話語權的關鍵5G新空口標準淺析

王欣

5G標準的懸而未定，世界各國早已摩拳擦掌準備爭奪5G標準的話語權。而5G標準中至關重要的標準則是5G新空口標準。

空口標準更是被稱為無線通信領域的皇冠。下面記者就拋磚引玉，淺析能夠決定5G話語權的新空口標準。

新空口是什么

此前，3GPP宣布要在明年6月份凍結5G非獨立部署空口標準。其實，“好學寶寶”一定在百度搜索過5G空口標準。

在網上首先會找到空口標準的定義，空口就是“空中接口”的簡稱，是移動終端與基站之間的連接協議。

那通俗點兒解釋，有線通信中是有真實存在的接口來連接信號，所以就會在接口上規定接入的物理尺寸和信號性能。而無線通信技術中，基站和終端之間沒有真實接口相連，就需要一個“空中接口”決定終端與網絡設備之間的傳輸技術規范，來確保無線通信的高速率、低時延、高可靠。

但其實，通信圈里經常會把5G空口標準叫做5G新空口。為什么叫新空口呢？

這要從ITU-R（國際電信聯盟無線電通信局）為5G確定了增強型移動寬帶（eMBB）、超高可靠與低延遲的通信（mMTC）、大規模機器類通信（uRLLC）三大主要應用場景開始說起。

這三大場景分別要求5G具有更高的帶寬、更快的速率、更低的時延、更大的連接密度，同時5G時代不再局限于人與人之間的連接，更多的是要做人與物、物與物的連接。

5G時代要能夠達到這些要求，就必須采用國際統一的新空口標準，且擁有比4G時代更靈活的編碼調制技術、更高的頻譜效率來完成和更多垂直業務合作，降低運營商成本。

5G新空口標準里還包含一系列技術標準，包括編碼、調制、幀結構、濾波等。中興通訊無線總工程師朱伏生在接受《通信產業報》（網）記者采訪時表示，根據IMT-2020（5G）推進組報告顯示，目前5G新空口關鍵技術主要包括大規模天線、超密集組網、高頻段通信、新型多址、新型多載波、先進編碼調制等。而此前被3GPP決定作為5G控制信道短碼編碼方案的極化碼就是先進編碼調制技術標準的一部分。

同時，大規模天線技術是讀者最不陌生也是國際上爭議最小的技術。華為、中興、大唐移動等通信設備商都完成了大規模天線技術的測試。“5G將使用大規模天線技術來提升基站容量、提高頻譜效率。未來，天線數將高達128根，甚至可能達到256根。”中國工程院院士鄔賀銓在公開演講中表示。

超密集組網技術能夠大幅提升容量，解決熱點網絡容量問題。D-MIMO技術主要是用于超密集組網場景，利用D-MIMO（分布式多天線）進行聯合數據發送，將干擾信號變為有用信號.同時提升單用戶吞吐量和系統頻譜效率。

核心在物理層

一位不愿具名的無線技術專家告訴《通信產業報》（網）記者，5G空口標準由物理層（Layer 1）、接入層（Layer 2）、控制層（Layer 3）組成。就目前來看，5G新空口標準之爭將會集中在物理層，而5G物理層設計中最關鍵的技術有新型多載波、新多址和新編碼技術。

新編碼技術，想必讀者并不陌生。去年被3GPP決定為5G eMBB場景數據信道和控制信道編碼方案的LDPC和Polar碼都屬于新編碼技術。但是對于5G另兩大場景mMTC、uRLLC是否依然采用這兩種編碼技術現在還沒有定數。況且，現在只是確定了大的技術，具體的實現細節還需要后續在R15和R16會議上來討論和確定。

而新型多址技術，其實國際普遍贊同采用非正交多址技術。移動通信系統以多址接入方式作為革新換代的標志，1G時代采用FDMA技術（頻分多址）、2G采用TDMA（時分多址）、3G采用CDMA（碼分多址）、4G時代采用OFDMA技術（正交頻分多址）。

