話語權(quán)的關(guān)鍵5G新空口標(biāo)準(zhǔn)淺析

王欣

5G標(biāo)準(zhǔn)的懸而未定，世界各國早已摩拳擦掌準(zhǔn)備爭奪5G標(biāo)準(zhǔn)的話語權(quán)。而5G標(biāo)準(zhǔn)中至關(guān)重要的標(biāo)準(zhǔn)則是5G新空口標(biāo)準(zhǔn)。

空口標(biāo)準(zhǔn)更是被稱為無線通信領(lǐng)域的皇冠。下面記者就拋磚引玉，淺析能夠決定5G話語權(quán)的新空口標(biāo)準(zhǔn)。

新空口是什么

此前，3GPP宣布要在明年6月份凍結(jié)5G非獨(dú)立部署空口標(biāo)準(zhǔn)。其實(shí)，“好學(xué)寶寶”一定在百度搜索過5G空口標(biāo)準(zhǔn)。

在網(wǎng)上首先會找到空口標(biāo)準(zhǔn)的定義，空口就是“空中接口”的簡稱，是移動終端與基站之間的連接協(xié)議。

那通俗點(diǎn)兒解釋，有線通信中是有真實(shí)存在的接口來連接信號，所以就會在接口上規(guī)定接入的物理尺寸和信號性能。而無線通信技術(shù)中，基站和終端之間沒有真實(shí)接口相連，就需要一個“空中接口”決定終端與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的傳輸技術(shù)規(guī)范，來確保無線通信的高速率、低時延、高可靠。

但其實(shí)，通信圈里經(jīng)常會把5G空口標(biāo)準(zhǔn)叫做5G新空口。為什么叫新空口呢？

這要從ITU-R（國際電信聯(lián)盟無線電通信局）為5G確定了增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB）、超高可靠與低延遲的通信（mMTC）、大規(guī)模機(jī)器類通信（uRLLC）三大主要應(yīng)用場景開始說起。

這三大場景分別要求5G具有更高的帶寬、更快的速率、更低的時延、更大的連接密度，同時5G時代不再局限于人與人之間的連接，更多的是要做人與物、物與物的連接。

5G時代要能夠達(dá)到這些要求，就必須采用國際統(tǒng)一的新空口標(biāo)準(zhǔn)，且擁有比4G時代更靈活的編碼調(diào)制技術(shù)、更高的頻譜效率來完成和更多垂直業(yè)務(wù)合作，降低運(yùn)營商成本。

5G新空口標(biāo)準(zhǔn)里還包含一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括編碼、調(diào)制、幀結(jié)構(gòu)、濾波等。中興通訊無線總工程師朱伏生在接受《通信產(chǎn)業(yè)報(bào)》（網(wǎng)）記者采訪時表示，根據(jù)IMT-2020（5G）推進(jìn)組報(bào)告顯示，目前5G新空口關(guān)鍵技術(shù)主要包括大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、高頻段通信、新型多址、新型多載波、先進(jìn)編碼調(diào)制等。而此前被3GPP決定作為5G控制信道短碼編碼方案的極化碼就是先進(jìn)編碼調(diào)制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的一部分。

同時，大規(guī)模天線技術(shù)是讀者最不陌生也是國際上爭議最小的技術(shù)。華為、中興、大唐移動等通信設(shè)備商都完成了大規(guī)模天線技術(shù)的測試?！?G將使用大規(guī)模天線技術(shù)來提升基站容量、提高頻譜效率。未來，天線數(shù)將高達(dá)128根，甚至可能達(dá)到256根?！敝袊こ淘涸菏苦w賀銓在公開演講中表示。

超密集組網(wǎng)技術(shù)能夠大幅提升容量，解決熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)容量問題。D-MIMO技術(shù)主要是用于超密集組網(wǎng)場景，利用D-MIMO（分布式多天線）進(jìn)行聯(lián)合數(shù)據(jù)發(fā)送，將干擾信號變?yōu)橛杏眯盘?同時提升單用戶吞吐量和系統(tǒng)頻譜效率。

核心在物理層

一位不愿具名的無線技術(shù)專家告訴《通信產(chǎn)業(yè)報(bào)》（網(wǎng)）記者，5G空口標(biāo)準(zhǔn)由物理層（Layer 1）、接入層（Layer 2）、控制層（Layer 3）組成。就目前來看，5G新空口標(biāo)準(zhǔn)之爭將會集中在物理層，而5G物理層設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的技術(shù)有新型多載波、新多址和新編碼技術(shù)。

新編碼技術(shù)，想必讀者并不陌生。去年被3GPP決定為5G eMBB場景數(shù)據(jù)信道和控制信道編碼方案的LDPC和Polar碼都屬于新編碼技術(shù)。但是對于5G另兩大場景mMTC、uRLLC是否依然采用這兩種編碼技術(shù)現(xiàn)在還沒有定數(shù)。況且，現(xiàn)在只是確定了大的技術(shù)，具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)還需要后續(xù)在R15和R16會議上來討論和確定。

