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5G 多址接入|带你读《5G空口特性与关键技术》之五

简介: 采用正交多址方式,用户间相互不存在干扰。采用非正交多址方式,每个用户的信号有可能与其他用户的信号相互叠加干扰,但是这种干扰通常在接收时可以采用信号处理的方式去除,以还原某个特定用户的信号。

第 2 章 5G 新空口关键技术

2.1.2 波形实现方式总结

| 2.2 5G 多址接入 |

从信息理论的角度看,无线信道是一个多址接入信道,多个不同的收发信机共享信道上的时/频/空间资源来进行数据收发。根据接入方式的不同,多址接入技术通常分为两大类,即正交多址接入(OMA,Orthogonal Multiple Access)和非正交多址接入(NOMA,Non-Orthogonal Multiple Access)。
采用正交多址方式,用户间相互不存在干扰。采用非正交多址方式,每个用户的信号有可能与其他用户的信号相互叠加干扰,但是这种干扰通常在接收时可以采用信号处理的方式去除,以还原某个特定用户的信号。

2.2.1 主要正交多址接入方式回顾

到目前为止,世界上大多数通信系统中采用的是正交多址接入方式,这种多址方式的特点是实现起来比较简单。它主要包含以下几个大类:
(1)频分多址:Frequency Division Multiple Access (FDMA);
(2)时分多址:Time Division Multiple Access (TDMA);
(3)正交频分多址:Orthogonal Frequency Division Multiple Access(OFDMA);
(4)码分多址:Code Division Multiple Access (CDMA);
(5)空分多址:Space Division Multiple Access (SDMA);
(6)极化多址:Polarization Division Multiple Access(PDMA)。
其中,TDMA、FDMA 和 CDMA 的基本原理示意如图 2-13 所示。
在频分多址(FDMA)方式下,系统的频率带宽被分隔成多个相互隔离的频道,每个用户占用其中一个频道,即采用不同的载波频率,通过滤波器过滤选取信号并抑制无用干扰,各信道在时间上可同时使用。为了确保各个隔离的子带间相互不干扰,每组子带间需要预留保护带宽。FDMA 是早期使用非常广泛的一种接入方式,实现起来非常简单,被应用于 AMPS 和 TACS 等第一代无线通信系统中。在频分多址中,由于每个移动用户进行通信时占用一个频率信道,频带利用率不是很高。随着移动通信的迅猛发展,很快就显示出其容量不足等问题。
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在时分多址(TDMA)方式下,用户分配到的是不同的时域资源。TDMA把时间分割成互不重叠的时段(帧),再将帧分割成互不重叠的时隙(信道),依据时隙区分不同的用户信号,从而完成多址接入。这是通信技术中最基本的多址接入技术之一,在 2G(如 GSM 和 D-AMPS)移动通信系统、卫星通信和光纤通信中都被广泛采用。TDMA 较之 FDMA 具有通信信号质量高、保密性好、系统容量大等优点,但它必须有精确定时和同步的特点,以保证移动终端和基站间的正常通信,因此,技术上相对复杂一些。此外,TDMA 用户在某一时刻占用了整个频段进行数据传输,因此 受到无线信道的频率选择性衰落(Frequency Selective Fading)的影响较大,接收端需要通过信道均衡技术来恢复原有信号。TDMA 和 FDMA 有时候会组合使用(如在 GSM 系统中),以便消除外部干扰和无线信道深度衰落的影响。
码分多址(CDMA)通常指的是直接序列扩展 DS-CDMA(相对于跳频FH-CDMA)。该技术的原理是基于扩频技术,将需要传送的具有一定信号带宽的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制,使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制后发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码,与接收的宽带信号做相关处理,把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号,以实现信息通信。CDMA 技术有很多的优点,如容量大、抗干扰能力强、网络规划简单等,在 2G(IS-95 cdmaOne)和 3G(WCDMA,cdma2000,TD-SCDMA等)中获得了广泛应用。
正交频分多址技术(OFDMA)和 FDMA 有相似之处,所不同的是 FDMA的各个子载波间相互之间没有重叠,而 OFDMA 的各个子载波间是相互重叠的。OFDMA 基于 OFDM 技术,它将整个 OFDM 系统的带宽分成若干子信道,每个子信道包括若干子载波,固定或者动态地分配给一个用户(也可以一个用户占用多个子信道)。它能有效地抵抗多径效应所带来的码间干扰,在频域也可以方便地使用均衡器矫正频率选择性衰落。OFDMA 是 4G 时代最重要的核心技术之一。
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空分多址(SDMA)的原理如图 2-14 所示,天线给每个用户分配一个点波束,这样根据用户的空间位置就可以区分每个用户的无线信号。换句话说,处于不同位置的用户可以在同一时间使用同一频率和同一码型而不会相互干扰。实际上,SDMA 通常都不是独立使用的,而是与其他多址方式如 FDMA、TDMA 和 CDMA 等结合使用,也就是说对处于同一波束内的不同用户再采用这些多址方式加以区分。SDMA 实现的核心技术是智能天线的应用,由于无线信道的多变性和复杂性,该技术难度较大,对于系统的数字信号处理能力是个较严峻的挑战。
移动通信从 1G 到 4G 的多址技术都采用了正交设计。到了 5G 时代,目前看来,在移动宽(eMBB)业务场景下,成熟的 OFDMA 技术仍然是一种重要的基础多址接入技术。但是在 mMTC 和 URLLC 场景下,非正交多址接入技术也是一种可能的选择。

