Inleiding tot 5G NR

Leer de basis van 5G NR, inclusief de frequentiebanden, toepassingen en welke technologieën dit mogelijk maken.

5G, de volgende (vijfde) generatie in draadloze smartphonecommunicatie, wordt in de consumentenwereld sterk gepromoot als een hoger niveau voor mobiele apparaten. Maar wat houdt 5G in in de ogen van de ingenieurs die deze apparaten ontwikkelen?

In dit artikel gaan we dieper in op 5G NR (nieuwe radio) en onderzoeken we de modellen voor meervoudig gebruik en meerdere frequentiebanden die onder deze opkomende standaard vallen. We zullen ook enkele van de geavanceerde technologieën bekijken die verband houden met 5G NR.

5G-standaarden

Standaarden voor 5G worden ontwikkeld door het 3rd Generation Partnership Project (3GPP), dat bestaat uit partners van zeven verschillende wereldwijde standaardisatieorganisaties. De standaarden voor 5G zijn in december 2017 begonnen met "Release 15" en worden in volgende releases uitgebreid naarmate nieuwe functies, functionaliteit en vereisten worden toegevoegd.

Binnen 3GPP zijn technische specificatiegroepen (TSG's) die werken aan het definiëren van de 5G NR-systemen in toenemende abstractieniveaus. Voorbeeldniveaus omvatten, maar zijn niet beperkt tot:

• Radiotoegangsnetwerk (RAN): Verantwoordelijk voor het definiëren van de lagere niveaus (1-3) van de specificaties voor radioprestaties, waaronder:
  • De fysieke laag
  • Modulatie
  • Frequency-division duplexing (FDD)
  • Time-division duplexing (TDD)
  • Beamforming
  • Foutdetectie
  • Correctie
• Diensten en systeemaspect (SA): Houdt toezicht op de algehele architectuur en servicemogelijkheden, waaronder opladen, boekhouding, netwerkbeheer en beveiliging
• Kernnetwerk en terminal (CT): Definieert de specificaties voor de gebruikersapparatuur, overdracht tussen netwerken, het in kaart brengen van de kwaliteit van de dienstverlening, enz.

Drie frequentiebanden van gelaagde 5G-service

Naarmate draadloze telecommunicatietechnologieën zijn gevorderd, zijn de frequenties en bandbreedte gestaag toegenomen. Zoals geïllustreerd in figuur 1 behouden de nieuwere generaties enige achterwaartse compatibiliteit met bestaande netwerken, maar breiden ze uit naar meer frequentiebanden.

Figuur 1. Evolutie van frequentiespectrumtoewijzingen voor 2G-, 3G-, 4G- en 5G-netwerken. Afbeelding gebruikt met dank aan Ericsson

Deze trend maakt een enorme sprong voorwaarts met 5G terwijl het zich verplaatst naar de millimetergolffrequenties (mmWave) boven 30GHz. Hierdoor kan 5G NR ultrabrede bandbreedtes tot 100 MHz ondersteunen bij frequenties onder 6 GHz en tot 400 MHz bij hogere frequenties.

5G kan over het algemeen worden onderverdeeld in drie banden:

• FR1
  • Lagere frequenties: MHz–1 GHz
  • Midden frequenties:1–7 GHz
• FR2
  • Hogere frequenties: 24-48 GHz

Zoals figuur 2 laat zien, zijn de drie banden ontworpen om samen te werken om te voldoen aan verschillende behoeften op het gebied van bandbreedte, latentie en dekking.

Figuur 2. Relaties tussen bandbreedte, latentie en dekking voor de 3 banden van 5G NR. Afbeelding gebruikt met dank aan Advantech

De initiële implementaties voor 5G bevinden zich in het lagere frequentiebereik (FR1), met twee banden (aangeduid als laag en midden) die de meer traditionele frequenties omvatten die worden gebruikt voor smartphones van 450 MHz tot 6 GHz. Deze lagere frequenties bieden het grootste dekkingsbereik.

Het hogere frequentiebereik (FR2) beweegt omhoog naar en in het mmWave-gebied met frequenties van 24 - 100 GHz om hogere downloadsnelheden te ondersteunen en nieuwe toepassingen mogelijk te maken die een ultralage latentie vereisen.

Orthogonale frequentieverdelingsmultiplexing voor 5G NR

5G-transmissie voor zowel de uplink- als de downlink-verbindingen is gebaseerd op OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing). OFDM combineert quadrature amplitude modulation (QAM) en frequency division multiplexing (FDM) om communicatie met hoge datasnelheid mogelijk te maken.

