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详述华为的5G新空口技术

发布时间:2019-05-15 06:18 来源:未知 编辑:admin

  这段时间,华为的遭遇让国人无比愤怒。先是美加无理由拘捕华为公司高管。12月5日,英国表示不使用华为电信设备;12月7日,日本表示不会采购华为与中兴的电信设备;早在此前,美国、新西兰、澳大利亚也已宣布禁用华为电信装置。

  看到这样的消息,突然觉得很好笑,我们什么时候成长得如此强大,居然要让西方抱团取暖,几个大国联起手来,就为对付中国一家民营企业。这究竟是一家什么样的企业,惹得欧美国家对它如此看不顺眼?我想,大概是因为,华为已经牛叉到让他们害怕了。

  提到华为让人害怕的原因,就不得不提及5G通信技术。我们知道,1G主要解决语音通信的问题;2G可支持窄带的分组数据通信,最高理论速率为236kbps;3G在2G的基础上,发展了诸如图像、音乐、视频流的高带宽多媒体通信,并提高了语音通话安全性,解决了部分移动互联网相关网络及高速数据传输问题,最高理论速率为14.4Mbps;4G是专为移动互联网而设计的通信技术,从网速、容量、稳定性上相比之前的技术都有了跳跃性的提升,传输速度可达100Mbit/s,甚至更高。

  5G弥补了4G技术的不足,在吞吐率、时延、连接数量、能耗等方面进一步提升系统性能。它采取数字全IP技术,支持和分组交换,它既不是单一的技术演进,也不是几个全新的无线接入技术,而是整合了新型无线接入技术和现有无线G等),通过集成多种技术来满足不同的需求,是一个真正意义上的融合网络。并且,由于融合,5G可以延续使用4G、3G的基础设施资源,并实现与4G、3G、2G的共存。

  专家表示,5G将可提供超级容量的带宽,短距离传输速率是10Gbps,是目前LTE的100倍。由于实现了多种网络技术的融合,因此5G也可以打破现有频谱资源的制约,实现全频谱通信;更重要的是,通过集成多种无线G技术将可以把人类社会彻底带入网络社会,实现万物互联。

  随着用户需求的驱动,在未来N年的时间里,联网设备的数量将增加100倍,移动数据流量将有1000倍的增长。在这样的背景下,5G除了要满足超高速的传输需求外,还需要应对来自于联网设备的大规模增长以及不同应用场景对网络需求不同的挑战,满足超高容量、超可靠性、随时随地可接入性等要求。

  华为是中国5G技术的代表,作为下一代通信基础,涉及到的技术有很多方面,华为均有布局。

  5G的核心技术,包括两个部分:1、通信基站与手机等终端的无线接口技术(空口技术);2、核心网的网络架构技术。

  在空口技术方面,5G的“新波形”和“新编码”是其中的关键。如果把5G通信比作一座大厦,波形和编码相当于地基和承重结构。在新波形方面,华为研发的新波形技术F-OFDM已经获得了3GPP标准组织的认可,成为全球统一的5G的混合波形技术标准;而在新编码方面,华为提出的Polar Code(极化码)成为了5G控制信道的编码方案。华为研发的新波形、新编码等“基础技术标准”被采纳为全球5G统一标准是中国通信史上的第一次。

  在5 G网络架构方面,华为已经提前完成了“第三阶段5G独立组网测试”,这是5G商用的关键所在,比其主要竞争对手爱立信、三星都更早。

  另外,5G和4G的最大区别在于,4G是让人们上网更快,那么5G则意味着实现“万物互联”的物联网。要实现这样的场景,现在的IPV4能提供的IP地址显然是不够用的,只能通过推动IPV6来实现。作为国际IPv6的网络应用协作,并且华为IPv6设备及解决方案为全球最大的IPv6网络CNGI提供了超过70%的网络设备,已经稳定运行了6年。

  在2018年全球创新科技大会上,华为表示,目前持有61项5G标准专利,全球占比22.93%,超过苹果三星,排名全球第一,而5G Polar专利数据显示,华为以49.5%的比例排名第一,5G巨头爱立信刚以25.3%的比例排名第二。

