北邮通信博士万字长文,带你秒懂 4G/5G 区别!

2019-06-24 11:05 稿源:CSDN公众号  0条评论

先进信道编码(LDPC/Polar码)

在所有数字通信系统中,信道编码和译码都是提高数据传输可靠性的重要组成部分。数字信号在传输过程中总会因为信道失真、噪声和干扰等影响,导致接收信号后译码产生误差,达不到实用要求。 

香农第二定理告诉我们,只要数据传输速率小于信道容量,就会存在一种编码,使误码率任意小。5G中新采用的LDPC码和Polar码就是目前性能优异的信道编码方案之二,它们都属于线性分组码。 

实际上当时5G中信道编码的候选方案有四种,其中三种毕竟有竞争力:接近香农极限的Turbo码、LDPC码和达到香农极限的Polar码。 

注:2G,3G,4G时代一直在采用Turbo码,而LDPC码在WiFi、固定通信等场景中得到使用,Polar码则是近些年编码领域的新星。 

由于信道编码是物理层最基本的技术,信道编码方案对系统的性能有直接影响。在20Gbit/s的峰值速率要求目标下,系统对用户面和控制的延迟要求很高,信道编码的译码器单次译码延迟需要控制在几到几十s以内,同时要求译码器有合理的芯片面积和功耗。 

根据5G系统对可靠性的要求,需要在eMBB场景在块误码率以上没有错误平层,在URLLC场景场景在块误码率以上没有错误平层。这个要求Turbo码很难满足,而且它的算法复杂度过高,虽然可以采用并行架构提升编译速度,但是随之而来的功耗提升和芯片计算能力要求也不利于实际使用。所以Turbo码是需要在5G标准中替换的。

 

      

Polar码是 2009 年由Erdal Arikan教授提出的新型线性分组码,主要是采用信道极化思想,利用极化而来的“理想信道”传输未知信息比特,利用“非理想信道”传输已知信息比特。对于这种方式,一些同学把它形象称为“放弃差生,提升优等生”。在诺基亚的研究中证明,Polar码在短码领域也存在显著的算法复杂度提升,它的算法复杂度要远远优于Turbo码和LDPC码,是短码中最优编码方案之一,目前被作为5G中控制信道的数据传输方案。 

注:3GPP目前采用循环冗余校验(CRC)辅助的Polar码方案,使Polar码获得接近甚至在短码上超过Turbo和LDPC码的纠错能力。在无线通信常用的中长码配置下,能够获得大约0.5dB的增益;短码配置下甚至能够获得大于1dB的增益。 

而LDPC码是 1963 年由Robert Gallager提出,它是根据奇偶校验矩阵来定义的一种线性分组码,通过稀疏非系统矩阵校验码块,并最终根据判决准则判断码字。

      

     

相比Turbo码,LDPC码具有较小的译码错误和译码复杂度,且码长大于 200 时无错误平层,并且可以实现并行操作,有利于硬件实现,且在长码字时算法复杂度优于Polar码,所以它被票选为5G中数据信道的传输方案。

先进的波形(Release15 中未定)

学通信的同学应该都对正交频分复用(OFDM)有相当深刻的印象,OFDM是目前主流通信标准都在采用的波形,包括3GPP LTE和IEEE 802.11(Wi-Fi)系列。当它被用作多址接入时,被称作正交频分多址接入(OFDMA)。

在LTE系统中,上行链路采用的是采用的是采用循环前缀的离散傅里叶变换-扩频OFDMA(DFT-s-OFDMA),下行链路采用的是单载波频分复用(SC-FDMA)。不得不说,SC-FDMA其实并不先进。 

实际上,传统的带有循环前缀的OFDM因为传输效率高,实现简单,与MIMO系统天然适合等优点,但是OFDM系统普遍要求精确的时钟同步来维持载波间的正交性,在实际应用中,普遍采用的方案是增加更多的时间同步信号和循环前缀来保证载波同步,这样却会带来更多的时间开销,这不利于5G中低延迟目标的实现;同时OFDM的带外辐射过高,峰均比过大等问题也需要解决。 

因此,各个通信厂商提出了滤波正交频分复用(Filtered-OFDM.f-OFDM)、滤波器组OFDM(FB-OFDM)等波形,来获得更高的时频效率和更好的带外辐射特性,以满足5G通信要求。目前华为提出的f-OFDM是呼声最高的一种选择。 

目前MIMO技术已经在5G系统中得到了广泛使用,FB-OFDM虽然带外衰减性能最好,但是与MIMO不宜结合,所以目前处境比较困难[5]。我们这就重点介绍一下f-OFDM技术。 

  