Omdat de frequenties van de subdraaggolf loodrecht op elkaar staan, komen de individuele pieken allemaal overeen met de nulpunten van de andere subdraaggolven (Figuur 3).

Figuur 3. Het frequentiespectrum van orthogonale multiplexing met frequentieverdeling. Afbeelding gebruikt met dank aan Keysight

Dit minimaliseert interferentie en stelt de ontvanger in staat om het signaal efficiënt te herstellen. Deze gemoduleerde hulpdraaggolven kunnen worden gebruikt om veel onafhankelijke signalen te ondersteunen (zoals FM-radiokanalen), maar in 5G worden toepassingen meestal gecombineerd om de gegevenssnelheid voor een enkel kanaal te verhogen.

De NR-specificatie ondersteunt een instelbare draaggolfafstand van 15 kHz, 30 kHz, 60 kHz, 120 kHz, 240 kHz of 480 kHz met een maximum van 3300 hulpdraaggolven. Bovendien kan de subdraaggolfmodulatie QPSK (quad-phase shift keying) of 16-, 64- of 256-QAM zijn. Deze opties bieden veelzijdigheid waarmee operators het communicatieschema kunnen optimaliseren om te voldoen aan de omgevingen en toepassingen.

5G-prestaties vergeleken met 4G

Zoals we van elke nieuwe generatie smartphonetechnologie gewend zijn, is 5G sneller en biedt het meer capaciteit dan zijn voorganger 4G. 5G zal naar verwachting piekgegevensoverdrachtsnelheden tot 10-20 Gb/s en gemiddelde gegevenssnelheden van meer dan 100 Mb/s ondersteunen. 5G is ook ontworpen om een ​​100x grotere capaciteit te ondersteunen door verbeteringen in de netwerkefficiëntie en een 10x kortere latentie tot slechts 1 ms.

Naast deze basisverbeteringen wordt 5G ontworpen als een meer diverse telecommunicatiestandaard dan 4G om toepassingen te ondersteunen die verder gaan dan standaard mobiel breedband, waaronder:

• Missiekritische communicatie met lage latentie
• Enorme connectiviteit voor Internet-of-Things (IoT)
• Ondersteuning voor alle soorten spectrum (gelicentieerd, gedeeld, zonder licentie)
• Uitgebreide implementatiemodellen inclusief hotspots
• Nieuwe communicatiemodellen zoals device-to-device en multi-hop mesh.

5G-gebruiksmodellen

Meestal denken we bij het horen van 5G meteen aan betere smartphones, en dat is inderdaad een aspect van de 5G NR-specificaties. De standaarden worden echter ontwikkeld om veel meer te ondersteunen dan alleen betere smartphones. Specifiek zijn er drie belangrijke gebruiksmodellen zoals geïllustreerd in figuur 4:

• eMBB (Enhanced Mobile Broadband):losjes betere smartphones, consumentenapps
• URLLC (Ultra-betrouwbare communicatie met lage latentie):missiekritieke services
• mMTC (Massive Machine Type Communications):denk aan Internet of Things

Figuur 4. Voorbeeldtoepassingen van de drie 5G NR-gebruiksmodellen. Afbeelding [aangepast] gebruikt met dank aan 3GPP

eMBB (verbeterde mobiele breedband)

De initiële focus van 5G NR-netwerkontwikkeling is gericht op eMBB voor de verbeterde download- en uploadsnelheden en verminderde latentie. Verwacht wordt dat eMBB mobiele videostreaming zal verbeteren en toepassingen mogelijk zal maken die mobiele augmented en virtual reality (AR en VR) omvatten. emBB zal naar verwachting verbeterde toegang bieden tot draadloze breedband in dichtbevolkte stedelijke gebieden, sport- of concertlocaties en slimme kantoren.

URLLC (ultra betrouwbare communicatie met lage latentie)

Zoals de naam al doet vermoeden, is URLLC ontworpen om communicatie met zeer lage latentie te bieden voor 'realtime'-toepassingen, waaronder autonome voertuigen, industriële automatisering en chirurgie op afstand. Het is duidelijk dat voor elk van deze toepassingen robuuste netwerkverbindingen met lage foutpercentages en onmerkbare latentie (theoretisch slechts 1 ms) nodig zijn. Deze vereisten zijn heel anders dan voor een spraakoproep of het streamen van je favoriete nieuwe programma.

mMTC (Massive Machine Type Communications)

mMTC is het derde gebruiksmodel en verschilt ook nogal van de eerste twee. mMTC zal profiteren van de brede bandbreedte die beschikbaar is met 5G NR om communicatie met een "enorm" aantal apparaten met een lage gegevenssnelheid te ondersteunen. Toepassingen zijn onder meer het Internet-of-Things en Smart Cities, waar een groot aantal knooppunten smalle bandbreedtes nodig hebben voor remote sensing, monitoring, verkeers- en parkeerbeheer, logistiek en wagenparkbeheer, en elektronische billboards.