  同时,5G除了网络以外,也离不开终端设备,华为计划于2019年发布首款5G手机,这款手机将搭载华为发布的全球首款3GPP标准的5G商用芯片巴龙5G01,最高下载速度可以达到2.3Gbps。

  华为,无论是从技术标准、IPv6,还是专利、设备等5G的各个领域的研发实力和技术转化情况,华为的综合实力都是最强的,在5D研发上全球领先。

  所谓空口,指的是移动终端到基站之间的连接协议,是移动通信标准中一个至关重要的标准。我们都知道,3G时代的空口核心技术是CDMA,4G的空口核心技术是OFDM。5G时代的应用将空前繁荣,不同应用对空口技术要求也是复杂多样的,因此最重要的当然是灵活性和应变能力,一个统一的空口必须能解决所有问题,灵活适配各种业务,F-OFDM与SCMA正是构建5G自适应新空口的基础。

  各类不同的移动通信应用对于空口技术的需求是复杂的、多样化的,而为了满足这些需求,移动通信业界提出了兼具灵活性与适应性的统一空口解决方案。全新的空口由五大关键技术以及相关的配置机制(比如:自适应的波形、自适应的协议、自适应的成帧结构、自适应的信道编码、自适应的调制、自适应的多址接入技术等)构成,可高效地灵活使用各类底层物理频谱资源,以统一的自适应空口来灵活适配多样性的业务需求并提升无线频谱资源的利用效率,应对移动数据流量“爆炸式”增长的冲击,从而有望为未来“海”量的各类用户终端设备提供其所需的服务。

  如图所示,未来全新的第五代移动通信网络空口技术将包括一种新的波形技术F-OFDM(,基于滤波的正交频分复用)、一种新的多址接入技术SCMA(稀疏码分多址接入)、一种新的信道编码技术polar coding(极性编码)、全双工移动通信技术、大规模MIMO/大规模天线阵列技术。上述核心技术的综合应用能有效地提升未来第五代移动通信系统对无线频谱资源的利用效率,增加移动连接数密度,并降低端到端时延,从而,可以满足各种定制化场景下IoT(物联网)业务的部署需求、虚拟现实等高带宽消耗业务的部署需求。在未来“切片”型的第五代移动通信网络之中,统一的空口可以以高度的灵活性承载很多类型的移动通信应用,并有望将无线频谱资源的利用效率提升三倍。

  F-OFDM(基于滤波的正交频分复用。根据其技术原理,又可称之为“可变子载波带宽的非正交接入技术”)技术是基础波形技术之一,可以同时根据移动通信应用场景以及业务服务需求支持不同的波形调制、多址接入技术以及帧结构。如图所示,F-OFDM(基于滤波的正交频分复用)技术可以使得配置有不同OFDM(正交频分复用)参数的波形共存。在图5之中,采用3个子载波滤波器来生成3个具有不同子载波间距、不同OFDM(正交频分复用)符号周期、不同子载波保护间隔的OFDM(正交频分复用)子载波分组。正是通过具有这种理念的多个参数配置,F-OFDM(基于滤波的正交频分复用)技术可以为各个业务/服务组进行最优的波形参数配置,从而就可以总体的系统效率。

  未来不同的第五代移动通信应用对网络的需求可能是具有很大的差异的比如:①端到端时延的低于一毫秒的车联网业务,要求极短的时域符号周期与传输时间间隔TTI,这就需要在频域有着较宽的子载波物理带宽;②物联网的“海”量连接应用场景之中,单个无线传感器所传送的无线数据量极低,但是对系统整体的连接数要求很高,从而就需要在频域上配置比较窄的子载波物理带宽,而在时域上,符号周期与传输时间间隔TTI都可以足够长,几乎不需要考虑码间串扰/符号间干扰的问题,也就不需要再引入保护间隔/循环前缀,而且异步操作还可以解决物联网终端的节能问题。

