□ 文 崔新凱 魏克敏 王飛

5G五大空口技術研究

□ 文 崔新凱 魏克敏 王飛

1. 引言

5G萬物互聯(lián)時代即將來臨。5G作為第五代移動通信技術將滿足未來豐富的三類典型業(yè)務場景：①增強型移動寬帶（eMBB）、②大規(guī)模機器通信（mMTC）、③高可靠低時延通信（uRLLC）。5G要實現(xiàn)10Gbps甚至20Gbps的峰值速率、上千億的連接、1毫秒的時延能力，這就要求5G要有一套高靈活性的空口面向所有應用、解決所有問題、靈活適配各種業(yè)務，必須以革命性的基礎技術創(chuàng)新來提升網(wǎng)絡性能。

2. 5G五大空口技術概述

5G空口技術（NR）主要包括新的波形技術（F-OFDM）、新的多址方式（SCMA）、同時同頻全雙工、新的編碼方式（Polar Code）以及大規(guī)模天線技術（Massive MIMO）等關鍵空口技術，從時域、頻域、碼域、空域等幾大維度實現(xiàn)了5G高帶寬、大連接、低時延的空口技術要求。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)度縮短時延至毫秒級；

(3)同時同頻全雙工：采用天線對消技術，實現(xiàn)上、下鏈路同時同頻傳輸；

(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：更多的天線實現(xiàn)3D MIMO與波束賦形。

2.1. F-OFDM靈活自適應的空口波形技術

在4G LTE時代，OFDM（正交頻分復用）技術將高速率數(shù)據(jù)通過串并轉換調(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的碼間串擾問題。但OFDM的子載波長度和符號時長是固定的，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，其時域Symbol的長度、CP長度等也就基本確定。而5G時代是統(tǒng)一空口面對所有應用，不同應用對于技術的要求也不同，比如端到端1ms時延的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，要求極短的時域Symbol和TTI，這就需要頻域較寬的子載波帶寬；而物聯(lián)網(wǎng)的多連接場景，單傳感器傳送數(shù)據(jù)量極低，但對系統(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的固定子載波長度和固定符號時長已經(jīng)無法滿足5G時代高帶寬、大連接、低時延等多種多樣的業(yè)務應用要求。

圖1 5G空口技術示意圖

F-OFDM(Filtered OFDM)是一種基于OFDM的改進方案，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5G各類應用的不同需求。F-OFDM是一種可變子載波帶寬的自適應空口波形調(diào)制技術，可以實現(xiàn)頻域和時域的資源靈活復用，為不同業(yè)務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頻帶最低做到一個子載波帶寬（如圖2所示）。它的基本思想是將OFDM載波帶寬劃分成多個不同參數(shù)的子帶，并對子帶進行濾波，而在子帶間盡量留出較少的隔離頻帶。比如，為了實現(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；為了在增強的移動寬帶業(yè)務中有效地對抗多徑信道，可以在選定的子帶中采用多載波波形；為了實現(xiàn)較低的空口時延，可以采用更小的傳輸時隙長度；為對抗更豐富的多徑信道，可以采用更小的子載波間隔和更長的循環(huán)前綴，從而滿足不同業(yè)務的時域頻域資源需求，提升譜資源利用率。

2.2. SCMA稀疏碼多址接入技術

圖2 OFDM和F-OFDM的時頻資源分配圖

SCMA 技術是一種新的多址技術，在傳統(tǒng)的TDMA（2G 核心多址技術）、CDMA（3G 核心多址技術）和OFDMA（4G 核心多址技術）的正交多址接入技術的基礎上，引入了非正交的大維度擴展的稀疏函數(shù)序列而構成的（如圖3所示）。SCMA在時域、頻域的基礎上，通過引入碼域的多址，增加碼域維度的復用，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，在免調(diào)度場景下使時延縮小到毫秒級。SCMA 技術可以作為OFDMA 接入方式在未來5G 通信系統(tǒng)中的演進，SCMA 在繼承和保持OFDMA 多徑寬帶系統(tǒng)的優(yōu)勢、資源靈活應用、發(fā)送模式靈活應用的前提下，把CDMA 的優(yōu)勢和思想通過稀疏碼 (多個子載波中單用戶承載數(shù)據(jù)的子載波數(shù))設計融入進來，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，相比于OFDM 與CDMA 的簡單疊加，通過稀疏碼本的設計，以及接收端低復雜度檢測器的設計，規(guī)避系統(tǒng)均衡實現(xiàn)復雜的弊端，使得其應用成為可能。同時，通過稀疏碼本的優(yōu)化設計，可以進一步提升分集和成型增益，進而提升鏈路層傳輸可靠性。

