5G五大空口技術(shù)研究

□ 文 崔新凱 魏克敏 王飛

5G五大空口技術(shù)研究

□ 文 崔新凱 魏克敏 王飛

1. 引言

5G萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代即將來(lái)臨。5G作為第五代移動(dòng)通信技術(shù)將滿足未來(lái)豐富的三類典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景：①增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、②大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）、③高可靠低時(shí)延通信（uRLLC）。5G要實(shí)現(xiàn)10Gbps甚至20Gbps的峰值速率、上千億的連接、1毫秒的時(shí)延能力，這就要求5G要有一套高靈活性的空口面向所有應(yīng)用、解決所有問(wèn)題、靈活適配各種業(yè)務(wù)，必須以革命性的基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)性能。

2. 5G五大空口技術(shù)概述

5G空口技術(shù)（NR）主要包括新的波形技術(shù)（F-OFDM）、新的多址方式（SCMA）、同時(shí)同頻全雙工、新的編碼方式（Polar Code）以及大規(guī)模天線技術(shù)（Massive MIMO）等關(guān)鍵空口技術(shù)，從時(shí)域、頻域、碼域、空域等幾大維度實(shí)現(xiàn)了5G高帶寬、大連接、低時(shí)延的空口技術(shù)要求。如下圖1所示。

(1)F-OFDM：可靈活調(diào)整子載波帶寬，適配差異化需求；

(2)SCMA：引入稀疏碼提升連接用戶數(shù)，免調(diào)度縮短時(shí)延至毫秒級(jí)；

(3)同時(shí)同頻全雙工：采用天線對(duì)消技術(shù)，實(shí)現(xiàn)上、下鏈路同時(shí)同頻傳輸；

(4)Polar Code：使信道編碼的頻譜效率逼近香農(nóng)極限，相同信噪比下，相比LTE誤碼率更低；

(5)Massive MIMO：更多的天線實(shí)現(xiàn)3D MIMO與波束賦形。

2.1. F-OFDM靈活自適應(yīng)的空口波形技術(shù)

在4G LTE時(shí)代，OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)將高速率數(shù)據(jù)通過(guò)串并轉(zhuǎn)換調(diào)制到相互正交的子載波上去，并引入循環(huán)前綴CP，較好地解決了LTE的碼間串?dāng)_問(wèn)題。但OFDM的子載波長(zhǎng)度和符號(hào)時(shí)長(zhǎng)是固定的，如圖2所示，頻域子載波帶寬是固定的15KHz(7.5KHz僅用于MBSFN)，子載波帶寬確定之后，其時(shí)域Symbol的長(zhǎng)度、CP長(zhǎng)度等也就基本確定。而5G時(shí)代是統(tǒng)一空口面對(duì)所有應(yīng)用，不同應(yīng)用對(duì)于技術(shù)的要求也不同，比如端到端1ms時(shí)延的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，要求極短的時(shí)域Symbol和TTI，這就需要頻域較寬的子載波帶寬；而物聯(lián)網(wǎng)的多連接場(chǎng)景，單傳感器傳送數(shù)據(jù)量極低，但對(duì)系統(tǒng)整體連接數(shù)要求很高，這就需要在頻域上配置比較窄的子載波帶寬。OFDM的固定子載波長(zhǎng)度和固定符號(hào)時(shí)長(zhǎng)已經(jīng)無(wú)法滿足5G時(shí)代高帶寬、大連接、低時(shí)延等多種多樣的業(yè)務(wù)應(yīng)用要求。

