一、引言

長江后浪推前浪，4G建設(shè)方興未艾，5G 的討論已如火如荼。其中，空口技術(shù)作為移動通信王冠上的明珠，是每一代移動通信區(qū)別的最顯著標志，也是“百花齊放、百家爭鳴”演繹得最淋漓盡致的領(lǐng)域。

隨著3GPP 5G 標準的啟動，5G 的天空已逐漸云開霧散，候選技術(shù)的璀璨星光已經(jīng)讓我們目眩神迷，而華為提出的5G 系列化新空口技術(shù)，無疑是其中最閃亮的幾顆星星。

二、5G空口設(shè)計需求與挑戰(zhàn)

需求定義如同燈塔，牽引著5G的研究目標和方向。ITU-R已于2015年6月定義了未來5G的3大類應(yīng)用場景，分別是增強型移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、海量連接的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和超高可靠性與超低時延業(yè)務(wù)，并從吞吐率、時延、連接密度和頻譜效率提升等8個維度定義了對5G網(wǎng)絡(luò)的能力要求。

結(jié)合業(yè)界近年來對5G應(yīng)用場景的討論可以看出，未來5G業(yè)務(wù)將呈現(xiàn)3個特點，而這3大特點也對空口設(shè)計提出了不同的要求：

1）多樣性

4G和前代移動通信主要聚焦于人與人之間的通信，即移動互聯(lián)網(wǎng)，而5G除了進一步增強移動互聯(lián)網(wǎng)之外，還需要使能物聯(lián)網(wǎng)。5G時代的業(yè)務(wù)將空前繁榮，無論是遠程實時操控要求的ms級時延，VR/AR和超高清視頻要求的Gb/s級帶寬，亦或是每平方公里上百萬連接數(shù)要求的廣覆蓋、低功耗物聯(lián)網(wǎng)，對空口的設(shè)計要求差別巨大，甚至可以說是南轅北轍。

目前來看，5G必須引入革命性的新空口以滿足多樣性的極致業(yè)務(wù)需求，這在業(yè)界已達成共識。

2）長尾性

5G將擴展移動通信的邊界，擁抱垂直行業(yè)并成為其效率提升的助推器。但是相比移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，垂直行業(yè)的需求千差萬別。

同時，每個行業(yè)所能貢獻的收入也遠遠低于移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，是一個典型的長尾市場。

這種長尾性決定了在空口設(shè)計時，不可能為每一類行業(yè)需求定制一個空口，而是需要在統(tǒng)一的空口框架下，使用不同的參數(shù)配置來適配長尾化的垂直行業(yè)需求。

3）不確定性

未來總是超越我們的想象，過去太多短視的預(yù)測總是被不期而至的潮流碾壓得粉碎，我們必須承認，未來的4～5年會有太多的不確定性，新的無法被預(yù)測的業(yè)務(wù)可能隨著某一次技術(shù)革新而野蠻生長。

德魯克曾說過“預(yù)測未來的最好方式就是去創(chuàng)造它”，因此，我們既要考慮業(yè)務(wù)的驅(qū)動，又要兼顧技術(shù)的適當(dāng)超前，以應(yīng)對未來業(yè)務(wù)的不確定性。

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，則無所得矣”。

4）需要考慮統(tǒng)一的新空口

綜上所述，為了應(yīng)對未來5G業(yè)務(wù)的多樣性、長尾性和不確定性，需要考慮統(tǒng)一的新空口，以極大的靈活性適配各類業(yè)務(wù)，并且面向未來。

此外，追求更高的頻譜效率始終是空口設(shè)計孜孜以求的目標，其對于降低運營商網(wǎng)絡(luò)部署的成本以及整個產(chǎn)業(yè)鏈的成熟和繁榮都至關(guān)重要。

三、5G新空口關(guān)鍵使能技術(shù)

為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，華為系統(tǒng)化地提出了5G新空口的理念和關(guān)鍵使能技術(shù)，全面覆蓋基礎(chǔ)波形、多址方式、信道編碼、接入?yún)f(xié)議和幀結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域，并攜手5G先鋒運營商進行了外場驗證。

下層基礎(chǔ)決定上層建筑，這在空口設(shè)計中同樣適用，本文將重點探討5G物理層設(shè)計中最關(guān)鍵的新波形、新多址和新編碼技術(shù)。

