第2章 NR實體層概述
與任何無線技術一樣，實體層是5G NR的核心基礎。NR實體層必須支援很寬的頻率範圍（從低于1 GHz到高達100 GHz）及各種部署（微微蜂窩、微蜂窩、宏蜂窩）場景。以人為中心和以機器為中心的用例并存，有些用例的需求很極端，甚至不同用例的需求之間互相沖突。将來的新應用還可能出現新的需求。為了能夠順利地應對這些挑戰，3GPP為NR設計了一個靈活的實體層。根據對無線電波傳播以及網絡和終端硬體非理想性的準确了解，對這些靈活元件可以進行适當的優化。而這正是挑戰所在，因為目前對這些特性還了解得很少。NR是第一個在毫米波頻率範圍應用的移動無線接入技術（支援頻率高達100 GHz），信道帶寬期望達到GHz範圍，并且使用大規模多天線技術。
2018年6月完成的3GPP NR Release 15是釋出的第1個NR規範版本。未來所有的NR版本将與第1個版本向後相容。這就是通常所說的NR向後相容性，就是說将來開發的所有NR版本中的任何新功能會向後相容NR的最初版本。為了讓讀者更容易了解NR的實體層，本章提供了NR實體層的概述（基于第1個NR版本），并且讨論了無線電波傳播和硬體的損傷對實作NR實體層帶來的相關挑戰。下面幾章主要介紹NR實體層的基本原理、模型和技術元件。如果讀者對NR的詳細規範感興趣，我們強烈推薦閱讀參考文獻。
本章的組織方式如下。2.1節簡要描述NR空中接口（簡稱空口）的協定棧和實體層在其中的作用。由于本節比較簡潔，如果讀者對基于3GPP的蜂窩技術（比如，4G LTE）不熟悉，恐怕了解起來相對有難度。本章其餘幾節隻關注實體層部分。2.2節簡要描述NR實體層關鍵技術—調制、波形、多天線和信道編碼方案。這些技術元件在第5～8章會逐一詳述。2.3節介紹NR實體時頻資源結構。2.4～2.5節描述時頻資源如何配置設定給不同類型的信号。2.6～2.7節解釋NR靈活的雙工機制方案以及靈活的傳輸結構（幀結構）。最後，2.9節簡要總結無線電波傳播和硬體損傷所帶來的挑戰。這些挑戰引出了第3章和第4章的内容—針對無線電波傳播和硬體損傷分别進行深入探讨。
2.1 無線協定架構
在3GPP術語中，基站是邏輯的無線接入網絡節點的實作。例如，在3G UMTS和4G LTE中，網絡節點分别是指Node B（NB）和演進的Node B（eNB）。5G NR無線接入網絡節點被3GPP命名為下一代Node B（gNB）。有必要強調，gNB是指一個邏輯實體而非基站的實體實作。一個基于标準gNB協定的基站可以通過多種方式實作。這個概念同樣适用于在3GPP規範中被稱為UE的終端。
NR的無線協定架構可以分為控制平面架構和使用者平面架構。使用者平面遞交使用者資料，而控制平面主要負責連接配接建立、移動性和安全。圖2-1表明了NR的使用者平面協定棧。協定分為實體（PHYsical，PHY）層、媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）層、無線鍊路控制（Radio Link Control，RLC）層、分組資料彙聚協定（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）層和服務資料調整協定（Service Data Adaptation Protocol，SDAP）層。現在我們來簡要介紹一下這些層的主要功能。
- SDAP層處理服務品質（QoS）流和無線承載之間的映射。根據無線承載的QoS要求将IP資料包映射到無線承載。
- PDCP層主要負責IP頭壓縮/解壓縮、重排序和重複檢測、加密/解密和完整性保護。頭壓縮機制可以減少空口傳輸的比特數。加密功能主要是保護使用者不被竊聽以及確定消息的完整性。重排序和重複檢測機制允許資料單元按序遞交并删除重複的資料單元。
- RLC層主要通過自動重傳請求（Automatic Repeat Request，ARQ）機制進行糾錯、（壓縮了報頭的）IP資料包的分段/重新分段，以及将資料單元按序遞交到高層。