圖1 5G空口技術(shù)示意圖

F-OFDM(Filtered OFDM)是一種基于OFDM的改進(jìn)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)空口物理層切片后向兼容LTE 4G系統(tǒng)、又能滿足未來(lái)5G各類應(yīng)用的不同需求。F-OFDM是一種可變子載波帶寬的自適應(yīng)空口波形調(diào)制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)頻域和時(shí)域的資源靈活復(fù)用，為不同業(yè)務(wù)提供不同的子載波帶寬和CP配置，并且可以把不同帶寬子載波之間的保護(hù)頻帶最低做到一個(gè)子載波帶寬（如圖2所示）。它的基本思想是將OFDM載波帶寬劃分成多個(gè)不同參數(shù)的子帶，并對(duì)子帶進(jìn)行濾波，而在子帶間盡量留出較少的隔離頻帶。比如，為了實(shí)現(xiàn)低功耗大覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)，可以在選定的子帶中采用單載波波形；為了在增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)中有效地對(duì)抗多徑信道，可以在選定的子帶中采用多載波波形；為了實(shí)現(xiàn)較低的空口時(shí)延，可以采用更小的傳輸時(shí)隙長(zhǎng)度；為對(duì)抗更豐富的多徑信道，可以采用更小的子載波間隔和更長(zhǎng)的循環(huán)前綴，從而滿足不同業(yè)務(wù)的時(shí)域頻域資源需求，提升譜資源利用率。

2.2. SCMA稀疏碼多址接入技術(shù)

圖2 OFDM和F-OFDM的時(shí)頻資源分配圖

SCMA 技術(shù)是一種新的多址技術(shù)，在傳統(tǒng)的TDMA（2G 核心多址技術(shù)）、CDMA（3G 核心多址技術(shù)）和OFDMA（4G 核心多址技術(shù)）的正交多址接入技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入了非正交的大維度擴(kuò)展的稀疏函數(shù)序列而構(gòu)成的（如圖3所示）。SCMA在時(shí)域、頻域的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入碼域的多址，增加碼域維度的復(fù)用，在使用相同頻譜的情況下，大大提升了頻譜效率和系統(tǒng)容量。同時(shí)，在免調(diào)度場(chǎng)景下使時(shí)延縮小到毫秒級(jí)。SCMA 技術(shù)可以作為OFDMA 接入方式在未來(lái)5G 通信系統(tǒng)中的演進(jìn)，SCMA 在繼承和保持OFDMA 多徑寬帶系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、資源靈活應(yīng)用、發(fā)送模式靈活應(yīng)用的前提下，把CDMA 的優(yōu)勢(shì)和思想通過(guò)稀疏碼 (多個(gè)子載波中單用戶承載數(shù)據(jù)的子載波數(shù))設(shè)計(jì)融入進(jìn)來(lái)，使得相比OFDMA，在同樣的資源情況下，能接入更多的用戶數(shù)據(jù)流，提高頻譜使用效率。同時(shí)，相比于OFDM 與CDMA 的簡(jiǎn)單疊加，通過(guò)稀疏碼本的設(shè)計(jì)，以及接收端低復(fù)雜度檢測(cè)器的設(shè)計(jì)，規(guī)避系統(tǒng)均衡實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的弊端，使得其應(yīng)用成為可能。同時(shí)，通過(guò)稀疏碼本的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提升分集和成型增益，進(jìn)而提升鏈路層傳輸可靠性。

從目前的研究趨勢(shì)來(lái)判斷，SCMA 基于非正交的接入方式成為面向5G 移動(dòng)通信的候選接入方案的可能性非常大，主要基于以下分析：① 為適應(yīng)5G 移動(dòng)通信對(duì)用戶數(shù)和吞吐量大幅增長(zhǎng)的需求，非正交接入技術(shù)基于在有限資源上復(fù)用多個(gè)用戶的接入方式必然是下一代無(wú)線空口技術(shù)突破瓶頸的必經(jīng)途徑；② 數(shù)字信號(hào)處理芯片能力隨著摩爾定律逐年提升，之前很難解決的非正交解碼的復(fù)雜度問(wèn)題也逐漸降低；③ 通過(guò)稀疏碼的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可以簡(jiǎn)化接收端的多用戶檢測(cè)器設(shè)計(jì)、提高發(fā)送端的分集增益，進(jìn)而在降低復(fù)雜度的同時(shí)提升系統(tǒng)魯棒性。

