探秘5G全新空口技术

一、引言

长江后浪推前浪，4G建设方兴未艾，5G 的讨论已如火如荼。其中，空口技术作为移动通信王冠上的明珠，是每一代移动通信区别的最显著标志，也是"百花齐放、百家争鸣"演绎得最淋漓尽致的领域。

随着3GPP 5G 标准的启动，5G 的天空已逐渐云开雾散，候选技术的璀璨星光已经让我们目眩神迷，而华为提出的5G 系列化新空口技术，无疑是其中最闪亮的几颗星星。

二、5G空口设计需求与挑战

需求定义如同灯塔，牵引着5G的研究目标和方向。ITU-R已于2015年6月定义了未来5G的3大类应用场景，分别是增强型移动互联网业务、海量连接的物联网业务和超高可靠性与超低时延业务，并从吞吐率、时延、连接密度和频谱效率提升等8个维度定义了对5G网络的能力要求。

结合业界近年来对5G应用场景的讨论可以看出，未来5G业务将呈现3个特点，而这3大特点也对空口设计提出了不同的要求：

1）多样性

4G和前代移动通信主要聚焦于人与人之间的通信，即移动互联网，而5G除了进一步增强移动互联网之外，还需要使能物联网。5G时代的业务将空前繁荣，无论是远程实时操控要求的ms级时延，VR/AR和超高清视频要求的Gb/s级带宽，亦或是每平方公里上百万连接数要求的广覆盖、低功耗物联网，对空口的设计要求差别巨大，甚至可以说是南辕北辙。

目前来看，5G必须引入革命性的新空口以满足多样性的极致业务需求，这在业界已达成共识。

2）长尾性

5G将扩展移动通信的边界，拥抱垂直行业并成为其效率提升的助推器。但是相比移动互联网业务，垂直行业的需求千差万别。

同时，每个行业所能贡献的收入也远远低于移动互联网业务，是一个典型的长尾市场。

这种长尾性决定了在空口设计时，不可能为每一类行业需求定制一个空口，而是需要在统一的空口框架下，使用不同的参数配置来适配长尾化的垂直行业需求。

3）不确定性

未来总是超越我们的想象，过去太多短视的预测总是被不期而至的潮流碾压得粉碎，我们必须承认，未来的4～5年会有太多的不确定性，新的无法被预测的业务可能随着某一次技术革新而野蛮生长。

德鲁克曾说过"预测未来的最好方式就是去创造它"，因此，我们既要考虑业务的驱动，又要兼顾技术的适当超前，以应对未来业务的不确定性。

正如孔子所言，"取乎其上，得乎其中；取乎其中，得乎其下；取乎其下，则无所得矣"。

4）需要考虑统一的新空口

综上所述，为了应对未来5G业务的多样性、长尾性和不确定性，需要考虑统一的新空口，以极大的灵活性适配各类业务，并且面向未来。

此外，追求更高的频谱效率始终是空口设计孜孜以求的目标，其对于降低运营商网络部署的成本以及整个产业链的成熟和繁荣都至关重要。

三、5G新空口关键使能技术

为了应对上述挑战，华为系统化地提出了5G新空口的理念和关键使能技术，全面覆盖基础波形、多址方式、信道编码、接入协议和帧结构等领域，并携手5G先锋运营商进行了外场验证。

下层基础决定上层建筑，这在空口设计中同样适用，本文将重点探讨5G物理层设计中最关键的新波形、新多址和新编码技术。

1）新波形F-OFDM

基础波形的设计是实现统一空口的基础，同时兼顾灵活性和频谱的利用效率。

温故而知新，我们先简单回顾下4G的OFDM，看看OFDM为什么满足不了5G时代的要求。

OFDM将高速率数据通过串/并转换调制到相互正交的子载波上去，并引入循环前缀，较好地解决了令人头疼的码间串扰问题，在4G时代大放异彩，但OFDM最主要的问题就是不够灵活。

未来，不同的应用对空口技术的要求迥异，例如毫秒级时延的车联网业务要求极短的时域Symbol和TTI，这就需要频域较宽的子载波间隔。而在物联网的多连接场景中单传感器传送的数据量极低，但对系统整体连接数的要求很高，这就需要在频域上配置比较窄的子载波间隔，而在时域上，Symbol的长度和TTI都可以足够长，几乎不需要考虑码间串扰问题，也就不需要再引入CP，同时异步操作还可以解决终端省电的问题。

这些灵活的要求，对于OFDM来说是满足不了的。OFDM的时频资源分配方式在频域子载波带宽上是固定的15KHz（7.5KHz仅用于MBSFN），而子载波带宽确定之后，其时域Symbol的长度、CP长度等参数配置也就基本确定了。

如果将系统的时频资源理解成一节车厢，采用OFDM方案装修的话，火车上只能提供固定大小的硬座（子载波间隔），所有人，不管胖子瘦子、有钱没钱，都只能坐一样大小的硬座。这显然不科学也不够人性化，无法满足人民日益增长的物质文化需要。对于5G，我们希望座位和空间都能够根据乘客的高矮胖瘦灵活定制，硬座、软座、卧铺、包厢……想怎么调整都行，这才