5G世代正席捲而來，大幅改善了4G的功能。隨著5G NR(New Radio)標準初始版本(納入3GPP Release 15規範中)於2017年12月首次發布，其實體層規格也逐漸成形。第15版規格主要著重於增強型行動寬頻(eMBB)和超可靠、低延遲通訊(URLLC)，以實現超快的資料速率，並提供超低延遲的無線通訊。
這些新規格為裝置和元件設計人員帶來了新的挑戰。除須根據新標準進行設計外，還須驗證各種測試案例的協定，並且驗證射頻效能，以便提供預期的服務品質。
以上所述的這些因素，使得量測變得更具挑戰性。大規模MIMO(Massive MIMO)和波束控制技術的興起，帶來了波束管理的挑戰；而毫米波(mmWave)頻率的應用，則對訊號品質構成挑戰。此外，過去使用纜線進行的測試，現在則須透過空中介面(OTA)來完成，這一切都使得驗證變得更加困難。
雲端運算、人工智慧(AI)和機器學習、擴增與虛擬實境、物聯網，以及全球數十億個連接裝置等新興技術，正以前所未有的速度推動無線通訊系統的發展。5G NR適合那些應用？5G技術旨在提供更快速、可靠和幾近於即時的連接，最終將讓所有人緊密相連。人們可即時體驗線上活動和遊戲；手機和視訊通話可以拉近每個人的距離；而具人工智慧的智慧型裝置則可為每個人打造客製化和個人化的環境。
5G NR實體層部署是關鍵
5G NR預計將與4G一同運作，甚至利用4G用於非獨立模式(NSA)中的資料和控制平面的核心網路。專家預測5G、4G和Wi-Fi將共存於相同的載波，並利用免許可頻段來增加6GHz以下頻段的容量。5G NR第15版規格(R15)為實現未來5G通訊的靈活性打下了基礎。實體層是採用5G NR的第一步，它非常重要，因為它定義了組成無線訊號的結構，以及訊號透過空中介面進行通訊的方式。
在實體層中部署裝置設計的挑戰包括：
．靈活的時間和頻率間隔可實現低延遲，但它伴隨著複雜的通道編碼、訊號品質挑戰和無數的測試案例。
．頻寬成分(Bandwidth Part)是有效利用頻譜的關鍵，但它也帶來了新的共存問題。
．Massive MIMO和毫米波波束控制技術可實現更高的傳輸速率和更大的容量，卻也帶來了波束管理的新挑戰。
．毫米波頻率可提供更大的通道頻寬，但是在訊號品質和OTA測試需求方面帶來新的挑戰。
5G NR技術優勢多
NR R15規範了一個新的無線電，以實現更高資料傳輸速率和低延遲的使用案例。實現更高資料傳輸速率的關鍵是，增加高達52.6GHz的毫米波頻譜。在這些較高的頻率上，有更多的連續頻譜可用於經由通道傳送更多的資料。R15規範了高達400MHz的最大載波頻寬和多達16個可聚合成800MHz頻寬的子載波。另外，時槽結構的靈活性和可擴充性，將有助於支援5G多元的新使用案例。圖1顯示出不同的規格，對於提供靈活且可擴充的實體層有何幫助，並且顯示5G NR的明顯優勢。
5G NR定義循環前置碼正交分頻多工(CP-OFDM)可作為下行鏈路(DL)和上行鏈路(UL)的調變格式(或波形)。CP-OFDM已廣泛用於DL傳輸，但仍極少用於行動裝置的UL傳輸。在UL和DL中使用相同的波形，有助於在未來的版本中實現更簡單的裝置到裝置通訊。延遲擴展正交分頻多工(DFT-s-OFDM)也被指定為UL的候選波形。它使用單一傳輸，在功率受限的情境中非常好用。
不同於4G，NR允許使用可擴充的OFDM參數集(μ)，其中子載波間隔不再固定為15kHz。使用NR時，子載波間隔由2μ×15kHz子載波間隔控制。15、30和60kHz子載波間隔用於較低頻段，60、120和240kHz子載波間距則用於較高頻段。可擴充的參數集支援可擴充的時槽持續時間，以便最佳化不同服務等級的傳輸速率、延遲或可靠性。在較高頻率下，較大的子載波間隔也有助於提高波形的穩健性，因為在毫米波設計中，整合的相位雜訊可能是個問題。
圖2顯示不同子載波間隔，及相關傳輸時間間隔(TTI)如何縮放時槽的大小。OFDM系統使用循環前置碼(CP)來減輕通道延遲擴展和符號間干擾的效應。CP藉由同一符號的開始處重複符號的結尾，來提供緩衝以保護OFDM訊號免於遭受符號間干擾。雖然這樣會降低可獲致的資料速率，但可在整個CP長度中完全消除符號間干擾。在5G NR中，隨著子載波間隔持續改變，循環前置碼長度也相對應地擴大，因此可根據通道條件適整CP長度。
