Page 35 - 网络电信2016第14期
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解决方案

    5G新空口关键使能技术                           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。
      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、                    新多址技术SCMA（Sparse Code Multiple Access）
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                    多址技术决定了空口资源的分配方式，也是进一步提升连
证。下层基础决定上层建筑，这在空口设计中同样适用，本文               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
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              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
技术。                                       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，
      新波形F-OFDM（Filtered OFDM）基础波形的设计是实现  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，
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               在LTE时代它好像被遗忘了，在5G时代能否再现辉煌？SCMA正是
知新，我们先简单回顾下4G的OFDM，看看OFDM为什么满足不了          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
5G时代的要求。OFDM将高速率数据通过串/并转换调制到相互            的3倍提升。
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                     如前所述，F-OFDM已经实现了火车座位（子载波）根据
的码间串扰问题，在4G时代大放异彩，但OFDM最主要的问题就            旅客（业务需求）进行了自适应，进一步提升频谱效率就需要
是不够灵活。未来，不同的应用对空口技术的要求迥异，例如               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
毫秒级时延的车联网业务要求极短的时域Symbol和TTI，这就需          多，大家挤挤呗。打个比方，4个同类型的并排座位，完全可以
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               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
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                                                             起来道理很简单，可实现起来并不简
频域上配置比较窄的子载波间隔，                                                             单。这就涉及SCMA的第一个关键技术
而在时域上，Symbol的长度和TTI                                                         低密度扩频，将单个子载波的用户数
都可以足够长，几乎不需要考虑码                                                             据扩频到4个子载波上，然后6个用户
间串扰问题，也就不需要再引入                                                              共享这4个子载波。之所以叫低密度扩
CP，同时异步操作还可以解决终端                                                            频，是因为用户数据只占用了其中2个
省电的问题。这些灵活的要求，对                                                             子载波，另外2个子载波是空的，这就
于OFDM来说是满足不了的。OFDM的                                                         相当于6个乘客坐4个座位，每个乘客
时频资源分配方式在频域子载波带                                                             的屁股最多只能坐两个座位。这也是
宽上是固定的15KHz（7.5KHz仅用                                                        SCMA中Sparse（稀疏）的来由。为何
于MBSFN），而子载波带宽确定之                                                           一定要稀疏呢？如果不稀疏就是在全
后，其时域Symbol的长度、CP长度                                                         载波上扩频，那同一个子载波上就有6
等Numerology也就基本确定了。                                                         个用户的数据，冲突太厉害，多用户
                                                                            解调彻底就无法实现了。
      如果将系统的时频资源理解成一节车厢，采用OFDM方案                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
装修的话，火车上只能提供固定大小的硬座（子载波间隔），               （每个乘客占了2个座位，无法再通过座位号（子载波）来区分
所有人，不管胖子瘦子、有钱没钱，都只能坐一样大小的硬                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
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               还是存在困难。此时就用到了SCMA第二个关键技术，称为多维
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              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
高矮胖瘦灵活定制，硬座、软座、卧铺、包厢……想怎么调整               维啊——幅度和相位，多出来的维代表什么？这里需要稍微开
都行，这才是自适应的和谐号列车。而F-OFDM正是基于这一思            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
路。                                        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
      F-OFDM能为不同业务提供不同的子载波间隔和             强了。同样，通过多维调制技术，调制的还是相位和幅度，但
Numerology，以满足不同业务的时频资源需求。此时不同带宽          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
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               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
如OFDM就需要10%的保护带宽，这样一来，F-OFDM的灵活性是保        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，
证了，频谱利用率会不会降低？正所谓鱼与熊掌不可兼得，灵               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
活性与系统开销一向是一对矛盾。但是，F-OFDM通过优化滤波            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
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               上不同颜色的标签，结合座位号还是能够将乘客区分出来。
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                    综上所述，SCMA通过引入稀疏码域的非正交，在可接受的
用碎片化的频谱提供了可能。                             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
      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，

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