5G New Radio (NR)

Zaawansowany interfejs powietrzny z elastyczną numerologią i kształtami fal.

1. Potrzeba Nowego Radia: Dlaczego Interfejs Radiowy LTE Już Nie Wystarczał

Interfejs radiowy 4G LTE był arcydziełem swoich czasów. Oparty na technologiach OFDMA i SC-FDMA, zapewnił solidną i wydajną platformę, która z powodzeniem dostarczyła rewolucję mobilnego internetu szerokopasmowego. Jednak w miarę krystalizowania się wizji następnej generacji stało się jasne, że sztywna struktura radia LTE, mimo iż dobrze zaprojektowana, nie będzie w stanie sprostać ogromnie zróżnicowanym i często sprzecznym wymaganiom przyszłości. Sama definicja "komunikacji mobilnej" rozszerzała się poza tylko szybsze smartfony.

Ograniczenia interfejsu radiowego LTE były związane z jego projektem typu "jeden rozmiar dla wszystkich". Kluczowe parametry sygnału radiowego były stałe, zoptymalizowane głównie pod kątem zastosowań mobilnego internetu szerokopasmowego. Na przykład wynosił zawsze $15$ kHz, a struktury ramek i szczelin były w dużej mierze nieelastyczne. Ten projekt był doskonały do dostarczania szybkich danych do telefonów, ale nie pasował do pojawiających się zastosowań, które zdefiniowały 5G:

Komunikacja o Ultrawysokiej Niezawodności i Niskich Opóźnieniach (URLLC): Aplikacje krytyczne, takie jak autonomiczne pojazdy czy zdalna chirurgia, wymagają opóźnień rzędu pojedynczych milisekund. Stała struktura czasowa LTE po prostu nie była w stanie obsłużyć tak niemal natychmiastowej komunikacji.
Masowa Komunikacja Maszynowa (mMTC): Internet Rzeczy (IoT) wymaga łączności dla miliardów prostych czujników o niskim poborze mocy. Radio LTE było zbyt skomplikowane i energochłonne dla urządzenia, które mogło potrzebować wysyłać zaledwie kilka bajtów danych tygodniowo i działać przez dekadę na baterii.
Zróżnicowane Pasma Widma: Przyszłość mobilnego internetu szerokopasmowego (eMBB) wymagała wykorzystania ogromnych, nowych połaci widma w pasmach wysokich częstotliwości, zwanych falami milimetrowymi (mmWave). Stałe parametry radiowe LTE, zoptymalizowane dla częstotliwości poniżej 6 GHz, nie były dobrze przystosowane do unikalnych właściwości fizycznych sygnałów mmWave.

Stało się jasne, że potrzebny jest nowy, fundamentalnie bardziej elastyczny i adaptowalny interfejs radiowy. Nie mogła to być tylko ewolucja; musiało to być przeprojektowanie od podstaw, zdolne do dynamicznego formowania się w celu dopasowania do każdej usługi i każdego pasma częstotliwości. To jest geneza 5G New Radio (NR).

2. Filozofia Rdzenia 5G NR: Wrodzona Elastyczność i Zgodność z Przyszłymi Technologiami

5G NR zostało zaprojektowane w oparciu o filozofię, która odróżnia je od wszystkich poprzednich technologii komórkowych: jest z natury elastyczne i zaprojektowane z myślą o przyszłości. Zamiast tworzyć sztywny standard, projektanci w 3GPP stworzyli wysoce konfigurowalny zestaw narzędzi z parametrami radiowymi i kształtami fal, które można mieszać i dopasowywać, aby sprostać specyficznym wymaganiom dowolnej aplikacji lub scenariusza wdrożeniowego.

Kluczowe aspekty tej filozofii to:

Skalowalność na Wszystkich Częstotliwościach: 5G NR jest zaprojektowane do płynnego działania w ogromnym zakresie częstotliwości, od niskich pasm poniżej 1 GHz (dla szerokiego zasięgu), przez tradycyjne pasma środkowe (1-6 GHz), aż po pasma wysokich częstotliwości mmWave (powyżej 24 GHz).
Elastyczna Numerologia Fali Radiowej:Jest to serce adaptowalności 5G NR. Zamiast stałej fali radiowej, NR wprowadza elastyczny zestaw parametrów ("numerologię"), który można dynamicznie zmieniać, aby zoptymalizować sygnał pod kątem opóźnień, niezawodności lub efektywności widmowej.
Zunifikowany Interfejs Radiowy dla Wszystkich Usług: 5G NR zapewnia pojedynczą, zunifikowaną platformę radiową, która może efektywnie obsługiwać wszystkie trzy podstawowe przypadki użycia 5G (eMBB, URLLC i mMTC).
Zgodność z Przyszłymi Technologiami: Standard został zaprojektowany z myślą o przyszłej ewolucji. Jego struktura pozwala na dodawanie nowych funkcji, nowych pasm częstotliwości i nowych typów usług w przyszłych wydaniach bez naruszania kompatybilności z istniejącymi urządzeniami i sieciami.

