大話華為5G空口新技術

　　ICCSZ訊 長江后浪推前浪，4G建設方興未艾，業(yè)界關于5G的討論已如火如荼。對于每一代移動通信，空口技術都相當于王冠上的明珠。

　　在月初的世界移動通信大會上，華為發(fā)布了面向5G的新空口，并展出了涵蓋基礎波形、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，成為業(yè)界矚目的焦點，展區(qū)現(xiàn)場總是被圍得水泄不通(有圖有真相哦)。

　　幾乎所有客戶都對靈活自適應的空口波形技術F-OFDM(Filtered OFDM)和成倍提升頻譜效率的多址技術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。

圖1巴展華為5G新空口展示區(qū)

　　咦，為啥是候選?是因為謙虛嗎?這個問題問的很好。低調(diào)只是一方面，另外是因為5G標準預計16年才會啟動，現(xiàn)在提的技術當然都是候選啦。

　　3G時代的空口核心技術是啥?CDMA!4G的空口核心技術是啥?OFDM!這些都難不倒大家，那5G時代的空口核心技術會是啥?

　　在回答這個問題之前，我們要先回答的是，5G時代對空口技術有什么新的要求?

　　5G時代的應用將空前繁榮，不同應用對空口技術要求也是復雜多樣的，因此最重要的當然是靈活性和應變能力，正如三國王弼所說“用無常道，事無軌度，動靜屈伸，唯變所適”，一個統(tǒng)一的空口必須能解決所有問題，靈活適配各種業(yè)務，不管你是自動駕駛要求的1ms時延，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，頻譜效率再翻個幾倍，那運營商就再也不用擔心網(wǎng)絡能力問題啦，so easy!而F-OFDM與SCMA正是構建5G自適應新空口的基礎。

　　溫故而知新，在聊第一個核心技術F-OFDM之前，我們先簡單回顧一下OFDM這個技術，看看OFDM為什么滿足不了5G時代的要求。OFDM將高速率數(shù)據(jù)通過串并轉換調(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擾問題，在4G時代大放異彩。但OFDM最主要問題就是不夠靈活。

　　我們前面提到，未來不同的應用，對于技術的要求迥異，比如端到端1ms時延的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，要求極短的時域Symbol和TTI，這就需要頻域較寬的子載波帶寬;而物聯(lián)網(wǎng)的多連接場景，單傳感器傳送數(shù)據(jù)量極低，但對系統(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，而在時域上，Symbol的長度以及TTI都可以足夠長，幾乎不需要考慮碼間串擾問題，也就不需要再引入CP，同時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，對于OFDM來說，真的是做不到啊!為啥呢?

　　我們來看下OFDM的時頻資源分配方式(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，其時域Symbol的長度、CP長度等也就基本確定啦。

圖2 OFDM的時頻資源分配方式

　　為了更好理解，我們可以把系統(tǒng)的時頻資源理解成一節(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、不人性化嘛，也無法滿足人民日益增長的物質(zhì)文化需要啊。

　　對于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，這才是自適應的和諧號列車嘛。這一切，通過華為提出的F-OFDM就可以做到。

圖3 OFDM/F-OFDM車廂截面對比圖

　　從圖4我們可以詳細看到F-OFDM能為不同業(yè)務提供不同的子載波帶寬和CP配置，以滿足不同業(yè)務的時頻資源需求。這時一定有人會問，不同帶寬的子載波之間，本身不再具備正交的特性了，就需要引入保護帶寬啊，比如OFDM就需要10%的保護帶寬，這樣一來，F(xiàn)-OFDM靈活性是保證了，頻譜利用率會不會降低呀?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)化濾波器的設計，可以把不同帶寬子載波之間的保護頻帶最低做到一個子載波帶寬，真是彪悍啊!!!

圖4 F-OFDM的時頻資源分配方式

　　好了，第一個核心技術F-OFDM就介紹完了。聰明的大家一定會追問，F(xiàn)-OFDM解決了業(yè)務靈活性的問題，對于5G，這就夠了嗎?當然不夠，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，雖然我們針對不同業(yè)務需求，劃分了不同的座位，但是怎么在這一列有限空間的火車里，裝更多的人呢?偉大的人民總是有無窮無盡的智慧，最簡單的辦法請往下看，系統(tǒng)容量瞬間翻番不是夢啊。

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)實現(xiàn)了在頻域和時域的資源靈活復用，并把保護帶寬降到了最小，為了進一步壓榨頻譜效率，還有哪些域的資源能復用呢?最容易想到的當然是空域和碼域啊!

　　空域的MIMO技術在LTE時代就提出來了，在5G時代會通過更多的天線數(shù)來進一步發(fā)揚光大。那碼域呢，在LTE時代它好像被遺忘了，在5G時代能不能再發(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)!華為提出第二個核心技術SCMA(Sparse Code Multiple Access)，正是采用這一思路，引入稀疏碼本，通過碼域的多址實現(xiàn)了頻譜效率的3倍提升，下面我們來詳細探究一下。

　　F-OFDM已經(jīng)實現(xiàn)了火車座位(子載波)根據(jù)旅客(業(yè)務需求)進行了自適應，進一步提升頻譜效率就是需要在有限的座位(子載波)上塞進更多用戶。方法說來也簡單，座位就那么多，大家擠擠唄。

　　打個比方，4個同類型的并排座位，我們完全可以塞6個人進去擠一擠嘛，這樣不就輕松的實現(xiàn)了1.5倍的頻譜效率提升了嗎?聽起來道理很簡單吧，可是實現(xiàn)起來可不簡單哦。這就涉及SCMA的第一個關鍵技術—低密度擴頻，把單個子載波的用戶數(shù)據(jù)擴頻到4個子載波上，然后6個用戶共享這4個子載波(參見圖6)。之所以叫低密度擴頻，是因為用戶數(shù)據(jù)只占用了其中2個子載波(圖中有顏色的格子)，另外2個子載波是空的(圖中白色的格子)，這就相當于6個乘客坐4個座位，那每個乘客的屁股最多坐兩個座位嘛。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頻，那同一個子載波上就有6個用戶的數(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個座位(子載波)塞了6個用戶之后，乘客之間就不嚴格正交了(每個乘客占了兩個座位啊，沒法再通過座位號(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。

　　這時候我們就用到了SCMA第二個關鍵技術，叫做高維調(diào)制。高維調(diào)制這個概念非常抽象，因為我們傳統(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，最終一個質(zhì)子變成了一個無所不能的計算機，質(zhì)子還是那個質(zhì)子，不過功能大大增強啦。

　　同樣，我們通過高維調(diào)制技術，調(diào)制的還是相位和幅度，但是最終使得多用戶的星座點之間歐氏距離拉的更遠，多用戶解調(diào)和抗干擾性能大大增強了。每個用戶的數(shù)據(jù)都使用系統(tǒng)分配的稀疏碼本進行了高維調(diào)制，而系統(tǒng)又知道每個用戶的碼本，就可以在不正交的情況下，把不同用戶最終解調(diào)出來啦。這就相當于雖然我沒法再用座位號來區(qū)分乘客，但是我給這些乘客貼上不同顏色的標簽，結合座位號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，關于F-OFDM和SCMA我們就介紹到這兒吧，相信有了這兩大空口關鍵技術支撐， 5G時代將帶給我們更多革命性的業(yè)務體驗，讓我們拭目以待吧!