5G: 全频谱、新架构、新空口


5G将创生革命性的应用和体验,使能万物移动互联,将具备以下几个明显特征:

  • • 10Gbps的峰值速率
  • • 1ms的超低时延
  • • 1000亿的联接数量

这些特征除了要求更多频谱外,还需要革命性的技术创新,包括空口技术和网络架构。华为早在2009年就开始5G研究,目前已经在全频谱、新架构、新空口等关键技术方面实现全面突破。

1. 全频谱

5G将以6GHz以下的低频为主要接入频段资源,同时以6GHz以上的高频作为补充,用于热点和室内部署。现有的全球移动网构建在低频无缝组网的基础上, 而5G网络继续以6GHz以下为主要接入频段资源,则无需新建网络,而是直接升级现有网络基础设施,重用站址资源,提升频谱效率,从而保护运营商的投资。相对而言,6GHz以上的高频组网在技术上还不能支撑广域移动网。预计在5G建网之时,每个运营商需要在6GHz以下为5G分配100 MHz的频谱资源。

华为已经发布了世界首个工作于6GHz频段以下的5G样机,其峰值速率达10.32Gbps,同时也发布了世界峰值速率最高的毫米波系统,速率达115Gbps。

2. 新架构

5G将支撑移动互联网和垂直行业的多种业务。这些业务对网络的需求不仅仅是网速, 还有联接数量以及时延等高度多样化的需求。这就要求5G的网络架构能够灵活适配各类业务。华为提出的5G新架构将基于SDN/NFV,实现一个物理网络通过虚拟切片连接千百行业。5G新架构有3个关键点:

行业业务定义的网络切片(Industry Defined Network Slicing)

5G承载的各行各业的业务需求不同,是一个物理来满足还是多个物理网络来满足呢?我们的答案是前者,在同一个物理网络的基础上,基于不同的业务需求进行虚拟网络切片,来满足不同的业务场景。

以业务为中心的云架构(Service Oriented Cloud-Formation)

SDN/NFV为以业务为中心的云化架构提供了坚实的基础。5G基于通用硬件,实现资源统一调度和网络功能虚拟化。逻辑架构中,控制面和用户面分离,进一步简化网络。而物理部署上可根据业务需要,将其功能通过软件部署到相应的物理节点。如自动驾驶汽车的网络切片,其控制面和用户面都将下沉到距离用户最近的位置,以确保毫秒级的时延。

互联网化的业务运营(Internet Architectural Operation)

由于软硬件分离以及控制面和用户面分离, 5G网络架构将更加扁平化,需要一个互联网化的运营系统去支撑。所以需要引入互联网化的业务运营系统,最终用户、开发者、运营商、合作伙伴能够同时接入到一个运营平台。5G网络运营方能够快速的为来自不同行业的不同客户,快速、高效部署不同的网络功能,满足差异化的业务需求。

3. 新空口

空口是每一代移动通信技术区别于前一代的核心技术和关键区分点。5G将和3G、4G一样,引入革命性的空口技术,满足移动互联网和垂直行业差异化的业务需求,同时最大化频谱利用率。

华为在新空口方面实现全面突破,率先提出5G成套新空口技术,主要的技术包括:

1)基础波形F-OFDM(Filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

4G的OFDM波形子载波固定为15KHz。而F-OFDM的子载波灵活可变,能够适配各类业务,最大化频谱利用率。

该技术的应用将使5G 系统能根据不同的应用场景和业务需求使用不同的波形、多址接入方式以及不同的帧结构。Filtered-OFDM 可以支持不同的传输波形和OFDM 参数配置,不同的子带滤波器将OFDM 子载波分成若干组,每组可采用不同的子载波间隔、符号长度以及保护时间间隔。通过同时支持多组参数配置的灵活性,Filtered-OFDM 能为每个业务组提供更优的参数选择和资源配置,从而有效提升整个系统的频谱效率。

2)信道编码Polar Code(极化码)

极化码是目前唯一一个被证明达到香农极限的编码。在编码块足够大的前提下,极化码可以用简单的编码器和连续消除译码器达到香农容量,是5G 空口设计中前向纠错码(FEC)模块最佳的候选编码技术之一,其性能优于目前4G 系统中在用的信道编码,尤其适用于短码的场景。

3)多址接入技术SCMA(Sparse Code Multiple Access稀疏码多址接入)

SCMA 是5G 灵活新空口的新型多址接入技术,核心思想实现了一种新的非正交多址接入方式。由于SCMA在OFDMA基础上引入稀疏码,能够实现连接数300%的整体提升。此外,SCMA 接收端引入的多用户盲检测接收技术Grant Free,从而实现"到达即发送"(arrive to go)的零时延接入效果。SCMA 的多址接入可以支撑海量连接,降低传输时延,并节约终端能耗。

4)全双工

4G存在两种双工方式,即FDD和TDD。FDD指信号的接收和发送在不同的频点上进行,TDD指收和发在不同时间域上进行。而全双工技术能够支持在相同时间相同频率同时发和收。通过同时同频发射和接收信号,全双工技术有助于进一步增加系统容量和提升频谱效率,理论增益接近100%。

5)大规模阵列天线Massive MIMO

Massive-MIMO 技术通过在网络侧和终端侧都部署大规模天线,利用天线空间域的密集化阵列换取实际物理站点数,极大提升频谱效率。

根据华为实验室测试结果,在不增加天线和新站址的情况下,华为5G新空口技术能够实现3倍频谱效率提升。如果叠加大规模阵列天线技术Massive MIMO,频谱效率提升将远远不止3倍。