5G波束要求

5G需要满足eMMB、URLLC、mMTC以及IAB等各类业务，所以对波束的要求较LTE也会完全不一样。

5G的应用程序概述如图1所示。

增强型移动宽带（eMBB）波形

增强型移动宽带（eMBB）被认为是一种低延迟和高吞吐量的锚定技术，通过波形本身或子帧定义中的可扩展numerology ，各种5G服务都基于该锚定技术。这种设计理念支持跨技术的通用MAC设计，这有利于集成（例如，mmW和蜂窝之间的载波聚合）。增强型移动宽带包括诸如许可频谱中的大小区和许可或未许可频谱中smallcell的上下行链路等方面。这包括低于6GHz的蜂窝频率和高于6GHz（例如mmW）的频带。eMBB的关键要求是确保在4-6GHz之间可用的可能更大的许可带宽（如日本5G考虑的4.4-4.9GHz、中国的3.5GHz）上实现高频谱效率和更低延迟。增强型移动宽带还提供了与蜂窝上下行链路服务的设备对设备通信同信道，以及诸如基站之类的基础设施节点之间的集成接入和回程（IAB： integrated access and backhaul）通信。

对于eMBB下行链路，关键设计考虑因素是：

•  支持宽带上的高频谱效率。

• 充分利用空间复用。

对于eMBB蜂窝下行链路服务，可以假设用户处于连接的RRC状态，即已经实现同步并且已经建立了专用控制/数据信道。

对于上行链路增强型移动宽带服务，有两个重要的部署需要考虑。

首先是大小区或宏小区部署，其中用户受到功率限制，并且根据其位置可能无法实现非常高的频谱效率。在这些情况下，波形实现低PAPR变得更加重要，例如具有单载波或甚至恒定包络。

对于由于small cell设备的功率要求或政府对无许可频谱的规定而发射功率较小的small cell或无许可部署，从用户到基站的距离显著减小，但不一定是用户的最大发射功率，尤其是在更为孤立的小基站和郊区室内住宅等未经许可的部署中。因此，在分配给每个用户的一组子载波内允许非常高的频谱效率变得更加重要，包括最大限度地使用MIMO传输，然后OFDMA成为增强移动宽带的更合适的技术。

如果允许用户在整个频带上发射23dBm，则下面提供了没有功率控制的大小区（1732m小区半径的站点间距离）上行链路SNR和SINR分布的图示。请注意，在这些情况下，路径损耗非常大，以至于用户通常处于低频谱效率状态，并且使用SC-FDMA支持较低的PAPR波形，而不是使用OFDM进行MIMO空间复用变得更加有利。另一方面，如果半径减小8倍（给出125m小区半径），则曲线将偏移30dB，在这种情况下，在上行链路上启用MIMO通常更有用。

eMBB毫米波

毫米波段中的波形折衷由多个因素决定，如PA效率、最大PA功率、信道特性（如延迟扩展）和波束赋形架构（如模拟、数字或混合）。

• mmw PA可能具有更低的效率和更低的峰值功率。在这种情况下，重要的是具有非常低的PAPR的波形，从而在极具挑战性的mmw环境中改善链路预算。

• 波束赋形还可以减少观测信道中的延迟扩展，从而有助于单载波和OFDM方法之间的不同折衷点。

• 在mmw频带中使用较大的子载波间隔可以有助于在大带宽的情况下降低FFT大小的复杂性。

• 在模拟或混合波束赋形系统中，数字链的数量比天线的数量少，并且部分波束赋形是通过RF波束赋形来实现的。在这种架构中，除非多个用户落入同一波束内，否则不可能在FDM中复用大量用户。为了在调度和传输块的大小方面提供更好的粒度，最好使用短TTI。这也可以应用于控制和数据的波形。

广域万物互联（mMTC）

5G的应用之一是支持大量无线连接到广域蜂窝网络的设备。除了专注于5G标称使用情况下的极端带宽和高频谱效率之外，WAN IoE还有其独特的设计要求和流量概况。具体而言，WAN IoE代表了具有零星短数据突发和对电池寿命要求严格的应用类别。此外，为了为WAN IoE设备提供部署灵活性，无线链路应能承受更大的传播和渗透损失。由于宏小区部署和链路预算的考虑，高频谱效率不是该用例的主要问题。

基于这些设计要求，WAN IoE上行链路期望使用单载波波形或甚至恒定包络波形，

对于WAN IoE下行链路，传输PAPR不再是最关键的约束，多个用户之间的同步也不受关注。因此，希望使用类似的波形和多址方案作为标称业务，这为信道延迟扩展提供了更好的处理，但缩放到适当的带宽。

关键任务应用程序（uLLRC）

对于非常低延迟的任务关键型应用，可能需要压缩子帧和HARQ时间线的numerology ，以在更短的时间跨度内提供非常高的可靠性。一个是下行链路，因为单个源控制到所有用户的传输，这可能不是设计问题，并且OFDMA是已经给出用户之间同步的合适解决方案。这也很重要，因为基站不必为每个服务支持两种不同的波形。

然而，在上行链路中，现在需要考虑权衡。一种通常用于降低频谱效率或短突发传输的延迟的方法是在同一时间频率资源上实现非正交传输和多用户检测，另一种方法是为异步传输划分单独的子带。

蜂窝设备到设备（SideLink）

增强的移动宽带应用也被设想为实现设备到设备的通信。由于链路的对称性质，希望在任一方向上具有相同的波形。可以进一步研究应该使用OFDM还是SC-FDM。

由于设备到设备的范围更短，较高的PAPR可能不是问题，并且可能需要支持较高的频谱效率。因此，设备对设备通信利用更适合下行链路的波形可能变得有利，这意味着为此链路采用OFDM波形。

对于D2D（侧链）用例，波形设计应允许：

• 对称波形。

• 高频谱效率支持。

综合接入和回程（IAB）

增强的移动宽带应用也被设想为实现基站到基站的通信。然而，应该注意的是，对大型小区之间的通信需求较少，因为在不增加有线回程投资的情况下，不可能部署这样的大型设备。然而，在small cell的情况下，它们更可能需要在其他small cell之间建立网格，或直接连接到具有有线回程的大小区。因此，回程链路可以采用OFDMA波形，仅在发送侧（small cell基站）额外支持SC-FDMA。这不允许改变基站的解调路径，但由于必须引入DFT，因此可能导致发射机的复杂度略微增加。