2.3. Full Duplex同時(shí)同頻全雙工技術(shù)

4G LTE系統(tǒng)同時(shí)定義了頻分雙工(Frequency Division Duplexing，F(xiàn)DD)和時(shí)分雙工(Time Division Duplexing，TDD)兩種不同的雙工方式，F(xiàn)DD是在分離的兩個(gè)對(duì)稱頻率信道上進(jìn)行接收和發(fā)送，用保護(hù)頻段來(lái)分離接收和發(fā)送信道，所以FDD必須采用成對(duì)的頻率，依靠頻率來(lái)區(qū)分上下行鏈路，其單方向的資源在時(shí)間上是連續(xù)的；而TDD用時(shí)間來(lái)分離接收和發(fā)送信道, 接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時(shí)隙作為信道的承載，其單方向的資源在時(shí)間上是不連續(xù)的，時(shí)間資源在兩個(gè)方向上進(jìn)行了分配。

5G 的Full Duplex同時(shí)同頻全雙工技術(shù)（又稱NDD--No Division Duplex）能在相同的頻譜資源條件下上下行同時(shí)發(fā)射、接收電磁波信號(hào)，理論上可以提高一倍的信道容量。與通過(guò)大量的帶寬資源換取提高信道容量的方式不同，同時(shí)同頻全雙工通過(guò)對(duì)發(fā)射信號(hào)的抵消處理，消除來(lái)自天線的干擾信號(hào)，并通過(guò)干擾消除技術(shù)實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送同步，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻全雙工通信，其技術(shù)核心在于消除發(fā)射信號(hào)對(duì)接收信號(hào)的干擾。其技術(shù)原理如圖4所示：①首先通過(guò)在天線發(fā)射端加入雙工器，將發(fā)射和接收信號(hào)相隔離，增加收發(fā)隔離度，可以產(chǎn)生大于60dB的增益；②其次在射頻端提取接收信號(hào)，并通過(guò)濾波器濾除發(fā)射信號(hào)，可以產(chǎn)生約30dB的增益；③最后在基帶處理部分用數(shù)字方法濾除其中的發(fā)射信號(hào)從而增加約5dB的信號(hào)增益。根據(jù)最新干擾消除測(cè)試情況，同時(shí)同頻全雙工技術(shù)能增加118.2db（81dB + 32.2dB + 5dB = 118.2dB）的信號(hào)增益，相比4G LTE系統(tǒng)可以提高約80%的增益。

2.4. Polar Code極化碼技術(shù)

編碼和調(diào)制是無(wú)線通信技術(shù)中最核心的部分，被稱為頂級(jí)的通信技術(shù)。信道編解碼在基礎(chǔ)通信框架中位于物理層位置，其性能的改進(jìn)將直接提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋及用戶傳輸速率。2016年11月18日，在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州里諾召開的3GPP RAN1 第87次會(huì)議，確定中國(guó)華為公司的Polar Code方案作為5GeMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）場(chǎng)景下控制信道編碼方案。這是中國(guó)公司首次進(jìn)入基礎(chǔ)通信框架協(xié)議領(lǐng)域，對(duì)比以往2G、3G、4G時(shí)代來(lái)看，其最大意義在于加大了中國(guó)企業(yè)在全球通信領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)。

2008年，土耳其畢爾肯大學(xué)教授ErdalArikan在國(guó)際信息論ISIT會(huì)議上首次提出了信道極化（Channel Polarization）的概念；2009年在“IEEE Transaction on Information Theory”期刊上發(fā)表了一篇長(zhǎng)達(dá)23頁(yè)的論文更加詳細(xì)地闡述了信道極化，并基于信道極化給出了一種新的編碼方式Polar Code。極化碼具有確定性的構(gòu)造方法，并且是已知的唯一一種能夠被嚴(yán)格證明“達(dá)到”信道容量的信道編碼方法。

