5G無線空口原理

趙旭 周樹文

摘要：5G移動通信技術(shù)即第五代移動通信技術(shù)，它也被稱為“新型無線空口技術(shù)”（New Radio，NR），它希望主要解決三大應(yīng)用場景問題，屬于典型的增強型移動寬帶機制，且它還擁有海量機器通信功能與低時延通信功能。本文中簡單介紹了5G新型無線空口技術(shù)的基本應(yīng)用原理。

關(guān)鍵詞：5G無線新空口;技術(shù)原理;物理層設(shè)計;信道編碼

5G無線新空口技術(shù)對提高頻譜效率、改進OFDM波形、靈活幀結(jié)構(gòu)方面都有一定效果，且它能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、多天線信號傳輸。當(dāng)前的5G新空口技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)發(fā)達，其最新應(yīng)用成果非常值得深入研究。

一、5G無線空口技術(shù)應(yīng)用概述

（一）5G無線空口技術(shù)

作為第五代無線通信技術(shù)，新空口技術(shù)本身擁有范圍極廣的工作頻率，一般分布于1～100GHZ頻段之內(nèi)，且它的低頻段中還存在高、超高頻段區(qū)分，因此它也被稱之為多種無線網(wǎng)絡(luò)部署模式。而且，5G無線新空口技術(shù)中分別包含了宏基站與微基站兩個方面，其中宏基站部署于相對較低頻段，它所覆蓋的地理區(qū)域相當(dāng)之大。而微基站則被部署于覆蓋范圍有限的移動數(shù)據(jù)流量熱點區(qū)域，可提供超大系統(tǒng)容量數(shù)據(jù)傳輸功能。當(dāng)然，5G無線新空口是希望提升自身服務(wù)質(zhì)量，優(yōu)化自身可靠性的，所以它采用到了“授權(quán)頻譜”這一用頻方式，希望借此機會提高系統(tǒng)容量、優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸速率。在諸多5G用例中，對于工作頻段以及網(wǎng)絡(luò)的部署都非常精確到位，它能夠直接滿足當(dāng)前ITU-R中所提出的LMT-2020要求，建立新5G標(biāo)準(zhǔn)，保證5G系統(tǒng)特性與功能應(yīng)用到位。

就目前看來，5G新空口無法做到與4G LTE實現(xiàn)后向兼容，因此說5G新空口有必要拓展自身用例范圍，在實現(xiàn)后向兼容技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)之上再實現(xiàn)前向兼容[1]。

（二）5G無線空口技術(shù)應(yīng)用的三大場景

5G無線新空口技術(shù)在接入設(shè)計方面希望圍繞三大類型應(yīng)用場景展開，它就包括了eMBB增強型移動寬帶、超高可靠與低時延通信（uRLLC）以及大規(guī)模機器類通信（mMTC）。三大場景聚焦不同場合，在數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)化、時延調(diào)整、容量與覆蓋全面增強方面都有一定突出表現(xiàn)，而且它在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用方面追求低功耗、低成本、可被有效應(yīng)用于車載通信、工業(yè)自動化控制、智能電網(wǎng)、遠程手術(shù)以及公共安全等市場用例中，應(yīng)用效果極佳。目前5G無線接入技術(shù)已經(jīng)圍繞5G NR新空口技術(shù)全面展開，它的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用為各個業(yè)界領(lǐng)域發(fā)展帶來福音。

二、5G無線空口技術(shù)的基本應(yīng)用原理

5G無線新空口技術(shù)主要是圍繞物理層設(shè)計展開的，它是該無線通信技術(shù)的重要核心，可支撐多用例體現(xiàn)較高差異化要求，實現(xiàn)無線接入網(wǎng)絡(luò)部署模式優(yōu)化。在5G新空口物理層設(shè)計方面，首先需要遵循以下兩點原則，即靈活性與可擴展性，這兩點特性結(jié)合5G無線新空口技術(shù)的物理層關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計展開，例如幀結(jié)構(gòu)、波形、調(diào)制方式、多天線傳輸?shù)鹊取?/p>

（一）5G無線新空口技術(shù)中的幀結(jié)構(gòu)應(yīng)用原理

在5G無線新空口技術(shù)應(yīng)用中涉及到幀結(jié)構(gòu)，它位于授權(quán)頻段與非授權(quán)頻段中，分別支持FDD頻分雙工，可實現(xiàn)低時延以及快速混合自動重傳技術(shù)請求，另外在LTE共存與動態(tài)TDD應(yīng)用方面也有較好效果。而為了有效強化它的前向兼容功能，減小基于不同功能間的相互干擾。就實際而言，5G新空口幀結(jié)構(gòu)設(shè)計中希望遵循3點基本原則：