  上述这些需求,如果继续采用传统的OFDM(正交频分复用)技术,是无法满足的因为,这是由传统OFDM(正交频分复用)技术的“天生”特质所决定的:OFDM(正交频分复用)技术将高速率/超高速率的数据通过串/并转换调制到彼此相互正交的子载波上去,并引入保护间隔/循环前缀来降低符号间干扰以及子载波间干扰。第四代移动通信系统之中所采用的OFDM(正交频分复用)技术,频域以及时域的资源分配方式如图所示:在频域,子载波物理带宽是固定的15 KHz(而7.5KHz仅用于移动多播的单频网络组网),如此一来,其时域符号周期的长度、保护间隔/循环前缀的长度也就被固定下来,而且是不可变化的。

  因此,为了满足在未来第五代移动通信时代,各类应用的不同需求,OFDM(正交频分复用)技术就应该相应地演进至可以灵活地根据所承载的具体应用类型来配置所需子载波物理带宽、符号周期长度、保护间隔/循环前缀长度等关键技术参数。这就是F-OFDM(基于滤波的正交频分复用)技术的核心理念,其时/频域资源分配方式具体如图所示。

  从上图可以看出,F-OFDM(基于滤波的正交频分复用)技术能为不同类型的业务智能地提供不同的子载波物理带宽、符号周期长度、保护间隔/循环前缀长度配置,以满足不同业务对于第五代移动通信系统时域资源以及频域资源的需求。

  然而,另一方面,这时一定有人会问,不同物理带宽的子载波之间,本身不再具备彼此相互正交的经典特性了,那么就需要引入保护带宽(比如传统OFDM(正交频分复用)技术就需要10%的保护带宽)基于此种考虑,虽然F-OFDM(基于滤波的正交频分复用)技术能够保证关键波形参数的灵活性,但是其对于无线频谱资源的利用效率是否会由此而降低呢?灵活性与系统开销是否就是“矛”与“盾”的关系?

  其实,这种担心是多余的。因为,F-OFDM(基于滤波的正交频分复用)技术还对滤波器进行了优化设计,从而就可以实现把具有不同物理带宽的子载波之间的保护间隔做到最低一个子载波物理带宽。

  SCMA(稀疏码分多址接入)技术是未来第五代移动通信网络全新空口的另一种重要的波形参数配置技术。是一种各子载波彼此之间非正交的波形技术,从而,其多址接入机制就在于:各层终端设备的稀疏码字被覆盖于码域以及功率域,并共享完全相同的时域资源以及频域资源。一般地,如果覆盖层的数量多于所复用的码字的长度,系统对于多个用户终端设备的接入复用就会超载。但是,由于SCMA(稀疏码分多址接入)技术中多维/高维调制星座的规模被减小以及各个码字之间“天然”稀疏性的存在,相关探测就能够比较容易地实现,从而,SCMA(稀疏码分多址接入)技术对于接入用户的超载是具有一定的容忍度的。

  在SCMA(,稀疏码分多址接入)技术之中,已经编码的比特位数据被直接地映射至选自特定层级的SCMA,稀疏码分多址接入)编码对照簿。

  此外,实现上述相关探测的复杂度取决于以下两大主要的因素:①各个码字之间的稀疏程度;②采用多维度/高维星座调制技术,而且每个维度的映射点数要低。

  以低的映射点数进行用户终端设备接入复用以及由此而得出的星座映射情况如图所示。图中,某个用户终端设备所输出的编码比特位数据被首先根据编码对照簿映射为与之相对应的码字,具有低的映射点数的编码对照簿降低了星座的规模/尺寸。此外,每个映射点(比如图中的“00”映射点)尽在一种调制模式之下具有非零的部分。具有非零部分的SCMA(Sparse Code Multiple Access,稀疏码分多址接入)编码对照簿其实就是一本“零PAPR(峰均功率比。是影响OFDM(正交频分复用)通信系统的一个关键的技术参数/指标)”的编码对照簿。

  未来的第五代移动通信系统具有了上述这种盲检测能力之后,就可以实现免许可的多用户接入了。

  免许可的多用户接入技术可以规避传统动态请求机制的重大缺陷,并容许系统信令过载。而SCMA(Sparse Code Multiple Access,稀疏码分多址接入)则正好可以充当免许可多用户接入技术的“使能器”。

