下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
通过第1.1节的内容可以看出，在NR标准化过程中，相比LTE技术做了大量的增强和优化。为了满足未来移动通信网络大带宽、低时延、高速率的基本目标，以及更灵活地支持垂直行业多样化业务的需求，NR从标准研究和技术方案设计之初，目标就是采用新架构、新空口、新参数、新波形、新编码、新多址等多项全新的关键技术。在正式的标准化制定阶段，每项关键技术都是经过审阅很多公司提交的方案研究报告和技术建议提案，经过多轮讨论和评估，综合考虑多方面的因素，进行一定的取舍和权衡，最终形成标准化的结论。从最终的NR标准化结果可以看到，有些新技术，如新参数、新编码等，最终形成了标准化方案，但也有一些在标准化过程中被充分讨论的关键技术，最终并没有在已经完成的R15和R16的版本中被标准化，如新波形和新多址这两项技术。下面对NR在标准化过程中对新技术的取舍进行一些简单的探讨和总结。
NR之所以需要设计灵活的参数集，是因为NR需要更好地支持多样化的业务需求。LTE标准中定义OFDM波形的子载波间隔（Sub-carrier Space，SCS）为固定的15 kHz，这种单一的子载波间隔的参数不能满足5G的系统需求。5G典型的3种业务eMBB、URLLC、mMTC对传输速率、空口时延、覆盖能力的指标要求是不同的，因此不同的业务需要采用不同的参数集（子载波间隔、循环前缀CP长度等）进行部署。相较于传统的eMBB业务，URLLC的低时延业务需要较大的子载波间隔来缩短符号长度进行传输，以降低传输空口时延。而大连接的物联网mMTC业务往往需要缩小子载波间隔，通过增大符号传输时长和功率谱密度来提升覆盖距离。而且NR需要不同参数集的业务在空口能够很好地共存，互不干扰。
基于OFDM系统的基本原理，OFDM波形的子载波间隔与OFDM符号长度成反比。由于改变子载波间隔可以对应地改变OFDM符号长度，从而可以直接决定一个时隙在空口传输的时间长度。考虑到NR要更好地支持不同的空口传输时延，同时也要支持大的载波带宽，因此NR最终支持了多种子载波间隔，SCS以15 kHz为基准并以2的整次幂为倍数进行扩展，包含15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz、240 kHz、480 kHz等多种子载波间隔的取值，伴随着SCS增加，对应的OFDM符号长度也等比例缩短。这样设计的目的是使得不同的子载波间隔的OFDM符号之间能够实现边界对齐，便于实现不同子载波间隔的业务在频分复用时的资源调度和干扰控制。当然，NR讨论之初，也考虑过以17.5 kHz为基准的子载波间隔，但经过评估，以15 kHz为基准的子载波间隔能更好地支持和兼容LTE与NR的共存场景和频谱共享的场景，因此，其他SCS参数集的方案就没有被采纳。
采用灵活可变的子载波间隔，可以适配不同的业务需求。例如，采用较大的SCS，可以使符号长度缩短，从而降低空口传输时延。同时，OFDM调制器的FFTsize和SCS共同决定了信道带宽。对于给定频谱，相位噪声和多普勒频移决定了最小的子载波间隔SCS。高频频谱的载波带宽往往比较大，且多普勒频偏也相对较大，因此高频频谱载波适合采用较大的子载波间隔SCS，既可以满足FFT变换点数的限制，又可以更好地抵抗多普勒频移。同理，针对高速移动场景，也适合采用较大的子载波间隔来抵抗多普勒频偏的影响。
基于如上分析，NR支持多种子载波间隔，从而具有很好的扩展性，灵活的参数集能很好地满足不同的业务时延、不同的覆盖距离、不同的载波带宽、不同的频谱范围、不同的移动速度等各种场景需求。可见，NR通过支持灵活的参数集和高低频统一的新空口框架，为5G多种业务的灵活部署和多业务共存奠定了良好的技术基础。
关于NR对新波形的需求，与前面讨论的灵活的参数集有相同的出发点，即NR需要支持多样化的业务需求。当不同的业务在空口通过不同的参数集（子载波间隔、符号长度、CP长度等）进行传输时，需要能良好共存、互不干扰。因此，新波形的设计目标是具有更高的频谱效率、良好的载波间抵抗频偏和时间同步偏差的能力、更低的带外辐射干扰、优良的峰均比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）指标，同时也能满足用户之间的异步传输和非正交传输。
