借助全可编程技术兑现 5G 的承诺

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5G 有望支持灵活的帧结构，以适应不同用例和应用要求，例如数据包长度和端到端时延。有两种子帧扩展方法正在考虑中，它们具有灵活的每子帧符号数量和可变的子帧长度。也可将两种方法混合使用。两种方法都支持多种传输类型（下行链路、上行链路和混合方式）。子帧持续时间和采样率与基线 5G 数字论定义的一样。灵活帧结构对物理 (PHY) 层实现有影响。逐符号看，FFT 长度和循环前缀可能不同。符号数量、每物理资源块的 OFDM 子载波数量和 QAM 符号数量就每子帧而言可能会不同，具有可变的保护时段位置和长度。这会显著增大 5G PHY 的实现复杂性。至少在最初几年，构建 5G 系统最为得当的方法应该是利用可编程 FPGA 和 SoC 随标准演进来扩展和升级系统，并根据现场的性能测量结果改进和调整实现方案。

图 1：一种准标准的基线 5G 帧结构

MIMO 技术非常适合厘米波 (3-30 GHz) 和毫米波 (30-300GHz) 频率，这是价格便宜而且未充分利用的频谱资源，有大量可用的连续波段。频率越高，传输信号的传播损耗越大。不过，更高频率下能获得很窄的笔形波束，可实现更大天线增益，以补偿较高的传播损耗。此外，随着载波频率增加，天线单元的尺寸会减小。因此，可以在更小的区域装入更多天线单元。例如，包含 20 个单元的 2.6GHz 最先进天线大约是一米高。在 15GHz下，可以设计具有 200 个单元但只有 5cm 宽、20cm 高的天线。天线单元增多，意味着可以准确地将信号导向目标接收器。由于系统以很多这种波束形式将传输集中在特定方向上，因此覆盖率和容量会大幅提高。

5G NR（新无线电）规范草案没有指明所支持的 MIMO 层数量，不过很可能高达 32 至 64 层。5G 系统将支持在每个 TTI 期间对用户资源分配进行快速重新配置，以实现更高频谱利用率。当支持多个 MIMO 层时，这会进一步加大系统复杂性。图 2 给出了 5G MIMO 系统中用户资源分配实例。时分双工 (TDD) 有助于缓解 5G Massive MIMO 的实现，其中信道状态信息利用信道互易性来确定。该方案未考虑用户端设备或终端中的非线性。需要指明的重要一点是，在 5G 基站实现方案中，终端需要记录多个波束并定期请求基站进行资源分配，以便为上行数据传输分配最佳波束。当 UE 终端切换波束时，需要重新计算信道状态信息。为了实现如此复杂的系统，务必要引入足够的灵活性和可编程性，以便调整实现方案，针对不同终端实现所需的性能。

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