3. Kamień Węgielny Elastyczności: Numerologia 5G NR

Najważniejszą i najbardziej innowacyjną koncepcją w interfejsie radiowym 5G NR jest jego elastyczna numerologia. W kontekście fali radiowej, numerologia odnosi się do fundamentalnych parametrów, które definiują jej strukturę w czasie i częstotliwości. Podczas gdy LTE było zbudowane na jednej, stałej numerologii, 5G NR definiuje rodzinę skalowalnych numerologii.

Czym Jest Numerologia?

Fala radiowa 5G NR, podobnie jak w LTE, opiera się na . Numerologia w tym kontekście jest definiowana przez określony Odstęp Między Podnośnymi (SCS). Zmiana SCS ma bezpośredni, odwrotny wpływ na czas trwania innych kluczowych parametrów fali radiowej:

Czas Trwania Symbolu: Okres czasu używany do przesłania jednego symbolu OFDM. Jeśli podwoisz odstęp między podnośnymi, czas trwania symbolu skraca się o połowę.
Czas Trwania Prefiksu Cyklicznego (CP): Mała kopia końca symbolu OFDM, która jest dołączana na jego początku. CP działa jak interwał ochronny, zapobiegając interferencji międzysymbolowej spowodowanej opóźnieniami wielodrogowymi. Jego czas trwania również skaluje się odwrotnie do SCS.

Skalowalne Numerologie 5G NR

5G NR definiuje zestaw numerologii opartych na skalowaniu podstawowego odstępu 15 kHz z LTE przez potęgi dwójki. Standard określa parametr $\mu$ (mi) do zdefiniowania SCS:

\text{SCS} = 15 \times 2^\mu \text{ kHz}

W rezultacie otrzymujemy następujące główne numerologie:

Numerologia ( $\mu$ )	Odstęp Między Podnośnymi (SCS)	Typowe Zastosowanie	Charakterystyka
$0$	$15$ kHz	eMBB w niskich/średnich pasmach, Koegzystencja z LTE	Długi czas trwania symbolu, wysoka efektywność widmowa.
$1$	$30$ kHz	eMBB w średnich pasmach, niektóre zastosowania URLLC	Dobry balans między wydajnością a opóźnieniem.
$2$	$60$ kHz	URLLC, Fale Milimetrowe (FR2)	Krótki czas trwania symbolu dla niskich opóźnień, odporność na szum fazowy.
$3$	$120$ kHz	URLLC, Fale Milimetrowe (FR2)	Bardzo krótki czas trwania symbolu, najniższe opóźnienia.
$4$	$240$ kHz	Usługi specjalistyczne (np. pozycjonowanie)	Ekstremalnie krótki czas trwania symbolu.

4. Kompromisy: Dopasowanie Numerologii do Usługi

Wybór numerologii nie jest przypadkowy; wiąże się on z fundamentalnymi kompromisami między opóźnieniem, wydajnością a odpornością. Zdolność do wyboru odpowiedniej numerologii do odpowiedniego zadania jest geniuszem 5G NR.

Wąski Odstęp Między Podnośnymi (np. 15 kHz)

Ta numerologia skutkuje stosunkowo długim czasem trwania symbolu OFDM.

Zaleta - Efektywność Widmowa: Prefiks cykliczny (CP), który jest narzutem, zajmuje mniejszy procent całkowitego czasu trwania długiego symbolu. Oznacza to, że mniej czasu marnuje się na narzut, a więcej czasu przeznacza się na przesyłanie faktycznych danych, co prowadzi do wyższej efektywności widmowej.
Zaleta - Odporność na Wielodrogowość: Długi czas trwania symbolu sprawia, że jest on bardzo odporny na opóźnienia spowodowane propagacją wielodrogową, podobnie jak w LTE.
Wada - Wyższe Opóźnienie: Ponieważ każdy symbol jest długi, przesłanie danych z jednej szczeliny czasowej trwa dłużej. Dłuższy nie nadaje się do usług URLLC, które wymagają opóźnień rzędu milisekund.
Najlepsze Zastosowanie: Usługi eMBB w niższych i średnich pasmach częstotliwości, gdzie maksymalizacja przepustowości i wydajności jest głównym celem.

Szeroki Odstęp Między Podnośnymi (np. 120 kHz)

Ta numerologia skutkuje znacznie krótszym czasem trwania symbolu OFDM.

