【導讀】第 5 代無線接入網絡有望滿足 2020 年及以后新型用例及應用的系統和服務要求。連通各行各業并支持新服務是 5G 技術最重要的方面，以便為滿足 2020 年信息社會的要求做好準備。
第 4 代或 4G LTE 主要在于連接人和地，是以通信和信息共享為核心主題。5G 通過為 4G 的通信和信息共享主題增加可靠、彈性的控制與監控功能，從而將連接范圍擴展到機器設備。這種轉變對系統要求和設計原理產生了深遠影響。5G 愿景可以說包羅萬象，涉及人們生活的方方面面，會影響人們如何生產產品，如何管理生產過程中的能源與環境，如何運輸、存儲和消費物品，影響人們如何生活、工作、通勤、娛樂和甚至放松等等。
因此，需要使用虛擬化和軟件定義網絡來挑戰 5G 系統/網絡性能極限，以確保實現更高的網絡容量、更高的用戶吞吐量、更高的頻譜、更高的帶寬、更低的時延、更低的功耗、更高的可靠性和更高的連接密度。5G 架構包含模塊化網絡功能。這些功能可按需部署和擴展，從而能夠以低成本方式滿足廣泛的應用案例需求。
4G LTE 技術很成功，非常適合 6GHz 以下頻譜。5G 則增加了 6GHz 以上頻譜，為無線電接入網絡開啟了大段未使用頻譜。它還支持大于 20MHz 的載波，降低控制開銷，提高 RAN 靈活性以滿足多種用例需求。支持大于 6GHz 的頻譜是 5G 技術最具前景的屬性之一，或許也是難度最大的特性。6GHz 以上通道模型由 3GPP 于 2016 年 6 月發布,其精度對正確設計基站和用戶設備（UE）設計起關鍵作用。現實情況是，還需做更多工作和現場測試以提高這些模型的精度。這期間，系統設計需要具有靈活性和內在的可編程性，以根據在現場經驗調整和改進底層算法。
將端到端時延減小到 1ms 以內是 5G 的另一個重要目標，旨在滿足任務關鍵型應用的超高可靠低時延用例，以及擴展的移動寬帶用例（諸如承諾為服務提供商帶來更高收入的游戲）的要求。5G 正在改進幀結構以實現上述這一目標。圖 1 給出一種準 5G 標準幀結構方案。該方案具有 100-200 微秒級的很短的傳輸時間間隔(TTI)，比 4G LTE 的 TTI（1ms）縮短 10 倍，具備快速的 Hybrid ARQ（自動重發請求）確認，可縮短系統時延。利用前載解調制參考和控制信號，可在接收幀的期間執行幀處理，而不是等緩沖整個子幀之后再處理。幀結構還用來簡化和加速每子幀的快速調度請求。因此，5G 基帶所需的計算與 4G LTE 系統相比會顯著增加。
5G 有望支持靈活的幀結構，以適應不同用例和應用要求，例如數據包長度和端到端時延。有兩種子幀擴展方法正在考慮中，它們具有靈活的每子幀符號數量和可變的子幀長度。也可將兩種方法混合使用。兩種方法都支持多種傳輸類型（下行鏈路、上行鏈路和混合方式）。子幀持續時間和采樣率與基線 5G 數字論定義的一樣。靈活幀結構對物理 (PHY) 層實現有影響。逐符號看，FFT 長度和循環前綴可能不同。符號數量、每物理資源塊的 OFDM 子載波數量和 QAM 符號數量就每子幀而言可能會不同，具有可變的保護時段位置和長度。這會顯著增大 5G PHY 的實現復雜性。至少在最初幾年，構建 5G 系統最為得當的方法應該是利用可編程 FPGA 和 SoC 隨標準演進來擴展和升級系統，并根據現場的性能測量結果改進和調整實現方案。
圖 1：一種準標準的基線 5G 幀結構
MIMO 技術非常適合厘米波 (3-30 GHz) 和毫米波 (30-300GHz) 頻率，這是價格便宜而且未充分利用的頻譜資源，有大量可用的連續波段。頻率越高，傳輸信號的傳播損耗越大。不過，更高頻率下能獲得很窄的筆形波束，可實現更大天線增益，以補償較高的傳播損耗。此外，隨著載波頻率增加，天線單元的尺寸會減小。因此，可以在更小的區域裝入更多天線單元。例如，包含 20 個單元的 2.6GHz 最先進天線大約是一米高。在 15GHz下，可以設計具有 200 個單元但只有 5cm 寬、20cm 高的天線。天線單元增多，意味著可以準確地將信號導向目標接收器。由于系統以很多這種波束形式將傳輸集中在特定方向上，因此覆蓋率和容量會大幅提高。
