话语权的关键5G新空口标准浅析

王欣

5G标准的悬而未定，世界各国早已摩拳擦掌准备争夺5G标准的话语权。而5G标准中至关重要的标准则是5G新空口标准。

空口标准更是被称为无线通信领域的皇冠。下面记者就抛砖引玉，浅析能够决定5G话语权的新空口标准。

新空口是什么

此前，3GPP宣布要在明年6月份冻结5G非独立部署空口标准。其实，“好学宝宝”一定在百度搜索过5G空口标准。

在网上首先会找到空口标准的定义，空口就是“空中接口”的简称，是移动终端与基站之间的连接协议。

那通俗点儿解释，有线通信中是有真实存在的接口来连接信号，所以就会在接口上规定接入的物理尺寸和信号性能。而无线通信技术中，基站和终端之间没有真实接口相连，就需要一个“空中接口”决定终端与网络设备之间的传输技术规范，来确保无线通信的高速率、低时延、高可靠。

但其实，通信圈里经常会把5G空口标准叫做5G新空口。为什么叫新空口呢？

这要从ITU-R（国际电信联盟无线电通信局）为5G确定了增强型移动宽带（eMBB）、超高可靠與低延迟的通信（mMTC）、大规模机器类通信（uRLLC）三大主要应用场景开始说起。

这三大场景分别要求5G具有更高的带宽、更快的速率、更低的时延、更大的连接密度，同时5G时代不再局限于人与人之间的连接，更多的是要做人与物、物与物的连接。

5G时代要能够达到这些要求，就必须采用国际统一的新空口标准，且拥有比4G时代更灵活的编码调制技术、更高的频谱效率来完成和更多垂直业务合作，降低运营商成本。

5G新空口标准里还包含一系列技术标准，包括编码、调制、帧结构、滤波等。中兴通讯无线总工程师朱伏生在接受《通信产业报》（网）记者采访时表示，根据IMT-2020（5G）推进组报告显示，目前5G新空口关键技术主要包括大规模天线、超密集组网、高频段通信、新型多址、新型多载波、先进编码调制等。而此前被3GPP决定作为5G控制信道短码编码方案的极化码就是先进编码调制技术标准的一部分。

同时，大规模天线技术是读者最不陌生也是国际上争议最小的技术。华为、中兴、大唐移动等通信设备商都完成了大规模天线技术的测试。“5G将使用大规模天线技术来提升基站容量、提高频谱效率。未来，天线数将高达128根，甚至可能达到256根。”中国工程院院士邬贺铨在公开演讲中表示。

超密集组网技术能够大幅提升容量，解决热点网络容量问题。D-MIMO技术主要是用于超密集组网场景，利用D-MIMO（分布式多天线）进行联合数据发送，将干扰信号变为有用信号.同时提升单用户吞吐量和系统频谱效率。

核心在物理层

一位不愿具名的无线技术专家告诉《通信产业报》（网）记者，5G空口标准由物理层（Layer 1）、接入层（Layer 2）、控制层（Layer 3）组成。就目前来看，5G新空口标准之争将会集中在物理层，而5G物理层设计中最关键的技术有新型多载波、新多址和新编码技术。

新编码技术，想必读者并不陌生。去年被3GPP决定为5G eMBB场景数据信道和控制信道编码方案的LDPC和Polar码都属于新编码技术。但是对于5G另两大场景mMTC、uRLLC是否依然采用这两种编码技术现在还没有定数。况且，现在只是确定了大的技术，具体的实现细节还需要后续在R15和R16会议上来讨论和确定。

而新型多址技术，其实国际普遍赞同采用非正交多址技术。移动通信系统以多址接入方式作为革新换代的标志，1G时代采用FDMA技术（频分多址）、2G采用TDMA（时分多址）、3G采用CDMA（码分多址）、4G时代采用OFDMA技术（正交频分多址）。

正交多址接入，就是用户在发送端占用不同的无线资源，接收端易于使用线性接收机来进行多用户检测，只能为一个用户分配单一的无线资源，复杂度较低。但到了5G时代，需要更大的资源容量，这意味着一个资源可以分配给多个用户，造成用户占用的无线资源不再正交，这便是非正交多址接入。

非正交多址技术能够提升频谱利用率、满足越来越多样化的移动业务需求。根据研究表明，采用非正交多址技术可使无线接入蜂窝的总吞吐量提高50%左右。不过，非正交多址复用通过结合串行干扰消除或类最大似然解调才能取得容量极限，因此该技术实现的难点在于是否能设计出低复杂度且有效的接收机算法。

国际上共提出了10多种非正交多址技术，国内中兴、华为、大唐也分别提出三种方案，中兴提出了MUSA（基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入技术），华为提出了SCMA（基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址技术），大唐提出了PDMA（基于非正交特征图样的图样分割多址技术）。

对于新型多载波技术，不同设备商也提出了不同方案。据了解，目前业界有三种方案呼声最高，即中兴提出的FB-OFDM技术，诺基亚和上海贝尔提出的UF-OFDM技术，爱立信提出的CP-OFDM技术。

一位无线技术专家告诉《通信产业报》（网）记者，这三种多载波技术的共同点是：均采用了滤波器机制，具有较低的带外泄露，可以减少保护带开销。子带间能量隔离，不再需要严格的时间同步，有益于减少同步信令开销。但良好的滤波器设计及滤波器输入参数是三种技术的实现关键。最优的滤波器设计，要求是带内近似平坦并且带外陡降，滤波器所带来的信噪比和误包率损失可忽略，而陡降的带外泄露也可以大幅降低保护带的开销。此外，还需要考虑实现复杂度、算法复杂度等约束条件。

可以看出，空口标准之所以被称为无线通信领域的皇冠，是因为空口标准涉及技术十分多且技术复杂然而，要想在5G标准争夺中突围，各制造商必须针对这些复杂技术不断测试。因为最终3GPP会根据制造商测试成绩，来决定到底将哪种技术写入5G新空口标准。

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MUSA技术 MUSA上行接入通过创新设计的复数域多元码以及基于串行干扰消除（SIC）的先进多用户检测，让系统在相同时频资源上能支持数倍用户数量的高可靠接入，并且可以简化接入流程中的资源调度过程，因而可大为简化海量接入的系统实现，缩短海量接入的接入时间，降低终端能耗。MUSA下行则通过创新的增强叠加编码及叠加符号扩展技术，提供比主流正交多址更高容量的下行传输，并同样能大为简化终端的实现，降低终端能耗。

SCMA技术 主要利用SCMA系统中稀疏扩频的概念，将用户的数据在频域上扩散在有限的子载波上，每个资源块上等效的叠加用户数会大大减少，这就为接收端实现低复杂度提供可能性。在SCMA系统中，信息比特首先经过信道编码，编码后的比特经过SCMA调制码本映射成SCMA码字，码字以稀疏的方式扩频在多个资源块上，因此，其最大特点是非正交叠加的码字个数可以成倍大于使用的资源块个数。

PDMA技术 能够普适地应用于5G系统的典型场景，最大限度地利用日益稀缺的频谱资源。PDMA技术能够提升移动宽带应用的频谱效率和系统容量，使用户接入数量提升3倍以上，提升大连接物联网应用的连接数，降低高可靠低时延通信应用的时延和提升可靠性。