5G五大空口技术研究

□ 文 崔新凯 魏克敏 王飞

5G五大空口技术研究

□ 文 崔新凯 魏克敏 王飞

1. 引言

5G万物互联时代即将来临。5G作为第五代移动通信技术将满足未来丰富的三类典型业务场景：①增强型移动宽带（eMBB）、②大规模机器通信（mMTC）、③高可靠低时延通信（uRLLC）。5G要实现10Gbps甚至20Gbps的峰值速率、上千亿的连接、1毫秒的时延能力，这就要求5G要有一套高灵活性的空口面向所有应用、解决所有问题、灵活适配各种业务，必须以革命性的基础技术创新来提升网络性能。

2. 5G五大空口技术概述

5G空口技术（NR）主要包括新的波形技术（F-OFDM）、新的多址方式（SCMA）、同时同频全双工、新的编码方式（Polar Code）以及大规模天线技术（Massive MIMO）等关键空口技术，从时域、频域、码域、空域等几大维度实现了5G高带宽、大连接、低时延的空口技术要求。如下图1所示。

(1)F-OFDM：可灵活调整子载波带宽，适配差异化需求；

(2)SCMA：引入稀疏码提升连接用户数，免调度缩短时延至毫秒级；

(3)同时同频全双工：采用天线对消技术，实现上、下链路同时同频传输；

(4)Polar Code：使信道编码的频谱效率逼近香农极限，相同信噪比下，相比LTE误码率更低；

(5)Massive MIMO：更多的天线实现3D MIMO与波束赋形。

2.1. F-OFDM灵活自适应的空口波形技术

在4G LTE时代，OFDM（正交频分复用）技术将高速率数据通过串并转换调制到相互正交的子载波上去，并引入循环前缀CP，较好地解决了LTE的码间串扰问题。但OFDM的子载波长度和符号时长是固定的，如图2所示，频域子载波带宽是固定的15KHz(7.5KHz仅用于MBSFN)，子载波带宽确定之后，其时域Symbol的长度、CP长度等也就基本确定。而5G时代是统一空口面对所有应用，不同应用对于技术的要求也不同，比如端到端1ms时延的车联网业务，要求极短的时域Symbol和TTI，这就需要频域较宽的子载波带宽；而物联网的多连接场景，单传感器传送数据量极低，但对系统整体连接数要求很高，这就需要在频域上配置比较窄的子载波带宽。OFDM的固定子载波长度和固定符号时长已经无法满足5G时代高带宽、大连接、低时延等多种多样的业务应用要求。

图1 5G空口技术示意图

F-OFDM(Filtered OFDM)是一种基于OFDM的改进方案，能够实现空口物理层切片后向兼容LTE 4G系统、又能满足未来5G各类应用的不同需求。F-OFDM是一种可变子载波带宽的自适应空口波形调制技术，可以实现频域和时域的资源灵活复用，为不同业务提供不同的子载波带宽和CP配置，并且可以把不同带宽子载波之间的保护频带最低做到一个子载波带宽（如图2所示）。它的基本思想是将OFDM载波带宽划分成多个不同参数的子带，并对子带进行滤波，而在子带间尽量留出较少的隔离频带。比如，为了实现低功耗大覆盖的物联网，可以在选定的子带中采用单载波波形；为了在增强的移动宽带业务中有效地对抗多径信道，可以在选定的子带中采用多载波波形；为了实现较低的空口时延，可以采用更小的传输时隙长度；为对抗更丰富的多径信道，可以采用更小的子载波间隔和更长的循环前缀，从而满足不同业务的时域频域资源需求，提升谱资源利用率。

2.2. SCMA稀疏码多址接入技术

图2 OFDM和F-OFDM的时频资源分配图

SCMA 技术是一种新的多址技术，在传统的TDMA（2G 核心多址技术）、CDMA（3G 核心多址技术）和OFDMA（4G 核心多址技术）的正交多址接入技术的基础上，引入了非正交的大维度扩展的稀疏函数序列而构成的（如图3所示）。SCMA在时域、频域的基础上，通过引入码域的多址，增加码域维度的复用，在使用相同频谱的情况下，大大提升了频谱效率和系统容量。同时，在免调度场景下使时延缩小到毫秒级。SCMA 技术可以作为OFDMA 接入方式在未来5G 通信系统中的演进，SCMA 在继承和保持OFDMA 多径宽带系统的优势、资源灵活应用、发送模式灵活应用的前提下，把CDMA 的优势和思想通过稀疏码 (多个子载波中单用户承载数据的子载波数)设计融入进来，使得相比OFDMA，在同样的资源情况下，能接入更多的用户数据流，提高频谱使用效率。同时，相比于OFDM 与CDMA 的简单叠加，通过稀疏码本的设计，以及接收端低复杂度检测器的设计，规避系统均衡实现复杂的弊端，使得其应用成为可能。同时，通过稀疏码本的优化设计，可以进一步提升分集和成型增益，进而提升链路层传输可靠性。