5G NR（新無線電）規范草案沒有指明所支持的 MIMO 層數量，不過很可能高達 32 至 64 層。5G 系統將支持在每個 TTI 期間對用戶資源分配進行快速重新配置，以實現更高頻譜利用率。當支持多個 MIMO 層時，這會進一步加大系統復雜性。圖 2 給出了 5G MIMO 系統中用戶資源分配實例。時分雙工 (TDD) 有助于緩解 5G Massive MIMO 的實現，其中信道狀態信息利用信道互易性來確定。該方案未考慮用戶端設備或終端中的非線性。需要指明的重要一點是，在 5G 基站實現方案中，終端需要記錄多個波束并定期請求基站進行資源分配，以便為上行數據傳輸分配最佳波束。當 UE 終端切換波束時，需要重新計算信道狀態信息。為了實現如此復雜的系統，務必要引入足夠的靈活性和可編程性，以便調整實現方案，針對不同終端實現所需的性能。
圖 2：基線 5G 系統中的 MIMO
對于 6GHz 以下的部署，5G 系統通常多達 64 個天線單元。6GHz 以上可有更多的天線單元數量。數字波束形成一般用在 6GHz 頻率以下的情況（在基帶中實現）；而結合了數字和模擬波束形成技術的混合方案則用于 6GHz 以上頻率。包含 64 個天線單元的 Massive MIMO 系統配置會顯著增加復雜性和成本，因為要支持 L1 基帶中數字波束形成所需的大量有源無線電信號鏈和預編碼計算。基帶處理信號鏈與遠端射頻單元之間的連接要求急劇增加。為了比較經濟地實現這些系統，有必要在無線電中集成 L1 基帶信號處理或其中的一部分。未來的這種功能劃分可能導致網絡節點中 L1-L2 與無線電功能處在相同位置。圖 3 介紹了 64 個天線單元的 Massive MIMO 在不同系統功能邊界上的連接要求，凸顯了 L1 與無線電共址的必要性。
圖 3：Massive MIMO 系統中的連接挑戰
5G 的范圍相當廣泛，而且整個業界又非常活躍，提交了數百提案，因此使得商議時間大大延長。對所提議的算法和網絡配置進行仿真，這樣雖說不錯，但還不夠。概念驗證演示、現場試驗和測試臺對于這些提案的評估都非常關鍵。這使得一般的機構很難審核所有提議。此外，來自市場的壓力也非常巨大，要求更早地發布 5G 規范。有些運營商對于海量機器類通信(mMTC)和超高可靠低時延用例(URLLC)標準化的推出計劃延期感到不悅——預期在 2019 年末推出。3GPP 已針對數據選擇 LDPC，針對 eMBB 用例選擇極化碼。對于 mMTC 和 URLLC 用例，LDPC、極化碼和渦輪碼都在考慮之中，不過行業還要等待更長時間才能為這些用例做出結論。很多情況下，用戶終端以及 5G 基站有可能支持多種 5G 用例，這使得設計基帶編解碼器的難度加大、成本更高。
更復雜的是，運營商沒有明確 5G 用例如何進行商業化部署以及哪種會在市場部署方面走在最前面。固定無線接入（替換最后一英里光纖）和智能城市是兩個業界領先的用例。采用URLLC的垂直產業整合以及自動化運輸等還需要更長時間才能從實驗室和有限現場試驗中走出來，實現更廣泛的市場應用。出于這些原因，5G 系統預計要具有足夠的靈活性和可編程性以精調系統功能和性能，從而在這些用例被采用后實現演進并適應市場現實。
賽靈思 All Programmable FPGA 和 SoC 在實現 5G 概念驗證、測試臺驗證以及 eMBB、URLLC 和 mMTC 用例的早期商業化試驗中起到關鍵作用。商用芯片尚未推出，ASIC 也無法在 5G 標準化階段早期實行。就基于賽靈思 All Programmable FPGA 和 SoC 的平臺而言，其關鍵價值在于系統可以動態調整以支持任意功能和增強型算法實現方案。廠商利用這些平臺運行現場試驗，以測量實際部署環境中的性能，從而優化系統實現方案。第一波商用 5G 系統可能就要依賴這些最優化系統。賽靈思 UltraScale™ 和 UltraScale+™ All Programmable FPGA 和 SoC 專門為滿足 5G 市場要求而設計。
