探秘5G新空口技术

Posted 2020-08-09 Mind_Hacks

文/张东

        长江后浪推前浪，4G建设方兴未艾，5G的讨论已如火如荼。其中，空口技术作为移动通信王冠上的明珠，是每一代移动通信区别的最显著标志，也是“百花齐放、百家争鸣”演绎得最淋漓尽致的领域。随着3GPP 5G标准的启动，5G的天空已逐渐云开雾散，候选技术的璀璨星光已经让我们目眩神迷，而华为提出的5G系列化新空口技术，无疑是其中最闪亮的几颗星星。

5G空口设计需求与挑战

　　需求定义如同灯塔，牵引着5G的研究目标和方向。ITU-R已于2015年6月定义了未来5G的3大类应用场景，分别是增强型移动互联网业务eMBB（Enhanced Mobile Broadband）、海量连接的物联网业务mMTC（Massive Machine Type Communication）和超高可靠性与超低时延业务uRLLC（Ultra Reliable & Low Latency Communication），并从吞吐率、时延、连接密度和频谱效率提升等8个维度定义了对5G网络的能力要求。 

　　结合业界近年来对5G应用场景的讨论可以看出，未来5G业务将呈现3个特点，而这3大特点也对空口设计提出了不同的要求：

　　多样性：4G和前代移动通信主要聚焦于人与人之间的通信，即移动互联网；而5G除了进一步增强移动互联网之外，还需 要使能物联网。5G时代的业务将空前繁荣，无论是远程实时操控要求的ms级时延，VR/AR和超高清视频要求的Gb/s级带宽，亦或是每平方公里上百万连接数要求的广覆盖、低功耗物联网，对空口的设计要求差别巨大，甚至可以说是南辕北辙。目前来看，5G必须引入革命性的新空口以满足多样性的极致业务需求，这在业界已达成共识。

　　长尾性：5G将扩展移动通信的边界，拥抱垂直行业并成为其效率提升的助推器。但是相比移动互联网业务，垂直行业的需求千差万别；同时，每个行业所能贡献的收入也远远低于移动互联网业务，是一个典型的长尾市场。这种长尾性决定了在空口设计时，不可能为每一类行业需求定制一个空口，而是需要在统一的空口框架下，使用不同的参数配置（Numerology）来适配长尾化的垂直行业需求，也就是空口切片的概念。

　　不确定性：未来总是超越我们的想象，过去太多短视的预测总是被不期而至的潮流碾压得粉碎，我们必须承认，未来的4～5年会有太多的不确定性，新的无法被预测的业务可能随着某一次技术革新而野蛮生长。德鲁克曾说过“预测未来的最好方式就是去创造它”，因此，我们既要考虑业务的驱动，又要兼顾技术的适当超前，以应对未来业务的不确定性。正如孔子所言，“取乎其上，得乎其中；取乎其中，得乎其下；取乎其下，则无所得矣”。

　　综上所述，为了应对未来5G业务的多样性、长尾性和不确定性，需要考虑统一的新空口，以极大的灵活性适配各类业务，并且面向未来。此外，追求更高的频谱效率始终是空口设计孜孜以求的目标，其对于降低运营商网络部署的成本以及整个产业链的成熟和繁荣都至关重要。

5G新空口关键使能技术

　　为了应对上述挑战，华为系统化地提出了5G新空口的理念和关键使能技术，全面覆盖基础波形、多址方式、信道编码、接入协议和帧结构等领域，并携手5G先锋运营商进行了外场验证。下层基础决定上层建筑，这在空口设计中同样适用，本文将重点探讨5G物理层设计中最关键的新波形、新多址和新编码技术。

新波形F-OFDM（Filtered OFDM）

　　基础波形的设计是实现统一空口的基础，同时兼顾灵活性和频谱的利用效率。温故而知新，我们先简单回顾下4G的OFDM，看看OFDM为什么满足不了5G时代的要求。OFDM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，较好地解决了令人头疼的码间串扰问题，在4G时代大放异彩，但OFDM最主要的问题就是不够灵活。未来，不同的应用对空口技术的要求迥异，例如毫秒级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间隔；而在物联网的多连接场景中单传感器传送的数据量极低，但对系统整体连接数的要求很高，这就需要在频域上配置比较窄的子载波间隔，而在时域上，Symbol的长度和TTI都可以足够长，几乎不需要考虑码间串扰问题，也就不需要再引入CP，同时异步操作还可以解决终端省电的问题。这些灵活的要求，对于OFDM来说是满足不了的。OFDM的时频资源分配方式在频域子载波带宽上是固定的15KHz（7.5KHz仅用于MBSFN），而子载波带宽确定之后，其时域Symbol的长度、CP长度等Numerology也就基本确定了。

　　如果将系统的时频资源理解成一节车厢，采用OFDM方案装修的话，火车上只能提供固定大小的硬座（子载波间隔），所有人，不管胖子瘦子、有钱没钱，都只能坐一样大小的硬座。这显然不科学也不够人性化，无法满足人民日益增长的物质文化需要。对于5G，我们希望座位和空间都能够根据乘客的高矮胖瘦灵活定制，硬座、软座、卧铺、包厢……想怎么调整都行，这才是自适应的和谐号列车。而F-OFDM正是基于这一思路。

