大話華為5G空口新技術(shù)

　　ICCSZ訊 長(zhǎng)江后浪推前浪，4G建設(shè)方興未艾，業(yè)界關(guān)于5G的討論已如火如荼。對(duì)于每一代移動(dòng)通信，空口技術(shù)都相當(dāng)于王冠上的明珠。

　　在月初的世界移動(dòng)通信大會(huì)上，華為發(fā)布了面向5G的新空口，并展出了涵蓋基礎(chǔ)波形、多址方式、信道編碼、雙工模式等在內(nèi)的系列化5G空口候選新技術(shù)，成為業(yè)界矚目的焦點(diǎn)，展區(qū)現(xiàn)場(chǎng)總是被圍得水泄不通(有圖有真相哦)。

　　幾乎所有客戶都對(duì)靈活自適應(yīng)的空口波形技術(shù)F-OFDM(Filtered OFDM)和成倍提升頻譜效率的多址技術(shù)SCMA(Sparse Code Multiple Access)興趣盎然，今天我們就以大話的方式，來聊一聊這兩大新空口候選技術(shù)。

圖1巴展華為5G新空口展示區(qū)

　　咦，為啥是候選?是因?yàn)橹t虛嗎?這個(gè)問題問的很好。低調(diào)只是一方面，另外是因?yàn)?A href="http://huaquanjd.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=5G&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">5G標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)16年才會(huì)啟動(dòng)，現(xiàn)在提的技術(shù)當(dāng)然都是候選啦。

　　3G時(shí)代的空口核心技術(shù)是啥?CDMA!4G的空口核心技術(shù)是啥?OFDM!這些都難不倒大家，那5G時(shí)代的空口核心技術(shù)會(huì)是啥?

　　在回答這個(gè)問題之前，我們要先回答的是，5G時(shí)代對(duì)空口技術(shù)有什么新的要求?

　　5G時(shí)代的應(yīng)用將空前繁榮，不同應(yīng)用對(duì)空口技術(shù)要求也是復(fù)雜多樣的，因此最重要的當(dāng)然是靈活性和應(yīng)變能力，正如三國(guó)王弼所說“用無常道，事無軌度，動(dòng)靜屈伸，唯變所適”，一個(gè)統(tǒng)一的空口必須能解決所有問題，靈活適配各種業(yè)務(wù)，不管你是自動(dòng)駕駛要求的1ms時(shí)延，還是3D全息影像要求的xGbps的帶寬，亦或是每平方公里幾十萬的物聯(lián)網(wǎng)傳感器連接數(shù)，通通都能Hold住，頻譜效率再翻個(gè)幾倍，那運(yùn)營(yíng)商就再也不用擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)能力問題啦，so easy!而F-OFDM與SCMA正是構(gòu)建5G自適應(yīng)新空口的基礎(chǔ)。

　　溫故而知新，在聊第一個(gè)核心技術(shù)F-OFDM之前，我們先簡(jiǎn)單回顧一下OFDM這個(gè)技術(shù)，看看OFDM為什么滿足不了5G時(shí)代的要求。OFDM將高速率數(shù)據(jù)通過串并轉(zhuǎn)換調(diào)制到相互正交的子載波上去，并引入循環(huán)前綴，較好的解決了令人頭疼的碼間串?dāng)_問題，在4G時(shí)代大放異彩。但OFDM最主要問題就是不夠靈活。

　　我們前面提到，未來不同的應(yīng)用，對(duì)于技術(shù)的要求迥異，比如端到端1ms時(shí)延的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，要求極短的時(shí)域Symbol和TTI，這就需要頻域較寬的子載波帶寬;而物聯(lián)網(wǎng)的多連接場(chǎng)景，單傳感器傳送數(shù)據(jù)量極低，但對(duì)系統(tǒng)整體連接數(shù)要求很高，這就需要在頻域上配置比較窄的子載波帶寬，而在時(shí)域上，Symbol的長(zhǎng)度以及TTI都可以足夠長(zhǎng)，幾乎不需要考慮碼間串?dāng)_問題，也就不需要再引入CP，同時(shí)異步操作還可以解決終端省電的問題。5G的這些靈活的要求，對(duì)于OFDM來說，真的是做不到啊!為啥呢?

