优化空中接口设计：探讨6.3.1新方案

空中接口是指从用户的手机终端到基站的空中接口部分的物理层特性和信令协议流程。这一部分在整个通信系统中的地位非常重要。这个主要有两方面的原因。

①空中接口所涉及的设备数量非常庞大。为了达到无线通信网的广泛覆盖，无线网络必须部署大量基站，而手机终端设备数量之大就不必说了。因此，和核心网/互联网中一台设备可以覆盖很大一块区域不同，空中接口部分设备的使用数量和经济发展的关系非常大。

②空中接口的技术难度很大。无线通信要克服的主要问题是无线电波极其不理想而多变的传播特性，其中主要包括无线信道的多径效应、周围环境中的各种噪声干扰，以及电路本身的相位噪声、非线性等，这些问题的存在使得发送端的信号在到达接收端时很多已经面目全非了。为了通信的可靠性，就需要在发送和接收两侧做大量电路和信号处理工作。因此，学术界和工业界需要对此进行大量的研究。此外，为了实现纠正错误，不同小区的用户注册切换、呼叫等功能，各种协议层的支持也十分复杂，这些因素使得空中接口成为人们关注的一大焦点。

5G中的空中接口设计大体包含波形设计、多址接入、信道编码与灵活可扩展的参数集和帧结构等几个部分。

1.波形设计

信号波形设计是移动通信系统的关键技术之一，其目的是把所要传输的信号映射到适合无线信道传输的具体波形上。以往的蜂窝无线系统每一代在波形上都有很大的不同。1G时代语音信号采用的是模拟制式的FM频率调制；2G时代则采用了以GMSK和CDMA为代表的数字调制的方式；3G时代采用的是DS-CDMA扩谱波形，频谱使用效率有了很大的提高；4G时代则采用了更加优异的OFDM波形。所以5G时代采用什么样的信号波形设计也就成为人们关注的一个焦点。

在3GPP R15的讨论中，参会者根据以往候选波形和仿真结果讨论，达成了频段增强移动宽带业务波形的决议，即5G在小于40 GHz的频谱范围内，针对增强宽带业务，下行通道支持CP-OFDM，上行通道则支持CP-OFDM和DFTS-OFDM波形。

可以看到，5G中没有像1G向2G、2G向3G以及3G向4G演进时那样出现一个革命性的新波形，而是基本沿用并优化了4G时代的OFDM波形。因此，5G的特色更多地体现在它是无线通信生态系统的融合，而非信号波形设计本身的革命性突破。在5G中更多的是通过采用大规模天线、毫米波、灵活的参数集、高密度组网等技术大大地提高总的通信容量和质量。

不过，在5G中采用了和4G中类似的OFDM波形，在其基础上，还做了很多的优化，使得频谱的使用灵活性和效率都大大地提高了。比如，4G中的频谱效率通常为90%，5G中的则可以达到99%。此外，5G支持的最大带宽分别为50 MHz、100 MHz、200 MHz和400 MHz，这有别于LTE中仅支持20 MHz的带宽。

2.多址接入

无线通信信道是一个多址接入信道，多个不同的收发信机共享信道上的时/频/空间资源来进行数据收发。根据接入方式的不同，多址接入技术通常分为两大类，即正交多址接入(Orthogonal Multiple Access，OMA)和非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)。采用正交多址接入方式，用户间相互不存在干扰。采用非正交多址接入方式，每个用户的信号都有可能与其他用户的信号相互干扰，但是这种干扰通常在接收时可以采用信号处理的方式去除，以还原真实的特定用户的信号。

到目前为止，世界上大多数通信系统中采用的都是正交多址接入方式，这种多址方式的特点是实现起来比较简单。它主要包含频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、正交频分多址(OFDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)和极化多址(PDMA)等几种。

移动通信从1G到4G的多址技术都采用了正交设计。到了5G时代，目前看来，在增强移动宽带业务场景下，成熟的OFDMA技术仍然是一种重要的基础多址接入技术。但是在海量物联网通信和超高可靠与低延时通信场景下，非正交多址接入技术也是一种可能的选择。

在5G标准的讨论中，许多公司如高通、华为、中兴和大唐电信都提出了自己的非正交多址接入技术，分别为RSMA(Resource Spread Multiple Access)、SCMA(Sparse Code Multiple Access)、MUSA(Multi-User Shared Access)和PDMA(Pattern Defined Multiple Access)等。(www.xing528.com)

3GPP在R15的讨论中最后决定，在增强移动宽带场景下，上下行通道仍然采用成熟的OFDMA技术。同时各公司也达成共识，非正交多址接入技术能够给5G带来更多选择，因此在一部分业务场景中，如针对m MTC的上行应用，以后可以考虑采用其他的非正交多址接入技术。

3.信道编码

信道编码(channel coding)是无线通信领域最核心的技术之一。信道编码的目的是以尽可能小的额外冗余开销确保信息的可靠传送。在同样的误码率下，所需要的开销越小，编码的效率也就越高。

传统的信道编解码大体上包括线性分组码、卷积码和级联码。它们所能达到的信道容量与香农理论极限始终都存在一定的差距。

直到Turbo码出现才改变了这种情况。Turbo码的性能非常优异，可以非常逼近香农理论的极限。在3G和4G时代的移动通信系统中，Turbo码扮演了非常重要的角色。

在5G时代，数据的传输速度将比4G有数量级的提高，对于Turbo码而言，其基于串行处理的解码器要在这种情况下有效地支持如此高速的数据传输将是个挑战。

与此同时，5G时代出现了更加丰富的业务应用场景和对信道编码的新要求，比如，m MTC场景需要传输的文件包较小，而URLLC场景对编解码延时和低误码平台要求很高，Turbo码在所有这些新的场景中是否还是最优的，这也同样是个问题。这就要求业界重新审视和研究适合5G的信道编解码技术。

在3GPP R15的讨论中，新的编解码方案讨论主要集中于先进的Turbo码、低密度偶校验码(LDPC)以及Polar码(又称为极化码)。与传统的线性分组码和卷积码相比，这3种码的性能都更加优异，可以非常逼近香农理论的极限，但是它们在适用的场景和编解码器的复杂性上又有各自不同的特点。

经过多次的讨论和大量的研究仿真，3GPP最终确定了数据信道采用LDPC码，控制信道则采用Polar码的方案。

4.灵活可扩展的参数集和帧结构

和4G不同，5G中的OFDM波形具有灵活可扩展的特点，在R15标准的规范定义中，5G波形的子载波间隔可表达为15×2n k Hz(其中n=0，1，2，3，4)，从15 k Hz到240 k Hz不等。其基准参数集采用了和LTE一样的15 k Hz子载波间隔、符号以及循环前缀的长度。对于5G所有不同的参数集，每个时隙都拥有一样的14个OFDM符号数，这大大地简化了调度等其他方面的设计。此外，5G还专门定义了一种子时隙(或称微时隙)，它适用于低时延类业务，用于快速灵活的调度。5G中不同子载波间隔下符号关系示意如图6-3所示。

图6-3 5G中不同子载波间隔下符号关系示意(以0.5 ms为例)

5G中灵活的参数集对于支持各种不同的业务类型的需求非常重要。