5G空口統一框架初探：軟件定義空口

摘要：提出了軟件定義空口（SDAI）的設計理念和框架，認為通過SDAI可以對多個無線空口功能模塊進行靈活編程配置，有效地滿足不同場景需求，是未來5G空口設計的基本理念。基于SDAI統一框架，幀結構、新波形、新型多址、調制編碼、雙工模式和多天線技術等可以自適應配置，使得無線信號對業務場景“量體裁衣”。另外，基本功能模塊的可編程性、可配置性和可共享性，都可有效地提升空口實現效率。

關鍵詞： 5G；軟件定義空口；靈活雙工；新型多址；新波形

Abstract： In this paper， the design concept and framework of software defined air interface （SDAI） is proposed. And it also points that the multiple wireless air interface function module can be flexibly programmed and configured by SDAI， which effectively meet the needs of different scenarios. Under the unified framework， the frame structure， waveform， new multiple access， coding & modulation， duplex mode， and antenna configuration can be adaptively configured. It provides a flexible composition of sets of radio technologies， and programmable and configurable functions and parameters tailored to the application scenarios. By this way， the efficiency of air interface can be greatly improved.

5G； SDAI； agile duplex； new multiple access； new waveforms

為了適應未來移動互聯網和物聯網的爆炸式增長，下一代移動通信系統（IMT-2020）已就應用場景、用戶需求、技術趨勢及其他領域全面展開討論。國際電信聯盟無線部（ITU-R）于2015年6月定義了3類典型應用場景：增強移動寬帶（eMBB）、大規模機器通信（mMTC）和低時延高可靠通信（URLLC）[1]。其中，eMBB一般考慮低頻和高頻兩種場景，URLLC在業務分類中也經常被超可靠機器通信（uMTC）替代，如圖1（a）所示。中國的IMT-2020推進組于2015年5月發布了5G概念白皮書，其定義了廣域連續覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠四大場景[2]。之后推進組于2015年底，具體細化了8個評估場景，如圖1（b）所示。

面對未來如此多樣化和差異化的業務，傳統單一的空口架構很難進行高效地支撐。中國移動基于“綠色、柔性和極速”的5G愿景[3]，提出了“軟件定義空口”（SDAI）的設計理念，以空口制定化的方式讓無線信號“量體裁衣”。其基本思想是通過物理層不同功能模塊的可配組合來滿足業務的多樣化需求，這些功能模塊包括幀結構、雙工模式、波形、多址、調制編碼、多天線技術以及頻譜動態適用等?；竟δ苣K的可編程性、可配置性和可共享性，及盡可能共享功能模塊，都可有效地提升空口效率。SDAI 通過優化的定制能力滿足eMBB、mMTC和uMTC 3類典型場景需求。

1 SDAI理念及框架

1.1 SDAI基本理念

傳統移動通信的演進一直以來都是以提升峰值速率和系統容量為主要目標，5G 將面臨更加多樣化的場景和極致的性能挑戰。采用傳統單一定制化的空口技術和參數設計無法滿足上述需求。面對5G極為豐富的應用場景和極致的用戶體驗需求，5G空口應該具備足夠的“彈性”來適配未來多樣化的場景需求，從而以最高效的方式滿足各場景下不同的服務特性、連接數、容量以及時延等要求。此外，未來5G空口設計需要能夠實現空口能力的按需及時升級，具備IT 產業敏捷開發、快速迭代的特征。從某種意義上講，5G將是“第1代多維度”通信系統標準，它將具備自我完善自我發展的能力。SDAI的目標是建立統一、高效、靈活、可配置的空口技術框架，可針對部署場景、業務需求、性能指標、可用頻譜和終端能力等具體情況，靈活地進行技術選擇和參數配置。最終，形成eMBB、mMTC和uMTC3類應用場景的空口技術方案，從而提高資源效率，降低網絡部署成本，并能夠有效應對未來可能出現的新場景和新業務需求[4]。

SDAI的基本理念可以概括為如下兩點：

（1）敏捷。SDAI通過可編程可配置功能，實現空口技術靈活構造，以及針對用戶和業務模式的參數裁剪能力；

（2）高效。SDAI構建統一框架，支持不同場景和接入技術，最大化共性功能，同時在保持最小化特殊功能情況下，提供特殊定制化服務。

敏捷性體現在SDAI能夠提供一個足夠多樣性的技術集合和相關參數集合，使得候選技術集合能夠支撐不同場景與業務的極端需求。高效性體現在技術方案的性能與復雜度之間的折中。一方面是候選技術方案的數量要控制在一定的范圍內；另外一方面是候選技術方案盡量使用統一的實現結構，復用相關實現模塊，以提高資源的利用效率，降低商用化成本。

