ICCSZ訊 長(zhǎng)江后浪推前浪,4G建設(shè)方興未艾,業(yè)界關(guān)于5G的討論已如火如荼。對(duì)于每一代移動(dòng)通信,空口技術(shù)都相當(dāng)于王冠上的明珠。
在月初的世界移動(dòng)通信大會(huì)上,華為發(fā)布了面向5G的新空口,并展出了涵蓋基礎(chǔ)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(shù),成為業(yè)界矚目的焦點(diǎn),展區(qū)現(xiàn)場(chǎng)總是被圍得水泄不通(有圖有真相哦)。
幾乎所有客戶(hù)都對(duì)靈活自適應(yīng)的空口波形技術(shù)F-OFDM(Filtered OFDM)和成倍提升頻譜效率的多址技術(shù)SCMA(Sparse Code Multiple Access)興趣盎然,今天我們就以大話的方式,來(lái)聊一聊這兩大新空口候選技術(shù)。
咦,為啥是候選?是因?yàn)橹t虛嗎?這個(gè)問(wèn)題問(wèn)的很好。低調(diào)只是一方面,另外是因?yàn)?A href="http://getprofitprime.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=5G&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">5G標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)16年才會(huì)啟動(dòng),現(xiàn)在提的技術(shù)當(dāng)然都是候選啦。
3G時(shí)代的空口核心技術(shù)是啥?CDMA!4G的空口核心技術(shù)是啥?OFDM!這些都難不倒大家,那5G時(shí)代的空口核心技術(shù)會(huì)是啥?
在回答這個(gè)問(wèn)題之前,我們要先回答的是,5G時(shí)代對(duì)空口技術(shù)有什么新的要求?
5G時(shí)代的應(yīng)用將空前繁榮,不同應(yīng)用對(duì)空口技術(shù)要求也是復(fù)雜多樣的,因此最重要的當(dāng)然是靈活性和應(yīng)變能力,正如三國(guó)王弼所說(shuō)“用無(wú)常道,事無(wú)軌度,動(dòng)靜屈伸,唯變所適”,一個(gè)統(tǒng)一的空口必須能解決所有問(wèn)題,靈活適配各種業(yè)務(wù),不管你是自動(dòng)駕駛要求的1ms時(shí)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(wàn)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(gè)幾倍,那運(yùn)營(yíng)商就再也不用擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)能力問(wèn)題啦,so easy!而F-OFDM與SCMA正是構(gòu)建5G自適應(yīng)新空口的基礎(chǔ)。
溫故而知新,在聊第一個(gè)核心技術(shù)F-OFDM之前,我們先簡(jiǎn)單回顧一下OFDM這個(gè)技術(shù),看看OFDM為什么滿(mǎn)足不了5G時(shí)代的要求。OFDM將高速率數(shù)據(jù)通過(guò)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,較好的解決了令人頭疼的碼間串?dāng)_問(wèn)題,在4G時(shí)代大放異彩。但OFDM最主要問(wèn)題就是不夠靈活。
我們前面提到,未來(lái)不同的應(yīng)用,對(duì)于技術(shù)的要求迥異,比如端到端1ms時(shí)延的車(chē)聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),要求極短的時(shí)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(chǎng)景,單傳感器傳送數(shù)據(jù)量極低,但對(duì)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(shí)域上,Symbol的長(zhǎng)度以及TTI都可以足夠長(zhǎng),幾乎不需要考慮碼間串?dāng)_問(wèn)題,也就不需要再引入CP,同時(shí)異步操作還可以解決終端省電的問(wèn)題。5G的這些靈活的要求,對(duì)于OFDM來(lái)說(shuō),真的是做不到啊!為啥呢?
我們來(lái)看下OFDM的時(shí)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(shí)域Symbol的長(zhǎng)度、CP長(zhǎng)度等也就基本確定啦。
圖2 OFDM的時(shí)頻資源分配方式
為了更好理解,我們可以把系統(tǒng)的時(shí)頻資源理解成一節(jié)車(chē)廂(圖3),采用OFDM方案裝修的話,火車(chē)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(qián)沒(méi)錢(qián),都只能坐一樣大小的硬座。這顯然不科學(xué)、不人性化嘛,也無(wú)法滿(mǎn)足人民日益增長(zhǎng)的物質(zhì)文化需要啊。
對(duì)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(hào)列車(chē)嘛。這一切,通過(guò)華為提出的F-OFDM就可以做到。
圖3 OFDM/F-OFDM車(chē)廂截面對(duì)比圖
從圖4我們可以詳細(xì)看到F-OFDM能為不同業(yè)務(wù)提供不同的子載波帶寬和CP配置,以滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)的時(shí)頻資源需求。這時(shí)一定有人會(huì)問(wèn),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(hù)帶寬啊,比如OFDM就需要10%的保護(hù)帶寬,這樣一來(lái),F(xiàn)-OFDM靈活性是保證了,頻譜利用率會(huì)不會(huì)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(chē)空間利用率肯定會(huì)降低啊,正所謂魚(yú)與熊掌不可兼得,靈活性與系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)看起來(lái)就是一對(duì)矛盾啊。
但是,F(xiàn)-OFDM真的可以兼得哦,通過(guò)優(yōu)化濾波器的設(shè)計(jì),可以把不同帶寬子載波之間的保護(hù)頻帶最低做到一個(gè)子載波帶寬,真是彪悍啊!!!