1）新波形F-OFDM

基礎(chǔ)波形的設(shè)計是實現(xiàn)統(tǒng)一空口的基礎(chǔ)，同時兼顧靈活性和頻譜的利用效率。

溫故而知新，我們先簡單回顧下4G的OFDM，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(zhuǎn)換調(diào)制到相互正交的子載波上去，并引入循環(huán)前綴，較好地解決了令人頭疼的碼間串?dāng)_問題，在4G時代大放異彩，但OFDM最主要的問題就是不夠靈活。

未來，不同的應(yīng)用對空口技術(shù)的要求迥異，例如毫秒級時延的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)要求極短的時域Symbol和TTI，這就需要頻域較寬的子載波間隔。而在物聯(lián)網(wǎng)的多連接場景中單傳感器傳送的數(shù)據(jù)量極低，但對系統(tǒng)整體連接數(shù)的要求很高，這就需要在頻域上配置比較窄的子載波間隔，而在時域上，Symbol的長度和TTI都可以足夠長，幾乎不需要考慮碼間串?dāng)_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。

這些靈活的要求，對于OFDM來說是滿足不了的。OFDM的時頻資源分配方式在頻域子載波帶寬上是固定的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長度等參數(shù)配置也就基本確定了。

如果將系統(tǒng)的時頻資源理解成一節(jié)車廂，采用OFDM方案裝修的話，火車上只能提供固定大小的硬座（子載波間隔），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(xué)也不夠人性化，無法滿足人民日益增長的物質(zhì)文化需要。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(yīng)的和諧號列車。而F-OFDM正是基于這一思路。

F-OFDM能為不同業(yè)務(wù)提供不同的子載波間隔和Numerology，以滿足不同業(yè)務(wù)的時頻資源需求。此時不同帶寬的子載波之間本身不再具備正交特性，需要引入保護帶寬，例如OFDM就需要10%的保護帶寬，這樣一來，F(xiàn)-OFDM的靈活性是保證了，頻譜利用率會不會降低？正所謂魚與熊掌不可兼得，靈活性與系統(tǒng)開銷一向是一對矛盾。但是，F(xiàn)-OFDM通過優(yōu)化濾波器的設(shè)計大大降低了帶外泄露，不同子帶之間的保護帶開銷可以降至1%左右，不僅大大提升了頻譜的利用效率，也為將來利用碎片化的頻譜提供了可能。

總結(jié)一下，F(xiàn)-OFDM在繼承了OFDM的全部優(yōu)點（頻譜利用率高、適配MIMO等）的基礎(chǔ)上，又克服了OFDM的一些固有缺陷，進一步提升了靈活性和頻譜利用效率，是實現(xiàn)5G空口切片的基礎(chǔ)技術(shù)。

2）新多址技術(shù)SCMA

多址技術(shù)決定了空口資源的分配方式，也是進一步提升連接數(shù)和頻譜效率的關(guān)鍵。通過F-OFDM已經(jīng)實現(xiàn)了在頻域和時域的資源靈活復(fù)用，并把保護帶寬降到了最小，那么為了進一步壓榨頻譜效率，還有哪些域的資源可以復(fù)用？最容易想到的自然是空域和碼域。

空分復(fù)用的MIMO技術(shù)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時代能否再現(xiàn)輝煌？SCMA正是采用這一思路，引入稀疏碼本，通過碼域的多址實現(xiàn)了連接數(shù)的3倍提升。

如前所述，F(xiàn)-OFDM已經(jīng)實現(xiàn)了火車座位（子載波）根據(jù)旅客（業(yè)務(wù)需求）進行了自適應(yīng)，進一步提升頻譜效率就需要在有限的座位上塞進更多用戶。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，完全可以塞6個人進去，這樣不就輕松實現(xiàn)了1.5倍的連接數(shù)提升了嗎？

聽起來道理很簡單，可實現(xiàn)起來并不簡單。這就涉及SCMA的第一個關(guān)鍵技術(shù)低密度擴頻，將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。

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，另外2個子載波是空的，這就相當(dāng)于6個乘客坐4個座位，每個乘客的屁股最多只能坐兩個座位。這也是SCMA中Sparse（稀疏）的來由。為何一定要稀疏呢？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)徹底就無法實現(xiàn)了。