顾名思义,f-OFDM主要采取的措施是在发送前对OFDM信号进行滤波处理,这样的好处是可以获得更加灵活的信号设计方案,可以配置载波间隔、循环前缀、滤波器系数等参数,来满足5G的多样性需求和一种特殊的要求--软件定义空口。此外,f-OFDM也集成了OFDM中复杂度低、频谱效率高等优点,也可以通过配置克服OFDM中带外辐射高、帧结构固定等问题,甚至能通过DFT预编码来克服OFDM的均峰比过高的问题。 

注:3GPP86 次RAN会议上讨论并仿真了再新的PA模型下f-OFDM和OFDM的系统性能,结果显示在 3 个用户功率平均分配,保护间隔为 12 个子载波时,f-OFDM会获得1dB的性能提升。 

   

     

为了获得上述优点,f-OFDM所需要付出的仅仅是增加几个可配置滤波器,所以说f-OFDM是目前呼声最高的一种选择。 

此外,很多人认为OFDM波形用于多址接入很可能不能满足mMTC场景多址接入的需求,因此3GPP RAN1 在 2016 年中的会议决定:eMBB 场景 的多址接入方式应基于正交的多址方式(OFDMA),非正交的多址技术只限于 mMTC 的上行场景。

这样非正交频分多址(NOMA)也成为了一种研究热点,吸引了大量目光。华为的SCMA、中兴 MUSA 和大唐的 PDMA 等将在Release16 中竞争 mMTC 的上行多址方案。

可变帧结构/可变命理/极简载波

对比4G LTE,5G中最突出的配置是可变的numberology(符号长度和子载波间隔),因为可变命理,所以5G的帧结构可根据场景变化,且更加灵活,甚至因此可以为不同场景配置不同带宽。5G的命理(numberology)已经在3GPP 38. 211 中确定,所以这里可以详细聊一聊。   

在5G中,numberology主要由一个特定参数μ来代表,一般与子载波间隔间的换算关系是 KHz,当μ为 0 时,是最基础的子载波15KHz,具体的配置如下表所示:

  

   

如上所述,在5G/NR中支持多种numberology,并且根据numberology类型的不同,无线电帧结构略有不同。然而,不管numberology和μ如何,一个无线电帧的长度和一个子子帧的长度是相同的。无线电帧的长度总是 10 毫秒,子帧的长度总是 1 毫秒。

那它们为什么帧结构不同呢?

主要是因为每个子帧中的slots数目不同,以及slots中的OFDM符号数目不同。我们以正常循环前缀,μ为 1 时,子载波间隔30kHz这个配置为例。此时每个无线电帧中有 10 个子帧,每个子帧中有 2 个slots,而每个slots由 14 个OFDM符号组成,这样每个slots长度1ms/2=0.5ms。 

 

当正常循环前缀,μ为 2 时,子载波间隔是60kHz,此时每个无线电帧中有 10 个子帧,每个子帧中有 4 个slots,而每个slots由 14 个OFDM符号组成,这样每个slots长度1ms/4 = 0.25ms。

以此类推。

    

   

具体的帧长度配置可以查阅38.211-4.3.2- 1 表。

      

可变帧长度和可变命理使得5G的帧结构在毫米波、sub6G频段均可通用,且为跨频段的载波聚合和双连接奠定了基础,也使5G在URLLC场景可以通过更改帧结构,获得更低的延迟,在eMBB场景获得更多的子载波带宽,为以后的扩展奠定了基础。 

5G中帧结构的另一个改变是采用了极简载波的概念。

    

  

正如之前所说,LTE系统需要每10ms启用一次广播信号(红色部分),每5ms启用一次同步信号(图中蓝色为Primary synchronization,浅蓝色为Secondary synchronization),同时,LTE系统需要大量的小区参考信号(图中黑点)。5G中,因为可能采用更好的波形和更好的硬件,对OFDM信号正交性的要求降低,因此降低了同步要求,同时在把信令压缩,取消了所有的小区参考信号,每20ms同步和广播一次。 

这种极简载波设计极大的降低了信令开销,降低了延迟。

网络切片/虚拟化/C-RAN

在5G的设计中,需要支持物联网、语音、通话等等多种业务,而不同的业务场景对网络要求差异非常明显,不同业务指标需要的资源也完全不同,而且其中的一些参数是无法兼顾的。具体见下图:

  

     

如果想要在一张网络中同时支持多种场景,那么最好的方式是不同业务采用配置不同的网络路径,经过不同网元,这种技术被称为网络切片(Network Slicing)。那么很容易理解,网络切片的先决技术是需要能够通过软件控制各个不同的网元,也就是网络虚拟化或者被称为软件定义网(NFV/SDN)。

     

其实SDN已经在4G LTE网络中得到了很多广泛的应用,也已经比较成熟。SDN/NFV通过把传统的网络单元(MME,PCRF,P/S-GW)和基站(接入网单元,C-RAN)替换为放在机房中的虚拟机池,并通过软件控制。 