　　我們來看下OFDM的時(shí)頻資源分配方式(如圖2)，在頻域子載波帶寬是固定的15KHz(7.5KHz僅用于MBSFN)，而子載波帶寬確定之后，其時(shí)域Symbol的長(zhǎng)度、CP長(zhǎng)度等也就基本確定啦。

圖2 OFDM的時(shí)頻資源分配方式

　　為了更好理解，我們可以把系統(tǒng)的時(shí)頻資源理解成一節(jié)車廂(圖3)，采用OFDM方案裝修的話，火車上只能提供固定大小的硬座(子載波帶寬)，所有人，不管胖子瘦子、有錢沒錢，都只能坐一樣大小的硬座。這顯然不科學(xué)、不人性化嘛，也無法滿足人民日益增長(zhǎng)的物質(zhì)文化需要啊。

　　對(duì)于5G我們希望座位和空間都能夠根據(jù)乘客的高矮胖瘦靈活定制，硬座、軟座、臥鋪、包廂，想怎么調(diào)整都行，這才是自適應(yīng)的和諧號(hào)列車嘛。這一切，通過華為提出的F-OFDM就可以做到。

圖3 OFDM/F-OFDM車廂截面對(duì)比圖

　　從圖4我們可以詳細(xì)看到F-OFDM能為不同業(yè)務(wù)提供不同的子載波帶寬和CP配置，以滿足不同業(yè)務(wù)的時(shí)頻資源需求。這時(shí)一定有人會(huì)問，不同帶寬的子載波之間，本身不再具備正交的特性了，就需要引入保護(hù)帶寬啊，比如OFDM就需要10%的保護(hù)帶寬，這樣一來，F(xiàn)-OFDM靈活性是保證了，頻譜利用率會(huì)不會(huì)降低呀?就像這些奇奇怪怪形狀和大小的座位都擠在一起，火車空間利用率肯定會(huì)降低啊，正所謂魚與熊掌不可兼得，靈活性與系統(tǒng)開銷看起來就是一對(duì)矛盾啊。

　　但是，F(xiàn)-OFDM真的可以兼得哦，通過優(yōu)化濾波器的設(shè)計(jì)，可以把不同帶寬子載波之間的保護(hù)頻帶最低做到一個(gè)子載波帶寬，真是彪悍啊!!!

圖4 F-OFDM的時(shí)頻資源分配方式

　　好了，第一個(gè)核心技術(shù)F-OFDM就介紹完了。聰明的大家一定會(huì)追問，F(xiàn)-OFDM解決了業(yè)務(wù)靈活性的問題，對(duì)于5G，這就夠了嗎?當(dāng)然不夠，我們還得再考慮考慮怎么利用有限的頻譜，提高效率，容納更多用戶，提升更高吞吐率的問題啊。

　　還是用火車的例子吧，雖然我們針對(duì)不同業(yè)務(wù)需求，劃分了不同的座位，但是怎么在這一列有限空間的火車?yán)?，裝更多的人呢?偉大的人民總是有無窮無盡的智慧，最簡(jiǎn)單的辦法請(qǐng)往下看，系統(tǒng)容量瞬間翻番不是夢(mèng)啊。

圖5 系統(tǒng)容量翻番案例

　　不過等等，這樣系統(tǒng)容量是擴(kuò)大了，但是用戶都擠在一起，徹底沒法區(qū)分了，多用戶解調(diào)就成Mission Impossible了，此路不通啊，還是得想其他辦法。

　　前面我們通過F-OFDM已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在頻域和時(shí)域的資源靈活復(fù)用，并把保護(hù)帶寬降到了最小，為了進(jìn)一步壓榨頻譜效率，還有哪些域的資源能復(fù)用呢?最容易想到的當(dāng)然是空域和碼域啊!

