专家有料|5G空口速率提升技术
Thu Sep 21 11:50:49 CST 2023 ICT专区 黄天明老师 ICT大赛辅导 32 阅读
5G大家都不陌生，5G通信技术实际上也是中国第一个在通信领域内引领全球的技术，华为等中国高科技企业早在十几年前就已经开始投资研发5G技术，取得了大量成果，为中国在国际5G通信标准制定中赢得了足够的发言权。5G技术，已经不仅仅属于通信领域的范畴，它将与大数据、云计算、人工智能等当今一系列高新技术进行融合，共同推动社会和经济的转型。也正因为5G技术的使能，推动了AR/VR/MR、自动驾驶、智慧城市等相关行业的飞速发展。
5G标准在制定过程中，重点考虑了三大类应用场景：增强型移动宽带（eMBB）、高可靠低时延通信（uRLLC）、大规模机器类通信（mMTC）。5G空口的速率直接服务于eMBB场景，使得用户在VR/AR/MR等应用中体验超越现实的沉浸，在4K/8K超高清视频直播中体验广色域真实感。今天，就带大家一起学习一下5G空口速率提升技术！ 5G空口速率提升技术分类
5G空口速率的提升，本质上表现为单位时间内基站与终端之间运送比特数量的提升。在日常生活中，也有类似的例子，如图1-1所示。
一条道路在单位时间内从A地运送乘客顺利到达B地，就好比单位时间内从基站运送比特流安全到达终端。所以，研究如何提升5G空口速率，可以类比研究一条道路在单位时间内如何运送更多的乘客到达目的地。
这是一个开放性的问题。通常来讲，我们可以想到以下3类方案，共5种方法。而这5种方法，刚好可以对应提升5G空口速率的5类关键技术：
1、拓宽道路：5G大带宽技术
2、修建立交桥：Massive MIMO技术
3、提高通行效率：
① 减少车辆之间的保护间隔→F-OFDM技术
② 在一辆车上携带更多的乘客→高阶QAM调制技术
③ 用更合适的车将乘客安全送达→Polar和LDPC编码技术
接下来，我们来逐一了解这些关键技术。
为了尽可能多的运送乘客到达目的地，最容易想到的便是拓宽A地到B地的道路，比如由原来的二车道拓宽至八车道。类似的原理也存在于5G空口速率提升的技术上。2019年世界无线电大会（WRC）上，国际标准组织讨论了5G全频谱接入的特性，定义了以下两个频谱范围---FR（Frequency Range）：FR1：410 MHz – 7125 MHz，属于低频频段，是5G的主用频段；其中3GHz以下的频率我们称之为sub3G，其余频段称为C-band。FR2：24250 MHz – 52600 MHz，常称为毫米波，属于高频频段，是5G的扩展频段，频谱资源丰富。 同时，标准组织又进一步定义了FR1和FR2频谱的带宽。如图2-1所示。
5G主流频段为FR1频谱的C-Band，其最大带宽可达到100MHz，相比4G系统最大的20MHz带宽，提升了5倍。在CBD中心、汽车站或火车站等人流密集区，需要应用FR2频谱来进行容量补充。当前协议中，其最大带宽可达到400MHz，相比4G系统最大的20MHz带宽，提升了20倍。随着标准协议的演进，后续可能出现800MHz，甚至1GHz以上的带宽定义。5G大带宽技术，直接拓宽了基站与终端运送比特流的传输通道，大大提升了5G空口速率。为了运送更多的乘客到达目的地，还可以在A地到B地之间修建高架立交桥，在空间上增加多条传输通道，如图2-2所示。
Massive MIMO（Massive Multiple Input Multiple Output）：大规模多输入多输出天线阵列，属于天线阵列的多天线形态。在4G系统中，已经实现了MIMO技术，2T2R MIMO的原理如图2-3所示。
图2-3 MIMO原理
利用基站侧2根发射天线空分复用的方式独立发送2路数据流到同样是2根接收天线的终端UE侧，其传输速率肯定是翻倍的。5G系统的Massive MIMO极大地提升了天线的数量，基站侧可配置64/128/256根天线，大幅提高了系统容量和传输效率，用于在用户密集的高容量场景提升用户体验。在用户终端完成配对的情况下，可以复用相同的时频资源，传输更多的比特流到达对端。当前系统配置下，用户完成配对后，5G Massive MIMO最多可以实现16个数据流，大大提升了小区的吞吐率，如图2-4所示。