但是4個座位塞了6個用戶之后，乘客之間就不嚴格正交了（每個乘客占了2個座位，無法再通過座位號（子載波）來區(qū)分乘客），單一子載波上還是有3個用戶數(shù)據(jù)沖突了，多用戶解調(diào)還是存在困難。

此時就用到了SCMA第二個關(guān)鍵技術(shù)，稱為多維調(diào)制。多維調(diào)制這個概念非常抽象，因為傳統(tǒng)的IQ調(diào)制只有兩維啊——幅度和相位，多出來的維代表什么？

這里需要稍微開一下腦洞，想象一下三體世界中半人馬座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，不過功能大大增強了。

同樣，通過多維調(diào)制技術(shù)，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得更遠，多用戶解調(diào)和抗干擾性能大大增強了。5G微信公眾平臺（ID：angmobile）了解到，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多維調(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。這就相當(dāng)于雖然無法再用座位號來區(qū)分乘客，但是可以給這些乘客貼上不同顏色的標簽，結(jié)合座位號還是能夠?qū)⒊丝蛥^(qū)分出來。

綜上所述，SCMA通過引入稀疏碼域的非正交，在可接受的復(fù)雜度前提下，經(jīng)過外場測試驗證，相比OFDMA，上行可以提升3倍連接數(shù)，下行采用碼域和功率域的非正交復(fù)用，可顯著提升下行用戶的吞吐率超過50%以上。同時，由于SCMA允許用戶存在一定沖突，結(jié)合免調(diào)度技術(shù)可以大幅降低數(shù)據(jù)傳輸時延，以滿足1ms的空口時延要求。

3）新編碼技術(shù)Polar Code

編碼技術(shù)的終極目標——香農(nóng)極限：信道編碼的目標，是以盡可能小的開銷確保信息的可靠傳送。在同樣的誤碼率下，所需要的開銷越小，編碼效率越高，自然頻譜效率也越高。對于信道編碼技術(shù)的研究者而言，香農(nóng)極限是無數(shù)人皓首窮經(jīng)、孜孜以求的目標。

那什么是香農(nóng)極限呢？香農(nóng)第二定理指出：只要信息傳輸速率小于信道容量，就存在一類編碼，使信息傳輸?shù)腻e誤概率可以任意小，而狹義的香農(nóng)極限就是指通過編碼達到無誤碼傳輸時所需要的最小信噪比，例如對于理想情況下的AWGN信道，香農(nóng)極限大概在-1.6dB左右。但在現(xiàn)實中，實現(xiàn)無誤碼傳輸?shù)拇鷥r太高，在可以承受一定誤碼率的條件下，所需要的最小信噪比就是廣義的香農(nóng)極限。

通信與物流很相似，目標都是要可靠地將貨物運送至終點，5G微信公眾平臺（ID：angmobile）了解到，例如一個玻璃杯工廠，需要從廠房A（信源）運送一批玻璃杯到廠房B（信宿），廠房A到廠房B之間有一條單車道的運輸公路（信道），公路上存在各種坑洼和顛簸（信道噪聲），為了減少在運輸過程中玻璃杯的破碎損耗（誤碼），需要在出廠時對玻璃杯用紙盒進行包裝（編碼），運送到廠房B之后再進行拆封（譯碼）。雖然包裝（編碼）增加了開銷，單位空間內(nèi)能裝的杯子（信息凈荷）減少了，但顯然經(jīng)過包裝之后，破損率（誤碼率）將大大降低。在允許一定破損率（誤碼率）的情況下，改進包裝（編碼）方法以盡可能地降低對路面和運輸車輛（信噪比）的要求，這個最低要求（最小信噪比）就是香農(nóng)極限。

香農(nóng)第二定理是一個存在性定理，只是說明這類編碼存在，可并沒有說明什么編碼可以達到，這可苦了編碼學(xué)家們，在過去的半個多世紀中提出了多種糾錯碼技術(shù)，例如RS碼、卷積碼、Turbo碼和LDPC碼等，并在各種通信系統(tǒng)中進行了廣泛應(yīng)用，但是以往所有實用的編碼方法都未能達到香農(nóng)極限，直到Polar Code橫空出世。

