一、引言

長江后浪推前浪，4G建設方興未艾，5G 的討論已如火如荼。其中，空口技術作為移動通信王冠上的明珠，是每一代移動通信區別的最顯著標志，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，候選技術的璀璨星光已經讓我們目眩神迷，而華為提出的5G 系列化新空口技術，無疑是其中最閃亮的幾顆星星。

二、5G空口設計需求與挑戰

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大類應用場景，分別是增強型移動互聯網業務、海量連接的物聯網業務和超高可靠性與超低時延業務，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網絡的能力要求。

結合業界近年來對5G應用場景的討論可以看出，未來5G業務將呈現3個特點，而這3大特點也對空口設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，即移動互聯網，而5G除了進一步增強移動互聯網之外，還需要使能物聯網。5G時代的業務將空前繁榮，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要求的廣覆蓋、低功耗物聯網，對空口的設計要求差別巨大，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務需求，這在業界已達成共識。

2）長尾性

5G將擴展移動通信的邊界，擁抱垂直行業并成為其效率提升的助推器。但是相比移動互聯網業務，垂直行業的需求千差萬別。

同時，每個行業所能貢獻的收入也遠遠低于移動互聯網業務，是一個典型的長尾市場。

這種長尾性決定了在空口設計時，不可能為每一類行業需求定制一個空口，而是需要在統一的空口框架下，使用不同的參數配置來適配長尾化的垂直行業需求。

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，新的無法被預測的業務可能隨著某一次技術革新而野蠻生長。

德魯克曾說過“預測未來的最好方式就是去創造它”，因此，我們既要考慮業務的驅動，又要兼顧技術的適當超前，以應對未來業務的不確定性。

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）需要考慮統一的新空口

綜上所述，為了應對未來5G業務的多樣性、長尾性和不確定性，需要考慮統一的新空口，以極大的靈活性適配各類業務，并且面向未來。

此外，追求更高的頻譜效率始終是空口設計孜孜以求的目標，其對于降低運營商網絡部署的成本以及整個產業鏈的成熟和繁榮都至關重要。

三、5G新空口關鍵使能技術

為了應對上述挑戰，華為系統化地提出了5G新空口的理念和關鍵使能技術，全面覆蓋基礎波形、多址方式、信道編碼、接入協議和幀結構等領域，并攜手5G先鋒運營商進行了外場驗證。

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

1）新波形F-OFDM

基礎波形的設計是實現統一空口的基礎，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將高速率數據通過串/并轉換調制到相互正交的子載波上去，并引入循環前綴，較好地解決了令人頭疼的碼間串擾問題，在4G時代大放異彩，但OFDM最主要的問題就是不夠靈活。

未來，不同的應用對空口技術的要求迥異，例如毫秒級時延的車聯網業務要求極短的時域Symbol和TTI，這就需要頻域較寬的子載波間隔。而在物聯網的多連接場景中單傳感器傳送的數據量極低，但對系統整體連接數的要求很高，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。

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長度等參數配置也就基本確定了。

如果將系統的時頻資源理解成一節車廂，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。這顯然不科學也不夠人性化，無法滿足人民日益增長的物質文化需要。對于5G，我們希望座位和空間都能夠根據乘客的高矮胖瘦靈活定制，硬座、軟座、臥鋪、包廂……想怎么調整都行，這才是自適應的和諧號列車。而F-OFDM正是基于這一思路。

F-OFDM能為不同業務提供不同的子載波間隔和Numerology，以滿足不同業務的時頻資源需求。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-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，靈活性與系統開銷一向是一對矛盾。但是，F-OFDM通過優化濾波器的設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。

總結一下，F-OFDM在繼承了OFDM的全部優點（頻譜利用率高、適配MIMO等）的基礎上，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5G空口切片的基礎技術。

2）新多址技術SCMA

多址技術決定了空口資源的分配方式，也是進一步提升連接數和頻譜效率的關鍵。通過F-OFDM已經實現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，那么為了進一步壓榨頻譜效率，還有哪些域的資源可以復用？最容易想到的自然是空域和碼域。

空分復用的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來進一步發揚光大。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了連接數的3倍提升。

如前所述，F-OFDM已經實現了火車座位（子載波）根據旅客（業務需求）進行了自適應，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，這樣不就輕松實現了1.5倍的連接數提升了嗎？

聽起來道理很簡單，可實現起來并不簡單。這就涉及SCMA的第一個關鍵技術低密度擴頻，將單個子載波的用戶數據擴頻到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，是因為用戶數據只占用了其中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個用戶的數據，沖突太厲害，多用戶解調徹底就無法實現了。

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）來區分乘客），單一子載波上還是有3個用戶數據沖突了，多用戶解調還是存在困難。

此時就用到了SCMA第二個關鍵技術，稱為多維調制。多維調制這個概念非常抽象，因為傳統的IQ調制只有兩維啊——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星人把一個質子展開到多維空間雕刻電路后再降維的過程，最終一個質子變成了一個無所不能的計算機，質子還是那個質子，不過功能大大增強了。

同樣，通過多維調制技術，調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，每個用戶的數據都使用系統分配的稀疏碼本進行了多維調制，而系統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出來。這就相當于雖然無法再用座位號來區分乘客，但是可以給這些乘客貼上不同顏色的標簽，結合座位號還是能夠將乘客區分出來。

綜上所述，SCMA通過引入稀疏碼域的非正交，在可接受的復雜度前提下，經過外場測試驗證，相比OFDMA，上行可以提升3倍連接數，下行采用碼域和功率域的非正交復用，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，結合免調度技術可以大幅降低數據傳輸時延，以滿足1ms的空口時延要求。

3）新編碼技術Polar Code

編碼技術的終極目標——香農極限：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。對于信道編碼技術的研究者而言，香農極限是無數人皓首窮經、孜孜以求的目標。

那什么是香農極限呢？香農第二定理指出：只要信息傳輸速率小于信道容量，就存在一類編碼，使信息傳輸的錯誤概率可以任意小，而狹義的香農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，香農極限大概在-1.6dB左右。但在現實中，實現無誤碼傳輸的代價太高，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，單位空間內能裝的杯子（信息凈荷）減少了，但顯然經過包裝之后，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）就是香農極限。

香農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，這可苦了編碼學家們，在過去的半個多世紀中提出了多種糾錯碼技術，例如RS碼、卷積碼、Turbo碼和LDPC碼等，并在各種通信系統中進行了廣泛應用，但是以往所有實用的編碼方法都未能達到香農極限，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。通過信道編碼學者的不斷努力，當前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，使各個子信道呈現出不同的可靠性，當碼長持續增加時，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雜度的代價，接近最大似然譯碼的性能。

總結下Polar碼的優點：

（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務應用（例如遠程實時操控和無人駕駛等），能真正實現99.999%的可靠性，解決垂直行業可靠性的難題。

（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網傳感器而言，可以大大延長電池壽命。

4）總結

重要的事情說3遍，最后再簡單總結下這3大空口物理層技術：F-OFDM是實現統一空口的基礎波形，結合靈活的Numerology以實現空口切片。SCMA和Polar Code在F-OFDM的基礎上，進一步提升了連接數、可靠性和頻譜效率，滿足了ITU對5G的能力要求。因此，這3大物理層關鍵技術成為構建華為5G新空口理念的基石。

四、技術競爭推動5G技術進步

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之爭，但最終大浪淘沙，歷盡沉浮，這些方向與技術在經過理論、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，所有的技術和方向都值得我們銘記和尊重，它們是產業智慧的結晶，并將最終推動5G技術的進步，讓我們共同期待5G開啟一個全新的超級聯接世界。

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