传输速率以及系统容量不断提升要求，因此采用了提升频谱利用率的方案。5G-NR在实际构建过程中规范了MU-MIMO以及互易性方面，使得该系统可以更加灵活地对参考信号以及控制信令传输进行调整，操作者可以上线对传输模式进行动态调整，这种灵活的数字化控制多天线阵列传输的方式可以使空间分辨率以及频谱效率大幅提升，准确的信道状态信息(CSI，ChannelStateInformation)反馈是保证MIMO获得较大性能提升的重要因素，5G-NR仅在需要时才触发非周期参考信号用于信道和干扰测量，该CSI反馈过程不仅能简化系统设计，而且对今后5G-NR的版本有较好的后向兼容性[2]。

在高频段范围条件下，可用频率大幅提升性能，但传输过程中存在损耗较大的缺陷。因此，覆盖率是此条件下天线方案设计的关键问题。5G-NR在实际构建过程中对毫米波频段进行增高处理，波长以及天线阵列尺寸相对短小。为实现提升信号覆盖率的目的，在此过程中波束赋形发挥着重要作用。5G-NR在实际构架过程中兼顾模拟以及数字波束赋形，模拟波束赋形在实际应用过程中呈现出较好的经济性，因此适用于6 GHz以上的高频段条件，而数字波束赋形在资源调度方面呈现出更加灵活的优势，适用于6 GHz以下的较低频段。相较于前几代移动通信系统，5G-NR的CSI反馈架构更具灵活性优势同时较为统一，这种优势使得波束赋形在承担数据传输功能外，还可以应用于初始接入以及广播信道[3]。

1.2 5G-NR波形

5G-NR上下行链路与LET系统呈现明显的差异性。LET系统上下链路分别采用CP-OFDM以及DFT-s-OFDM，5G-NR上下链路均采用CP-OFDM波形。相同的波形在实际设计过程中更加便利，尤其是在无线回传以及D2D系统方面，但是需要注意的是该模式同样存在短板，因此，在单流传输覆盖受限的情况下，上行线路设计中依然保留DFT-s-OFDM波形。

5G-NR在OFDM参数集方面较为灵活，在实际应用过程中可以有效满足较宽方位条件下的频率以及应用场景。其子载波间隔幅度可以达到15×2nkHz，其中n为整数。单行的OFDM参数集(见表1)，在不同频段中具有不同的参数集。其中，DFDM符号长度的7%即是CP长度，需要注意的一点是，其具备一定特殊性，在60 kHz子载波条件下，CP长度受其影响会产生一定量的沿程。不同参数集所支持的最大子载波数量均控制在3 300个，由此，可以计算出不同参数集所支持的最大宽带。在实际应用过程中，可通过载波聚合的方式实现放大信道宽带的目的，3GPP R15以及LET所支持的最大载波聚合数量分别为16个和5个。相较于LET，5G-NR频谱利用率呈现出明显的大幅提升态势，LET的频谱利用率为90%，而5G-NR在滤波以及加窗等频域处理手段支持下可以使利用率扩大到94%～99%。

表1 5G-NR典型OFDM参数集

2 5G-NR物理层关键技术应用于广电领域的价值分析

2.1 MIMO技术分析

MIMO技术在实际应用中体现出的价值以及功能使其得到了广泛应用，即使该技术并非是前沿技术，但是依然被5G-NR视为核心技术之一，同时其在提升频谱效率以及传输速率等方面展现出较大的发展前景。现阶段，MIMO技术逐渐融入到广电标准中，其中以ATSC3.0、DVB-T2为典型代表，然而我国广电标准中尚未融入该技术，而导致广电系统未应用该技术的主要因素包含以下几点。

1)天线尺寸差异限制MIMO技术应用。信道非相干性是确保MIMO技术性能得到完美发挥的重要前提，这就要求发送端以及接收端天线间距应分别控制在波长10倍以上以及半波长。而广播电视频段相对较低，天线尺寸较大，难以满足MIMO技术的应用。

2)反馈信道不满足实际应用要求。MIMO技术在实际应用过程中要求反馈信道满足链路自适应支持闭环MIMO条件，然而当前广播电视在反馈信道建设方面缺失，仅支持开环MIMO。

3)成本及指标增益关系方面尚不明确。基于上述限制，广播电视在考虑MIMO技术使用时应以2×2等低阶为主，通过采用交叉极化天线、天线小型化等技术解决天线尺寸问题，通过基于统计信道信息的预编码方案改善缺乏反馈链路情况下的MIMO性能。目前，将MIMO技术应用于广播电视领域可行的方案主要有两类。

一类是依托于单频网。MIMO两路发射信号选取2个不同的发射站点。该模式并非首创，DVB-T2即采用此方法，主要原理为基于单频网，将2个不同的发射站点以及经过优化改进处理的Alamouti编码相结合达成发射信息的目的。根据实践经验以及具体研究表明，在利用已有单频网设备条件下，此方面可以将传输性能提升1.5 dB左右，有效实现了提升信号覆盖效率。

另一类是天线收发端处设置交叉极化天线。在信号传输方面主要将经过预编码的两路信号通过不同极化方向进行传输。该方案既可以利用MIMO的空间分集提升覆盖性能，也可以利用MIMO的空间复用克服给定信道带宽中单天线无线通信的信道容量限制，但收发端都得增加MIMO相应的处理系统，例如空分复用模块、预编码模块、检测解码模块及多天线等。ATSC3.0标准采用了2×2MIMO，配合多种可选预编码技术等，使其性能较SISO有较大幅度的提升。

现阶段，国际上已经开始推动600 mHz以及700 mHz移植到移动通信业务之中，由此，随着5G技术的快速发展，MIMO作为核心技术，其硬件成本会随之下降。随着高清电视、AR/VR及360°全景视频发展速度的不断提升，MIMO技术在广电领域中的发展前景会随着宽带内高数据速率的需求提升而提升。

2.2 波形技术对比

当前，正交频分复用技术被广泛应用于5G系统以及广电领域之中，保护间隔以及OFDM长度是二者之间的主要区别。

5G系统以及广电系统在保护间隔方面的差异主要体现在插入内容以及长度方面，CP-OFDM主要采用循环前缀作为保护间隔，而TDS-OFDM则再次采用PN序列以及同步信息。前者在抗干扰能力方面具备较大优势，而后者则选择“牺牲”一部分抗干扰能力获取提升接收端信道估计以及同步性能。信道的时延拓展及覆盖半径与保护间隔之间呈现出明显的正相关关系，保护间隔会随着时延拓展以及覆盖半径提升而提升。考虑到广电系统的覆盖半径远高于5G系统，因此广电系统的保护间隔也相对较长。由此，在讨论利用5G-NR开展大范围广播、组播业务时，必须要考虑在现有波形参数上定义加长版的CP及OFDM长度。

3 结语

目前，5G技术已经成为未来通信技术发展的重要进步，未来，5G技术将逐渐成为推动国家社会经济建设以及产业转型发展的重要动力。从技术层面出发，5G-NR物理层关键技术具备应用于广电系统的价值，但是在实际设计过程中需要将MIMO技术的适用性以及CP与CFDM长度作为关键环节。