2.2.2 主要非正交多址接入方案选项

5G 中由于存在三大类不同的用户业务场景,其对于多址接入也有着丰富的要求(见表 2-4),这就要求在标准化过程中针对不同的场景对不同的多址接入方案给予考量。
例如,在 LTE 系统中为了提高频谱效率,采用了严格的调度和控制过程,如用户的上行传送在正交的无线资源上进行独立调度。而在 mMTC 中,存在大量设备连接,发送的数据包又比较小,因此调度和控制方面的开销应当尽量降低,以免耗电大并且增加设备复杂度和成本。
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与此同时,正交多址接入虽然使得不同用户的数据在时间、频率、码域相互正交,但是经过无线信道的损害,在接收侧其相互间的正交性却很难保证。此外,采用正交接入方式时,用户的总数受到了正交资源数的约束。
因此到了 5G 时代,除了 4G 时代采用的 OFDMA,业界还提出了各种非正交的多址接入方案以满足这些不同场景的需求。
非正交多址接入作为一种新的概念,目的是在时间、频率、码域资源上支持超过正交资源数量的用户数。其基本思路是给发射端不同的用户分配非正交的通信资源,通过把超过正交资源数量的用户数据在码域或者功率域(指在发射端对不同用户依据相关的算法分配不同的发射功率)进行传输,从而大大增加了系统中的可连接设备数量(可以达到 2~3 倍于正交多址)和用户/系统的总吞吐量(高达 50%的增益)。
非正交接入带来的负面作用是多用户间的相互干扰。为了解决这个问题,接收机侧通常采用比较复杂的接收处理技术,比较典型的是串行干扰消除(SIC,Successive Interference Cancellation)技术。SIC 接收机的基本原理是按照一定的顺序(通常从信号最强的用户开始按从强到弱的次序)逐个解调每个用户的信号。在每一个用户的信号解调出来后,把它的信号重构出来并在其他用户的接收信号中减去,并对剩下的用户再次进行判决。这样逐次把所有用户的信号解调出来。
图 2-15 所示为 SIC 技术应用于一种功率域非正交多址方案的情形。考虑单小区 2 用户下行的场景,基站以总功率 P 向所有用户发消息。采用非正交多址
接入(NOMA)时,对于信道状况不好(如较远)的用户 2,发送信息时分配较大的功率,而信道状况较好的用户 1 则分配较小的功率。两个用户共用相同的时频资源。在接收端,采用 SIC 技术,首先单独检测信号较强的用户 2 的发送信号,然后再进行信号重建,把用户 2 的信号成分从用户 1 的总接收信号中消除掉,从而解调出正确的用户 1 发送信号。在更多用户的场景下也是依此原理,由强到弱逐个解调用户的发送信号。
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在 5G R15 的讨论中,许多公司如高通、华为、中兴和大唐电信都分别提出了自己的多址接入技术,分别为资源扩展多址接入(RSMA,Resource SpreadMultiple Access)、稀疏偏码多址接入(SCMA,Sparse Code Multiple Access)、多用户共享接入(MUSA,Multi-User Shared Access)和图样分隔多址接入(PDMA,Pattern Defined Multiple Access)。虽然实现的技术细节有所不同,但是它们都属于非正交的接入技术。
大部分基于 OFDM 波形的非正交接入方案的实现都有一定的共同之处,都是在发射端通过 FEC 编码、码域映射、功率域的分配、OFDM 调制,在接收端通过 OFDM 解调、多用户联合检测、FEC 解码来完成整个端到端的通信,其基本原理可用图 2-16 来表示。详细可参考[3GPP R1-162153:Overview of Non-orthogonalMutiple Access for 5G ]。
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比较典型的非正交接入方式包含(但不限于此):
(1)多用户共享接入:Multi-user Shared Access (MUSA);
(2)资源扩展多址接入:Resource Spread Multiple Access (RSMA);
(3)稀疏编码多址接入:Sparse Code Multiple Access(SCMA);
(4)图样分割多址接入:Pattern Defined Multiple Access (PDMA);
(5)非正交多址接入:Non-orthogonal Multiple Access(NOMA)。
虽然非正交多址接入会带来多用户干扰,但是对提高系统的总流量是有益处的。图 2-17 所示为系统在两个用户终端的情形下采用正交和非正交多址接入时的总数据吞吐量对比示意。可以看出,采用非正交的多址接入技术提高了 UE1+UE2的总流量。在存在很多个终端时,情况也一样,即系统的总数据吞吐量远远大于采用正交接入方式时的吞吐量。
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在图 2-18 所示的实例中,用户 1较用户 2 更靠近基站,因而有较高的信道增益。采用正交多址接入的 OFDMA时,两个用户被分配了相同的功率,其单位频谱数据传输速率分别为 R1=3.33bit/(s·Hz)和 R2=0.5bit/(s·Hz);采用非正交多址接入(NOMA)时,根据不同用户的信道增益可以调整分配给它的发射功率,如给较远的用户 2 分配更高的功率(在此处,用户 1 和用户2 分别被分配了总发射功率的 1/5 和 4/5),然后在接收端通过信号处理的方法进行多用户检测,其结果是达到R1=4.39bit/s 和 R2=0.74bit/s,(R1+R2)总体上可以取得比 OFDMA 更高的数据传输速率。与此同时,边缘用户的数据率也得到了提高。在此情况下,利用无线通信的远近效应(Near Far Effect)来提高频谱效率。
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非正交多址相对于正交多址的优点可以见表 2-5[可参见 3GPP R1- 162153]。
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但是,非正交多址接入也存在一些缺点,比如接收算法比较复杂,这个问题当采用消息传递算法(MPA,Message Passing Algorithm)时尤其明显。另外,在 SIC 算法中也存在错误传递等问题,即当对某个用户的数据解调错误后,这种错误会影响并传递给后续别的较弱信号用户的解调。
在下面几节中我们简单介绍一下 5G 标准化过程出现的几种重要的非正交接入多址方式。