- MAC層主要負責通過混合ARQ（Hybrid ARQ，HARQ）機制進行糾錯以及上行和下行的排程。排程器控制用于傳輸的上行和下行實體時頻資源的配置設定。當采用載波聚合時，MAC層也需要處理跨多個分量載波的資料複用。
- PHY層處理編碼/解碼、調制/解調、多天線處理以及将信号映射到實體時頻資源上。
控制平面主要負責針對連接配接建立、移動性和安全的控制信令。控制信令來自核心網或gNB的無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）層。RRC層提供的主要服務包括系統資訊廣播、尋呼消息發送、安全管理（包括密鑰管理）、切換、小區選擇/重選、QoS管理以及無線鍊路失敗的檢測和恢複。與使用者平面相同，RRC消息都是通過PDCP、RLC、MAC和PHY層進行發送。是以，從實體層的角度來看，控制平面和使用者平面協定棧向高層提供的服務沒有本質的技術差異。
2.2 NR實體層：關鍵技術
NR實體層的關鍵技術包括以下幾個方面：調制、波形、多天線傳輸和信道編碼。下面我們會對關鍵技術做簡要概述。
2.2.1 調制
同LTE一樣，NR上行和下行都支援正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）、16階正交幅度調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）、64 QAM和256 QAM調制方式。另外，上行還支援/2-BPSK以進一步降低峰均比，進而在資料速率比較低的時候提高功放效率—這一特性對mMTC業務非常重要。因為NR支援的應用場景非常廣泛，很可能所支援的調制方式在未來還需要進一步擴充。例如，1024 QAM也可能會寫入NR規範，因為固定的點對點回傳已經使用了調制階數高于256 QAM的調制方式。NR規範中還可能針對不同的UE等級有不同的調制方式。
2.2.2 波形
在至少高達52.6 GHz的頻率範圍内，NR上行和下行都采用了循環字首OFDM（Cyclic Prefix OFDM，CP-OFDM）。與LTE相比較，CP-OFDM隻用于LTE的下行傳輸，而上行傳輸則采用了DFT擴充OFDM（DFT-Spread OFDM，DFTS-OFDM）。上下行采用相同的波形會簡化整體設計，尤其對無線回傳以及裝置對裝置（Device-to-Device，D2D）通信而言。而且，對上行覆寫受限的場景，通過單流傳輸（也就是沒有空間複用）提供了使用DFTS-OFDM的可選項。在實作中，gNB可以選擇上行波形（CP-OFDM或DFTS-OFDM），而UE應當支援OFDM和DFTS-OFDM兩種模式。任何對接收機透明的操作（比如加窗/濾波）都可以基于NR波形展開，以改善頻譜所受的限制。
NR具有可擴充的OFDM參數集來滿足在寬廣的頻率範圍内的多種服務需求。子載波間隔可擴充，定義為15×2n kHz，其中n為整數，而15 kHz是LTE所用的子載波間隔。在第6章，我們詳細介紹了NR的參數集設計。在3GPP Release 15中定義了4種子載波間隔：15 kHz、30 kHz、60 kHz和120 kHz（即n = 1,2,3,4），而且和LTE一樣CP開銷都為7%（參見表2-1）。對于60 kHz的參數集，還定義了擴充CP。不同的頻段定義了不同的參數集。目前，6～24 GHz之間還沒有頻譜配置設定給NR，是以也沒有定義相應的參數集。當新的頻率配置設定給NR時，将會定義相應的基于15×2n kHz的參數集。對于所有的參數集，激活子載波的數量是3 300。對于3 300個激活子載波，表2-1給出了不同參數集對應的最大帶寬。可以通過載波聚合的方式支援更大的信道帶寬。在Release 15中，最多可以支援16個分量載波，其中每個分量載波最多可以有3 300個激活子載波。
OFDM信号的頻譜在傳輸帶寬之外衰減很慢。為了滿足帶外發射要求，LTE的頻譜使用率為90%。對于NR，達成共識的頻譜使用率可以達到94%～99%。加窗和濾波操作是在頻域中限制OFDM信号的可行方式。在第5～6章中，我們介紹了多載波波形頻譜限制技術的詳細内容。