从目前的研究趋势来判断，SCMA 基于非正交的接入方式成为面向5G 移动通信的候选接入方案的可能性非常大，主要基于以下分析：① 为适应5G 移动通信对用户数和吞吐量大幅增长的需求，非正交接入技术基于在有限资源上复用多个用户的接入方式必然是下一代无线空口技术突破瓶颈的必经途径；② 数字信号处理芯片能力随着摩尔定律逐年提升，之前很难解决的非正交解码的复杂度问题也逐渐降低；③ 通过稀疏码的设计和优化，可以简化接收端的多用户检测器设计、提高发送端的分集增益，进而在降低复杂度的同时提升系统鲁棒性。

2.3. Full Duplex同时同频全双工技术

4G LTE系统同时定义了频分双工(Frequency Division Duplexing，FDD)和时分双工(Time Division Duplexing，TDD)两种不同的双工方式，FDD是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送，用保护频段来分离接收和发送信道，所以FDD必须采用成对的频率，依靠频率来区分上下行链路，其单方向的资源在时间上是连续的；而TDD用时间来分离接收和发送信道, 接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，其单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。

5G 的Full Duplex同时同频全双工技术（又称NDD--No Division Duplex）能在相同的频谱资源条件下上下行同时发射、接收电磁波信号，理论上可以提高一倍的信道容量。与通过大量的带宽资源换取提高信道容量的方式不同，同时同频全双工通过对发射信号的抵消处理，消除来自天线的干扰信号，并通过干扰消除技术实现接收和发送同步，进而实现同时同频全双工通信，其技术核心在于消除发射信号对接收信号的干扰。其技术原理如图4所示：①首先通过在天线发射端加入双工器，将发射和接收信号相隔离，增加收发隔离度，可以产生大于60dB的增益；②其次在射频端提取接收信号，并通过滤波器滤除发射信号，可以产生约30dB的增益；③最后在基带处理部分用数字方法滤除其中的发射信号从而增加约5dB的信号增益。根据最新干扰消除测试情况，同时同频全双工技术能增加118.2db（81dB + 32.2dB + 5dB = 118.2dB）的信号增益，相比4G LTE系统可以提高约80%的增益。

2.4. Polar Code极化码技术

编码和调制是无线通信技术中最核心的部分，被称为顶级的通信技术。信道编解码在基础通信框架中位于物理层位置，其性能的改进将直接提升网络覆盖及用户传输速率。2016年11月18日，在美国内华达州里诺召开的3GPP RAN1 第87次会议，确定中国华为公司的Polar Code方案作为5GeMBB（增强移动宽带）场景下控制信道编码方案。这是中国公司首次进入基础通信框架协议领域，对比以往2G、3G、4G时代来看，其最大意义在于加大了中国企业在全球通信领域的话语权。

2008年，土耳其毕尔肯大学教授ErdalArikan在国际信息论ISIT会议上首次提出了信道极化（Channel Polarization）的概念；2009年在“IEEE Transaction on Information Theory”期刊上发表了一篇长达23页的论文更加详细地阐述了信道极化，并基于信道极化给出了一种新的编码方式Polar Code。极化码具有确定性的构造方法，并且是已知的唯一一种能够被严格证明“达到”信道容量的信道编码方法。

图3 SCMA稀疏码多址接入技术示意图

图4 Full Duplex同时同频全双工原理图

从代数编码和概率编码的角度来说，极化码具备了两者的特点。①只要给定编码长度，极化码的编译码结构就唯一确定了，而且可以通过生成矩阵的形式完成编码过程，这一点和代数编码的常见思维是一致的。②极化码在设计时并没有考虑最小距离特性，而是利用了信道联合（Channel Combination）与信道分裂（Channel Splitting）的过程来选择具体的编码方案，而且在译码时也是采用概率算法，这一点比较符合概率编码的思想。对于长度为N=2nN=2n（nn为任意正整数）的极化码，它利用信道WW的N个独立副本，进行信道联合和信道分裂，得到新的N个分裂之后的信道{W(1)N,W(2)N,…,W(N)N}{WN(1),WN(2),…,WN(N)}。随着码长N的增加，分裂之后的信道将向两个极端发展：其中一部分分裂信道会趋近于完美信道，即信道容量趋近于1的无噪声信道；而另一部分分裂信道会趋近于完全噪声信道，即信道容量趋近于0的信道。假设原信道WW的二进制输入对称容量记作I(W)I(W)，那么当码长N趋近于无穷大时，信道容量趋近于1的分裂信道比例约为K=N×I(W)K=N×I(W)，而信道容量趋近于0的比例约为N×(1☒I(W))N×(1☒I(W))。对于信道容量为1的可靠信道，可以直接放置消息比特而不采用任何编码，即相当于编码速率为R=1R=1；而对于信道容量为0的不可靠信道，可以放置发送端和接收端都事先已知的冻结比特，即相当于编码速率为R=0R=0。那么当码长N→∞N→∞时，极化码的可达编码速率R=N×I(W)/N=I(W)R=N×I(W)/N=I(W)，即在理论上，极化码可以被证明是可达信道容量的。

