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且说5G,再聊你所不知道的5G新空口技术


作者: May 来源:21ic电子网 2017-03-02 11:52:15
摘要:2017年,俗称“巴展”的世界移动通信大会(MWC)还没落下帷幕,关于5G的各种报道霸屏各大网站,5G俨然已成今年展会的“红人”。大会开幕当天,全球多家移动通信企业宣布,将共同支持加速5G新空口(5G NR)标准化进程,以推动于2019年尽早实现5G新空口的大规模试验和部署。
关键词:5G 5G新空口技术

  2017年,俗称“巴展”的世界移动通信大会(MWC)还没落下帷幕,关于5G的各种报道霸屏各大网站,5G俨然已成今年展会的“红人”。大会开幕当天,全球多家移动通信企业宣布,将共同支持加速5G新空口(5G NR)标准化进程,以推动于2019年尽早实现5G新空口的大规模试验和部署。  

  对于5G我们早已耳熟能详,但是刚提到的5G新空口技术又是什么?所谓空口,指的是移动终端到基站之间的连接协议,是移动通信标准中一个至关重要的标准。我们都知道,3G时代的空口核心技术是CDMA,4G的空口核心技术是OFDM。5G时代的应用将空前繁荣,不同应用对空口技术要求也是复杂多样的,因此最重要的当然是灵活性和应变能力,一个统一的空口必须能解决所有问题,灵活适配各种业务,F-OFDM与SCMA正是构建5G自适应新空口的基础。

  且说5G新空口技术

  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。4G的OFDMO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。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。

  总的来说,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。

  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。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。

  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。

  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。

  5G技术的落地

  今年我们看到越来越多有关于5G应用或服务等解决方案开始落地。比如今年MWC会上的英特尔展台,他们展出了如何在无人驾驶、智慧城市、VR/AR虚拟增强现实领域、智能家居中整合5G网络。诺基亚则展出了在工业、体育、智能家居中基于5G的解决方案以及5G如何帮助机器人高效工作。高通展出了基于5G的汽车定位技术,同时宣布和中国移动、中兴通讯共同开展基于5G NR新空口标准的场外测试。

  华为在介绍5G技术时也尝试从用户、运营商的角度分析网络建设场景方案,同时开设专门的5G+VR演示区供参观者体验。中兴展台首次展示了千兆手机在AR、游戏、云存储、APP等方面的使用场景。此前,爱立信也曾宣布和Verizon合作在美国多个城市中实测5G网络,从相对保守的实验室测试中走了出来。

  这些只是展会上关于5G技术演示的冰山一角,但让人欣慰的是,曾经高高在上的5G如今似乎变得触手可及。对于消费者来说,人们终于有机会在MWC这样的舞台上深入浅出地感受到什么是5G。

  从1G走到5G

  还是孩童时代的小编那就听说过1G时代拥有一个“大哥大”的土豪形象,到如今5G正准备走进我们的生活,在感叹时光飞逝之余,更惊叹于通信技术飞速的发展。最后让我们回顾下陪伴我们一起成长的通信技术。

  下图是从1G到5G的时间表。 

  1G是“大哥大”横行的时代,1986年,第一套移动通讯系统在美国芝加哥诞生,采用模拟讯号传输,模拟式为代表在无线传输采用模拟式的FM调制,将介于300Hz到3400Hz的语音转换到高频的载波频率MHz上。此外,1G只能应用在一般语音传输上,且语音品质低、讯号不稳定、涵盖范围也不够全面。

  在第1代行动通信系统在国内刚刚建立的时候,我们很多人手中拿的还是大块头的摩托罗拉8000X,俗称大哥大,当年谁有一个大哥大那是去到哪都要显摆的。

  2G是诺基亚崛起的时代。到了1995年,新的通讯技术成熟,国内也在中华电信的引导下,正式挥别1G,进入了2G的通讯时代。从1G跨入2G则是从模拟调制进入到数字调制,相较而言,第二代移动通信具备高度的保密性,系统的容量也在增加,同时从这一代开始手机也可以上网了。2G时代也是移动通信标准争夺的开始,GSM脱颖而出成为最广泛采用的移动通信制式。

  3G时代,CDMA大行其道。3G之下,有了高频宽和稳定的传输,影像电话和大量数据的传送更为普遍,行动通讯有更多样化的应用,因此3G被视为是开启行动通讯新纪元的重要关键。而支持3G网络的平板电脑也是在这个时候出现,苹果,联想和华硕等都推出了一大批优秀的平板产品。中国于2009年的1月7日颁发了3张3G牌照,分别是中国移动的TD-SCDMA,中国联通的WCDMA和中国电信的WCDMA2000。

  4G是指第四代无线蜂窝电话通讯协议,是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以100Mbps的速度下载,比拨号上网快2000倍,上传的速度也能达到20Mbps。如今4G信号覆盖已非常广泛,支持TD-LTE、FDD-LTE的手机、平板产品越来越多,很多平板,并成为标配,支持通话功能、网络的Android、Win系统平板也非常常见。

  

  到如今的5G呈现出低时延、高可靠、低功耗的特点,已经不再是一个单一的无线接入技术,而是多种新型无线接入技术和现有无线接入技术(4G后向演进技术)集成后的解决方案总称。可以看到,是车联网、物联网带来的庞大终端接入、数据流量需求,以及种类繁多的应用体验提升需求推动了5G的研究。5G的诞生,将进一步改变我们的生活。

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