2.2.3 多天線
多天線技術在LTE時代就已經很重要了，但是對于NR來說，多天線技術在系統設計中起到更為基本的作用。移動通信頻譜擴充到毫米波範圍使得NR的設計轉向以波束為中心，以支援模拟波束賦形來滿足覆寫要求。而且，在傳統蜂窩頻段，多天線技術對于滿足5G性能要求也至關重要。
在低頻段，LTE後期版本中多天線技術主要用于功能增強。受永無止境的資料速率增長和在擁擠的頻譜中追求更高容量等需求的驅動，這些增強主要用來提高頻譜效率。有源陣列天線技術的發展使得用數字控制大量天線單元成為可能，這有時也稱為大規模多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術。這種技術可以在多天線進行中實作更高的空間解析度，提供更高的頻譜效率。為此，NR為多使用者MIMO（MU-MIMO）和基于互易性的工作提供了更好的支援。設計出一個用于擷取信道狀态資訊（Channel State Information，CSI）的新架構，可以在參考信号的發送上具有更大的靈活性，并使CSI具有更高的空間解析度。該架構還提供了更精簡的系統設計，使其更容易适應多樣化的用例及在未來NR版本中引入新的功能。
對于高頻，不僅僅是獲得很高的頻譜效率，主要的挑戰是覆寫。這樣做的原因是，當使用傳統的傳輸技術時，高頻信号的傳輸損耗相當高，而毫米波頻譜中有大量的可用帶寬。為了克服更高的傳輸損耗并提供足夠的覆寫，波束賦形就發揮了作用，特别是在視距（Line of Sight，LoS）條件下，在gNB和UE中都可能會使用波束賦形。在目前的硬體技術下，預期在毫米波頻率下将普遍使用模拟波束賦形。是以，NR開發了在gNB和UE中支援模拟波束賦形的過程。與前幾代移動通信系統不同，NR不僅支援波束賦形用于資料傳輸，也支援用于初始接入和廣播信号。
第7章詳細讨論了gNB和UE中的NR多天線技術。
2.2.4 信道編碼
NR将低密度奇偶校驗（Low Density Parity Check，LDPC）碼用于移動寬帶（Mobile BroadBand，MBB）的資料傳輸服務，并且采用極化碼用于傳輸控制信令。從實作角度來看，LDPC碼更具吸引力，特别是在資料速率為每秒數千兆比特時。與其他無線技術中采用的LDPC碼不同，用于NR的LDPC碼使用速率相容的結構，進而允許以不同的碼率進行傳輸并且使用增量備援進行HARQ操作。
與資料傳輸相比，實體層控制信令的資訊塊較小，并且不使用HARQ傳輸，是以NR采用了極化碼。通過極化碼連接配接一個外碼（outer code），并通過執行串行抵消清單解碼（successive cancellation list decoding），可在較短的碼塊長度上實作良好的性能。而對于最小的控制淨荷，則使用Reed-Muller碼。
NR LDPC和極化碼将在第8章中詳細讨論。針對URLLC業務的信道編碼尚未在3GPP中達成一緻。第8章讨論了在較短碼塊長度場景中如何權衡性能和複雜度來選擇編碼方案，這些方案可能會成為除LDPC和極化碼之外未來NR編碼方案的候選。
2.3 實體時頻資源
實體時頻資源對應于OFDM符号和OFDM符号内的子載波。最小的時頻資源指OFDM符号内的一個子載波，被稱為一個資源單元（resource element）。傳輸是以12個子載波為一組進行排程，子載波組稱為實體資源塊（Physical Resource Block，PRB）。圖2-2所示是NR實體時頻結構的一個示例。
在時域中，無線傳輸通過無線幀（radio frame）、子幀（subframe）、時隙（slot）和微時隙（mini-slot）來進行。如圖2-3所示，每個無線幀的長度為10 ms，包含10個子幀，每個子幀的長度為1 ms。一個子幀由一個或者多個相鄰的時隙組成，每個時隙含14個相鄰的OFDM符号。一個微時隙，理論上可以短至一個OFDM符号，但是在Release 15中，微時隙的長度限制為2、4和7個OFDM符号。一個時隙／微時隙的長度和所選參數集（子載波間隔）成比例，因為OFDM符号的長度和其對應的子載波間隔成反比。