圖4 F-OFDM的時(shí)頻資源分配方式
好了,第一個(gè)核心技術(shù)F-OFDM就介紹完了。聰明的大家一定會(huì)追問(wèn),F(xiàn)-OFDM解決了業(yè)務(wù)靈活性的問(wèn)題,對(duì)于5G,這就夠了嗎?當(dāng)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(hù),提升更高吞吐率的問(wèn)題啊。
還是用火車(chē)的例子吧,雖然我們針對(duì)不同業(yè)務(wù)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(chē)?yán)铮b更多的人呢?偉大的人民總是有無(wú)窮無(wú)盡的智慧,最簡(jiǎn)單的辦法請(qǐng)往下看,系統(tǒng)容量瞬間翻番不是夢(mèng)啊。
圖5 系統(tǒng)容量翻番案例
不過(guò)等等,這樣系統(tǒng)容量是擴(kuò)大了,但是用戶(hù)都擠在一起,徹底沒(méi)法區(qū)分了,多用戶(hù)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(guò)F-OFDM已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在頻域和時(shí)域的資源靈活復(fù)用,并把保護(hù)帶寬降到了最小,為了進(jìn)一步壓榨頻譜效率,還有哪些域的資源能復(fù)用呢?最容易想到的當(dāng)然是空域和碼域啊!
空域的MIMO技術(shù)在LTE時(shí)代就提出來(lái)了,在5G時(shí)代會(huì)通過(guò)更多的天線數(shù)來(lái)進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)光大。那碼域呢,在LTE時(shí)代它好像被遺忘了,在5G時(shí)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(gè)核心技術(shù)SCMA(Sparse Code Multiple Access),正是采用這一思路,引入稀疏碼本,通過(guò)碼域的多址實(shí)現(xiàn)了頻譜效率的3倍提升,下面我們來(lái)詳細(xì)探究一下。
F-OFDM已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了火車(chē)座位(子載波)根據(jù)旅客(業(yè)務(wù)需求)進(jìn)行了自適應(yīng),進(jìn)一步提升頻譜效率就是需要在有限的座位(子載波)上塞進(jìn)更多用戶(hù)。方法說(shuō)來(lái)也簡(jiǎn)單,座位就那么多,大家擠擠唄。
打個(gè)比方,4個(gè)同類(lèi)型的并排座位,我們完全可以塞6個(gè)人進(jìn)去擠一擠嘛,這樣不就輕松的實(shí)現(xiàn)了1.5倍的頻譜效率提升了嗎?聽(tīng)起來(lái)道理很簡(jiǎn)單吧,可是實(shí)現(xiàn)起來(lái)可不簡(jiǎn)單哦。這就涉及SCMA的第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)—低密度擴(kuò)頻,把單個(gè)子載波的用戶(hù)數(shù)據(jù)擴(kuò)頻到4個(gè)子載波上,然后6個(gè)用戶(hù)共享這4個(gè)子載波(參見(jiàn)圖6)。之所以叫低密度擴(kuò)頻,是因?yàn)橛脩?hù)數(shù)據(jù)只占用了其中2個(gè)子載波(圖中有顏色的格子),另外2個(gè)子載波是空的(圖中白色的格子),這就相當(dāng)于6個(gè)乘客坐4個(gè)座位,那每個(gè)乘客的屁股最多坐兩個(gè)座位嘛。這也是SCMA中Sparse(稀疏)的來(lái)由。
為啥一定要稀疏呢?如果不稀疏就是在全載波上擴(kuò)頻,那同一個(gè)子載波上就有6個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù),沖突太厲害,多用戶(hù)解調(diào)徹底就沒(méi)法干啦。
圖6 SCMA原理圖
但是4個(gè)座位(子載波)塞了6個(gè)用戶(hù)之后,乘客之間就不嚴(yán)格正交了(每個(gè)乘客占了兩個(gè)座位啊,沒(méi)法再通過(guò)座位號(hào)(子載波)來(lái)區(qū)分乘客了),如圖所示,單一子載波上還是有3個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)沖突了,多用戶(hù)解調(diào)還是存在困難啊。
這時(shí)候我們就用到了SCMA第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù),叫做高維調(diào)制。高維調(diào)制這個(gè)概念非常抽象,因?yàn)槲覀儌鹘y(tǒng)的IQ調(diào)制只有兩維啊,幅度和相位,多出來(lái)的維代表啥呢?這里需要大家開(kāi)一下腦洞,想象一下三體世界里半人馬座α星人把一個(gè)質(zhì)子展開(kāi)到多維空間雕刻電路后再降維的過(guò)程,最終一個(gè)質(zhì)子變成了一個(gè)無(wú)所不能的計(jì)算機(jī),質(zhì)子還是那個(gè)質(zhì)子,不過(guò)功能大大增強(qiáng)啦。
同樣,我們通過(guò)高維調(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(hù)的星座點(diǎn)之間歐氏距離拉的更遠(yuǎn),多用戶(hù)解調(diào)和抗干擾性能大大增強(qiáng)了。每個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)都使用系統(tǒng)分配的稀疏碼本進(jìn)行了高維調(diào)制,而系統(tǒng)又知道每個(gè)用戶(hù)的碼本,就可以在不正交的情況下,把不同用戶(hù)最終解調(diào)出來(lái)啦。這就相當(dāng)于雖然我沒(méi)法再用座位號(hào)來(lái)區(qū)分乘客,但是我給這些乘客貼上不同顏色的標(biāo)簽,結(jié)合座位號(hào)我還是能夠把乘客給區(qū)分出來(lái)。
就這樣,SCMA在使用相同頻譜的情況下,通過(guò)引入碼域的多址,大大提升了頻譜效率,通過(guò)使用數(shù)量更多的載波組,并調(diào)整稀疏度(多個(gè)子載波中單用戶(hù)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(guān)于F-OFDM和SCMA我們就介紹到這兒吧,相信有了這兩大空口關(guān)鍵技術(shù)支撐, 5G時(shí)代將帶給我們更多革命性的業(yè)務(wù)體驗(yàn),讓我們拭目以待吧!