2.2.2.1 稀疏编码多址接入

在 5G 标准化过程中,稀疏编码多址接入(SCMA,Sparse Code MultipleAccess)是由华为主导推动的一种多址接入方式,它可同时用于无线上行和下行通信。SCMA 在发射端采用非正交码进行扩展处理,使得不同用户的数据映射到稀疏的多维码字上,然后采用同一个时/频域资源传输。为了实现高吞吐量
的增益,接收端采用近乎最优(Near Optimal)检测的高级接收算法,如采用MPA 进行处理和用户数据检测。虽然这种接收算法实现起来通常会比较复杂,然而由于采用码字的稀疏特性,因此可以明显减少 MPA 实现的复杂度。
SCMA 的基本原理如图 2-19 所示。在 SCMA 中,比特流直接映射到不同的稀疏的码字上,每个用户仅使用 1 个码字。
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图 2-20 中,共有 6 个用户,对于每个用户,每 2bit 映射到一个复数码字中。所有用户的码字在 4 个相互正交的资源上复用发送,达到了 150%的过载。
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图 2-21 所示为 SCMA、LDS、OFDMA、SC-FDMA 在上行链路的误块率(BLER)性能对比,可以看出在给定的仿真条件下,相对于 OFDMA 和SC-FDMA,SCMA 有超过 2dB 的增益。
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SCMA 在对于时延要求不高的场景下可以大大提高系统的容量。图 2-22所示为 SCMA 和 LTE 基准方案的连接数性能对比,可以看出,基于竞争的SCMA 方案的可支持连接设备数大大超过 LTE 基准方案。
当然,SCMA 在实用性上也存在一些缺点。比如,虽然采用 MPA 算法解码是一种快速的迭代解码器,但是相对于别的接收算法(如 SIC)来说,它还是非常复杂的。image.png
SCMA 的详情可参见 3GPP 提案 R1-162153 以及文献[46-47]。