　　F-OFDM能为不同业务提供不同的子载波间隔和Numerology，以满足不同业务的时频资源需求。此时不同带宽的子载波之间本身不再具备正交特性，需要引入保护带宽，例如OFDM就需要10%的保护带宽，这样一来，F-OFDM的灵活性是保证了，频谱利用率会不会降低？正所谓鱼与熊掌不可兼得，灵活性与系统开销一向是一对矛盾。但是，F-OFDM通过优化滤波器的设计大大降低了带外泄露，不同子带之间的保护带开销可以降至1%左右，不仅大大提升了频谱的利用效率，也为将来利用碎片化的频谱提供了可能。 

　　总结一下，F-OFDM在继承了OFDM的全部优点（频谱利用率高、适配MIMO等）的基础上，又克服了OFDM的一些固有缺陷，进一步提升了灵活性和频谱利用效率，是实现5G空口切片的基础技术。

新多址技术SCMA（Sparse Code Multiple Access）

　　多址技术决定了空口资源的分配方式，也是进一步提升连接数和频谱效率的关键。通过F-OFDM已经实现了在频域和时域的资源灵活复用，并把保护带宽降到了最小，那么为了进一步压榨频谱效率，还有哪些域的资源可以复用？最容易想到的自然是空域和码域。空分复用的MIMO技术在LTE时代就提出来了，在5G时代会通过更多的天线数来进一步发扬光大。那码域呢，在LTE时代它好像被遗忘了，在5G时代能否再现辉煌？SCMA正是采用这一思路，引入稀疏码本，通过码域的多址实现了连接数的3倍提升。

　　如前所述，F-OFDM已经实现了火车座位（子载波）根据旅客（业务需求）进行了自适应，进一步提升频谱效率就需要在有限的座位上塞进更多用户。方法说来也简单，座位就那么多，大家挤挤呗。打个比方，4个同类型的并排座位，完全可以塞6个人进去，这样不就轻松实现了1.5倍的连接数提升了吗？听起来道理很简单，可实现起来并不简单。这就涉及SCMA的第一个关键技术低密度扩频，将单个子载波的用户数据扩频到4个子载波上，然后6个用户共享这4个子载波。之所以叫低密度扩频，是因为用户数据只占用了其中2个子载波，另外2个子载波是空的，这就相当于6个乘客坐4个座位，每个乘客的屁股最多只能坐两个座位。这也是SCMA中Sparse（稀疏）的来由。为何一定要稀疏呢？如果不稀疏就是在全载波上扩频，那同一个子载波上就有6个用户的数据，冲突太厉害，多用户解调彻底就无法实现了。 

　　但是4个座位塞了6个用户之后，乘客之间就不严格正交了（每个乘客占了2个座位，无法再通过座位号（子载波）来区分乘客），单一子载波上还是有3个用户数据冲突了，多用户解调还是存在困难。此时就用到了SCMA第二个关键技术，称为多维调制。多维调制这个概念非常抽象，因为传统的IQ调制只有两维啊——幅度和相位，多出来的维代表什么？这里需要稍微开一下脑洞，想象一下三体世界中半人马座α星人把一个质子展开到多维空间雕刻电路后再降维的过程，最终一个质子变成了一个无所不能的计算机，质子还是那个质子，不过功能大大增强了。同样，通过多维调制技术，调制的还是相位和幅度，但是最终使得多用户的星座点之间欧氏距离拉得更远，多用户解调和抗干扰性能大大增强了。每个用户的数据都使用系统分配的稀疏码本进行了多维调制，而系统又知道每个用户的码本，就可以在不正交的情况下，把不同用户最终解调出来。这就相当于虽然无法再用座位号来区分乘客，但是可以给这些乘客贴上不同颜色的标签，结合座位号还是能够将乘客区分出来。

　　综上所述，SCMA通过引入稀疏码域的非正交，在可接受的复杂度前提下，经过外场测试验证，相比OFDMA，上行可以提升3倍连接数，下行采用码域和功率域的非正交复用，可显著提升下行用户的吞吐率超过50%以上。同时，由于SCMA允许用户存在一定冲突，结合免调度技术可以大幅降低数据传输时延，以满足1ms的空口时延要求。

新编码技术Polar Code

　　编码技术的终极目标——香农极限：信道编码的目标，是以尽可能小的开销确保信息的可靠传送。在同样的误码率下，所需要的开销越小，编码效率越高，自然频谱效率也越高。对于信道编码技术的研究者而言，香农极限是无数人皓首穷经、孜孜以求的目标。那什么是香农极限呢？香农第二定理指出：只要信息传输速率小于信道容量，就存在一类编码，使信息传输的错误概率可以任意小，而狭义的香农极限就是指通过编码达到无误码传输时所需要的最小信噪比，例如对于理想情况下的AWGN信道，香农极限大概在-1.6dB左右。但在现实中，实现无误码传输的代价太高，在可以承受一定误码率的条件下，所需要的最小信噪比就是广义的香农极限。