Polar Code基本原理：

2007年，土耳其比爾肯大學(xué)教授Erdal Arikan首次提出了信道極化的概念，基于該理論，他給出了人類已知的第一種能夠被嚴格證明達到香農(nóng)極限的信道編碼方法，并命名為極化碼（Polar Code）。這一突破如一道閃電，劃破漫長而又黑暗的夜空，在編碼技術(shù)史上具有劃時代的意義。Polar碼具有明確而簡單的編碼和譯碼算法。通過信道編碼學(xué)者的不斷努力，當(dāng)前Polar碼所能達到的糾錯性能超過目前廣泛使用的Turbo碼和LDPC碼。

要理解Polar碼，首先要理解信道極化的概念。所謂信道極化，顧名思義就是信道出現(xiàn)了兩極分化，是指針對一組獨立的二進制對稱輸入離散無記憶信道，可以采用編碼的方法，使各個子信道呈現(xiàn)出不同的可靠性，當(dāng)碼長持續(xù)增加時，一部分信道將趨向于完美信道（無誤碼），而另一部分信道則趨向于純噪聲信道。

為了便于理解，仍以玻璃杯工廠為例來進行說明。對此，5G微信公眾平臺（ID：angmobile）了解到：在工廠原來采用的包裝方案（編碼方法）下，運輸過程中杯子出現(xiàn)破損（誤碼）的位置是不確定的，而Polar Code通過特定的包裝方案，不管道路怎么顛簸，都可以保證一部分裝箱的位置在運送過程中絕不破損（完美信道），而另一部分裝箱的位置則必然破損（純噪聲信道），利用這種信道極化的特性，就可以在完美信道的位置裝上杯子（信息比特），而純噪聲信道的位置啥也不裝（固定比特），因為在裝箱的時候就可以知道完美信道的分布，因此在拆箱的時候，譯碼也就變得更加簡單。事實上，Polar Code在使用改進后的SCL（Successive Cancelation List）譯碼算法時能以較低復(fù)雜度的代價，接近最大似然譯碼的性能。

總結(jié)下Polar碼的優(yōu)點：

（1）首先是相比Turbo碼更高的增益，在相同的誤碼率前提下，實測Polar碼對信噪比的要求要比Turbo碼低0.5～1.2dB，更高的編碼效率等同于頻譜效率的提升。

（2）其次，Polar碼得益于漢明距離和SC算法設(shè)計的好，因此沒有誤碼平層，可靠性相比Turbo碼大大提升（Turbo碼采用的是次優(yōu)譯碼算法，所以有誤碼平層），對于未來5G超高可靠性需求的業(yè)務(wù)應(yīng)用（例如遠程實時操控和無人駕駛等），能真正實現(xiàn)99.999%的可靠性，解決垂直行業(yè)可靠性的難題。

（3）第三，Polar Code的譯碼采用了基于SC的方案，因此譯碼復(fù)雜度也大大降低，這樣終端的功耗就大大降低了，在相同譯碼復(fù)雜度情況下相比Turbo碼可以降低功耗20多倍，對于功耗十分敏感的物聯(lián)網(wǎng)傳感器而言，可以大大延長電池壽命。

4）總結(jié)

重要的事情說3遍，最后再簡單總結(jié)下這3大空口物理層技術(shù)：F-OFDM是實現(xiàn)統(tǒng)一空口的基礎(chǔ)波形，結(jié)合靈活的Numerology以實現(xiàn)空口切片。SCMA和Polar Code在F-OFDM的基礎(chǔ)上，進一步提升了連接數(shù)、可靠性和頻譜效率，滿足了ITU對5G的能力要求。因此，這3大物理層關(guān)鍵技術(shù)成為構(gòu)建華為5G新空口理念的基石。

四、技術(shù)競爭推動5G技術(shù)進步

5G的大幕剛剛拉開，我們已站在一個偉大時刻的前沿，回望每一代移動通信的發(fā)展歷程，有過波瀾壯闊的方向之爭，也有過暗流涌動的候選技術(shù)之爭，但最終大浪淘沙，歷盡沉浮，這些方向與技術(shù)在經(jīng)過理論、實踐和市場的篩選、融合和驗證之后，最終改頭換面站到了浪潮之巔，在人類科技史上留下濃墨重彩的一筆。

在標準定義過程中，所有的技術(shù)和方向都值得我們銘記和尊重，它們是產(chǎn)業(yè)智慧的結(jié)晶，并將最終推動5G技術(shù)的進步，讓我們共同期待5G開啟一個全新的超級聯(lián)接世界。

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