5G的Massive MIMO技术，如同在基站与终端间修建了多层的立交桥，极大的提升了空口传输速率。
为了尽可能多的运送乘客到达目的地，我们还可以减少车辆之间的保护间隔，如图2-5所示。图2-5 车辆之间保护间隔
F-OFDM：Filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing，基于子带滤波的正交频分复用。F-OFDM是一项基础波形技术，属于5G新波形的一种，其本质也是通过减少5G频谱间的保护带宽，达到提升5G系统的传输带宽，进而提升5G空口速率的。在学习F-OFDM技术原理之前，我们需要了解一下5G系统带宽相关概念。 
图2-6 5G带宽相关概念
① 信道带宽：5G协议规定的系统带宽，比如FR1 频段，系统带宽最大可至100MHz；② 传输带宽：5G协议规定的有效传输带宽，以RB个数来约束，当前正用于业务的传输带宽部分，又称作激活资源块；③ 保护带宽：5G协议规定的介于系统带宽与传输带宽之间的部分，用于保护系统传输资源块不被外界干扰而设置，保护带宽可不对称。由于信道带宽不变，现在要提升有效传输带宽占比，就只能降低保护带宽的大小。F-OFDM的核心原理是通过优化滤波器的滚降系数，让基站在保证各类射频指标时，减少保护带宽的大小，使得系统可以获得更大的传输带宽，有效提高了系统的频谱利用率及峰值吞吐量。 图2-7 4G OFDM与5G F-OFDM对比
如图2-7所示，采用了F-OFDM技术，5G系统的保护带宽可减少至信道带宽的2%~3%，相对于LTE 90%的频谱利用率，5G的频谱利用率可提升至95%以上，当子载波间隔（SCS）为30KHz，信道带宽为100MHz的配置下，F-OFDM可使得系统频谱利用率达到98.28%的极致水平。为了尽可能多的运送乘客到达目的地，我们还可以在一辆车上携带更多的乘客，如图2-8所示
图2-8 车上携带更多的乘客
无线信道发送的数据称作比特（bit），是附加在符号（Symbol）上经过调制以后再发送，每个符号上携带的比特数量，会极大地影响空口传输速率。5G的高阶QAM调制技术，其原理就是经过调制以后，可以让每个符号携带更多的比特数，从而实现了空口速率的提升。当前最新的R17协议版本中，5G上行支持256QAM高阶调制，下行引入了1024QAM进一步提升空口传输速率。图2-9为4G和5G调制技术的对比。
如图2-9所示，64QAM调制方式，表示无线信道会有64种不同的波形，以64=26来表示，即每个符号携带6个比特，最终速率为符号速率的6倍。同样的道理，256QAM调制方式，以256=28来表示，其最终速率为符号速率的8倍，相较于64QAM，理论速率提升了33%。需要特别注意的是，调制阶数不能无限制地增加，阶数越高，对无线环境的要求也越高。我们在运送乘客的同时，为了保障一次性完成任务不需要折返，让乘客安全到达目的地，我们会采用更合适、性能更高的车辆，这也间接提高了运送的效率，如图2-10所示。图2-10 高性能车辆
LTE时代的Turbo信道编码，已经满足不了5G高带宽、低时延的要求。在Release 15协议版本中，3GPP定义了5G eMBB场景下的2种新信道编码：①Polar码（极化码）：eMBB控制信道编码。由土耳其Erdal Arikan教授在2008年提出，是世界上第一类能够被严格证明达到香农极限的编码，对小数据包编码性能尤其突出。②LDPC码（低密度奇偶校验码）：eMBB业务信道编码。由麻省理工学院Robert Gallager教授在1963年提出，性能好，复杂度低，通过并行计算，对高速业务支持好。5G新信道编码与4G Turbo编码的对比如图2-11所示。图2-11 4G和5G信道编码对比
5G采用了更高性能的信道编码，保证了基站与终端间数据传输的可靠性，提升了空口传输的效率，进而提升了5G空口传输速率。
众所周知，高速率是5G系统eMBB场景最主要的性能指标，本文介绍的5种关键技术，从各个层面上提升了空口传输效率，进而提升了5G空口速率。最后，给大家留一个思考题，以加深对所学知识的理解：
F-OFDM技术主要是采用了什么原理，使得5G系统的频谱利用率大大提升？
