5G物理层变化与应用用例及其演进

5G 首次亮相，预计将对很多行业产生重大影响。全球移动设备供应商协会 （GSA） 2020 年 11 月设备生态系统报告显示，市场上已经推出近 500 款 5G 设备。《电子时报》2019 年 9 月的另一份报告预测，到 2024 年，在近 16 亿部设备中，大约 45% 预计将是 5G 移动设备。这表示未来几年将有巨大增长。

与前几代通常专注于支持蜂窝通信或移动电话的无线技术不同，5G 承诺为各种跨行业设备提供连接和支持。GSA 2020 年 11 月的设备生态系统报告显示，除了手机之外，市场还发布了近 19 款不同规格的 5G 设备，包括热点、客户端设备 （CPE）、快装式加密狗、笔记本电脑、车载路由器、无人机、机器人和许多其他设备。

5G 物理层变化

为了支持各种各样的设备，以及许多令人兴奋的新应用用例，5G 引入了许多物理层变化。

其中最明显的差异之一是频谱。由于 LTE被束缚在 3 GHz以下的频率范围内，因此全球监管机构为 5G 开放了更加广泛的频谱范围。5G 有两种不同的频段分类：频段 1 （FR1），范围为 410 MHz 至 7.125 GHz。频段 2 （FR2），也称为毫米波 （mmWave），支持的运行范围为 24.25 GHz 至 52.6 GHz。

添加新频谱的主要原因是这些频谱支持极高的信道容量和带宽。与支持最高 20 MHz 带宽的 LTE 不同，5G 在 FR1 中提供高达 100 MHz 的带宽，在 FR2 中提供高达 400 MHz 的带宽。如此高的带宽可以转化为高达 10 Gbps 的数据速率。

5G 的另一关键点是支持灵活的子载波间隔 （SCS），这有助于 5G 在各种应用用例中的实现和运行。除了 LTE 提供的 15 KHz 固定子载波间隔外，5G 还提供 30、60、120 和 240 KHz 这几个额外的间隔，而这可以带来两大主要优势：

首先，载波间隔越大，时隙越小，这样便可根据用例优化资源分配。例如，具有极高数据速率的增强型移动宽频（eMBB 应用）将需要更大的时隙持续时间（较小的 SCS）来以适应较大的数据有效负载。而有效负载较低的物联网设备则可能需要更短的时隙持续时间。

灵活数值的第二个优势是使用宽载波间隔有助于抵抗多普勒频移。这样不仅可以减轻干扰，而且还能提高毫米波频率下的可靠性。这就是为什么 FR2不支持较小的子载波间隔（15 kHz 和 30 kHz）的原因。

波束成形是帮助在毫米波频率范围内运行的最关键功能之一。虽然 LTE 以空间多路复用形式支持 MIMO，但在毫米波频率下，更高的路径损耗使其难以维持足够的 SNR。因此，通过在所需方向引导无线电能量来补偿损耗变得至关重要。波束成形正是通过利用多个天线阵列来提高 SNR 和信号接收可能性。

应用用例

这些物理层变化可以为哪些应用提供支持？5G 旨在服务三大类用例：eMBB、超可靠低延迟 （URLLC） 和大容量工业通信 （mMTC），每种类型都有不同的性能要求。到 2021 年，5G 将继续专注于 eMBB 和固定无线接入。在 2021 年至 2023 年之间，5G 将演进为支持 URLLC 专用网络和 mMTC。

这些 5G 应用用例要求高数据速率、最低延迟和更优化的通信。例如，某些应用（如增强/虚拟现实和视频流）需要大量数据，因此需要更宽的带宽和更高的吞吐量。其他用例（如工业和汽车自动化）对延时容忍度极高，要求可靠性达到 10-9 级别，延迟在 1 毫秒内。第三类用例源于物联网和智能设备之间的广泛连接需求，要求一种能够支持大容量通信的技术。

全球运营商都在努力寻找最佳频段来支持这些用例。例如，较低的频带提供的容量有限，但可用于在全国范围内扩展覆盖范围。中频带频率提供了最佳的覆盖范围和容量，并且在全球得到广泛部署。毫米波范围内的较高频段主要用于为高数据量/高容量的应用提供服务，例如 AR/VR 或视频流。

5G 在用例支持上的演进

3GPP Release 15 更侧重于提供用于增强型移动宽带用例的平台。这包括需要更高带宽的高数据量应用，以及固定的无线接入通信。

Release 16 已于 2020 年 6 月完成，其中包括了用于为 URLLC 用例或工业物联网 （IIoT） 应用提供支持的增强功能。这些增强将可为包括工业设施和工厂为实现工厂自动化或基础设施监视所需的专用网络提供支持。在 Release 16 中，多点传输侦听也得到增强，旨在提高链路可靠性和改善延迟，这都是改进 C-V2X 或自动驾驶通信所必需的功能。此版本还支持更精确定位的应用，在未授权频段部署 5G，以及更好的节能特性，这一切都旨在为工业物联网应用提供支持。

下一代 5G 技术规范（Release 17）将于 2022 年发布，并将专注于 5G 技术规范的持续扩展，其增强的重点将是 mMTC 和 NR-Light 设备（例如可穿戴设备或工业传感器）。

考虑到这些用例，以及为支持这些用例而引入 5G 的物理层变化，我的下一篇博客文章将探讨 5G 的一些测试挑战和考虑因素。同时，请访问关于此主题的网络研讨会的重播。
编辑：lyn