而新型多址技術(shù)，其實(shí)國際普遍贊同采用非正交多址技術(shù)。移動通信系統(tǒng)以多址接入方式作為革新?lián)Q代的標(biāo)志，1G時代采用FDMA技術(shù)（頻分多址）、2G采用TDMA（時分多址）、3G采用CDMA（碼分多址）、4G時代采用OFDMA技術(shù)（正交頻分多址）。

正交多址接入，就是用戶在發(fā)送端占用不同的無線資源，接收端易于使用線性接收機(jī)來進(jìn)行多用戶檢測，只能為一個用戶分配單一的無線資源，復(fù)雜度較低。但到了5G時代，需要更大的資源容量，這意味著一個資源可以分配給多個用戶，造成用戶占用的無線資源不再正交，這便是非正交多址接入。

非正交多址技術(shù)能夠提升頻譜利用率、滿足越來越多樣化的移動業(yè)務(wù)需求。根據(jù)研究表明，采用非正交多址技術(shù)可使無線接入蜂窩的總吞吐量提高50%左右。不過，非正交多址復(fù)用通過結(jié)合串行干擾消除或類最大似然解調(diào)才能取得容量極限，因此該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于是否能設(shè)計(jì)出低復(fù)雜度且有效的接收機(jī)算法。

國際上共提出了10多種非正交多址技術(shù)，國內(nèi)中興、華為、大唐也分別提出三種方案，中興提出了MUSA（基于復(fù)數(shù)多元碼及增強(qiáng)疊加編碼的多用戶共享接入技術(shù)），華為提出了SCMA（基于多維調(diào)制和稀疏碼擴(kuò)頻的稀疏碼分多址技術(shù)），大唐提出了PDMA（基于非正交特征圖樣的圖樣分割多址技術(shù)）。

對于新型多載波技術(shù)，不同設(shè)備商也提出了不同方案。據(jù)了解，目前業(yè)界有三種方案呼聲最高，即中興提出的FB-OFDM技術(shù)，諾基亞和上海貝爾提出的UF-OFDM技術(shù)，愛立信提出的CP-OFDM技術(shù)。

一位無線技術(shù)專家告訴《通信產(chǎn)業(yè)報(bào)》（網(wǎng)）記者，這三種多載波技術(shù)的共同點(diǎn)是：均采用了濾波器機(jī)制，具有較低的帶外泄露，可以減少保護(hù)帶開銷。子帶間能量隔離，不再需要嚴(yán)格的時間同步，有益于減少同步信令開銷。但良好的濾波器設(shè)計(jì)及濾波器輸入?yún)?shù)是三種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵。最優(yōu)的濾波器設(shè)計(jì)，要求是帶內(nèi)近似平坦并且?guī)舛附?，濾波器所帶來的信噪比和誤包率損失可忽略，而陡降的帶外泄露也可以大幅降低保護(hù)帶的開銷。此外，還需要考慮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、算法復(fù)雜度等約束條件。

可以看出，空口標(biāo)準(zhǔn)之所以被稱為無線通信領(lǐng)域的皇冠，是因?yàn)榭湛跇?biāo)準(zhǔn)涉及技術(shù)十分多且技術(shù)復(fù)雜然而，要想在5G標(biāo)準(zhǔn)爭奪中突圍，各制造商必須針對這些復(fù)雜技術(shù)不斷測試。因?yàn)樽罱K3GPP會根據(jù)制造商測試成績，來決定到底將哪種技術(shù)寫入5G新空口標(biāo)準(zhǔn)。

鏈接

MUSA技術(shù) MUSA上行接入通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)的復(fù)數(shù)域多元碼以及基于串行干擾消除（SIC）的先進(jìn)多用戶檢測，讓系統(tǒng)在相同時頻資源上能支持?jǐn)?shù)倍用戶數(shù)量的高可靠接入，并且可以簡化接入流程中的資源調(diào)度過程，因而可大為簡化海量接入的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，縮短海量接入的接入時間，降低終端能耗。MUSA下行則通過創(chuàng)新的增強(qiáng)疊加編碼及疊加符號擴(kuò)展技術(shù)，提供比主流正交多址更高容量的下行傳輸，并同樣能大為簡化終端的實(shí)現(xiàn)，降低終端能耗。

SCMA技術(shù) 主要利用SCMA系統(tǒng)中稀疏擴(kuò)頻的概念，將用戶的數(shù)據(jù)在頻域上擴(kuò)散在有限的子載波上，每個資源塊上等效的疊加用戶數(shù)會大大減少，這就為接收端實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度提供可能性。在SCMA系統(tǒng)中，信息比特首先經(jīng)過信道編碼，編碼后的比特經(jīng)過SCMA調(diào)制碼本映射成SCMA碼字，碼字以稀疏的方式擴(kuò)頻在多個資源塊上，因此，其最大特點(diǎn)是非正交疊加的碼字個數(shù)可以成倍大于使用的資源塊個數(shù)。

PDMA技術(shù) 能夠普適地應(yīng)用于5G系統(tǒng)的典型場景，最大限度地利用日益稀缺的頻譜資源。PDMA技術(shù)能夠提升移動寬帶應(yīng)用的頻譜效率和系統(tǒng)容量，使用戶接入數(shù)量提升3倍以上，提升大連接物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的連接數(shù)，降低高可靠低時延通信應(yīng)用的時延和提升可靠性。