從目前的研究趨勢來判斷，SCMA 基于非正交的接入方式成為面向5G 移動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5G 移動通信對用戶數(shù)和吞吐量大幅增長的需求，非正交接入技術基于在有限資源上復用多個用戶的接入方式必然是下一代無線空口技術突破瓶頸的必經(jīng)途徑；② 數(shù)字信號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雜度問題也逐漸降低；③ 通過稀疏碼的設計和優(yōu)化，可以簡化接收端的多用戶檢測器設計、提高發(fā)送端的分集增益，進而在降低復雜度的同時提升系統(tǒng)魯棒性。

2.3. Full Duplex同時同頻全雙工技術

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

5G 的Full Duplex同時同頻全雙工技術（又稱NDD--No Division Duplex）能在相同的頻譜資源條件下上下行同時發(fā)射、接收電磁波信號，理論上可以提高一倍的信道容量。與通過大量的帶寬資源換取提高信道容量的方式不同，同時同頻全雙工通過對發(fā)射信號的抵消處理，消除來自天線的干擾信號，并通過干擾消除技術實現(xiàn)接收和發(fā)送同步，進而實現(xiàn)同時同頻全雙工通信，其技術核心在于消除發(fā)射信號對接收信號的干擾。其技術原理如圖4所示：①首先通過在天線發(fā)射端加入雙工器，將發(fā)射和接收信號相隔離，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，并通過濾波器濾除發(fā)射信號，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)射信號從而增加約5dB的信號增益。根據(jù)最新干擾消除測試情況，同時同頻全雙工技術能增加118.2db（81dB + 32.2dB + 5dB = 118.2dB）的信號增益，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

編碼和調(diào)制是無線通信技術中最核心的部分，被稱為頂級的通信技術。信道編解碼在基礎通信框架中位于物理層位置，其性能的改進將直接提升網(wǎng)絡覆蓋及用戶傳輸速率。2016年11月18日，在美國內(nèi)華達州里諾召開的3GPP RAN1 第87次會議，確定中國華為公司的Polar Code方案作為5GeMBB（增強移動寬帶）場景下控制信道編碼方案。這是中國公司首次進入基礎通信框架協(xié)議領域，對比以往2G、3G、4G時代來看，其最大意義在于加大了中國企業(yè)在全球通信領域的話語權。

2008年，土耳其畢爾肯大學教授ErdalArikan在國際信息論ISIT會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)表了一篇長達23頁的論文更加詳細地闡述了信道極化，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造方法，并且是已知的唯一一種能夠被嚴格證明“達到”信道容量的信道編碼方法。

圖3 SCMA稀疏碼多址接入技術示意圖

圖4 Full Duplex同時同頻全雙工原理圖

從代數(shù)編碼和概率編碼的角度來說，極化碼具備了兩者的特點。①只要給定編碼長度，極化碼的編譯碼結構就唯一確定了，而且可以通過生成矩陣的形式完成編碼過程，這一點和代數(shù)編碼的常見思維是一致的。②極化碼在設計時并沒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）的過程來選擇具體的編碼方案，而且在譯碼時也是采用概率算法，這一點比較符合概率編碼的思想。對于長度為N=2nN=2n（nn為任意正整數(shù)）的極化碼，它利用信道WW的N個獨立副本，進行信道聯(lián)合和信道分裂，得到新的N個分裂之后的信道{W(1)N,W(2)N,…,W(N)N}{WN(1),WN(2),…,WN(N)}。隨著碼長N的增加，分裂之后的信道將向兩個極端發(fā)展：其中一部分分裂信道會趨近于完美信道，即信道容量趨近于1的無噪聲信道；而另一部分分裂信道會趨近于完全噪聲信道，即信道容量趨近于0的信道。假設原信道WW的二進制輸入對稱容量記作I(W)I(W)，那么當碼長N趨近于無窮大時，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，即相當于編碼速率為R=1R=1；而對于信道容量為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比特，即相當于編碼速率為R=0R=0。那么當碼長N→∞N→∞時，極化碼的可達編碼速率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信道容量的。