Zaleta - Niższe Opóźnienie: Krótsze symbole oznaczają krótszy czas trwania szczeliny. Przy SCS 120 kHz czas wymagany do przesłania danych w ramach jednej decyzji planistycznej jest radykalnie zredukowany, co umożliwia bardzo niskie opóźnienia wymagane dla URLLC.
Zaleta - Odporność na Szum Fazowy: Sygnały o bardzo wysokich częstotliwościach (mmWave) są bardziej podatne na rodzaj zniekształcenia zwany szumem fazowym. Szerszy odstęp między podnośnymi czyni sygnał z natury bardziej odpornym na te efekty.
Wada - Niższa Efektywność Widmowa: Czas trwania prefiksu cyklicznego staje się większą częścią czasu trwania krótkiego symbolu, co oznacza więcej narzutu i nieco niższą wydajność.
Wada - Wrażliwość na Wielodrogowość: Krótki czas trwania symbolu sprawia, że system jest bardziej wrażliwy na interferencję międzysymbolową w środowiskach z dużymi opóźnieniami.
Najlepsze Zastosowanie: Usługi URLLC, które priorytetyzują opóźnienie ponad wszystko, oraz komunikacja w zakresie częstotliwości fal milimetrowych (FR2).

5. Struktura Ramki 5G NR: Zasoby Czasowe i Częstotliwościowe

5G NR organizuje swoje zasoby radiowe w elastyczną siatkę czasu i częstotliwości, zapewniając strukturę do planowania transmisji danych.

Domena Czasu: Ramki, Podramki i Szczeliny

Podstawowa struktura czasowa jest zbudowana wokół ramki radiowej o długości $10$ ms, tak jak w LTE. Jednak sposób, w jaki ta ramka jest dzielona, jest znacznie bardziej elastyczny.

Ramka Radiowa: Największa jednostka czasu, stała na długość $10$ ms.
Podramka: Każda ramka jest podzielona na 10 podramk o długości $1$ ms każda.
Szczelina (Slot): I tu wchodzi w grę elastyczność numerologii. Podramka składa się z jednej lub więcej szczelin. Liczba szczelin na podramkę zależy od używanego odstępu między podnośnymi:
- Przy SCS 15 kHz ( $\mu=0$ ), jest 1 szczelina na podramkę.
- Przy SCS 30 kHz ( $\mu=1$ ), są 2 szczeliny na podramkę.
- Przy SCS 60 kHz ( $\mu=2$ ), są 4 szczeliny na podramkę.
- Przy SCS 120 kHz ( $\mu=3$ ), jest 8 szczelin na podramkę.
Symbole OFDM: W najczęstszej konfiguracji każda szczelina składa się z 14 symboli OFDM. Rzeczywisty czas trwania tych 14 symboli staje się krótszy w miarę wzrostu SCS.
Mini-Szczeliny (Mini-Slots): Aby wspierać jeszcze niższe opóźnienia dla URLLC, 5G NR wprowadza koncepcję mini-szczeliny. Pozwala to sieci na zaplanowanie transmisji na zaledwie 2, 4 lub 7 symboli OFDM, bez konieczności czekania na dostępność pełnej 14-symbolowej szczeliny.

6. Domena Częstotliwości: Bloki Zasobów i Części Pasma (BWP)

Wymiar częstotliwościowy siatki radiowej jest również wysoce adaptowalny.

Blok Zasobów (RB): Najmniejsza jednostka zasobów częstotliwościowych, która może być przydzielona użytkownikowi, to Blok Zasobów. RB składa się z 12 sąsiadujących podnośnych. Dla danej numerologii wszystkie 12 podnośnych w RB mają ten sam odstęp. Scheduler w gNB przydziela dane użytkownikom w jednostkach RB i szczelin.
Część Pasma (BWP - Bandwidth Part): Jest to kolejna kluczowa innowacja 5G NR. W LTE urządzenie musiało być zdolne do odbierania całej szerokości pasma kanału (np. 20 MHz) przez cały czas, nawet jeśli otrzymywało tylko niewielką ilość danych. Było to nieefektywne z punktu widzenia zużycia energii. BWP to podzbiór wszystkich Bloków Zasobów kanału. Sieć może skonfigurować dla urządzenia jedną lub więcej BWP. Urządzenie musi aktywnie monitorować i przetwarzać tylko pasmo swojej aktywnej BWP, a nie pełną szerokość nośnej. Na przykład, na nośnej o szerokości $100$ MHz, urządzenie w stanie bezczynności lub niskiej aktywności może mieć skonfigurowaną wąską $20$ MHz BWP. Gdy potrzebny jest szybki transfer danych, sieć może natychmiast poinstruować urządzenie, aby przełączyło się na pełną $100$ MHz BWP. Pozwala to na znaczną oszczędność baterii, a także umożliwia działanie tańszych, prostszych urządzeń na szerokopasmowej nośnej 5G bez konieczności posiadania drogiego sprzętu RF obsługującego pełne pasmo.