實體層使用時頻資源進行傳輸。和LTE一樣，NR中的時頻資源（資源單元）代表了實體信道或者實體信号。在3GPP術語中，實體信道對應于承載高層資訊的一組資源單元，而實體信号對應于不承載高層資訊的一組資源單元（用于實體層）。在下面幾節中，我們會對這兩方面都做讨論。
2.4 實體信道
承載高層（在實體層之上的各層）資訊的時頻資源被稱為實體信道[1]。實體信道分為上行和下行兩種：
- 實體下行共享信道（Physical Downlink Shared CHannel，PDSCH），用于下行資料傳輸。
- 實體下行控制信道（Physical Downlink Control CHannel，PDCCH），用于下行控制資訊傳輸，下行控制資訊包括：接收下行資料（PDSCH）所需的排程決策以及允許UE傳輸上行資料（PUSCH）的排程授權。
- 實體廣播信道（Physical Broadcast CHannel，PBCH），用于UE接入網絡所需的系統資訊廣播。
- 實體上行共享信道（Physical Uplink Shared CHannel，PUSCH），用于（UE進行）上行資料傳輸。
- 實體上行控制信道（Physical Uplink Control CHannel，PUCCH），用于傳輸上行控制資訊，上行控制資訊包括：HARQ回報确認（訓示下行傳輸是否成功）、排程請求（向網絡請求用于上行傳輸的時頻資源），以及用于鍊路自适應的下行信道狀态資訊。
- 實體随機接入信道（Physical Random Access CHannel，PRACH），被UE用來請求建立連接配接，稱為随機接入。
下面簡要介紹gNB和UE之間的下行傳輸和上行傳輸。在下行鍊路中，UE通常每個時隙監聽一次PDCCH（PDCCH也可以配置多次來支援超低延遲時間傳輸）。當檢測到有效的PDCCH時，UE按照gNB的排程決策接收PDSCH上的一個資料機關（稱為傳輸塊）。随後，UE發送HARQ确認來回應，訓示資料是否被成功解碼。在解碼不成功的情況下，進行重傳排程。對于上行資料傳輸，UE首先為待傳資料向gNB請求實體時頻資源。這被稱為排程請求，并且通過PUCCH發送。gNB（通過PDCCH）發送排程授權來回應，該授權允許UE使用特定的時頻資源來傳輸。在排程授權之後，UE通過PUSCH傳輸資料。gNB接收上行資料并發送HARQ确認，訓示上行資料傳輸是否被成功解碼。在解碼失敗的情況下，進行重傳排程。為了支援超低延遲時間通信，網絡也可以為UE預先配置傳輸資源以避免發送排程請求以及排程授權信令。這被稱為無授權傳輸（grant-free transmission）。此方案的缺陷是即使UE沒有資料待傳也要為UE保留不必要的時頻資源。
2.5 實體信号
由PHY層使用但不承載來自高層（即實體層之上的各層）資訊的時頻資源，被稱為實體信号。實體信号是用于不同目的的參考信号，例如解調、信道估計、同步和信道狀态資訊。上下行鍊路中有不同的實體信号。下行實體信号包括：
- 解調參考信号（DM-RS）
- 相位跟蹤參考信号（PT-RS）
- 信道狀态資訊參考信号（CSI-RS）
- 主同步信号（PSS）
- 輔同步信号（SSS）
上行實體信号包括：
- 探測參考信号（SRS）
NR采用極簡（ultralean）設計，可最大限度地減少永遠線上（always-on）的傳輸，進而增強網絡能效，減少幹擾，并確定向前相容。與LTE中的設定相反，NR中的參考信号僅在必要時發送。接下來，我們簡要讨論四個主要的參考信号：DM-RS、PT-RS、CSI-RS和SRS。