注:这里的机房可能放置在大型数据中心中(核心云),也可能放置在小型城镇的数据中心或者小型区域中(边缘云)。当基站的控制单元被放入机房,外部只留下AAU时,这些控制单元被称作云接入网(C-RAN)。 

这种方式可以带来很多好处,比如核心网络的功耗可以通过数据中心的集中管理得到控制,比如可以针对不同的业务配置不同的服务质量标准(QoS)等等。实际上,网络单元的云化和虚拟化也是大势所趋,能极大的降低运营商的运营成本,这也是运营商的根本利益。所以移动、联通和电信等运营商对SDN,NFV和C-RAN等网络虚拟化技术有很高的渴望。

其它

狭义来说,5G仅仅是一个跨越物理层和MAC层的无线通信技术合集,定义了一个无线通信系统,而系统中的各种技术应用都是牵一发而动全身的,比如因为网络虚拟化的应用,5G波形很有可能会采用f-OFDM来获得更灵活的空口配置,实现软件定义空口这个概念;比如因为新型波束的采用,信令部分可以放宽对时间同步的要求,从而采用更简化的信令设计;比如因为massive MIMO的采用,基站接入部分就需要制定良好的波束管理和新的初始接入方案;而因为毫米波基站和小区覆盖的下降,又带来两个新特性: 

超密集网络部署和微波接收回传一体化 

现实中,因为5G即将采用的毫米波传输和sub 6G基站的覆盖范围都远不及4G时代,所以基站密集部署(Ultra Dense Deployment)将会是一个现实情况;运营商需要通过缩短各个发射节点之间的距离,改善网络覆盖范围,以促使终端在热点区域获得更多频谱,并让用户在边缘区域也获得更好的性能。

   

当用户同时被多个基站覆盖时,就会因为子载波频段被同时占用而存在可能的小区间干扰问题,超密集网络会带来更严峻的小区间干扰挑战,网络异构也将会成为未来的现实。 

不过超密集网络也存在一些好处,比如因为毫米波基站的大带宽,所以从从核心网络到基站部分的数据传输(前传和回传)有可能通过闲置的毫米波频带,通过毫米波基站接力来完成,传统的前传解决方案是纯光纤前传,在国外的一些无法部署光纤地区,存在微波回传基站。

这种技术,我们称为微波接收回传一体化。有望可以降低运营商承载网络的组网成本。 

边缘计算

5G中为了使网络虚拟化,在接入网采用了C-RAN技术,它将基站控制单元放置在基带池中,那么基带池就成为了一个天然的小型数据中心。这样的小型数据中心有能力为基站池所服务的范围内用户提供一些计算/储存等缓存。这种方式我们成为边缘计算。

边缘计算可以创造出一个高性能、较低功耗、低延迟和高带宽的电信级网络服务环境,可以被扩展为城镇级或者小区级的小型数据中心。它可以解决很多亟需低延迟的应用问题,比如云游戏。 

运营商本身也能通过边缘计算扩展自身的业务范围,提供超低延迟的特殊云服务,而不是仅仅局限于担当单一的传输管道。 

作者简介:崔原豪,北京邮电大学通信博士,芬兰阿尔托大学联合培养博士,知乎通信领域优秀回答者(知乎昵称“甜草莓”),知乎 2018 年度荣誉知友。通信很大,想和大家一起去看看。

参考文章: 

[1] Series M. IMT Vision–Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[J]. Recommendation ITU, 2015: 2083-0.

[2] Wang C X, Haider F, Gao X, et al. Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks[J]. IEEE communications magazine, 2014, 52(2): 122-130.

[3] 杜渐, 5G毫米波频谱规划及标准化工作概况.

[4] 徐俊, 彭佛才, 许进. 5G NR 信道编码研究[J]. 邮电设计技术, 2019 (3): 16-21.

[5] Huawei, HiSilicon. OFDM Based Flexible Waveform for 5G: R1-162152 TSG-RAN WG1 #84bis[S]. 3GPP, 2016

[6] 3GPP TSG RAN WG1 Meeting NR#3 : R1- 1716650 Comparison of PBCH DMRS mapping schemes

[7] 3GPP TSG RAN WG1 Meeting NR#3 : R1-1715841 Remaining Details on PBCH design and contents

[8] 3GPP TSG RAN WG1 Meeting AH_NR#3 : R1-1716609 - On remaining details of NR DL DMRS

[9] 3GPP TSG RAN WG1 NR Ad-Hoc#3 : R1-1716574 - Discussion on time domain resource allocation

[10] 5G New Radio (NR) : Physical Layer Overview and Performance,Nokia.2018

[11] Understanding the 5G NR Physical Layer, Keysight Technology.

[12] 白皮书 | 5G展望: 未来趋势实务指南,Skyworks.

声明:本文转载自第三方媒体,如需转载,请联系版权方授权转载。协助申请

相关文章

相关热点

查看更多