众所周知，LTE下行方向采用的CP-OFDM（Cyclic Prefix-Orthogonal Frequency Division Multiplexing）波形具有一些固有的优势，如抵抗符号间干扰和频率选择性衰落的效果好、频域均衡接收机简单、易与MIMO技术相结合、支持灵活的资源分配。但CP-OFDM波形也有固有的劣势，如有较高的信号峰均比、CP的存在会有一定的频谱效率开销、对时间同步和频率偏差比较敏感、带外辐射较大、载波间干扰会导致性能下降等。基于NR需要满足支持多种新业务的需求，空口新波形设计的目标是需要根据业务场景和业务类型灵活地选择和配置适合的波形参数。例如，将系统带宽划分为若干子带来承载不同的业务类型，选择不同的波形参数，子带之间只存在极低的保护带或完全不需要保护带，各子带可以采用数字滤波器进行滤波，来消除各子带之间的相关干扰，实现不同子带的波形解耦，满足不同业务之间的灵活共存。
在NR新波形的标准讨论过程中，以CP-OFDM波形为基础，提出了多种优化的或全新的波形方案 [7] ~ [17] 。如表1-1所示，有十几种新波形的建议方案被提交，主要可以分为三大类波形：时域加窗处理；时域滤波处理；不做加窗和滤波处理。
表1-1 NR候选新波形
多载波时域加窗类的候选新波形有如下几种。
● FB-OFDM：Filter-Bank OFDM，滤波器组的OFDM。
● FBMC-OQAM：Filter-Bank Multi-Carrier Offset-QAM，滤波器组多载波。
● GFDM：Generalized Frequency Division Multiplexing，广义频分复用。
● W-OFDM:Windowing OFDM，时域加窗的OFDM。
● FC-OFDM：Flexibly Configured OFDM，灵活配置的OFDM。
● OTFS：Orthogonal Time Frequency Space，正交时频空间。
多载波时域滤波类的候选新波形有如下几种。
● F-OFDM：Filtered-OFDM，滤波的OFDM。
● UF-OFDM：Universal-Filtered OFDM，通用滤波OFDM。
● FCP-OFDM：Flexible CP-OFDM，灵活的CP-OFDM。
● OTFS：Orthogonal Time Frequency Space，正交时频空间。
单载波波形除了时域加窗和时域滤波方案外，候选新波形还有如下几种。
● DFT-S-OFDM：DFT-Spread OFDM，DFT序列扩频的OFDM。
● ZT-S-OFDM：Zero-Tail spread DFT-OFDM，零尾扩频DFT-OFDM。
● UW DFT-S-OFDM：Unique Word DFT-S-OFDM，单字DFT-S-OFDM。
● GI DFT-S-OFDM：Guard Interval DFT-S-OFDM，保护间隔DFT-OFDM。
3GPP对提交的多种候选新波形方案进行了评估和讨论，其中几种重点讨论的候选波形有F-OFDM、FBMC-OQAM、UF-OFDM等。新波形在子带或子载波间的正交性、频谱效率、带外辐射性能、抵抗时频同步误差等方面确实有一定的优势，但也都存在着一些问题，如性能增益不够显著、不能与CP-OFDM波形良好兼容、与MIMO结合的实现复杂度偏高、对碎片频谱的利用不足等。讨论的最终结论是并没有定义新的波形，而仅在标准中定义了NR的有效载波带宽、邻道泄露、带外辐射等具体的指标要求。为了保证这些技术指标要求，NR波形处理中可能用到的如时域加窗、时域滤波等技术方案，留给厂家作为自有的实现方案。最终NR维持了下行仍采用LTE的CP-OFDM波形，上行除了支持LTE的单载波DFTS-OFDM波形外，也支持CP-OFDM波形。这样做的原因主要是考虑到CP-OFDM波形的均衡和检测处理会相对简单，更适合MIMO传输，而且上下行采用相同的调制波形也有利于TDD系统上下行之间统一的干扰测量和干扰消除。
由于无线通信的空间传播信道会经历大尺度衰落和小尺度衰落，以及系统内和系统间的同频或邻频干扰，因此无线通信系统通常都会采用前向纠错码，保证数据传输的可靠性。信道编码作为历代无线通信系统中最重要的关键技术，被通信领域的技术人员持续研究和探索。早期的移动通信系统，如GSM、IS-95 CDMA等，一般都采用卷积编码，采用维特比（Viterbi）译码。后续3G和4G为了支持高速率多媒体业务和移动互联网业务，数据信道均采用了Turbo编码方案，控制信道分别采用了卷积编码和咬尾卷积码（Tail-bit Convolutional Code，TBCC）。5G需要满足大带宽、高速率、低时延、高可靠性的业务需求，这使得业界对5G的新编码充满了期待。