DM-RS用于估計解調的無線信道。DM-RS是UE特定的，可以進行波束賦形傳輸，僅針對排程資源，并且僅在必要時傳輸，包括下行鍊路和上行鍊路。DM-RS的設計考慮了提前解碼的要求，以支援低延遲時間的應用。是以，DM-RS位于時隙的起始位置（稱為前置DM-RS）。對于低速場景，在時域上使用低密度DM-RS（即，一個時隙中較少的OFDM符号包含DM-RS）。對于高速場景，在時域上增加DM-RS的密度以跟蹤無線信道的快速變化。
NR中引入PT-RS以補償振蕩器相位噪聲。通常，相位噪聲随振蕩器載波頻率的升高而增加。是以可以在高頻（例如毫米波）使用PT-RS以抑制相位噪聲。OFDM信号中的相位噪聲引起的主要衰減之一是對所有子載波造成相同的相位旋轉，稱為公共相位誤差（Common Phase Error，CPE）（将在第6章和第7章中詳細讨論）。所設計的PT-RS在頻域中比較稀疏，而在時域中非常密集，原因如下：由CPE産生的相位旋轉對于一個OFDM符号内的所有子載波是相同的，但OFDM符号之間的相位噪聲具有低相關性。PT-RS在頻域的密度為每個PRB中一個子載波，或者每兩個PRB中一個子載波，或者每四個PRB中一個子載波。在時域的密度為每個OFDM符号一個，或者每兩個OFDM符号一個，或者每四個OFDM中符号一個。圖2-4給出了DM-RS和PT-RS時頻結構的一個示例。和DM-RS一樣，PT-RS也是UE特定的，隻針對所排程的資源，也可以進行波束賦形。PT-RS的配置依賴于振蕩器的品質、載波頻率、OFDM子載波間隔，以及用于傳輸的調制編碼方式（Modulation and Coding Scheme，MCS）。
CSI-RS是下行參考信号，主要用于擷取CSI、波束管理、時間/頻率跟蹤和上行功率控制。它的設計非常靈活，以支援多樣化的用例。用于擷取CSI的CSI-RS用于确定信道的CSI參數，如用于鍊路自适應和确定預編碼器的信道品質訓示（Channel Quality Indicator，CQI）、秩訓示（Rank Indicator，RI）以及預編碼矩陣訓示（Precoding Matrix Indicator，PMI）。此外，所謂的CSI幹擾測量（CSI Interference Measurement，CSI-IM）資源，是零功率CSI-RS（ZP CSI-RS）資源，可以配置用于UE的幹擾測量。CSI-RS通過測量每個波束的參考信号接收功率（Reference Signal Received Power，RSRP）來評估用于資料傳輸的候選波束，進而進行波束管理。它還可用于波束恢複。跟蹤參考信号（Tracking Reference Signal，TRS）是指配置的用于時間/頻率跟蹤的CSI-RS。TRS可用于精細的時間和頻率同步及多普勒和時延擴充估計。這是信道估計和解調所需要的。
在上行鍊路中發送SRS來進行CSI測量，主要用于排程和鍊路自适應。在NR中，SRS也将用于基于互易性的大規模MIMO預編碼器設計和上行波束管理。SRS采用子產品化和靈活的設計以支援不同的過程和UE能力。
2.6 雙工機制
與LTE一樣，NR支援TDD和FDD傳輸。雙工機制通常取決于頻譜配置設定。在較低頻率，頻譜配置設定大多是對稱的，這意味着選擇FDD傳輸。在較高頻率下，頻譜配置設定通常是不對稱的，這意味着需要選擇TDD傳輸。此外，NR支援動态TDD，上行和下行配置設定随時間動态改變。這是對LTE的關鍵增強之一，在業務快速變化的場景下非常有用。傳輸排程決策由gNB排程器做出，UE服從排程決策。如果有必要，網絡可以協調相鄰網絡站點之間的排程決策來避免幹擾。也可以半靜态配置TDD特定的上行/下行轉換周期。3GPP Release 15給出了對應不同OFDM參數集的上行/下行轉換周期，如表2-2所示。
2.7 幀結構
NR幀結構遵循三個關鍵設計原則，以增強向前相容性，并且減少不同功能之間的互動。第一個原則是傳輸自包含原則。一個時隙和一個波束中的資料可以獨立解碼，而不依賴于其他時隙和波束。這意味着在給定時隙和給定波束中已經包含解調資料所需的參考信号。第二個原則是時頻集中傳輸原則。集中傳輸有助于将來引入新的傳輸類型，同時相容現有的資料傳輸類型。NR的幀結構避免了将控制信道映射到整個系統帶寬。第三個原則是時隙之間和不同傳輸方向之間避免靜态的或者嚴格的定時關系。例如，5G NR使用異步HARQ，取代了4G所使用的需要預先設定重傳時間的同步HARQ。
