目前,一共有15种非正交多址技术的候选方案在竞争,如果中国的三种方案想获得成功,仍需尽快解决各自候选方案中潜在的技术问题,才能增大中选的可能。
高频段通信:需统一划定
未来5G系统将面向6GHz以下和6GHz以上全频段布局,以综合满足网络对容量、覆盖、性能等方面的要求。目前,6GHz以下的低频段拥挤不堪,6GHz以上的高频段研发不足,这是对未来海量的5G频谱需求最大的挑战:1)高频段频谱信道具有很多新的特征,比如高路损、高散射和对动态环境敏感等,需要理论界进一步的研究。2)元器件成本高昂,对RF功能组件的成本控制不利,也对移动终端提出了新的要求。3)最重要的是,需要全球统一划定可以使用的高频段,识别出6GHz—100GHz当中的最佳频谱。所谓的“最佳”,就是不仅具备优秀物理特性,还得适合国际间的协调,同时也要照顾到目前军队、卫星通信及其他行业的实际使用情况。可以预见到,全球统一的高频段频谱的划定也必然是一场不见硝烟的技术战争。
新型多载波:三种技术呼声最高
5G新空口多载波技术将全面满足移动互联网和物联网的业务需求。选择新的波形类型时有许多因素要考虑,包括频谱效率、时延、计算复杂性、能量效率、相邻信道共存性能和实施成本。截至目前,业内呼声最高的3个候选技术是:F-OFDM、FB-OFDM和UF-OFDM.这三种多载波技术的共同点是:均采用了滤波器机制,具有较低的带外泄露,可以减少保护带开销。子带间能量隔离,不再需要严格的时间同步,有益于减少同步信令开销。但良好的滤波器设计及滤波器输入参数是三种技术的实现关键。最优的滤波器设计,要求是带内近似平坦并且带外陡降,滤波器所带来的信噪比和误包率损失可忽略,而陡降的带外泄露也可以大幅降低保护带的开销。此外,还需要考虑实现复杂度、算法复杂度等约束条件。
FB-OFDM原理方案中所使用的滤波器组是以每个子载波为粒度的。通过优化的原型滤波器设计,FB-OFDM可以极大地抑制信号的旁瓣,而且与UF-OFDM类似,FB-OFDM也通过去掉CP的方式来降低开销。UF-OFDM和F-OFDM方案中的滤波器组都是以一个子带为粒度的。两者主要差别是:一方面,UF-OFDM使用的滤波器阶数较短,F-OFDM需要使用较长的滤波器阶数;另一方面,UF-OFDM不需要使用CP,而考虑到后向兼容的问题F-OFDM仍然需要CP,其信号处理流程与传统的OFDM基本相同。FB-OFDM旁瓣水平低,降低了对同步的严格要求,但是滤波器的冲激响应长度很长,所以FB-OFDM的帧较长,不适用于短包类通信业务。UF-OFDM是对一组连续的子载波进行滤波处理,可以使用较短滤波器长度,支持短包类业务,但UF-OFDM没有CP,因此对需要松散时间同步以节约能源的应用场景不适合。
先进编码调制:Polar码还需锤炼
3GPP RAN1在2016年10月里斯本会议和11月里诺会议中已形成如下决议:1)eMBB场景的上行和下行数据信道均采用flexible LDPC编码方案;2)eMBB场景的上行控制信道采用Polar编码方案;3)eMBB场景的下行控制信道倾向于采用Polar编码方案而不是TBCC(咬尾卷积码)方案,但仍需在以后会议中确认;4)uRLLC和mMTC场景的数据信道和控制信道的编码方案需要进一步研究。
Turbo Code 2.0、LDPC、Polar编码方案各有千秋,在编码效率上均可以接近或“达到”香农容量,并且有着低的编码和译码复杂度,对芯片的性能要求和功耗都不高。但由于LDPC和Polar编码更适应5G的高速率,低时延、大容量数据传输及多种场景的要求,事实上Turbo编码方案已经退出了竞争。在2017年,uRLLC和mMTC场景的数据信道和控制信道的编码方案将是LDPC和Polar编码方案的双雄竞争,从技术角度而言,LDPC和Polar编码方案难分伯仲。究竟在哪种场景、哪种信道选择哪种编码方案,市场、专利、产业链成熟度等恐怕是更重要的砝码。这里需要提到的是,LDPC码由于提出时间最早,其相关的专利已纷纷到期或接近到期,而Polar码最为年轻,专利年限相对较长。此外,LDPC已经在众多领域得到了广泛应用,产业成熟度非常高,而Polar码由于年限较短,暂时还没有明确的技术标准,也谈不上有多少应用。由此而看,Polar码如果想应用在uRLLC和mMTC场景中,难度较大。