Polar Code技术是对通信系统信道编码理论的一个关键变革，Polar Code技术要优于现有4G LTE移动通信系统之中所采用的所有编码技术（尤其是当编码块较小的时候）。通过Polar Code的使用和译码算法的动态选择，同时实现了短包（大连接物联网场景mMTC）和长包（高速移动场景eMBB，如自动驾驶等低时延要求uRLLC）场景中稳定的性能增益，使现有的蜂窝网络的频谱效率提升10%，Polar Code还与毫米波(mmWave)结合达到27Gbps的峰值速率，验证了PolarCode和高频结合支持高速率、大容量数据传输的可行性。测试表明，利用Polar Code这种编码技术可以同时满足国际电信联盟（ITU）定义的高速率、低时延和多连接的5G三大应用场景需求。

2.5. Massive MIMO大规模天线技术

MIMO技术将传统的时域/频域/码域三维扩展为了时域/频域/码域/空域四个维度，提升了频谱效率和系统容量。目前已经广泛使用的MIMO为2*2MIMO，并且可以两用户进行MU-MIMO。Massive MIMO是传统MIMO技术的扩展和延伸，其特征在于以大规模天线阵的方式集中放置数十根甚至数百根以上天线，充分利用空间维度，提供更高的数据速率，大幅度提升频谱效率和增加系统容量。此外，随着基站天线数的增加，Massive MIMO可以通过终端移动的随机性以及信道衰落的不相关性，利用不同用户间信道的近似正交性降低用户间干扰，实现多个用户的空分复用。

目前4G网络用户数以及数据流量增长迅速，现有的4G网络在忙时已经无法满足用户需求，而5G时代更是高流量、大带宽的高速移动互联网时代，对传输速率和系统容量提出了更高要求，所以Massive MIMO技术会在5G时代大规模引入，是第五代移动通信网络全新空口最有发展潜力的关键技术之一，其以成倍的提高速率、增强覆盖效果、增加系统容量、最大限度利用已有的站址资源和频谱资源，满足各类应用场景（如密集城区、CBD场景、大型场馆、高层楼宇等高流量高负荷区域）的业务需求，其原理如下图5所示：

目前河南某地市进行了Massive MIMO测试效果验证，针对三高一限典型场景，采用64T64R多天线技术，分别选取大型公园、高校、大型商场等高负荷场景共4处5个站点进行测试。测试验证结果显示：Massive MIMO能改善上行受限场景的上行能力、提升上下行频谱效率和用户体验速率、提升上下行容量。

(1)Massive MIMO能改善上行受限场景的上行能力

与测试区域其他用户数相近宏站性能对比，Massive MIMO小区忙时平均用户是普通8T8R宏站的2倍，上下行流量分别为3.8倍和2.7倍，小区上行平均速率是普通宏站3.5倍，上行用户平均体验速率是普通宏站2倍。Massive MIMO在高话务场景下有效解决了上行容量受限问题，释放上行压抑流量，改善了用户体验。

(2)Massive MIMO能提升上下行频谱效率和用户体验速率

从话统统计结果看，忙时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。下行用户体验速率提升1.8倍，上行用户体验速率提升5倍。上下行频谱效率和用户体验速率都有了较大提升。

图5 Massive MIMO原理图

(3)Massive MIMO能提升上下行容量

下行峰值测试：在商用背景用户下（小区用户数为23个左右），通过16个测试用户在Massive MIMO载波做下行16流测试，测试期间段小区下行峰值速率达到505M，是8T8R小区的 5倍，有效的提升下行容量，满足未来下行大流量业务需求。

上行峰值测试：在商用背景用户下（小区用户数为9个左右），通过8个测试用在在Massive MIMO载波做上行8流测试，测试期间段小区上行峰值速率达64M，是8T8R小区近 6倍，有效的提升上行容量，满足未来上行大流量业务需求。

3. 结束语

目前，美国、日本、韩国、中国及欧盟等都在积极推动5G的商用部署。5G是一个万物互联时代，要求具有统一空口来适配各类差异化业务场景，这对5G NR提出很高的要求，本文通过对5G五大关键空口技术的阐述，为未来5G的空口技术发展提供参考意见。■

(作者崔新凯、魏克敏工作单位为中国移动通信集团设计院有限公司，王飞工作单位为中国移动通信集团河南有限公司计划建设部。)

［1］余莉，张治中．第五代移动通信网络体系架构及其关键技术[J]．重庆邮电大学学报：自然科学版，2014(4)：427-433．