Technologieën die 5G mogelijk maken

Er zijn veel technologische ontwikkelingen die samenkomen om 5G-communicatie mogelijk te maken. In dit gedeelte worden enkele belangrijke technologieën besproken die waarschijnlijk interessant zijn voor elektrotechnici die in de hardware werken.

Geavanceerde transistortechnologie

De voortdurende opmars van silicium CMOS-technologie naar fijnere geometrieën is uiteraard belangrijk om de benodigde rekenkracht in handsets, basisstations en de netwerkbackbone te vergroten. Bovendien, terwijl 5G zich uitbreidt naar het millimetergolfgebied van het frequentiespectrum, staan ​​verbeteringen in geavanceerde transistortechnologie centraal.

Zoals figuur 5 illustreert, zijn siliciumgermanium (SiGe), galliumarsenide (GaAs), galliumnitride (GaN) en siliciumcarbide (SiC) allemaal geschikt voor gebruik in de hoogfrequente FR2-banden boven 6 GHz. Met name GaN- en SiC-apparaten worden veel gebruikt in de basisstations waar zowel hoge frequenties als hoge vermogens nodig zijn.

Figuur 5. Vermogen versus frequentie van materialen met een brede bandgap (WBG). Afbeelding gebruikt met dank aan Analog Devices

Naast alleen de transistors zelf, vereisen externe verbindingen van de chip naar de printplaat (PCB) technologische vooruitgang in verpakking en geavanceerde ontwerptechnieken. Iets eenvoudigs als een verbindingsdraad van 1 mm in een pakket wordt een potentiële antenne bij millimetergolffrequenties en kan een complexe impedantie hebben die het moeilijk maakt om een ​​impedantie van 50 Ω te bereiken die overeenkomt met de PCB. Overstappen op een flip-chip-assemblage met soldeerballen kan helpen, maar de uitdaging om de impedantie aan te passen blijft mogelijk.

Massieve Multi-Input Multi-Output Antennes

Vanwege de zeer korte golflengten worden phased array-antennes haalbaar voor de 5G millimetergolffrequenties. Het prototype van de millimetergolf-handset dat door Qualcomm in figuur 6 is gedemonstreerd, lijkt bijvoorbeeld drie 4x2 phased array-antennesecties te hebben. De phased array-antennes kunnen beamforming ondersteunen voor een betere antenneversterking.

Figuur 6. 5G NR mmWave-handset-prototype. Afbeelding [aangepast] gebruikt met dank aan Qualcomm

In de basisstations zal het gebruik van phased arrays naar verwachting exploderen naar zogenaamde massieve multi-input multi-output (MIMO) systemen. Met behulp van een groot aantal antennes en complexe algoritmen kan een enorm MIMO-systeem adaptieve bundelvorming en ruimtelijke diversiteit toepassen voor:

• Spectrale efficiëntie door het focussen van smalle bundels op elke gebruiker
• Energie-efficiëntie door antenneversterking voor verminderd totaal uitgestraald vermogen
• Verbeterde datasnelheden en capaciteit door winst en ruimtelijke diversiteit
• Het volgen van mobiele gebruikers via adaptive beamforming

Een combinatie van digitale en analoge verwerking op het basisstation creëert unieke transmissiekanalen voor individuele gebruikers. De individuele gebruikers kunnen ook meerdere antennes gebruiken om de communicatie te verbeteren in de aanwezigheid van fading, multipath en interferentie.

Figuur 7. Enorme multi-input multi-output communicatie voor millimetergolf 5G. Afbeelding gebruikt met dank aan Alemaishat et al.

Samenvatting

5G NR is zoveel meer dan alleen een verbeterd netwerk voor mobiele smartphones. De drie belangrijkste gebruiksmodellen van verbeterde mobiele breedband, ultrabetrouwbare communicatie met lage latentie en massale communicatie van het machinetype zullen de komende jaren waarschijnlijk leiden tot veel nieuwe toepassingen.