5G无线空口原理

赵旭 周树文

摘要：5G移动通信技术即第五代移动通信技术，它也被称为“新型无线空口技术”（New Radio，NR），它希望主要解决三大应用场景问题，属于典型的增强型移动宽带机制，且它还拥有海量机器通信功能与低时延通信功能。本文中简单介绍了5G新型无线空口技术的基本应用原理。

关键词：5G无线新空口;技术原理;物理层设计;信道编码

5G无线新空口技术对提高频谱效率、改进OFDM波形、灵活帧结构方面都有一定效果，且它能够实现大规模、多天线信号传输。当前的5G新空口技术已经相当发达，其最新应用成果非常值得深入研究。

一、5G无线空口技术应用概述

（一）5G无线空口技术

作为第五代无线通信技术，新空口技术本身拥有范围极广的工作频率，一般分布于1～100GHZ频段之内，且它的低频段中还存在高、超高频段区分，因此它也被称之为多种无线网络部署模式。而且，5G无线新空口技术中分别包含了宏基站与微基站两个方面，其中宏基站部署于相对较低频段，它所覆盖的地理区域相当之大。而微基站则被部署于覆盖范围有限的移动数据流量热点区域，可提供超大系统容量数据传输功能。当然，5G无线新空口是希望提升自身服务质量，优化自身可靠性的，所以它采用到了“授权频谱”这一用频方式，希望借此机会提高系统容量、优化数据传输速率。在诸多5G用例中，对于工作频段以及网络的部署都非常精确到位，它能够直接满足当前ITU-R中所提出的LMT-2020要求，建立新5G标准，保证5G系统特性与功能应用到位。

就目前看来，5G新空口无法做到与4G LTE实现后向兼容，因此说5G新空口有必要拓展自身用例范围，在实现后向兼容技术应用的基础之上再实现前向兼容[1]。

（二）5G无线空口技术应用的三大场景

5G无线新空口技术在接入设计方面希望围绕三大类型应用场景展开，它就包括了eMBB增强型移动宽带、超高可靠与低时延通信（uRLLC）以及大规模机器类通信（mMTC）。三大场景聚焦不同场合，在数据传输速率优化、时延调整、容量与覆盖全面增強方面都有一定突出表现，而且它在物联网设备应用方面追求低功耗、低成本、可被有效应用于车载通信、工业自动化控制、智能电网、远程手术以及公共安全等市场用例中，应用效果极佳。目前5G无线接入技术已经围绕5G NR新空口技术全面展开，它的标准化应用为各个业界领域发展带来福音。

二、5G无线空口技术的基本应用原理

5G无线新空口技术主要是围绕物理层设计展开的，它是该无线通信技术的重要核心，可支撑多用例体现较高差异化要求，实现无线接入网络部署模式优化。在5G新空口物理层设计方面，首先需要遵循以下两点原则，即灵活性与可扩展性，这两点特性结合5G无线新空口技术的物理层关键技术设计展开，例如帧结构、波形、调制方式、多天线传输等等。

（一）5G无线新空口技术中的帧结构应用原理

在5G无线新空口技术应用中涉及到帧结构，它位于授权频段与非授权频段中，分别支持FDD频分双工，可实现低时延以及快速混合自动重传技术请求，另外在LTE共存与动态TDD应用方面也有较好效果。而为了有效强化它的前向兼容功能，减小基于不同功能间的相互干扰。就实际而言，5G新空口帧结构设计中希望遵循3点基本原则：

第一，传输自包含原则。自主解码功能可解决槽中数据与波束数据传输问题，它采用特定槽与特定波束中数据调解参考信号辅助。

第二，传输时域与频域原则。它可保证5G新空口帧结构规避跨全系统带宽，并提高映射控制信道应用频率与效率。

第三，基于不同传输方式背景下的静态与动态时间关系优化原则。它主要基于OFDM符号周期与子载波间隔形成反比关系，为5G新空口技术应用提供上行、下行随意切换的TDD保护数据体系。

一般来说，在低时延应用场景中，会结合传输所需快速启动数据来设计槽边界启动，保证在非授权频段之中也能正常传输数据。另外，在毫米波频段中也能实现数据传输，可基于频谱资源建立少数OFDM符号支持负载系统，建立5G新空口帧结构体系，结合HARQ保护周期建立用户终端，实现对上行数据的有效传输。而为了专门获得低时延效果，它还利用一组聚合槽在控制信号与参考信号前置位置，建立控制中心，提高低时延长应用场景的安全性[2]。

（二）5G无线新空口技术中的信道编码应用原理

5G无线新空口数据在信道采编方面专门采用到极化编码，围绕LDPC编码建立了专门的奇偶校验方程，同时采用到了准循环结构体系，确保基矩阵定义到位，建立平移的zxz单位矩阵，结合高速率编码提高码率到2/3甚至是8/9左右。与此同时，它还实现了基础矩阵的有效扩展，从新空口技术的信道编码深蓝色部分提取行列标准，建立奇偶传输编码率机制，专门用于采取增量冗余HARQ信息，最终生成一系列奇偶校验码。该奇偶校验码可应用于更高级别的编码率与奇偶校验矩阵，保证解码时延与复杂度有效降低，优化准循环结构，确保5G新空口无线技术达到信道编码高平行度标准。在该过程中，它可扩展建设LTE的turbo码以获取更低的编码率，进而获取更高编码增益，建立更多更高可靠性的5G新空口技术用例。

当然，对于某些极化码的运用则采用到了5G新空口多层控制信令（非常短的短消息编码除外）。所谓极化码属于目前的新型编码方式，它在解码方面合理性较高，可面向多种信道优化编码技术内容，提高编码技术应用复杂度。在5G新空口技术应用中极化码编码器是能够与外部编码器相互串联的，二者在跟踪解码器，优化比特单位过程中优化相关数值，它采用较短的块长度优化典型数据，整体看来它的信令控制性能较好，纠错性也表现较强。不过实际上它的解码器实现复杂度偏大，使用成本也更高[3]。

总结：

5G新空口物理关键层技技术在帧结构、信道编码、调制方式应用方面追求设计优化到位，它对信道中信号数据的灵活性、超精益设计调整非常到位，且在前向、后向兼容方面具有较大技术优势，灵活度与可扩展性表现突出。目前，5G新空口技术依然在快速发展，它希望在后续演进发展过程中满足更多技术要求，为社会发展服务带来更多利好。

参考文献：

[1]罗逸山.LTE载波与5G新空口共享技术探讨[J].通讯世界，2019，26（6）：18-19.

[2]高秋彬，孙韶辉.5G新空口大规模波束赋形技术研究[J].信息通信技术与政策，2018（11）：7-14.

[3]刘奇.5G通信系统空口新技术分析[J].数字化用户，2018，24（16）：18-19.

作者简介：

赵旭（1984-12），男，汉族，辽宁沈阳，通信工程本科，任职于吉林吉大通信设计院股份有限公司工程师，研究方向：无线通信。