5G统一空口协议栈设计

        随着无线通信的高速发展，业界一致认为未来5G系统应该是一张统一的网络，该网络能适应各种不同的应用场景。5G支持的应用场景，大致可以分为3种：增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broad Band，eMBB）、海量连接（Massive MTC，mMTC），以及低时延高可靠（Critical MTC，cMTC）通信。这三类应用场景具有截然不同的需求，增强型移动宽带追求高容量、高速率，但对连接数以及可靠性相对不是很敏感；海量连接主要追求的是海量节点的高效接入，且追求低功耗、低成本，但数据传输速率不是很高；低时延高可靠则主要考虑数据传输的时延和可靠性要求，并不追求接入的节点数量，一般数据传输速率也不要求很高。相比于前几代无线接入网，5G接入网还需要具有灵活和开放的特征，即5G接入网需要能快速应对各种个性化的需求，且能对外提供标准化的接口，使得各种类型的用户都能使用5G接入网这个平台来完成特定的任务。因此，如何设计5G接入网统一空口（Unified Air Interface）来有效且灵活开放地支持各种不同类型的业务，是目前当务之急。

　　3G/4G空口协议栈能有效支持移动宽带数据传输，因此5G统一空口协议栈可以以此为设计出发点，对3G/4G空口协议栈进行扩展。

　　中兴通讯设计的5G统一空口协议栈主体结构如图1所示。

　　5G统一空口协议栈引入“L1-”层：抽象物理层。“L1-”层是对各种不同业务在物理层上的共同点抽象，因此“L1-”层对各种不同业务、不同频段透明。这里所谓的共同点并不是指完全相同，而是指经过简单配置就能达到相同。目前能辨识的“L1-”层的内容主要包括波形和帧结构参数。对于波形，CP-OFDM在LTE中已经得到广泛使用，因此5G波形的选择应该能和CP-OFDM共存，即5G的波形只需对CP-OFDM进行适当改动以适应某些场景的需求，如低的带外泄露、低要求的时域和频域同步等，同时也能方便地回退到CP-OFDM。一种比较好的波形是FB-OFDM。该波形是对CP-OFDM进行子载波级别的滤波，可以采用高效的多相滤波器设计，同时具有较低的带外泄露和对频域同步的鲁棒性，CP或者被多相滤波后符号的拉长能够对多径无线信道具有较好的鲁棒性。总体来看，CP-OFDM和FB-OFDM的差别只是FB-OFDM相比CP-OFDM多了一个多相滤波器，如果把多相滤波器定义为1拍，则实现了FB-OFDM到CP-OFDM的完美回退。5G系统有多种业务，承载在不同的频段上，其帧结构参数也应该不同，但是为每种业务、每个频段都设计一套独立的帧结构参数，不是一个好方法。一种比较高效和灵活的做法是采用可扩展的设计。我们以LTE中的帧结构参数作为起点，定义一个“scalable factor S”，然后所有参数都是由这个参数控制，如采样频率、子载波间隔、符号长度、CP长度等。只要配置好这个参数，在帧结构意义上可以支持不同的业务和不同的频段。如在高频段，我们可以配置较高的“scalable factor S”，从而支持较大的带宽，使用较大的子载波间隔、较短的符号长度、较短的CP长度以及较短的TTI等。

　　L1/2/3采用切片设计。由于不同的业务具有不同的需求，因此对L1/2/3需要进行个性化的设计。对于移动宽带业务，L1层主要关注Massive MIMO、SVC、高频段波束跟踪等技术，而且由于其子业务也比较丰富，需要完整的L1/2/3协议栈结构。对于海量连接业务，L1层主要关注如何能高效地支持海量连接，非正交接入机制MUSA是一个比较好的选择。MUSA能实现在单个时频资源上复用超过3倍的单个连接，具有超过300%的过载率，且具有较低的复杂度。相比于移动宽带业务，海量连接本身的业务数据比较小，因此其L2/3协议栈不能完全重用移动宽带业务的L2/3协议栈，需要进行重组和合并以减少协议栈的开销。低时延高可靠业务中的低延迟需要协议栈的极端简化，因此很多信道终结于L1层，并不需要完整的L2/3协议栈；而高可靠性需要不同层面的分集和冗余，因此其L1/2/3也具有不同特点，如在L3上定义多连接，L2上定义纠错码，L1层采用频率、时间和或空间的分集等。

　　“L3+”层为业务感知层。传统接入网一般不定义业务，或者使用比较弱的机制来控制数据流。但是在5G系统中，由于接入网要支持不同的业务、不同的频段，因此需要引入一个业务感知层。该层主要用于核心网到接入网的承载，同时在接入网中比较精细地区分不同的业务，从而确定其走不同的切片以及配置“L1-”层相应的传输参数。

　　引入电信级操作系统，是5G统一空口协议栈的一个远期目标。目的是让接入网更加开放。操作系统平台和5G统一空口的各个层相连，对外提供标准接口API，供运营商、设备商、第三者开发商，甚至个人进行按需开发和定制。

　　以上介绍了5G接入网从协议栈角度进行统一空口设计的几个方面。设计实现了5G空口统一化、灵活化和开放化的需求。

　　今年2月在巴塞罗那举行的2016世界移动通信大会上，中兴通讯展出了基于多用户共享接入（MUSA）技术的多址原型机和基于正交频分复用（FB-OFDM）波形技术的5G物联网技术测试平台，在不增加任何空口资源的前提下，接入用户数可提升3~6倍，是实现海量连接的有效解决方案。

　　相信中兴通讯提出的5G统一空口设计理念必将为未来5G的多样化业务、多样化频段提供统一的接入机制，从而满足包括运营商在内的多方客户对未来5G网络的长远需求。