5G空口統(tǒng)一框架初探：軟件定義空口

摘要：提出了軟件定義空口（SDAI）的設(shè)計(jì)理念和框架，認(rèn)為通過(guò)SDAI可以對(duì)多個(gè)無(wú)線(xiàn)空口功能模塊進(jìn)行靈活編程配置，有效地滿(mǎn)足不同場(chǎng)景需求，是未來(lái)5G空口設(shè)計(jì)的基本理念?；赟DAI統(tǒng)一框架，幀結(jié)構(gòu)、新波形、新型多址、調(diào)制編碼、雙工模式和多天線(xiàn)技術(shù)等可以自適應(yīng)配置，使得無(wú)線(xiàn)信號(hào)對(duì)業(yè)務(wù)場(chǎng)景“量體裁衣”。另外，基本功能模塊的可編程性、可配置性和可共享性，都可有效地提升空口實(shí)現(xiàn)效率。

關(guān)鍵詞： 5G；軟件定義空口；靈活雙工；新型多址；新波形

Abstract： In this paper， the design concept and framework of software defined air interface （SDAI） is proposed. And it also points that the multiple wireless air interface function module can be flexibly programmed and configured by SDAI， which effectively meet the needs of different scenarios. Under the unified framework， the frame structure， waveform， new multiple access， coding & modulation， duplex mode， and antenna configuration can be adaptively configured. It provides a flexible composition of sets of radio technologies， and programmable and configurable functions and parameters tailored to the application scenarios. By this way， the efficiency of air interface can be greatly improved.

5G； SDAI； agile duplex； new multiple access； new waveforms

為了適應(yīng)未來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的爆炸式增長(zhǎng)，下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（IMT-2020）已就應(yīng)用場(chǎng)景、用戶(hù)需求、技術(shù)趨勢(shì)及其他領(lǐng)域全面展開(kāi)討論。國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線(xiàn)部（ITU-R）于2015年6月定義了3類(lèi)典型應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）和低時(shí)延高可靠通信（URLLC）[1]。其中，eMBB一般考慮低頻和高頻兩種場(chǎng)景，URLLC在業(yè)務(wù)分類(lèi)中也經(jīng)常被超可靠機(jī)器通信（uMTC）替代，如圖1（a）所示。中國(guó)的IMT-2020推進(jìn)組于2015年5月發(fā)布了5G概念白皮書(shū)，其定義了廣域連續(xù)覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠四大場(chǎng)景[2]。之后推進(jìn)組于2015年底，具體細(xì)化了8個(gè)評(píng)估場(chǎng)景，如圖1（b）所示。

面對(duì)未來(lái)如此多樣化和差異化的業(yè)務(wù)，傳統(tǒng)單一的空口架構(gòu)很難進(jìn)行高效地支撐。中國(guó)移動(dòng)基于“綠色、柔性和極速”的5G愿景[3]，提出了“軟件定義空口”（SDAI）的設(shè)計(jì)理念，以空口制定化的方式讓無(wú)線(xiàn)信號(hào)“量體裁衣”。其基本思想是通過(guò)物理層不同功能模塊的可配組合來(lái)滿(mǎn)足業(yè)務(wù)的多樣化需求，這些功能模塊包括幀結(jié)構(gòu)、雙工模式、波形、多址、調(diào)制編碼、多天線(xiàn)技術(shù)以及頻譜動(dòng)態(tài)適用等?；竟δ苣K的可編程性、可配置性和可共享性，及盡可能共享功能模塊，都可有效地提升空口效率。SDAI 通過(guò)優(yōu)化的定制能力滿(mǎn)足eMBB、mMTC和uMTC 3類(lèi)典型場(chǎng)景需求。