圖3 SCMA稀疏碼多址接入技術(shù)示意圖

圖4 Full Duplex同時(shí)同頻全雙工原理圖

從代數(shù)編碼和概率編碼的角度來(lái)說(shuō)，極化碼具備了兩者的特點(diǎn)。①只要給定編碼長(zhǎng)度，極化碼的編譯碼結(jié)構(gòu)就唯一確定了，而且可以通過(guò)生成矩陣的形式完成編碼過(guò)程，這一點(diǎn)和代數(shù)編碼的常見思維是一致的。②極化碼在設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有考慮最小距離特性，而是利用了信道聯(lián)合（Channel Combination）與信道分裂（Channel Splitting）的過(guò)程來(lái)選擇具體的編碼方案，而且在譯碼時(shí)也是采用概率算法，這一點(diǎn)比較符合概率編碼的思想。對(duì)于長(zhǎng)度為N=2nN=2n（nn為任意正整數(shù)）的極化碼，它利用信道WW的N個(gè)獨(dú)立副本，進(jìn)行信道聯(lián)合和信道分裂，得到新的N個(gè)分裂之后的信道{W(1)N,W(2)N,…,W(N)N}{WN(1),WN(2),…,WN(N)}。隨著碼長(zhǎng)N的增加，分裂之后的信道將向兩個(gè)極端發(fā)展：其中一部分分裂信道會(huì)趨近于完美信道，即信道容量趨近于1的無(wú)噪聲信道；而另一部分分裂信道會(huì)趨近于完全噪聲信道，即信道容量趨近于0的信道。假設(shè)原信道WW的二進(jìn)制輸入對(duì)稱容量記作I(W)I(W)，那么當(dāng)碼長(zhǎng)N趨近于無(wú)窮大時(shí)，信道容量趨近于1的分裂信道比例約為K=N×I(W)K=N×I(W)，而信道容量趨近于0的比例約為N×(1?I(W))N×(1?I(W))。對(duì)于信道容量為1的可靠信道，可以直接放置消息比特而不采用任何編碼，即相當(dāng)于編碼速率為R=1R=1；而對(duì)于信道容量為0的不可靠信道，可以放置發(fā)送端和接收端都事先已知的凍結(jié)比特，即相當(dāng)于編碼速率為R=0R=0。那么當(dāng)碼長(zhǎng)N→∞N→∞時(shí)，極化碼的可達(dá)編碼速率R=N×I(W)/N=I(W)R=N×I(W)/N=I(W)，即在理論上，極化碼可以被證明是可達(dá)信道容量的。

Polar Code技術(shù)是對(duì)通信系統(tǒng)信道編碼理論的一個(gè)關(guān)鍵變革，Polar Code技術(shù)要優(yōu)于現(xiàn)有4G LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)之中所采用的所有編碼技術(shù)（尤其是當(dāng)編碼塊較小的時(shí)候）。通過(guò)Polar Code的使用和譯碼算法的動(dòng)態(tài)選擇，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了短包（大連接物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景mMTC）和長(zhǎng)包（高速移動(dòng)場(chǎng)景eMBB，如自動(dòng)駕駛等低時(shí)延要求uRLLC）場(chǎng)景中穩(wěn)定的性能增益，使現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率提升10%，Polar Code還與毫米波(mmWave)結(jié)合達(dá)到27Gbps的峰值速率，驗(yàn)證了PolarCode和高頻結(jié)合支持高速率、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?。測(cè)試表明，利用Polar Code這種編碼技術(shù)可以同時(shí)滿足國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）定義的高速率、低時(shí)延和多連接的5G三大應(yīng)用場(chǎng)景需求。

2.5. Massive MIMO大規(guī)模天線技術(shù)

MIMO技術(shù)將傳統(tǒng)的時(shí)域/頻域/碼域三維擴(kuò)展為了時(shí)域/頻域/碼域/空域四個(gè)維度，提升了頻譜效率和系統(tǒng)容量。目前已經(jīng)廣泛使用的MIMO為2*2MIMO，并且可以兩用戶進(jìn)行MU-MIMO。Massive MIMO是傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的擴(kuò)展和延伸，其特征在于以大規(guī)模天線陣的方式集中放置數(shù)十根甚至數(shù)百根以上天線，充分利用空間維度，提供更高的數(shù)據(jù)速率，大幅度提升頻譜效率和增加系統(tǒng)容量。此外，隨著基站天線數(shù)的增加，Massive MIMO可以通過(guò)終端移動(dòng)的隨機(jī)性以及信道衰落的不相關(guān)性，利用不同用戶間信道的近似正交性降低用戶間干擾，實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶的空分復(fù)用。