NR幀結構支援TDD和FDD傳輸，并可工作于授權和非授權頻譜。它支援極低延遲時間、快速HARQ确認、動态TDD、與LTE共存以及可變長度的傳輸（例如，URLLC的持續時間短而增強MBB（eMBB）的持續時間長）。圖2-5提供了TDD模式下不同場景的NR幀結構的示例。
NR還可以采用微時隙來支援具有靈活起始位置并且持續時間短于正常時隙的傳輸。原則上，微時隙可以短至一個OFDM符号，而且可以随時開始。在Release 15中，微時隙限制為2個、4個和7個OFDM符号。微時隙在很多場景中都很有用，包括低延遲時間傳輸、非授權頻譜的傳輸以及毫米波頻譜中的傳輸。在低延遲時間場景下，傳輸需要立即開始而無須等待到時隙邊界才開始傳輸（比如，超可靠低延遲時間通信（URLLC））。在非授權頻譜上傳輸時，采用微時隙很有好處，比如可以在先聽後說（Listen-Before-Talk，LBT）機制之後立即開始傳輸。因為毫米波有大量可用帶寬，大多數的資料包用幾個OFDM符号就可以傳送完。圖2-5提供了URLLC和基于LBT在非授權頻譜使用微時隙傳輸的示例，并說明對不要求極低延遲時間的業務（例如eMBB）可以采用多個時隙聚合的方式。較長的傳輸持續時間有助于增加覆寫或減少（在TDD模式中）因上下行轉換而導緻的開銷，以及參考信号和控制資訊的傳輸開銷。
通過采用同時接收和發送（即下行鍊路和上行鍊路可以在時間上重疊），相同的幀結構也可用于FDD。這種幀結構也适用于裝置到裝置（D2D）通信。在D2D的情況下，下行時隙結構可用于由終端發起（或排程）的傳輸，而上行時隙結構可以用于終端響應的傳輸。
為了獲得低延遲時間，一個時隙（或在時隙聚合情況下的一組時隙）的控制信号和參考信号前置于該時隙（或該組時隙）的開始位置，如圖2-6所示。NR幀結構也允許快速的HARQ确認，即解碼操作在接收下行資料期間進行，UE在保護間隔（guard period）期間（即從下行接收切換到上行發送時）準備HARQ确認。NR支援極短長度的上行控制信号（伴随着較長的格式），以提供從終端到基站的快速HARQ回報。圖2-6顯示了一個自包含時隙的例子，其中從資料發送結束到接收來自終端的确認的時延僅為一個OFDM符号。
2.8 實體層過程和測量
NR規範中定義了許多實體層過程，例如小區搜尋、功率控制、上行同步和定時控制、随機接入和波束管理，以及與信道狀态資訊相關的過程。NR規範還定義了實體層測量，用于同頻和異頻切換、RAT間切換、定時測量，以及無線資源管理的相關測量。這些詳細說明（除了波束管理過程）都超出了本書的範圍。我們強烈建議讀者通過參考文獻來進一步了解。
2.9 實體層的挑戰
5G NR是第一個工作在毫米波頻率的蜂窩技術，支援GHz級别的帶寬，并使用大規模天線。這些方面給NR實體層帶來了許多挑戰，主要原因是對無線電波在毫米波的傳播特性以及硬體損傷（在基站和終端處）都缺乏了解。要實作高性能的NR，準确了解無線傳播和硬體損傷的特性非常重要。第3章和第4章詳細讨論了無線電波傳播、信道模組化和硬體損傷模組化。在下文中，我們将簡要讨論其中一些挑戰。
2.9.1 傳播相關的挑戰
因為天線孔徑與波長的平方成正比，是以對采用固定天線方向圖的接收天線，當頻率升高時，天線的傳輸損耗随着頻率的平方而增加。由于傳播效應還可能會造成一些額外的損耗，特别是在非視距（Non-Line of Sight，NLoS）條件下。這裡的挑戰是利用先進的多天線技術來控制信号在有利方向傳輸并增加接收天線的孔徑。此時還是不完全清楚，通過多天線技術，在較高頻率下信道條件能有多大程度的改善。在某些情況下，如LoS，甚至對高頻傳輸更為有利。有一點很明确，随着頻率升高穿透損耗會大幅增加，對于室外到室内的場景将面臨挑戰。使用波束賦形和窄波束傳輸的另一個影響是，由于波束的突然阻擋而造成的信道的動态變化會更大也更快。而且，傳播信道的方向擴充特性尚不清楚。對于那些方向高度分散（富散射）的信道，高增益天線并不是很有用，因為它們隻會捕獲/指向來自發射機/接收機的一小部分信号。在這種情況下全相關天線合并技術更為适合。但是，當天線陣列尺寸很大即天線單元數量很大時，這種技術非常複雜，而且非常耗費資源。