1 SDAI理念及框架

1.1 SDAI基本理念

傳統(tǒng)移動(dòng)通信的演進(jìn)一直以來(lái)都是以提升峰值速率和系統(tǒng)容量為主要目標(biāo)，5G 將面臨更加多樣化的場(chǎng)景和極致的性能挑戰(zhàn)。采用傳統(tǒng)單一定制化的空口技術(shù)和參數(shù)設(shè)計(jì)無(wú)法滿(mǎn)足上述需求。面對(duì)5G極為豐富的應(yīng)用場(chǎng)景和極致的用戶(hù)體驗(yàn)需求，5G空口應(yīng)該具備足夠的“彈性”來(lái)適配未來(lái)多樣化的場(chǎng)景需求，從而以最高效的方式滿(mǎn)足各場(chǎng)景下不同的服務(wù)特性、連接數(shù)、容量以及時(shí)延等要求。此外，未來(lái)5G空口設(shè)計(jì)需要能夠?qū)崿F(xiàn)空口能力的按需及時(shí)升級(jí)，具備IT 產(chǎn)業(yè)敏捷開(kāi)發(fā)、快速迭代的特征。從某種意義上講，5G將是“第1代多維度”通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，它將具備自我完善自我發(fā)展的能力。SDAI的目標(biāo)是建立統(tǒng)一、高效、靈活、可配置的空口技術(shù)框架，可針對(duì)部署場(chǎng)景、業(yè)務(wù)需求、性能指標(biāo)、可用頻譜和終端能力等具體情況，靈活地進(jìn)行技術(shù)選擇和參數(shù)配置。最終，形成eMBB、mMTC和uMTC3類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景的空口技術(shù)方案，從而提高資源效率，降低網(wǎng)絡(luò)部署成本，并能夠有效應(yīng)對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的新場(chǎng)景和新業(yè)務(wù)需求[4]。

SDAI的基本理念可以概括為如下兩點(diǎn)：

（1）敏捷。SDAI通過(guò)可編程可配置功能，實(shí)現(xiàn)空口技術(shù)靈活構(gòu)造，以及針對(duì)用戶(hù)和業(yè)務(wù)模式的參數(shù)裁剪能力；

（2）高效。SDAI構(gòu)建統(tǒng)一框架，支持不同場(chǎng)景和接入技術(shù)，最大化共性功能，同時(shí)在保持最小化特殊功能情況下，提供特殊定制化服務(wù)。

敏捷性體現(xiàn)在SDAI能夠提供一個(gè)足夠多樣性的技術(shù)集合和相關(guān)參數(shù)集合，使得候選技術(shù)集合能夠支撐不同場(chǎng)景與業(yè)務(wù)的極端需求。高效性體現(xiàn)在技術(shù)方案的性能與復(fù)雜度之間的折中。一方面是候選技術(shù)方案的數(shù)量要控制在一定的范圍內(nèi)；另外一方面是候選技術(shù)方案盡量使用統(tǒng)一的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，復(fù)用相關(guān)實(shí)現(xiàn)模塊，以提高資源的利用效率，降低商用化成本。

1.2 SDAI技術(shù)框架

軟件定義空口的基本框架如圖2所示，其包含數(shù)據(jù)面以及控制面兩個(gè)層面。數(shù)據(jù)面由多個(gè)信號(hào)處理功能模塊構(gòu)成。在控制面上，邏輯上的智能控制模塊將會(huì)測(cè)量和收集上下文環(huán)境信息，例如：場(chǎng)景、業(yè)務(wù)類(lèi)型和信道條件等，并根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的性能指標(biāo)來(lái)決策和配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)面信號(hào)處理模塊。此外，需要考慮上層協(xié)議棧重構(gòu)以支持靈活統(tǒng)一空口管理的架構(gòu)。

SDAI的挑戰(zhàn)主要來(lái)自?xún)煞矫妫阂皇歉鶕?jù)場(chǎng)景、業(yè)務(wù)及鏈路環(huán)境的空口自適應(yīng)機(jī)制；二是典型場(chǎng)景下的空口技術(shù)集合選取。在空口自適應(yīng)機(jī)制方面，考慮到典型場(chǎng)景及終端類(lèi)型的相對(duì)固定性，以及用戶(hù)業(yè)務(wù)類(lèi)型及用戶(hù)鏈路的動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，空口自適應(yīng)可以考慮兩種不同時(shí)間粒度上的自適應(yīng)配置：根據(jù)場(chǎng)景和部署的需要等進(jìn)行半靜態(tài)配置；針對(duì)用戶(hù)鏈路質(zhì)量、移動(dòng)性、傳輸業(yè)務(wù)類(lèi)型、網(wǎng)絡(luò)接入用戶(hù)量等動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)空口自適應(yīng)配置。第1種半靜態(tài)配置方式，時(shí)間變化周期較長(zhǎng)，可以通過(guò)小區(qū)廣播信道通知小區(qū)的空口配置情況，相應(yīng)的空口配置可以依據(jù)5G場(chǎng)景歸納為幾種典型的無(wú)線(xiàn)空口技術(shù)配置；第2種動(dòng)態(tài)配置方式，時(shí)間變化周期短并且具有用戶(hù)區(qū)分性，需要通過(guò)控制信道向用戶(hù)實(shí)時(shí)通知其空口配置參數(shù)，并且動(dòng)態(tài)配置方式會(huì)以半靜態(tài)的配置為基礎(chǔ)，依據(jù)信道環(huán)境變化、上下行業(yè)務(wù)量、用戶(hù)移動(dòng)性以及傳輸業(yè)務(wù)類(lèi)型等瞬時(shí)變化。此外，考慮統(tǒng)一空口架構(gòu)，可將空口的數(shù)據(jù)處理和參數(shù)配置分層，將數(shù)據(jù)處理層中的功能模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口開(kāi)放給空口配置層，空口配置層通過(guò)無(wú)線(xiàn)資源管理功能按需進(jìn)行配置。

