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        5G無線空口原理

        2020-07-06 03:39:35趙旭周樹文
        中國新通信 2020年3期
        關(guān)鍵詞:信道編碼空口頻段

        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(qiáng)型移動寬帶機(jī)制,且它還擁有海量機(jī)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(jìn)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(dá),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(diǎn)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(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)后向兼容技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)之上再實(shí)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(qiáng)型移動寬帶、超高可靠與低時延通信(uRLLC)以及大規(guī)模機(jī)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(qiáng)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(yuǎn)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(shí)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(diǎn)原則,即靈活性與可擴(kuò)展性,這兩點(diǎn)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(shí)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(qiáng)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(shí)際而言,5G新空口幀結(jié)構(gòu)設(shè)計中希望遵循3點(diǎn)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(hù)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(shí)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(fù)載系統(tǒng),建立5G新空口幀結(jié)構(gòu)體系,結(jié)合HARQ保護(hù)周期建立用戶終端,實(shí)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(yàn)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(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)矩陣的有效擴(kuò)展,從新空口技術(shù)的信道編碼深藍(lán)色部分提取行列標(biāo)準(zhǔn),建立奇偶傳輸編碼率機(jī)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(yàn)碼。該奇偶校驗(yàn)碼可應(yīng)用于更高級別的編碼率與奇偶校驗(yàn)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(dá)到信道編碼高平行度標(biāo)準(zhǔn)。在該過程中,它可擴(kuò)展建設(shè)LTE的turbo碼以獲取更低的編碼率,進(jìn)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(yùn)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(qiáng)。不過實(shí)際上它的解碼器實(shí)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(kuò)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(jìn)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(xiàn):

        [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。

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