1.2 SDAI技術框架

軟件定義空口的基本框架如圖2所示，其包含數據面以及控制面兩個層面。數據面由多個信號處理功能模塊構成。在控制面上，邏輯上的智能控制模塊將會測量和收集上下文環境信息，例如：場景、業務類型和信道條件等，并根據系統預設的性能指標來決策和配置相應的數據面信號處理模塊。此外，需要考慮上層協議棧重構以支持靈活統一空口管理的架構。

SDAI的挑戰主要來自兩方面：一是根據場景、業務及鏈路環境的空口自適應機制；二是典型場景下的空口技術集合選取。在空口自適應機制方面，考慮到典型場景及終端類型的相對固定性，以及用戶業務類型及用戶鏈路的動態變化特點，空口自適應可以考慮兩種不同時間粒度上的自適應配置：根據場景和部署的需要等進行半靜態配置；針對用戶鏈路質量、移動性、傳輸業務類型、網絡接入用戶量等動態變化的環境參數進行動態空口自適應配置。第1種半靜態配置方式，時間變化周期較長，可以通過小區廣播信道通知小區的空口配置情況，相應的空口配置可以依據5G場景歸納為幾種典型的無線空口技術配置；第2種動態配置方式，時間變化周期短并且具有用戶區分性，需要通過控制信道向用戶實時通知其空口配置參數，并且動態配置方式會以半靜態的配置為基礎，依據信道環境變化、上下行業務量、用戶移動性以及傳輸業務類型等瞬時變化。此外，考慮統一空口架構，可將空口的數據處理和參數配置分層，將數據處理層中的功能模塊通過標準的應用程序接口開放給空口配置層，空口配置層通過無線資源管理功能按需進行配置。

2 SDAI關鍵使能技術

SDAI的核心在于提高空口的靈活性，使得空口在承載不同業務時可以具有不同的傳輸特征以最佳匹配業務的需求。這種靈活的空口配置需要相應空口技術的支持，如統一自適應的幀結構、靈活的雙工、靈活的多址、靈活的波形、大規模天線、新型調制編碼及靈活頻譜使用等。

2.1自適應幀結構

自適應幀結構是實現SDAI靈活高效設計理念的基礎。其靈活設計可以支撐5G場景和業務的多樣性，統一架構可以減少干擾并實現高效性。SDAI幀結構類似一個容器，承載著多種無線空口技術。比如，對于mMTC業務，可能需要設計專門的窄帶系統；對于高頻段熱點場景，采用單載波技術，需要全新的幀結構設計；采用多載波技術，較大的子載波間隔是降低復雜度和峰均比及對抗頻偏影響的有效途徑。對于低時延業務，更短幀及更快速的上下行切換是實現低時延性能的保障[5]。此外，靈活雙工、新波形等新技術應用也需要新型幀結構進行支撐。圖3給出了一種帶內靈活幀結構的設計實例。其通過復用和綁定一些基本單元，可以提供可擴展的傳輸時間間隔（TTI），以匹配不同的業務。另外，基于非正交波形的幀結構，可以有效地支持異步傳輸。

2.2 靈活雙工

隨著未來上下行業務隨時空變化越加明顯，采用目前相對固定的時分雙工（TDD）資源分配無法適應動態變化需求。靈活雙工作為一種有效利用上下行資源的方式，可以動態配置時頻資源以適配上下業務流量；也可以在半雙工和全雙工方式間進行轉換，從而根據整個系統業務需求進行靈活調整[6]。應用靈活雙工以及全雙工需要解決該技術帶來的大量干擾問題，其干擾抑制是未來應用亟待解決的問題。全雙工和靈活雙工方式重點應用為孤站的熱點高容量需求場景，因為在此場景下，系統干擾主要是基站自身發射對接收的干擾和小區內干擾。通過引入云無線接入網（C-RAN）架構，基站可以進行聯合信號處理，全雙工和靈活雙工也可以應用在廣域連續覆蓋和熱點高容量連續覆蓋場景[7]。圖4為一種靈活雙工幀結構實例。其每個子幀均可任意為上行傳輸或者下行傳輸，不再局限于現有系統中的固定上下行配置。