2 SDAI關(guān)鍵使能技術(shù)

SDAI的核心在于提高空口的靈活性，使得空口在承載不同業(yè)務(wù)時(shí)可以具有不同的傳輸特征以最佳匹配業(yè)務(wù)的需求。這種靈活的空口配置需要相應(yīng)空口技術(shù)的支持，如統(tǒng)一自適應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)、靈活的雙工、靈活的多址、靈活的波形、大規(guī)模天線(xiàn)、新型調(diào)制編碼及靈活頻譜使用等。

2.1自適應(yīng)幀結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)幀結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)SDAI靈活高效設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)。其靈活設(shè)計(jì)可以支撐5G場(chǎng)景和業(yè)務(wù)的多樣性，統(tǒng)一架構(gòu)可以減少干擾并實(shí)現(xiàn)高效性。SDAI幀結(jié)構(gòu)類(lèi)似一個(gè)容器，承載著多種無(wú)線(xiàn)空口技術(shù)。比如，對(duì)于mMTC業(yè)務(wù)，可能需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的窄帶系統(tǒng)；對(duì)于高頻段熱點(diǎn)場(chǎng)景，采用單載波技術(shù)，需要全新的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；采用多載波技術(shù)，較大的子載波間隔是降低復(fù)雜度和峰均比及對(duì)抗頻偏影響的有效途徑。對(duì)于低時(shí)延業(yè)務(wù)，更短幀及更快速的上下行切換是實(shí)現(xiàn)低時(shí)延性能的保障[5]。此外，靈活雙工、新波形等新技術(shù)應(yīng)用也需要新型幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐。圖3給出了一種帶內(nèi)靈活幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)例。其通過(guò)復(fù)用和綁定一些基本單元，可以提供可擴(kuò)展的傳輸時(shí)間間隔（TTI），以匹配不同的業(yè)務(wù)。另外，基于非正交波形的幀結(jié)構(gòu)，可以有效地支持異步傳輸。

2.2 靈活雙工

隨著未來(lái)上下行業(yè)務(wù)隨時(shí)空變化越加明顯，采用目前相對(duì)固定的時(shí)分雙工（TDD）資源分配無(wú)法適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化需求。靈活雙工作為一種有效利用上下行資源的方式，可以動(dòng)態(tài)配置時(shí)頻資源以適配上下業(yè)務(wù)流量；也可以在半雙工和全雙工方式間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行靈活調(diào)整[6]。應(yīng)用靈活雙工以及全雙工需要解決該技術(shù)帶來(lái)的大量干擾問(wèn)題，其干擾抑制是未來(lái)應(yīng)用亟待解決的問(wèn)題。全雙工和靈活雙工方式重點(diǎn)應(yīng)用為孤站的熱點(diǎn)高容量需求場(chǎng)景，因?yàn)樵诖藞?chǎng)景下，系統(tǒng)干擾主要是基站自身發(fā)射對(duì)接收的干擾和小區(qū)內(nèi)干擾。通過(guò)引入云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)（C-RAN）架構(gòu)，基站可以進(jìn)行聯(lián)合信號(hào)處理，全雙工和靈活雙工也可以應(yīng)用在廣域連續(xù)覆蓋和熱點(diǎn)高容量連續(xù)覆蓋場(chǎng)景[7]。圖4為一種靈活雙工幀結(jié)構(gòu)實(shí)例。其每個(gè)子幀均可任意為上行傳輸或者下行傳輸，不再局限于現(xiàn)有系統(tǒng)中的固定上下行配置。