在标准化过程中，5G的数据信道编码选择主要聚焦在Turbo码和低密度奇偶校验码（Low-Density Parity-Check code，LDPC）之间进行选择。由于5G要承载的eMBB业务相比4G在系统吞吐量方面大幅提高，下行需要满足20 Gbit/s的峰值吞吐率，上行需要满足10 Gbit/s的峰值吞吐率。因此，尽管Turbo码在4G成熟应用，且在交织器方面做了并行处理的优化，但其在大码块译码性能、超高吞吐率译码时延等方面还是不能满足未来5G大带宽、高吞吐量的业务需求。LDPC编码虽然一直未在3GPP的前几代移动通信系统中使用，但这种编码方案已经被提出几十年了，且已经广泛用于数字视频广播（Digital Video Broadcasting，DVB）、无线局域网（WLAN）等通信领域中。LDPC具有译码复杂度低、非常适合并行译码、大码块高码率的译码性能好、具有逼近香农限的优异性能，使其天然适合5G的大带宽、高吞吐率的业务需求。从实际产品化和产业化角度来看，LDPC最终芯片化后在译码时延、芯片效率面积比、芯片功耗、器件成本等方面也都有明显的优势。3GPP经过几轮会议的讨论，最终确定LDPC编码为NR的数据信道的编码方案。
相比数据信道，控制信道编码的主要特征是可靠性要求更高，且编码的数据块长度较小。由于LDPC在短码性能上没有优势，因此NR的控制信道编码主要在4G的咬尾卷积码（TBCC）和Polar码之间进行取舍。Polar编码作为2008年才被提出的一种全新的编码方案，短码的优势非常明显。Polar码能够获得任意低的码率、任意的编码长度，中低码率的性能优异，且理论分析没有误码平层。经过充分评估，Polar码在控制信道传输方面的性能要更优于TBCC码，因此，最终确定了Polar码为NR的控制信道的编码方案。
可以说，NR采用了全新的信道编码方案替代原有4G的信道编码方案，一方面是由于5G新业务、新需求的驱动力，必须采用新的技术才能支持更高的性能需求。另一方面是由于信道编码在整个无线通信底层的系统方案和系统框架中的功能相对比较独立，信道编码方案本身的替换不会对其他功能模块产生影响。总之，5G采用全新的信道编码方案，为5G支持全新的业务和打造强大的空口能力提供了有力的底层关键技术的支撑。
在NR定义关键技术指标和选取关键技术之初，除了新波形、新编码等，还有一项被业界深入研究和探讨的关键技术—非正交多址接入技术。为了提高空口的频谱效率和用户的接入容量，无线通信系统从2G到4G，已经支持了时分、码分、频分、空分这几个维度的多用户复用技术。随着5G万物互联时代的到来，面向大规模物联网的mMTC场景，需要在单位覆盖面积内能容纳超高用户容量的接入，而非正交多址技术相比正交多址技术可以提供多达数倍的用户容量，是非常适合应用在大连接场景下的关键技术。国内外的很多企业都提出了自己的非正交多址技术方案，但在标准化过程中，非正交多址技术在R16版本仅作为一个研究项目开展了相应的讨论，并没有完成最终的标准化工作，即将开展的R17版本的项目范围中也没有包含非正交多址技术。非正交多址技术会在本书中的URLLC物理层章节中进行相关的介绍，这里不做展开性讨论。
总体来说，NR标准相比LTE做了大量的增强、优化和升级，是不兼容LTE的全新的设计。但客观分析，NR空口上更多的是针对系统设计方案的全面优化，如带宽增大、MIMO层数增多、参数集多样化、灵活的帧结构、灵活的资源分配方式、灵活的调度等。从无线通信关键技术和信号处理角度来看，NR仍然沿用了OFDM+MIMO的大体技术框架，采用的核心关键技术并没有本质性的突破和变革。当然，这并不否定NR技术的创新性，这是整个产业基于现有技术和需求做出的一个客观、合理的选择。
移动通信技术的目标和定位是在工业界大规模商业部署和应用，为整个社会、个人以及多个行业提供更好的信息化服务。移动通信产业链中各个环节包括运营商、网络设备制造商、终端设备制造商、芯片制造商等，也都需要能伴随着产业的发展和升级换代获得一定的商业价值和利益。通过NR标准化过程中对关键技术的选取，可以看出从产品化、工程化和商业化的角度，更加看重技术的实用性。设备开发实现的复杂度、开发成本、开发难度和开发周期等因素，都会是新技术选择的重要影响因素。另外，新技术的引入还要充分考虑系统性，某个方向技术升级或增强要能与已有的系统良好兼容，避免对现有技术框架造成较大的影响，不会对产业现状造成较大的冲击。当然，创新性的新技术永远都是令人期待的，不断探索和研究新技术、持续提升系统性能、创新性解决问题，是所有的通信从业人员和整个产业界不断追求的目标。