2.2.2.2 多用户共享接入(MUSA)

多用户共享接入(MUSA,Multi-User Shared Access)是中兴通信主导推动的一种基于复数域多元码的非正交多址接入技术,适合免调度的多用户共享接入。其基本原理(如图 2-23 所示)是每个用户调制后的数据符号采用特殊设计的序列进行扩展,每个用户的扩展符号采用共享接入技术,采用相同的无线资源进行传送。在基站侧则采用 SIC 技术从叠加信道中对每个用户的数据进行解码。
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在 MUSA 中,特殊设计的分布序列需要具有相关性低且非二进制的特点,其设计非常重要。另外,还需要考虑 SIC 实现的复杂度。因此,通常选择短的伪随机序列。
从图 2-24 所示的计算机仿真结果可以看出,在给定场景下,对于平均 BLER=1%,MUSA 采用长度为 4、8、16 的附属扩展序列分别可以实现 225%、300%、350%的用户过载,这意味着 MUSA 相对于正交接入可以支持更多的用户数。
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MUSA 也可用于下行传输,与用于上行传输时不同,此时作为一种功率域的多址接入技术,用于提高中心用户和边缘用户的容量。详细可参见 3GPP 的提案R1-162226:Discussion on Multiple Access on New Radio Interface 以及文献[51]。

2.2.2.3 资源扩展多址接入 资源扩展多址接入(RSMA,Resource Spread Multiple Access)是高通公司

主导推动的一种多址接入方式。它采用低速率的信道码和相关性较好的扰码结合来区分不同的发射端用户。在 RSMA 模式下,不管用户的数目是多还是少,所有用户都使用相同的频率和时间资源,实现终端到基站的数据传送(如图 2-25所示)。
RSMA 有两种不同的类型。
(1)单载波 RSMA:单载波波形利于降低耗电以及扩展覆盖,峰均比(PAPR)也很低,支持免调度传输和非同步接入。
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(2)多载波 RSMA:更利于低时延接入,同样也支持免调度传输。
采用 RSMA 的好处可以从图 2-26 所示的一个处于空闲状态的设备在需要发射数据前和网络侧进行连接的信令流程中看出,通常需要通过 D 这一系列步骤实现接入和上行定时调整等功能。而如果采用非正交的 RSMA,设备无须等待网络设定时频资源,多个设备的发射信号虽然互相重叠且完全不同步,但是在基站侧仍然能够被检测出来。采用不同的扰码甚至不同的交织器来区分不同用户间的信号,并限定基站侧接入时隙的数目,可以满足小包传送的需求,并降低搜索复杂度。
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关于 RSMA,高通在 3GPP 提案中进一步给出了对于 5G 系统中的多址接入方式在 5G 哪些应用场景中使用的建议,其具体内容见表 2-6。其中的建议是在 mMTC 和 URLLC 的上行采用 RSMA。
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高通关于 RSMA 提案的详细内容可以参见 3GPP R1-163510:Candidates ofMultiple Access Techniques。

2.2.2.4 图样分割多址接入

图样分割多址接入(PDMA,Pattern Division Multiple Access)是中国电信研究院和大唐电信主导推动的一种多址接入方案。PDMA 依靠独特设计的多用户分集模式来识别功率域、时域、频域、空间域和码域的非正交传输。发送侧用户设定不同的非正交模式,接收侧采用通用的 SIC 技术进行次优的多用户检测,以根据用户的不同模式来对重叠的用户信息进行区分。PDMA 试图在多个维度上联合利用并优化信号的叠加,以便获取更优性能。PDMA 技术框架和端到端信号处理流程分别如图 2-27 和图 2-28 所示。详细原理可以参考文献[43]。
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图 2-29 和图 2-30 所示为 PDMA 性能的计算机仿真,仿真表明在设定的场景下,PDMA 在上下行链路上相比 LTE 的正交接入方式具有更好的 BLER 性能。同时,在系统过负荷的情况下,也可以获得更高的吞吐量。
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但是 PDMA 也面临很多挑战,如怎么对多个域上的模式进行设计,性能和接收机复杂度的均衡以及某些模式会导致峰均比增高等。关于 PDMA 介绍的详细内容可以参考 3GPP 提案 R1-163383:Candidate Solution for New Multiple Access。