　　通信与物流很相似，目标都是要可靠地将货物运送至终点，例如一个玻璃杯工厂，需要从厂房A（信源）运送一批玻璃杯到厂房B（信宿），厂房A到厂房B之间有一条单车道的运输公路（信道），公路上存在各种坑洼和颠簸（信道噪声），为了减少在运输过程中玻璃杯的破碎损耗（误码），需要在出厂时对玻璃杯用纸盒进行包装（编码），运送到厂房B之后再进行拆封（译码）。虽然包装（编码）增加了开销，单位空间内能装的杯子（信息净荷）减少了，但显然经过包装之后，破损率（误码率）将大大降低。在允许一定破损率（误码率）的情况下，改进包装（编码）方法以尽可能地降低对路面和运输车辆（信噪比）的要求，这个最低要求（最小信噪比）就是香农极限。

　　香农第二定理是一个存在性定理，只是说明这类编码存在，可并没有说明什么编码可以达到，这可苦了编码学家们，在过去的半个多世纪中提出了多种纠错码技术，例如RS码、卷积码、Turbo码和LDPC码等，并在各种通信系统中进行了广泛应用，但是以往所有实用的编码方法都未能达到香农极限，直到Polar Code横空出世。

　　Polar Code基本原理：2007年，土耳其比尔肯大学教授Erdal Arikan首次提出了信道极化的概念，基于该理论，他给出了人类已知的第一种能够被严格证明达到香农极限的信道编码方法，并命名为极化码（Polar Code）。这一突破如一道闪电，划破漫长而又黑暗的夜空，在编码技术史上具有划时代的意义。Polar码具有明确而简单的编码和译码算法。通过信道编码学者的不断努力，当前Polar码所能达到的纠错性能超过目前广泛使用的Turbo码和LDPC码。

　　要理解Polar码，首先要理解信道极化的概念。所谓信道极化，顾名思义就是信道出现了两极分化，是指针对一组独立的二进制对称输入离散无记忆信道，可以采用编码的方法，使各个子信道呈现出不同的可靠性，当码长持续增加时，一部分信道将趋向于完美信道（无误码），而另一部分信道则趋向于纯噪声信道。

　　为了便于理解，仍以玻璃杯工厂为例来进行说明。在工厂原来采用的包装方案（编码方法）下，运输过程中杯子出现破损（误码）的位置是不确定的，而Polar Code通过特定的包装方案，不管道路怎么颠簸，都可以保证一部分装箱的位置在运送过程中绝不破损（完美信道），而另一部分装箱的位置则必然破损（纯噪声信道），利用这种信道极化的特性，就可以在完美信道的位置装上杯子（信息比特），而纯噪声信道的位置啥也不装（固定比特），因为在装箱的时候就可以知道完美信道的分布，因此在拆箱的时候，译码也就变得更加简单。事实上，Polar Code在使用改进后的SCL（Successive Cancelation List）译码算法时能以较低复杂度的代价，接近最大似然译码的性能。

　　总结下Polar码的优点，首先是相比Turbo码更高的增益，在相同的误码率前提下，实测Polar码对信噪比的要求要比Turbo码低0.5～1.2dB，更高的编码效率等同于频谱效率的提升。其次，Polar码得益于汉明距离和SC算法设计的好，因此没有误码平层，可靠性相比Turbo码大大提升（Turbo码采用的是次优译码算法，所以有误码平层），对于未来5G超高可靠性需求的业务应用（例如远程实时操控和无人驾驶等），能真正实现99.999%的可靠性，解决垂直行业可靠性的难题。第三，Polar Code的译码采用了基于SC的方案，因此译码复杂度也大大降低，这样终端的功耗就大大降低了，在相同译码复杂度情况下相比Turbo码可以降低功耗20多倍，对于功耗十分敏感的物联网传感器而言，可以大大延长电池寿命。

　　重要的事情说3遍，最后再简单总结下这3大空口物理层技术：F-OFDM是实现统一空口的基础波形，结合灵活的Numerology以实现空口切片。SCMA和Polar Code在F-OFDM的基础上，进一步提升了连接数、可靠性和频谱效率，满足了ITU对5G的能力要求。因此，这3大物理层关键技术成为构建华为5G新空口理念的基石。

技术竞争推动5G进步

　　5G的大幕刚刚拉开，我们已站在一个伟大时刻的前沿，回望每一代移动通信的发展历程，有过波澜壮阔的方向之争，也有过暗流涌动的候选技术之争，但最终大浪淘沙，历尽沉浮，这些方向与技术在经过理论、实践和市场的筛选、融合和验证之后，最终改头换面站到了浪潮之巅，在人类科技史上留下浓墨重彩的一笔。在标准定义过程中，所有的技术和方向都值得我们铭记和尊重，它们是产业智慧的结晶，并将最终推动5G技术的进步，让我们共同期待5G开启一个全新的超级联接世界。

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