第 2 章 5G 新空口關鍵技術
2.1 5G 波形設計
2.1.1 5G 主要候選波形
2.1.2 波形實作方式總結
圖 2-8 所示是上一節所介紹的 5G 新多載波波形提案實作方式的綜合比較。詳細内容可以參見 Qualcomm 公司的白皮書。
圖中，串并轉換子產品與 IFFT 子產品之間的尾部添零（Zero-Tail Pad）和 DFT預編碼、IFFT 之後的加窗以及帶通濾波子產品都是可選的，“√”表示不同波形與相應的功能之間的對應關系。
2.1.3.1 頻域限制性
圖 2-9 所示為根據計算機仿真獲得的幾種 5G 波形提案的發射頻譜特性對比。
由圖 2-9 中可以看出，FBMC/UFMC/f-OFDM/W-OFDM 的帶外洩漏比CP-OFDM 有非常顯著的降低。f-OFDM、UF-OFDM 和 W-OFDM 的帶外洩漏比降低得不如 FBMC/OQAM 那麼明顯。UF-OFDM 和 f-OFDM 要優于 W-OFDM。帶外洩漏比低會比較有利于異步多址接入和零碎化的頻譜等場景。
2.1.3.2 峰均功率比
峰均功率比（PAPR，Peak to Average Power Ratio）是發射機峰值功率和均值功率的比，它由所采用的信号波形決定，對于發射機的能耗影響很大，是發射波形的一項重要名額。峰均功率比越低，對于提高發射機的效率越有好處。這一名額對于上行終端側具有尤其重要的意義。
圖 2-10 所示為幾種 5G 新波形提案的發射機峰均功率比的計算機仿真結果。
由仿真結果可以看出，不采用 DFT 預編碼時所有波形都具有大緻相同的PAPR 值。引入 DFT 擴充後，各波形的 PAPR 都明顯下降。UF-OFDM/f-OFDM以及 W-OFDM 對 PAPR 的降低程度相差不多。FBMC/OQAM 的 PAPR 降低程度則比較不明顯。
根據 3GPP 的分析，R15 空口參數的實際 PAPR 結果如下：
-下行 OFDM，PAPR=8.4dB（99.9%）；
-上行 OFDM，PAPR=8.4dB（99.9%），DFT-S-OFDM 的 PAPR 值如表 2-2所示。
可以看出，采用 DFT 擴充可以在一定程度上降低發射波形的 PAPR 值，進而提高 PA 的使用效率。
2.1.3.3 誤幀率
圖 2-11 所示為幾種波形在一些典型的應用場景（2.6GHz 的載波頻率，3km/h的步行運動速度和 620km/h 的高速運動速度）下的誤幀率（FER，Frame ErrorRate）的計算機仿真結果。
從仿真結果可以看出，在所設定的低速場景下，W-OFDM、UF-OFDM 和FBMC/ OQAM 的誤幀率和傳統的 CP-OFDM 非常接近，f-OFDM 則相對略差一些。在高速移動的場景，FBMC/OQAM 的誤幀率名額最好。
2.1.4 主要波形提案綜合比較總結
mmMAGIC project 對一些主要波形提案進行了比較研究，考慮的主要方面包括頻譜效率、發射波形峰均比值、對信道頻域選擇性和時域選擇性的頑健性、和 MIMO 的适配性、時域限制性、頻域限制性、實作複雜度等名額。5G 若幹主要候選波形的綜合比較如表 2-3 所示。
總的來說，針對 FBMC、UF-OFDM、GFDM 等非正交波形，它們的濾波是在子載波的基礎上進行的，是以其頻率限制性比較好。FBMC 的旁瓣水準較低，是以對同步沒有非常嚴格的要求，但是它的濾波器的沖激響應長度很長，是以 FBMC 不适用于短包類和對時延要求高的業務類型。UFMC 針對一組連續的子載波進行濾波處理，是以其濾波器長度相對較短，可以支援短包類業務。但 UFMC 沒有循環字首，是以對需要松散的時間同步場景不太适合。GFDM 可以使用循環字首，具有靈活的幀結構可以适配不同的業務類型。
這類波形的缺點主要在于載波不再正交，是以會帶來載波間幹擾，這在很大程度上會導緻性能的降低，這個問題在高階 QAM 的情況下尤其明顯。另一個主要問題在于它們難以與 MIMO 進行适配。除此之外，由于必須處理載波間幹擾，接收端的處理也會變得比較複雜。它們的實作複雜度都高于 CP-OFDM。單從頻率限制性來看，這類波形确實有一定優勢，但是實際上獲得的收益也并不是那麼大。
考慮到這些因素，3GPP 最終沒有在 R15 中針對 eMBB 場景選用此類非正交波形。在下一節中，我們簡單回顧一下 3GPP 在 R15 中對波形規範的讨論過程和結果。
2.1.5 3GPP 對波形規範的讨論過程
3GPP 在 2016 年 3 月 7 日至 10 日在瑞典哥德堡召開了 TSG RAN #71 會議，會議正式啟動了 5G NR 的研究項，以研究使用 100GHz 以下頻譜滿足 eMBB、mMTC 和 URLLC 3 種業務場景的移動通信的需求。3GPP RAN1 後續又召開了多次會議，讨論無線接入部分（Radio Access）的各種議題。