正交多址接入，就是用戶在發送端占用不同的無線資源，接收端易于使用線性接收機來進行多用戶檢測，只能為一個用戶分配單一的無線資源，復雜度較低。但到了5G時代，需要更大的資源容量，這意味著一個資源可以分配給多個用戶，造成用戶占用的無線資源不再正交，這便是非正交多址接入。

非正交多址技術能夠提升頻譜利用率、滿足越來越多樣化的移動業務需求。根據研究表明，采用非正交多址技術可使無線接入蜂窩的總吞吐量提高50%左右。不過，非正交多址復用通過結合串行干擾消除或類最大似然解調才能取得容量極限，因此該技術實現的難點在于是否能設計出低復雜度且有效的接收機算法。

國際上共提出了10多種非正交多址技術，國內中興、華為、大唐也分別提出三種方案，中興提出了MUSA（基于復數多元碼及增強疊加編碼的多用戶共享接入技術），華為提出了SCMA（基于多維調制和稀疏碼擴頻的稀疏碼分多址技術），大唐提出了PDMA（基于非正交特征圖樣的圖樣分割多址技術）。

對于新型多載波技術，不同設備商也提出了不同方案。據了解，目前業界有三種方案呼聲最高，即中興提出的FB-OFDM技術，諾基亞和上海貝爾提出的UF-OFDM技術，愛立信提出的CP-OFDM技術。

一位無線技術專家告訴《通信產業報》（網）記者，這三種多載波技術的共同點是：均采用了濾波器機制，具有較低的帶外泄露，可以減少保護帶開銷。子帶間能量隔離，不再需要嚴格的時間同步，有益于減少同步信令開銷。但良好的濾波器設計及濾波器輸入參數是三種技術的實現關鍵。最優的濾波器設計，要求是帶內近似平坦并且帶外陡降，濾波器所帶來的信噪比和誤包率損失可忽略，而陡降的帶外泄露也可以大幅降低保護帶的開銷。此外，還需要考慮實現復雜度、算法復雜度等約束條件。

可以看出，空口標準之所以被稱為無線通信領域的皇冠，是因為空口標準涉及技術十分多且技術復雜然而，要想在5G標準爭奪中突圍，各制造商必須針對這些復雜技術不斷測試。因為最終3GPP會根據制造商測試成績，來決定到底將哪種技術寫入5G新空口標準。

鏈接

MUSA技術 MUSA上行接入通過創新設計的復數域多元碼以及基于串行干擾消除（SIC）的先進多用戶檢測，讓系統在相同時頻資源上能支持數倍用戶數量的高可靠接入，并且可以簡化接入流程中的資源調度過程，因而可大為簡化海量接入的系統實現，縮短海量接入的接入時間，降低終端能耗。MUSA下行則通過創新的增強疊加編碼及疊加符號擴展技術，提供比主流正交多址更高容量的下行傳輸，并同樣能大為簡化終端的實現，降低終端能耗。

SCMA技術 主要利用SCMA系統中稀疏擴頻的概念，將用戶的數據在頻域上擴散在有限的子載波上，每個資源塊上等效的疊加用戶數會大大減少，這就為接收端實現低復雜度提供可能性。在SCMA系統中，信息比特首先經過信道編碼，編碼后的比特經過SCMA調制碼本映射成SCMA碼字，碼字以稀疏的方式擴頻在多個資源塊上，因此，其最大特點是非正交疊加的碼字個數可以成倍大于使用的資源塊個數。

PDMA技術 能夠普適地應用于5G系統的典型場景，最大限度地利用日益稀缺的頻譜資源。PDMA技術能夠提升移動寬帶應用的頻譜效率和系統容量，使用戶接入數量提升3倍以上，提升大連接物聯網應用的連接數，降低高可靠低時延通信應用的時延和提升可靠性。