2.3 靈活多址

當前5G多址技術主要包括現有的正交多址技術：正交頻分多址（OFDMA）、單載波頻分多址（SC-FDMA），以及正在研究的多用戶共享接入（MUSA）、非正交多址（NOMA）、圖樣分割多址（PDMA）和稀疏碼分多址（SCMA）等非正交多址技術[8]。面對5G更為多樣化的業務場景，需要靈活的多址技術匹配不同的場景與業務需求。新型多址技術主要面向低功耗大連接場景和低時延高可靠場景，目標是針對物聯網場景，在滿足一定用戶速率要求的情況下，盡可能地增加接入用戶數量，同時支持免調度接入，降低系統信令開銷、時延和終端功耗。其中，非正交多址接入技術通過多個用戶在時域、頻域、空域或碼域上的復用，可大大提升用戶連接數。由于用戶有更多機會接入，網絡整體吞吐量和頻譜效率可顯著提升。此外，面對低延時或低功耗的業務場景，采用非正交多址接入技術可以更好地實現免調度競爭接入，實現低延時通信，并且減少開啟時間，降低設備功耗。

2.4 靈活多天線

大規模天線是5G關鍵技術之一，由于空間自由度的大幅度提高，可以有效地提升系統譜效、能效、用戶體驗及傳輸可靠性，同時也為異構化、密集化的網絡部署提供了靈活的干擾控制與協調手段。未來主要應用場景有廣域連續覆蓋和熱點高容量。廣域宏基站部署對天線陣列尺寸限制小，使得在低頻段應用大規模天線技術成為可能。其可以發揮高賦型增益等特點增強小區覆蓋并提升小區邊緣用戶性能。另外，預波束跟蹤等先進技術可以對高速移動場景進行支撐。在熱點場景，大規模天線和高頻段通信可以很好地結合，支持極高的速率傳輸[9]。分布式天線與新型網絡構架可以有機地融合，實現異構化、密集化的網絡部署。

2.5 靈活波形

OFDM作為無線寬帶傳輸技術，不僅在4G中廣泛使用，也是5G重要候選波形。基于濾波器的新波形技術[10]，例如通用濾波多載波（UFMC）、基于濾波的OFDM（f-OFDM）、 廣義頻分復用（GFDM）、濾波器組多載波（FBMC），可以有效地降低帶外泄露，且不需要嚴格的同步，可以滿足未來急劇增長的窄帶小包業務傳輸需求和異步海量終端接入，并支持碎片化的頻譜接入。對于毫米波頻段，考慮到功耗、復雜度等問題，單載波成為可能的技術候選。對于高速場景，正交時頻偏移（OTFS）波形由于對多普勒頻偏的魯棒性，引起了學業界和產業界廣泛的注意。目前，如何設計合理波形以滿足5G典型場景的挑戰，以及如何實現多種波形的靈活聚合，以同時提供多樣化的業務體驗，是亟需解決的關鍵問題。圖5描述了一種新波形發射機實現結構，其最小化硬件功能單元以降低復雜度，并通過靈活參數配置，實現多種不同的波形方案。例如，如果5G采用帶內支持eMBB和mMTC兩種業務，此架構可以生成OFDM匹配eMBB，同時可以生成非正交波形以匹配mMTC業務。

2.6 高級調制編碼

Turbo編碼與正交振幅調制（QAM）已在現有系統中廣泛應用，但未來不排除一些新型的調制編碼技術。其中，面向eMBB場景下的大編碼塊，多元域低密度奇偶校驗碼（LDPC）具有更優異的碼字糾錯性能，且更容易和多天線、高階調制方式相結合，成為5G潛在的關鍵技術。極化碼具有優良的差錯性能且編譯碼復雜度相對更低，這一特點可以被用于增強覆蓋，提高傳輸效率，適用于廣域覆蓋、低功耗大連接等場景[11]。網絡編碼能夠通過多跳傳輸機制來增加系統的總吞吐量，也成為5G潛在的候選方案[12]。