2.3 靈活多址

當(dāng)前5G多址技術(shù)主要包括現(xiàn)有的正交多址技術(shù)：正交頻分多址（OFDMA）、單載波頻分多址（SC-FDMA），以及正在研究的多用戶(hù)共享接入（MUSA）、非正交多址（NOMA）、圖樣分割多址（PDMA）和稀疏碼分多址（SCMA）等非正交多址技術(shù)[8]。面對(duì)5G更為多樣化的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，需要靈活的多址技術(shù)匹配不同的場(chǎng)景與業(yè)務(wù)需求。新型多址技術(shù)主要面向低功耗大連接場(chǎng)景和低時(shí)延高可靠場(chǎng)景，目標(biāo)是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，在滿(mǎn)足一定用戶(hù)速率要求的情況下，盡可能地增加接入用戶(hù)數(shù)量，同時(shí)支持免調(diào)度接入，降低系統(tǒng)信令開(kāi)銷(xiāo)、時(shí)延和終端功耗。其中，非正交多址接入技術(shù)通過(guò)多個(gè)用戶(hù)在時(shí)域、頻域、空域或碼域上的復(fù)用，可大大提升用戶(hù)連接數(shù)。由于用戶(hù)有更多機(jī)會(huì)接入，網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量和頻譜效率可顯著提升。此外，面對(duì)低延時(shí)或低功耗的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，采用非正交多址接入技術(shù)可以更好地實(shí)現(xiàn)免調(diào)度競(jìng)爭(zhēng)接入，實(shí)現(xiàn)低延時(shí)通信，并且減少開(kāi)啟時(shí)間，降低設(shè)備功耗。

2.4 靈活多天線(xiàn)

大規(guī)模天線(xiàn)是5G關(guān)鍵技術(shù)之一，由于空間自由度的大幅度提高，可以有效地提升系統(tǒng)譜效、能效、用戶(hù)體驗(yàn)及傳輸可靠性，同時(shí)也為異構(gòu)化、密集化的網(wǎng)絡(luò)部署提供了靈活的干擾控制與協(xié)調(diào)手段。未來(lái)主要應(yīng)用場(chǎng)景有廣域連續(xù)覆蓋和熱點(diǎn)高容量。廣域宏基站部署對(duì)天線(xiàn)陣列尺寸限制小，使得在低頻段應(yīng)用大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)成為可能。其可以發(fā)揮高賦型增益等特點(diǎn)增強(qiáng)小區(qū)覆蓋并提升小區(qū)邊緣用戶(hù)性能。另外，預(yù)波束跟蹤等先進(jìn)技術(shù)可以對(duì)高速移動(dòng)場(chǎng)景進(jìn)行支撐。在熱點(diǎn)場(chǎng)景，大規(guī)模天線(xiàn)和高頻段通信可以很好地結(jié)合，支持極高的速率傳輸[9]。分布式天線(xiàn)與新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架可以有機(jī)地融合，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)化、密集化的網(wǎng)絡(luò)部署。

2.5 靈活波形

OFDM作為無(wú)線(xiàn)寬帶傳輸技術(shù)，不僅在4G中廣泛使用，也是5G重要候選波形?；跒V波器的新波形技術(shù)[10]，例如通用濾波多載波（UFMC）、基于濾波的OFDM（f-OFDM）、 廣義頻分復(fù)用（GFDM）、濾波器組多載波（FBMC），可以有效地降低帶外泄露，且不需要嚴(yán)格的同步，可以滿(mǎn)足未來(lái)急劇增長(zhǎng)的窄帶小包業(yè)務(wù)傳輸需求和異步海量終端接入，并支持碎片化的頻譜接入。對(duì)于毫米波頻段，考慮到功耗、復(fù)雜度等問(wèn)題，單載波成為可能的技術(shù)候選。對(duì)于高速場(chǎng)景，正交時(shí)頻偏移（OTFS）波形由于對(duì)多普勒頻偏的魯棒性，引起了學(xué)業(yè)界和產(chǎn)業(yè)界廣泛的注意。目前，如何設(shè)計(jì)合理波形以滿(mǎn)足5G典型場(chǎng)景的挑戰(zhàn)，以及如何實(shí)現(xiàn)多種波形的靈活聚合，以同時(shí)提供多樣化的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，是亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。圖5描述了一種新波形發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，其最小化硬件功能單元以降低復(fù)雜度，并通過(guò)靈活參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)多種不同的波形方案。例如，如果5G采用帶內(nèi)支持eMBB和mMTC兩種業(yè)務(wù)，此架構(gòu)可以生成OFDM匹配eMBB，同時(shí)可以生成非正交波形以匹配mMTC業(yè)務(wù)。