目前4G網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)以及數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)迅速，現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)在忙時(shí)已經(jīng)無(wú)法滿足用戶需求，而5G時(shí)代更是高流量、大帶寬的高速移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，對(duì)傳輸速率和系統(tǒng)容量提出了更高要求，所以Massive MIMO技術(shù)會(huì)在5G時(shí)代大規(guī)模引入，是第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)全新空口最有發(fā)展?jié)摿Φ年P(guān)鍵技術(shù)之一，其以成倍的提高速率、增強(qiáng)覆蓋效果、增加系統(tǒng)容量、最大限度利用已有的站址資源和頻譜資源，滿足各類應(yīng)用場(chǎng)景（如密集城區(qū)、CBD場(chǎng)景、大型場(chǎng)館、高層樓宇等高流量高負(fù)荷區(qū)域）的業(yè)務(wù)需求，其原理如下圖5所示：

目前河南某地市進(jìn)行了Massive MIMO測(cè)試效果驗(yàn)證，針對(duì)三高一限典型場(chǎng)景，采用64T64R多天線技術(shù)，分別選取大型公園、高校、大型商場(chǎng)等高負(fù)荷場(chǎng)景共4處5個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果顯示：Massive MIMO能改善上行受限場(chǎng)景的上行能力、提升上下行頻譜效率和用戶體驗(yàn)速率、提升上下行容量。

(1)Massive MIMO能改善上行受限場(chǎng)景的上行能力

與測(cè)試區(qū)域其他用戶數(shù)相近宏站性能對(duì)比，Massive MIMO小區(qū)忙時(shí)平均用戶是普通8T8R宏站的2倍，上下行流量分別為3.8倍和2.7倍，小區(qū)上行平均速率是普通宏站3.5倍，上行用戶平均體驗(yàn)速率是普通宏站2倍。Massive MIMO在高話務(wù)場(chǎng)景下有效解決了上行容量受限問(wèn)題，釋放上行壓抑流量，改善了用戶體驗(yàn)。

(2)Massive MIMO能提升上下行頻譜效率和用戶體驗(yàn)速率

從話統(tǒng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，忙時(shí)Massive MIMO相比原8T8R下行每PRB平均吞吐量提升2.2倍，上行每PRB平均吞吐量提升2.8倍。下行用戶體驗(yàn)速率提升1.8倍，上行用戶體驗(yàn)速率提升5倍。上下行頻譜效率和用戶體驗(yàn)速率都有了較大提升。

圖5 Massive MIMO原理圖

(3)Massive MIMO能提升上下行容量

下行峰值測(cè)試：在商用背景用戶下（小區(qū)用戶數(shù)為23個(gè)左右），通過(guò)16個(gè)測(cè)試用戶在Massive MIMO載波做下行16流測(cè)試，測(cè)試期間段小區(qū)下行峰值速率達(dá)到505M，是8T8R小區(qū)的 5倍，有效的提升下行容量，滿足未來(lái)下行大流量業(yè)務(wù)需求。

上行峰值測(cè)試：在商用背景用戶下（小區(qū)用戶數(shù)為9個(gè)左右），通過(guò)8個(gè)測(cè)試用在在Massive MIMO載波做上行8流測(cè)試，測(cè)試期間段小區(qū)上行峰值速率達(dá)64M，是8T8R小區(qū)近 6倍，有效的提升上行容量，滿足未來(lái)上行大流量業(yè)務(wù)需求。

3. 結(jié)束語(yǔ)

目前，美國(guó)、日本、韓國(guó)、中國(guó)及歐盟等都在積極推動(dòng)5G的商用部署。5G是一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，要求具有統(tǒng)一空口來(lái)適配各類差異化業(yè)務(wù)場(chǎng)景，這對(duì)5G NR提出很高的要求，本文通過(guò)對(duì)5G五大關(guān)鍵空口技術(shù)的闡述，為未來(lái)5G的空口技術(shù)發(fā)展提供參考意見?！?/p>

(作者崔新凱、魏克敏工作單位為中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，王飛工作單位為中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河南有限公司計(jì)劃建設(shè)部。)

［1］余莉，張治中．第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)[J]．重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014(4)：427-433．