  综合上述多个关键方面的相关技术创新,SCMA(稀疏码分多址接入)技术就能够支撑未来第五代移动通信系统“海”量终端设备的接入,并减小传输延迟,同时还能实现节能降耗。

  SCMA(稀疏码分多址接入)技术是由华为公司所提出的第二个第五代移动通信网络全新空口核心技术,引入稀疏编码对照簿,通过实现多个用户在码域的多址接入来实现无线频谱资源利用效率的提升。

  举例而言,现实生活中,如果一排位置仅有4个座位,但有6个人要同时坐上去,怎么办?解决的办法是这6个人挤着坐这4个座位。同理,在未来的第五代移动通信系统之中,如果某一组子载波之中仅有4个子载波,但是却有6个用户由于同时对某种业务服务有需求而要接入到系统之中,怎么办?低密度扩频技术就“应运而生”了:如图所示,把单个子载波的用户数据扩频到4个子载波上,然后,6个用户共享这4个子载波。可见,之所以被称之为“低密度扩频”,是因为用户数据仅仅只占用了其中的两个个子载波(图9中有颜色的格子部分),而另外两个子载波则是空载的(图中的白色格子)于是,这就相当于6个乘客同时挤着坐4个座位另外,这也是SCMA(Sparse Code Multiple Access,稀疏码分多址接入)中“Sparse(稀疏)”的来由。

  于是,进一步地,为何一定要稀疏呢?反过来看,如果不稀疏,就将会在所有的子载波之上扩频此时,同一个子载波上就有6个用户的数据,就会产生非常厉害的冲突,也就无法进行多用户数据的解调了。

  但是,一旦用4个子载波来承载6个用户的数据,子载波之间就不是严格正交的了(对此,可以这样来对比理解:每个乘客占了两个座位(对应子载波),就没法再通过座位号来区分乘客了),比如如图所示,单个子载波上还是有3个用户的数据发生冲突了,多用户解调就仍然存在较大的难度。于是,这道难题就需要SCMA(稀疏码分多址接入)技术之中的第二项关键技术来破解了,具体如下文所述。

  传统的调制技术之中,仅涉及幅度与相位这两个维度。那么,在多维/高维调制技术之中,除了“幅度”与“相位”,多出来的是什么维度的呢?

  其实,多维/高维调制技术之中所调制的对象仍然还是相位和幅度,但是最终却使得多个接入用户的星座点之间的欧氏距离拉得更远,多用户解调与抗干扰性能由此就可以大大地增强。每个用户的数据都使用系统所统一分配的稀疏编码对照簿进行多维/高维调制,而系统又知道每个用户的码本,于是,就可以在相关的各个子载波彼此之间不相互正交的情况下,把不同用户的数据最终解调出来。作为与现实生活之中相关场景的对比,上述这种理念可以理解为:虽然无法再用座位号来区分乘客,但是可以给这些乘客贴上不同颜色的标签,然后结合座位号,还是能够把乘客区分出来。

  综合使用上述的两大关键技术(低密度扩频技术与多维/高维调制技术),SCMA(稀疏码分多址接入)技术可使得多个用户在同时使用相同无线频谱资源的情况下,引入码域的多址,大大提升无线频谱资源的利用效率,而且通过使用数量更多的子载波组(对应服务组),并调整稀疏度(多个子载波组中,单用户承载数据的子载波数),来进一步地提升无线频谱资源的利用效率。

  polar coding(极性编码)技术是对通信系统信道编码理论的一个关键变革,可以通过一个简单的编码器以及一个简单的SC(Successive Cancellation,连续干扰抵消)解码器来获得理论上的香农极限容量(当编码块的大小足够大的时候)。

  polar coding(极性编码)技术引起了移动通信业界的高度重视,已经进行了大量有关的编码设计以及解码算法研究工作。在所有的研究成果之中,公认的最为重要的解码算法是SC-list(连续干扰抵消表)解码,其性能可以与最优化的ML(maximum-likelihood,最大似然)解码相媲美(当中等编码块的表单规模为32的时候)。