2.6 高級(jí)調(diào)制編碼

Turbo編碼與正交振幅調(diào)制（QAM）已在現(xiàn)有系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，但未來(lái)不排除一些新型的調(diào)制編碼技術(shù)。其中，面向eMBB場(chǎng)景下的大編碼塊，多元域低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）具有更優(yōu)異的碼字糾錯(cuò)性能，且更容易和多天線(xiàn)、高階調(diào)制方式相結(jié)合，成為5G潛在的關(guān)鍵技術(shù)。極化碼具有優(yōu)良的差錯(cuò)性能且編譯碼復(fù)雜度相對(duì)更低，這一特點(diǎn)可以被用于增強(qiáng)覆蓋，提高傳輸效率，適用于廣域覆蓋、低功耗大連接等場(chǎng)景[11]。網(wǎng)絡(luò)編碼能夠通過(guò)多跳傳輸機(jī)制來(lái)增加系統(tǒng)的總吞吐量，也成為5G潛在的候選方案[12]。

2.7 靈活頻譜使用

面向eMBB大容量高速率場(chǎng)景，6 GHz以下的低頻段資源對(duì)增強(qiáng)覆蓋至關(guān)重要，高頻段大帶寬是熱點(diǎn)地區(qū)提升系統(tǒng)容量的有效手段。高低頻協(xié)作是滿(mǎn)足eMBB場(chǎng)景的基本方式。同時(shí)，新型的頻譜使用方式也是5G提升系統(tǒng)容量的重要補(bǔ)充手段，比如授權(quán)共享使用（LSA），允許多個(gè)運(yùn)營(yíng)商以同等的授權(quán)接入某些頻段[13]。mMTC場(chǎng)景通常是低速率的小包傳輸，覆蓋必須得到保障，因此低頻段（尤其是<1 GHz的頻段）具有更高的優(yōu)先全。授權(quán)頻譜是mMTC的保障，其他頻譜使用方法有待研究。uMTC是低時(shí)延高可靠場(chǎng)景，因此需要授權(quán)頻譜保證其極高的可靠性要求，其他頻譜使用方法暫不考慮。5G典型場(chǎng)景各有不同的頻譜需求，因此5G必須在相應(yīng)授權(quán)規(guī)則下，靈活地工作在不同的頻段，以靈活自適應(yīng)的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作和控制。

3 典型場(chǎng)景下的技術(shù)集合

通過(guò)分析5G關(guān)鍵使能技術(shù)特點(diǎn)及適用場(chǎng)景，在SDAI統(tǒng)一框架指導(dǎo)下，總結(jié)了典型場(chǎng)景下的候選技術(shù)集合，見(jiàn)表1。各技術(shù)方案應(yīng)基于統(tǒng)一的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，盡量復(fù)用相關(guān)實(shí)現(xiàn)模塊，以提高資源的利用效率，降低商用化成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

從“綠色、柔性和極速“研發(fā)理念出發(fā)，我們提出了一種5G空口統(tǒng)一框架——軟件定義空口，它通過(guò)建立統(tǒng)一、高效、靈活、可配置的空口技術(shù)框架，可靈活地進(jìn)行技術(shù)選擇和參數(shù)配置，以滿(mǎn)足多樣化業(yè)務(wù)和場(chǎng)景需求。SDAI能夠?qū)崿F(xiàn)空口能力的按需及時(shí)升級(jí)，具備敏捷開(kāi)發(fā)、快速迭代的特征。另外，我們還重點(diǎn)對(duì)SDAI的關(guān)鍵使能技術(shù)進(jìn)行了介紹，給出了eMBB、mMTC和uMTC3類(lèi)典型場(chǎng)景的空口技術(shù)集合，供產(chǎn)業(yè)參考。

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