Polar Code技術是對通信系統(tǒng)信道編碼理論的一個關鍵變革，Polar Code技術要優(yōu)于現(xiàn)有4G LTE移動通信系統(tǒng)之中所采用的所有編碼技術（尤其是當編碼塊較小的時候）。通過Polar Code的使用和譯碼算法的動態(tài)選擇，同時實現(xiàn)了短包（大連接物聯(lián)網(wǎng)場景mMTC）和長包（高速移動場景eMBB，如自動駕駛等低時延要求uRLLC）場景中穩(wěn)定的性能增益，使現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡的頻譜效率提升10%，Polar Code還與毫米波(mmWave)結合達到27Gbps的峰值速率，驗證了PolarCode和高頻結合支持高速率、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?。測試表明，利用Polar Code這種編碼技術可以同時滿足國際電信聯(lián)盟（ITU）定義的高速率、低時延和多連接的5G三大應用場景需求。

2.5. Massive MIMO大規(guī)模天線技術

MIMO技術將傳統(tǒng)的時域/頻域/碼域三維擴展為了時域/頻域/碼域/空域四個維度，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，并且可以兩用戶進行MU-MIMO。Massive MIMO是傳統(tǒng)MIMO技術的擴展和延伸，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可以通過終端移動的隨機性以及信道衰落的不相關性，利用不同用戶間信道的近似正交性降低用戶間干擾，實現(xiàn)多個用戶的空分復用。

目前4G網(wǎng)絡用戶數(shù)以及數(shù)據(jù)流量增長迅速，現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡在忙時已經(jīng)無法滿足用戶需求，而5G時代更是高流量、大帶寬的高速移動互聯(lián)網(wǎng)時代，對傳輸速率和系統(tǒng)容量提出了更高要求，所以Massive MIMO技術會在5G時代大規(guī)模引入，是第五代移動通信網(wǎng)絡全新空口最有發(fā)展?jié)摿Φ年P鍵技術之一，其以成倍的提高速率、增強覆蓋效果、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，滿足各類應用場景（如密集城區(qū)、CBD場景、大型場館、高層樓宇等高流量高負荷區(qū)域）的業(yè)務需求，其原理如下圖5所示：

目前河南某地市進行了Massive MIMO測試效果驗證，針對三高一限典型場景，采用64T64R多天線技術，分別選取大型公園、高校、大型商場等高負荷場景共4處5個站點進行測試。測試驗證結果顯示：Massive MIMO能改善上行受限場景的上行能力、提升上下行頻譜效率和用戶體驗速率、提升上下行容量。

(1)Massive MIMO能改善上行受限場景的上行能力

與測試區(qū)域其他用戶數(shù)相近宏站性能對比，Massive MIMO小區(qū)忙時平均用戶是普通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，上行用戶平均體驗速率是普通宏站2倍。Massive MIMO在高話務場景下有效解決了上行容量受限問題，釋放上行壓抑流量，改善了用戶體驗。

(2)Massive MIMO能提升上下行頻譜效率和用戶體驗速率

從話統(tǒng)統(tǒng)計結果看，忙時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。下行用戶體驗速率提升1.8倍，上行用戶體驗速率提升5倍。上下行頻譜效率和用戶體驗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

下行峰值測試：在商用背景用戶下（小區(qū)用戶數(shù)為23個左右），通過16個測試用戶在Massive MIMO載波做下行16流測試，測試期間段小區(qū)下行峰值速率達到505M，是8T8R小區(qū)的 5倍，有效的提升下行容量，滿足未來下行大流量業(yè)務需求。

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

3. 結束語

目前，美國、日本、韓國、中國及歐盟等都在積極推動5G的商用部署。5G是一個萬物互聯(lián)時代，要求具有統(tǒng)一空口來適配各類差異化業(yè)務場景，這對5G NR提出很高的要求，本文通過對5G五大關鍵空口技術的闡述，為未來5G的空口技術發(fā)展提供參考意見?！?/p>

(作者崔新凱、魏克敏工作單位為中國移動通信集團設計院有限公司，王飛工作單位為中國移動通信集團河南有限公司計劃建設部。)

［1］余莉，張治中．第五代移動通信網(wǎng)絡體系架構及其關鍵技術[J]．重慶郵電大學學報：自然科學版，2014(4)：427-433．