第一，傳輸自包含原則。自主解碼功能可解決槽中數(shù)據(jù)與波束數(shù)據(jù)傳輸問題，它采用特定槽與特定波束中數(shù)據(jù)調(diào)解參考信號輔助。

第二，傳輸時域與頻域原則。它可保證5G新空口幀結(jié)構(gòu)規(guī)避跨全系統(tǒng)帶寬，并提高映射控制信道應(yīng)用頻率與效率。

第三，基于不同傳輸方式背景下的靜態(tài)與動態(tài)時間關(guān)系優(yōu)化原則。它主要基于OFDM符號周期與子載波間隔形成反比關(guān)系，為5G新空口技術(shù)應(yīng)用提供上行、下行隨意切換的TDD保護數(shù)據(jù)體系。

一般來說，在低時延應(yīng)用場景中，會結(jié)合傳輸所需快速啟動數(shù)據(jù)來設(shè)計槽邊界啟動，保證在非授權(quán)頻段之中也能正常傳輸數(shù)據(jù)。另外，在毫米波頻段中也能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，可基于頻譜資源建立少數(shù)OFDM符號支持負載系統(tǒng)，建立5G新空口幀結(jié)構(gòu)體系，結(jié)合HARQ保護周期建立用戶終端，實現(xiàn)對上行數(shù)據(jù)的有效傳輸。而為了專門獲得低時延效果，它還利用一組聚合槽在控制信號與參考信號前置位置，建立控制中心，提高低時延長應(yīng)用場景的安全性[2]。

（二）5G無線新空口技術(shù)中的信道編碼應(yīng)用原理

5G無線新空口數(shù)據(jù)在信道采編方面專門采用到極化編碼，圍繞LDPC編碼建立了專門的奇偶校驗方程，同時采用到了準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu)體系，確?；仃嚩x到位，建立平移的zxz單位矩陣，結(jié)合高速率編碼提高碼率到2/3甚至是8/9左右。與此同時，它還實現(xiàn)了基礎(chǔ)矩陣的有效擴展，從新空口技術(shù)的信道編碼深藍色部分提取行列標(biāo)準(zhǔn)，建立奇偶傳輸編碼率機制，專門用于采取增量冗余HARQ信息，最終生成一系列奇偶校驗碼。該奇偶校驗碼可應(yīng)用于更高級別的編碼率與奇偶校驗矩陣，保證解碼時延與復(fù)雜度有效降低，優(yōu)化準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu)，確保5G新空口無線技術(shù)達到信道編碼高平行度標(biāo)準(zhǔn)。在該過程中，它可擴展建設(shè)LTE的turbo碼以獲取更低的編碼率，進而獲取更高編碼增益，建立更多更高可靠性的5G新空口技術(shù)用例。

當(dāng)然，對于某些極化碼的運用則采用到了5G新空口多層控制信令（非常短的短消息編碼除外）。所謂極化碼屬于目前的新型編碼方式，它在解碼方面合理性較高，可面向多種信道優(yōu)化編碼技術(shù)內(nèi)容，提高編碼技術(shù)應(yīng)用復(fù)雜度。在5G新空口技術(shù)應(yīng)用中極化碼編碼器是能夠與外部編碼器相互串聯(lián)的，二者在跟蹤解碼器，優(yōu)化比特單位過程中優(yōu)化相關(guān)數(shù)值，它采用較短的塊長度優(yōu)化典型數(shù)據(jù)，整體看來它的信令控制性能較好，糾錯性也表現(xiàn)較強。不過實際上它的解碼器實現(xiàn)復(fù)雜度偏大，使用成本也更高[3]。

總結(jié)：

5G新空口物理關(guān)鍵層技技術(shù)在幀結(jié)構(gòu)、信道編碼、調(diào)制方式應(yīng)用方面追求設(shè)計優(yōu)化到位，它對信道中信號數(shù)據(jù)的靈活性、超精益設(shè)計調(diào)整非常到位，且在前向、后向兼容方面具有較大技術(shù)優(yōu)勢，靈活度與可擴展性表現(xiàn)突出。目前，5G新空口技術(shù)依然在快速發(fā)展，它希望在后續(xù)演進發(fā)展過程中滿足更多技術(shù)要求，為社會發(fā)展服務(wù)帶來更多利好。

參考文獻：

[1]羅逸山.LTE載波與5G新空口共享技術(shù)探討[J].通訊世界，2019，26（6）：18-19.

[2]高秋彬，孫韶輝.5G新空口大規(guī)模波束賦形技術(shù)研究[J].信息通信技術(shù)與政策，2018（11）：7-14.

[3]劉奇.5G通信系統(tǒng)空口新技術(shù)分析[J].數(shù)字化用戶，2018，24（16）：18-19.

作者簡介：

趙旭（1984-12），男，漢族，遼寧沈陽，通信工程本科，任職于吉林吉大通信設(shè)計院股份有限公司工程師，研究方向：無線通信。