從 RAN1#84 次會議起，針對 5G NR 新波形的讨論正式展開，讨論主要集中在 CP-OFDM、FBMC、UFMC、GFDM、f-OFDM 等波形提案上，該次會議确定了對波形的評估方法。
在 RAN1#84bis 會議上（南韓釜山，2016 年 4 月 11—15 日），與會者經過讨論達成了如下的一緻意見：
（1）新波形将基于 OFDM；
（2）新波形必須支援多種靈活的參數集；
（3）同時要考慮基于 OFDM 之上的各種變化，如 DFT-S-OFDM 以及各種加窗/濾波的不同實作方式；
（4）基于非 OFDM 的波形可應用于某些比較特殊的場景需求（如 mMTC）。
在标準讨論過程中，各公司進行了大量仿真和分析工作，并對不同候選波形的各項性能名額和實作的複雜性進行了全面比較。
在這之後，3GPP 經過反複讨論和衡量，最終在 RAN1#86 會議（瑞典哥德堡，2016 年 8 月 22—26 日）上就 5G NR 波形基本達成一緻意見（可參見R1-167963:Way Forward on Waveform）。
（1）5G NR 在小于 40GHz 的頻譜範圍，針對 eMBB 和 URLLC 業務，上下行都支援 CP-OFDM（但是其頻譜使用效率将高于 LTE）。此外，可以采用其他方法降低 PAPR/CM（如 DFT-S-OFDM）。
（2）對于 mMTC 等其他業務，可以考慮采用不同的波形設計。在 RAN1#86b 會議（葡萄牙裡斯本，2016 年 10 月 10—14 日）上，參會者根據以往候選波形和仿真結果讨論，進一步達成了關于 40GHz 以下頻段 eMBB業務波形的決議（可參見高通、Vivo、中興、Oppo、小米、蘋果等多家公司的提案 R1-1610485:WF on Waveform for NR Uplink）。
提案 R1-1610485:WF on Waveform for NR Uplink）。
（1）5G NR 在小于 40GHz 的頻譜範圍，針對 eMBB 業務，下行支援 CP-OFDM，上行支援 CP-OFDM 和 DFT-S-OFDM 波形。CP-OFDM 波形可用于單流和多流資料傳輸，DFT-S-OFDM 僅限于單資料流傳輸 （主要針對鍊路預算受限的場景）。
（2）網絡側可決定采用哪種波形并通知終端。也就是說，UE 在上行必須同時支援 OFDM 和 DFT-S-OFDM，而 gNB 則可以決定上行是采用 OFDM 還是DFT-S-OFDM，此點和 LTE 中上行僅支援 DFT-S-OFDM 不同。
至此，3GPP RAN1 對于 5G NR 在 40GHz 以下 eMBB 場景采用的波形定義工作基本完成。針對 40GHz 以上頻譜和非 eMBB 場景的空口波形（如 mMTC、URLLC 等），3GPP 後續仍将進一步研究讨論确定。
2.1.6 R15 中的 5G 波形規範
5G NR 在 eMBB 場景下的波形實作基本原理如圖 2-12 所示。其中，“預編
根據 3GPP 的規定，5G NR 中的 OFDM 波形具有靈活可擴充的特點，在 R15的定義中，其子載波間隔可表達為15 2n × kHz（其中，n=0，1，2，3，4），從15kHz 到 240kHz 不等（适合不同的頻率範圍）。其基準參數集采用了和 LTE一樣的 15kHz 子載波間隔、符号以及循環字首的長度。對于 5G NR 所有不同的參數集，每個時隙都采用相同的 OFDM 符号數，這樣大大簡化了排程等其他方面的設計。碼”為可選，僅适用于上行。
NR 支援的最大帶寬則達到 400MHz，遠大于 LTE 中 20MHz 的最大帶寬。NR 在一個傳輸帶寬内所支援的最大子載波數為 3300 個，如果需要支援更多子載波則需要采用載波聚合（CA，CarrierAggregation）技術。關于 NR 中所采用的空口參數集，可以參考本章 2.4.1 節的内容。
NR 中通過額外的濾波和加窗等數字信号處理可以使其頻譜效率達到 94%～99%，高于 LTE（90%左右）。
可以看出，5G NR 中沒有像 1G 向 2G、2G 向 3G 以及 3G 向 4G 演進時那樣出現一個革命性的新波形，而是基本沿用并優化了 4G 時代的 OFDM波形。是以，5G 的特色更多展現在它是無線通信生态系統的融合，而非信号波形設計本身的革命性突破。這其中的部分原因也是通信基礎理論發展到現在，許多實體層的知識已被挖掘，要取得革命性的進展越來越困難，通信系統的底層波形設計尤其如此。是以，在 5G 中更多的是通過采用 Massive MIMO、毫米波、靈活的參數集、高密度組網等技術大大提高總的通信容量和品質。
| 2.2 5G 多址接入 |