NR的主要挑戰是，與在較低頻率使用的傳統技術效果相比，新型多天線技術在多大程度上可以補償在較高頻率下的性能損失甚至獲得增益。在LoS條件下，使用更高頻率和波束賦形是有利的，如第3章所述。此外，在NLoS場景中，傳播損耗不會随頻率升高而急劇增加（在0 log f到6 log f的範圍内），室外到室内傳輸除外。但是，NR的早期部署預計主要依賴模拟波束賦形，傳播信道要求高指向性。不幸的是，隻有少數方向解析度高的信道測量方式，這也意味着在毫米波頻率下波束賦形的性能在很大程度上是未知的。
2.9.2 硬體相關的挑戰
考慮到日益增長的高資料速率需求轉移到NR，頻譜效率以及更多帶寬的需求正在迅速增加。用于解決這一增長需求的技術元件包括先進的多天線技術，如大規模多使用者（Multi User，MU）MIMO或毫米波波段采用的模拟波束賦形。無論是部署的收發機數量的增長，還是工作頻率以及帶寬的增加，都為高效的無線實作帶來新的挑戰。
射頻功率放大器（Power Amplifier，PA）作為無線收發機前端的重要構模組化塊之一，一直是主要的耗電子產品。工作在密集和高度內建的天線陣列中，除非有足夠的隔離，否則PA性能可能受到互相耦合的影響。這引入了由負載調制造成的另一個失真源，因為對放大器的有源阻抗随時間而變化。使用指向性傳輸的天線系統的另一個關鍵問題是如何評估失真行為的空間分布。在傳統方法中，失真遵循與有用信号相同的方式，但是使用了MU-MIMO預編碼或波束賦形技術，通常情況并非如此。
射頻振蕩器是模拟前端的另一個非理想源，尤其是工作于毫米波波段時，更成為一個限制因素。射頻振蕩器在非常高的頻率下更難保持穩定的振蕩，因為随着損耗的增加諧振回路的品質因數會降低，并且由于受限于半導體技術的基本限制而無法産生功率。是以，随着相位噪聲增加，相幹傳輸可能變得越來越困難。是以，需要對相位噪聲進行精确模組化，以評估其影響并提供基本的應對政策，比如跟蹤等。可以采用鎖相環（Phase-Locked Loop，PLL）技術來降低窄帶1/f部分的相位噪聲，這部分噪聲可能對基于OFDM的傳輸帶來更顯著的負面影響，但這是以增加白噪聲水準為代價的。
由于先進的信号處理硬體和算法可以補償一些更突出的損傷問題，是以數字轉換器，如模數轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）和數模轉換器（Digital-to-Analog Converter，DAC）是連接配接模拟域和數字域的關鍵元件。不幸的是，因為資料轉換器是混合信号器件，通常需要線性半導體技術，是以并不遵循摩爾定律，不具有相同的比例效應。在這種情況下，縮小幾何尺寸以增加可用的處理速度未必是一個好的選擇，因為這樣使得半導體更像開關一樣工作。如文獻所示，大規模MU-MIMO可能會降低有效分辨率。然而，這将造成越來越多的量化噪聲，如果不加以抑制，可能會在很大程度上破壞信号。為了評估粗略量化的影響，基于确定性行為模型或随機過程的不同模組化技術可能對我們有所幫助。
總的來說，對改進的數學工具的需求比以往任何時候都大，希望能夠借助這些工具來評估無線器件随時間/頻率和空間變化的非理想行為。具體來說，這是因為這些模型可作為進階補償技術（如數字預失真（Digital Pre-Distortion，DPD）或相位噪聲跟蹤）的基礎。目前該領域的發展使得能進一步分析和了解射頻非理想性在大型天線陣列中的表現。由于對通帶或基帶資料過采樣，基于此的大部分行為模型不一定可用，目前另一個剛剛開始的相關模組化領域是無線損傷的随機模型，旨在幫助鍊路級或系統級性能分析。這個模組化架構将在第4章進一步讨論。
參考文獻