低延遲迷你時槽實現URLLC
超可靠的低延遲通訊(URLLC)是三種主要5G使用案例之一，它是一部分透過迷你時槽實現的。LTE傳輸遵循標準的時槽邊界，但它們並未針對最小延遲進行最佳化。圖3的標準時槽具有以深色標示的14個OFDM符號。隨著子載波間隔增加，時槽持續時間則相對減少，如淺色方塊所示。迷你時槽的持續時間比標準時槽短，並可位於時槽內的任何位置。迷你時槽可以是2、4或7個OFDM符號長度。迷你時槽可提供低延遲的有效酬載和立即啟動時間，毋須等待時槽邊界的開始。
靈活的時槽結構平衡UL/DL需求
NR子訊框結構還允許在相同子訊框內，動態指派OFDM符號鏈路方向和控制。透過這種動態TDD機制，網路可動態地平衡UL和DL流量需求，並在同一個子訊框中包含控制和確認訊息。時槽格式指標(SFI)用於表示時槽中的給定OFDM符號是用於上行鏈路、下行鏈路，或是可彈性使用(圖4)。
5G NR高頻寬應用多
在LTE中，載波頻寬較窄，最高為20MHz。聚合多個載波可創造更寬的通道頻寬，最高可達100MHz。在5G NR中，FR1(高達24GHz)的最大載波頻寬為100MHz，FR2(高達52.6GHz)的最高載波頻寬為400MHz。頻寬成分是5G NR新增的功能，其中載波可以根據不同用途進行細分。每個頻寬成分都可以有自己的參數集，並且可獨立發送訊號。一個載波可以有混合的參數集，以支援混合的服務，例如節能或免許可頻段中參數集和服務的多工。但是，在給定時間內，只有UL中的一個頻寬成分和DL中的一個頻寬成分處於活動狀態。頻寬成分將支援傳統的4G裝置與使用同一載波的新5G裝置。有了4G、5G和潛在的Wi-Fi多工服務，須盡可能減少頻內和頻外發射。圖5顯示頻寬成分如何支援給定載波中不同服務的一些範例。
Massive MIMO/波束控制提高傳輸速率
就像任何前一代升級案例一樣，傳輸速率是促成5G通訊成功的關鍵。這需透過多種方式實現，包括使用更寬的整體通道頻寬，以允許更多的資料透過空中介面發送；空間多工，其中多個獨立的資料串流在給定的時間和頻率上，透過多個天線發送；並藉由使用增強的通道反饋來提高傳輸速率，因為訊號經過最佳化，並使用進階通道編碼進行傳輸，以提供更高的傳輸速率。Massive MIMO和波束控制是提高傳輸速率的關鍵技術。
NR R15規範了高達52.6GHz的頻率，和每載波高達400MHz的頻寬，聚合多載波可獲得800MHz的通道頻寬。然而，在毫米波頻率下運作，對路徑損耗、阻塞和訊號傳播，帶來了新的挑戰。波束控制是解決這些問題的關鍵技術。NR規定了新的初始接入程序，確保波束控制所使用的指向式傳輸能夠校準。如圖6所示，基地台使用波束掃描技術來發射多個波束，以辨識最強波束，並建立通訊鏈路的新初始接入技術。驗證透過無線鏈路實現的初始存取、波束管理和傳輸速率，將是5G成功實現波束控制的關鍵因素。
CSI改善波束成形可靠性
通道狀態資訊(CSI)有助於增進5G NR波束成形的可靠性。5G NR針對CSI擷取，指定了新的波束管理框架，以減少CSI量測和報告之間的耦合，進而動態控制不同的波束。CSI使用通道估計法，來智慧地改變預編碼，並針對特定使用者調整波束。CSI資訊越好、越精確，鏈路的調適結果就越好。
了解5G NR波形的頻率、時間和調變域的分析，極為重要。為此，須配備可產生並分析5G波形的軟體和硬體，以便支援6GHz以下，以及頻寬更大的新毫米波頻率的各種不同使用案例。NR規格中的新功能(包括具有不同子載波間隔的靈活參數集、動態TDD和頻寬成分)提高了產生和分析波形的複雜性。圖7所示為使用是德科技的5G Signal Studio軟體和訊號產生器所產生的兩種不同NR波形，以及透過Keysight 89600VSA NR軟體進行的相關分析。
5G將推動傳輸速率、低延遲和大規模機器對機器通訊的進展。最初的5G NR R15提供靈活性和與前一代規格的相容性，卻也同時帶來了許多重大挑戰。在每一個量測步驟中，無論是模擬、設計還是驗證，都各有許多考量和挑戰。5G裝置的設計和測試必須進化，以因應要求來驗證大量的測試案例，確保在毫米波頻率下提供高傳輸速率連接，並設計可與4G和Wi-Fi共存的5G NR裝置。