　　空域的MIMO技術(shù)在LTE時(shí)代就提出來了，在5G時(shí)代會(huì)通過更多的天線數(shù)來進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)光大。那碼域呢，在LTE時(shí)代它好像被遺忘了，在5G時(shí)代能不能再發(fā)揮一把余熱呢?Bingo!天才的想法，總是在這么不經(jīng)意間靈光閃現(xiàn)!華為提出第二個(gè)核心技術(shù)SCMA(Sparse Code Multiple Access)，正是采用這一思路，引入稀疏碼本，通過碼域的多址實(shí)現(xiàn)了頻譜效率的3倍提升，下面我們來詳細(xì)探究一下。

　　F-OFDM已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了火車座位(子載波)根據(jù)旅客(業(yè)務(wù)需求)進(jìn)行了自適應(yīng)，進(jìn)一步提升頻譜效率就是需要在有限的座位(子載波)上塞進(jìn)更多用戶。方法說來也簡(jiǎn)單，座位就那么多，大家擠擠唄。

　　打個(gè)比方，4個(gè)同類型的并排座位，我們完全可以塞6個(gè)人進(jìn)去擠一擠嘛，這樣不就輕松的實(shí)現(xiàn)了1.5倍的頻譜效率提升了嗎?聽起來道理很簡(jiǎn)單吧，可是實(shí)現(xiàn)起來可不簡(jiǎn)單哦。這就涉及SCMA的第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)—低密度擴(kuò)頻，把單個(gè)子載波的用戶數(shù)據(jù)擴(kuò)頻到4個(gè)子載波上，然后6個(gè)用戶共享這4個(gè)子載波(參見圖6)。之所以叫低密度擴(kuò)頻，是因?yàn)橛脩魯?shù)據(jù)只占用了其中2個(gè)子載波(圖中有顏色的格子)，另外2個(gè)子載波是空的(圖中白色的格子)，這就相當(dāng)于6個(gè)乘客坐4個(gè)座位，那每個(gè)乘客的屁股最多坐兩個(gè)座位嘛。這也是SCMA中Sparse(稀疏)的來由。

　　為啥一定要稀疏呢?如果不稀疏就是在全載波上擴(kuò)頻，那同一個(gè)子載波上就有6個(gè)用戶的數(shù)據(jù)，沖突太厲害，多用戶解調(diào)徹底就沒法干啦。

圖6 SCMA原理圖

　　但是4個(gè)座位(子載波)塞了6個(gè)用戶之后，乘客之間就不嚴(yán)格正交了(每個(gè)乘客占了兩個(gè)座位啊，沒法再通過座位號(hào)(子載波)來區(qū)分乘客了)，如圖所示，單一子載波上還是有3個(gè)用戶的數(shù)據(jù)沖突了，多用戶解調(diào)還是存在困難啊。

　　這時(shí)候我們就用到了SCMA第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，叫做高維調(diào)制。高維調(diào)制這個(gè)概念非常抽象，因?yàn)槲覀儌鹘y(tǒng)的IQ調(diào)制只有兩維啊，幅度和相位，多出來的維代表啥呢?這里需要大家開一下腦洞，想象一下三體世界里半人馬座α星人把一個(gè)質(zhì)子展開到多維空間雕刻電路后再降維的過程，最終一個(gè)質(zhì)子變成了一個(gè)無所不能的計(jì)算機(jī)，質(zhì)子還是那個(gè)質(zhì)子，不過功能大大增強(qiáng)啦。

　　同樣，我們通過高維調(diào)制技術(shù)，調(diào)制的還是相位和幅度，但是最終使得多用戶的星座點(diǎn)之間歐氏距離拉的更遠(yuǎn)，多用戶解調(diào)和抗干擾性能大大增強(qiáng)了。每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)都使用系統(tǒng)分配的稀疏碼本進(jìn)行了高維調(diào)制，而系統(tǒng)又知道每個(gè)用戶的碼本，就可以在不正交的情況下，把不同用戶最終解調(diào)出來啦。這就相當(dāng)于雖然我沒法再用座位號(hào)來區(qū)分乘客，但是我給這些乘客貼上不同顏色的標(biāo)簽，結(jié)合座位號(hào)我還是能夠把乘客給區(qū)分出來。

　　就這樣，SCMA在使用相同頻譜的情況下，通過引入碼域的多址，大大提升了頻譜效率，通過使用數(shù)量更多的載波組，并調(diào)整稀疏度(多個(gè)子載波中單用戶承載數(shù)據(jù)的子載波數(shù))，頻譜效率可以提升3倍甚至更高。

　　好啦，關(guān)于F-OFDM和SCMA我們就介紹到這兒吧，相信有了這兩大空口關(guān)鍵技術(shù)支撐， 5G時(shí)代將帶給我們更多革命性的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，讓我們拭目以待吧!