  总的说来,polar coding(极性编码)技术要优于现有4G LTE移动通信系统之中所采用的所有编码技术(尤其是当编码块较小的时候)。因此,polar coding(极性编码)技术就被移动通信业界视为未来第五代移动通信网络空口设计中FEC(Forward Error Correction,前向纠错)环节的一项完美的候选技术。以其优良的编译码算法处理能力和高可靠性,极性编码已经成为未来第五代移动通信网络信道编码的主要候选技术。

  大规模MIMO/大规模天线阵列技术与现有移动通信网络之中所采取的天线技术是完全不同的,其于网络侧以及用户终端侧采用大规模的天线系统。作为第五代移动通信网络全新空口的最有发展潜力的关键技术之一,大规模MIMO/大规模天线阵列技术是一项非常具有商用化前景的解决方案这是因为,其可在无需额外部署100多倍移动通信基站的前提之下,将移动通信系统的效率提升100多倍。

  截至目前,具有低功率、低PAPR(峰均功率比)数值,而且可以灵活地进行波束调整的全向波束技术(可实时地跟踪移动用户终端设备)所取得的进步,使得在理论上,其可被部署于现网之中的各类应用场景之中(比如宏小区、微小区、城市郊区、城市高层建筑的室内覆盖等)。

  全双工移动通信技术将可打破现有移动通信系统的障碍,可在没有部署时分双工或者频分双工的情况之下实现双向的移动通信。由于可使用完全相同的无线频谱资源在相同的时间内同时发送数据并接收数据,全双工移动通信技术就具有将移动通信系统的容量翻番,并降低系统延迟的巨大潜力。

  未来的第五代移动通信网络将以SDN(软件定义网络)/NFV(网络功能虚拟化)技术为基础,以一张物理网络支撑多个网络“切片”(用以满足各行业/领域的业务需求),同时将会全面转向“互联网化”的运营模式,实现更快的TTM(Time To Market,上市时间),并创造出更多的新兴商业模式。第五代移动通信无线接入网络将是超高密集度组网的异构多层网络,因此就很有必要采取无线接入虚拟化(以业务为中心的“云”化架构)策略,并部署先进/高级的计算平台。届时,“虚拟化的基站”将会完全消除传统上面向移动通信终端的移动通信基站边界效应,从而就可以减少终端用户在移动通信基站边界处不好/较差/很差的业务使用体验。

  在传统的蜂窝移动通信网络架构之中,移动通信终端设备从移动通信基站覆盖范围内的中心位置移动到边缘位置的过程中,无线链路的性能会急剧地下降。而未来,如图10所示,在虚拟化的、以移动通信终端设备为中心的第五代移动通信无线接入网络之中,由网络来权衡决定/调度哪一个/哪些接入点为用户提供无线接入服务。这样,就会形成“无线接入点随着移动通信终端设备的移动而移动”这样一种效果,使用户在整个网络之中获得很好的无线接入体验。于是,从移动通信终端设备的角度,传统蜂窝移动通信网络的“基站边界效应”将会不复存在。

  在此框架之下,每一个移动通信终端设备都由一组优选的无线接入节点提供服务。移动通信终端设备的实际服务集可能包含有一个或者多个无线接入节点,而且终端的部分数据或全部数据在某一些或者一小组的潜在服务接入点是可用的。无线接入节点控制器会在每一个通信实例之中为每一个移动通信终端设备分配一组优选的无线接入节点以及传输模式,同时还会评估各个无线接入节点的移动数据负载情况以及CSI(Channel State Information,信道状态信息)。

  决定选用并更新潜在的以及实际的服务接入点集的一个重要因素是:临近的其他移动通信终端设备相互协作的可能性以及此类协作的相关天然属性。在移动通信终端设备附近,其他终端的分布密度以及终端设备之间直接通信的能力,提供了终端设备在信息/数据传输与接收方面相互协作的机遇。

  无线接入节点控制器可以为移动通信终端设备之间的相互协作进行总体上的调度与控制,并对终端数据冲突、信息安全、用户个人隐私以及协作机制等关键因素进行管理。基于移动通信网络辅助/控制机制实现终端间相互协作,可以实现更好的网络虚拟化效应,为移动通信终端设备的数据传输提供更多可行的无线传输信道/路径。

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