2.7 靈活頻譜使用

面向eMBB大容量高速率場景，6 GHz以下的低頻段資源對增強覆蓋至關重要，高頻段大帶寬是熱點地區提升系統容量的有效手段。高低頻協作是滿足eMBB場景的基本方式。同時，新型的頻譜使用方式也是5G提升系統容量的重要補充手段，比如授權共享使用（LSA），允許多個運營商以同等的授權接入某些頻段[13]。mMTC場景通常是低速率的小包傳輸，覆蓋必須得到保障，因此低頻段（尤其是<1 GHz的頻段）具有更高的優先全。授權頻譜是mMTC的保障，其他頻譜使用方法有待研究。uMTC是低時延高可靠場景，因此需要授權頻譜保證其極高的可靠性要求，其他頻譜使用方法暫不考慮。5G典型場景各有不同的頻譜需求，因此5G必須在相應授權規則下，靈活地工作在不同的頻段，以靈活自適應的機制來實現系統操作和控制。

3 典型場景下的技術集合

通過分析5G關鍵使能技術特點及適用場景，在SDAI統一框架指導下，總結了典型場景下的候選技術集合，見表1。各技術方案應基于統一的架構實現，盡量復用相關實現模塊，以提高資源的利用效率，降低商用化成本。

4 結束語

從“綠色、柔性和極速“研發理念出發，我們提出了一種5G空口統一框架——軟件定義空口，它通過建立統一、高效、靈活、可配置的空口技術框架，可靈活地進行技術選擇和參數配置，以滿足多樣化業務和場景需求。SDAI能夠實現空口能力的按需及時升級，具備敏捷開發、快速迭代的特征。另外，我們還重點對SDAI的關鍵使能技術進行了介紹，給出了eMBB、mMTC和uMTC3類典型場景的空口技術集合，供產業參考。

參考文獻

[1] ITU-R WP5D. Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Beyond [R]. USA： ITU-R M， 2015

[2] 中國 IMT-2020（5G）推進組. 5G概念白皮書 [R]. 北京： IMT-2020， 2015

[3] CHUIH L I， ROWELL C， HAN S F， et al. Toward Green and Soft： A 5G Perspectiv [J]. IEEE Communications Magazine， 2014， 52（2）： 66-73

[4] 未來論壇5G SIG. Rethink Mobile Communications for 2020+ [R]. 2014

[5] HAN H F， CHUIH L I， XU Z K， et al. Full Duplex： Coming into Reality in 2020[C]//2014 IEEE Goble Communications Conference. USA： IEEE， 2014： 4776-4781. DOI： 10.1109/GLOCOM.2014.7037562

[6] DAI L L， WANG B C， YUAN Y F. Non-Orthogonal Multiple Access for 5G： Solutions， Challenges， Opportunities， and Future Research Trends [J]. IEEE Communications Magazine， 2015， 53（9）： 74-81

[7] 中國移動. C-RAN：無線接入網綠色演進白皮書V3.0 [R]. 北京： 中國移動， 2013

[8] HAN S F， CHUIH L I， XU Z K， et al. Large Scale Antenna Systems with Hybrid Analog and Digital Beamforming for Millimeter Wave 5G [J]. IEEE Communications Magazine， 2015， 53（1）：186-194.DOI： 10.1109/MCOM.2015.7010533

[9] WANG H L， PAN Z G， CHUIH L I. Perspectives on High Frequency Small Cell with Ultra Dense Deployment[C]//2014 IEEE International Symposium on Dynamic Spectrum Access Networks （DYSPAN）. USA： IEEE， 2014：263-270. DOI： 10.1109/ICCChina.2014.7008329

[10] WUNDER G， JUNG P， KASPARICK M， et al. 5GNOW： Non-Orthogonal， Asynchronous Waveforms for Future Mobile Applications [J]. IEEE Communications Magazine， 2014， 52（2）： 97-105. DOI： 10.1109/MCOM.2014.6736749

[11] ABBE E， TELATAR I E. Polar Codes for the M-User Multiple Access Channel[J]. IEEE Transactions on Information Theory， 2012， 58（8）： 5437-5448. DOI： 10.1109/TIT.2012.2201374

[12] PAN C K， LIU J J， HU Z P. Detection Algorithms for Physical Network Coding[C]// 2012 CHINACOM， 2012. USA： IEEE， 2012：63-67. DOI： 10.1109/ChinaCom.2012.6417449

[13] AHOKANGAS P， MATINMIKKO M， YRJOLA S， et al. Business Models for Mobile Network Operators in Licensed Shared Access （LSA）[C]//2014 Dynamic Spectrum Access Networks （DYSPAN）. USA： IEEE， 2014： 263-270