2.2.2.5 其他方案选项

除了前面几节所描述的几种方案,在标准化过程中还出现了其他一些非交码分多址接入提案,如 Non-orthogonal Coded Multiple Access (NCMA)、低码率扩展(Low Code Rate Spreading)、频域扩展(Frequency Domain Spreading)、Non-orthogonal Multiple Access(NOMA)、Interleave Division Multiple Access (IDMA)等,其基本思路与其他的非正交接入方式有共同之处,在这里不再一一介绍。
下节简单回顾一下 R15 中对于多址接入部分的讨论和最终结果。

2.2.3 3GPP 对多址接入规范的讨论过程

2016 年 4 月 11—15 日在韩国釜山召开了 RAN1#84bis 会议,参会者讨论了波形和多址接入方案。在会上,由中国移动、华为、海思、富士、CATT、中国电信提交了提案 R1-163656: WF on Multiple Access for NR。
其核心要点如下:
(1)除了 OFDMA 外,也应该研究和讨论针对 5G 各种场景的非正交多址方案;
(2)至少对于 mMTC 的上行,应该考虑自动/不需授权/基于竞争的非正交多址接入方案。
在会上,与会者还同意了采用链路仿真和系统仿真对多址接入方案进行评估,其中:
①链路仿真(LLS,Link Level Simulation)主要用于新方法的可行性,以及不同方案的比较;
② 系统仿真(SLS,System Level Simulation)主要用于不同方案的比较,以及流量/调度/多小区干扰的验证;
③ 评估的场景则包含 TR38.913 中所定义的所有 3 种场景,即 eMBB、mMTC和 URLLC。
此外,中国移动提交的 R1-162870 提案中对几种新的多址接入提案进行了总结对比(见表 2-7)。
2016 年 5 月 23—27 日在中国南京召开了 RAN1#85 会议,会议对于多址接入的各种方案进行了再次讨论。大量的讨论集中在自动/不需授权/基于竞争的上行非正交多址上。与会各方都同意接收机的复杂性也应该是评估选项的重要指标和关注点。会议在 Docomo、Panasonic、LG 的倡议下还达成了一致(可参见R1-165656):5G NR 至少在 eMBB 场景下上下行都要支持同步/基于调度的正交
多址方案(同步意为用户终端间的时间差异小于 OFDM 的循环前缀)。
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2016 年 8 月 22—26 日在瑞典哥德堡举行了 RAN1#86 会议。与会者基本同意在 mMTC 场景下至少在上行支持自动/不需授权/基于竞争的上行非正交多址。提案 R1-168427 详细总结了在 RAN1 讨论中已经出现的所有 15 种非正交多址方案,其详细的列表如下:
• Sparse Code Multiple Access (SCMA) (如 R1-162153);
• Multi-User Shared Access (MUSA) (如 R1-162226);
• Low Code Rate Spreading (LCRS) (如 R1-162385);
• Frequency Domain Spreading (FDS) (如 R1-162385);
• Non-Orthogonal Coded Multiple Access (NCMA) (如 R1-162517);
• Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) (如 R1-163111);
• Pattern Division Multiple Access (PDMA) (如 R1-163383);
• Resource Spread Multiple Access (RSMA) (如 R1-163510);
• Interleave-Grid Multiple Access (IGMA) (如 R1-163992);
• Low Density Spreading with Signature Vector Extension (LDS-SVE) (如R1-164329);
• Low Code Rate and Signature Based Shared Access (LSSA) (如 R1-164869);
• Non-Orthogonal Coded Access (NOCA) (如 R1-165019);
• Interleave Division Multiple Access (IDMA) (如 R1-165021);
• Repetition Division Multiple Access (RDMA) (如 R1-167535);
• Group Orthogonal Coded Access (GOCA) (如 R1-167535)。
总的来说,非正交多址接入在上行的总流量方面比 OFDMA 要高,其应付过载的能力也要强不少。会议同意在 mMTC 的上行考虑采用非正交多址接入方案。
2016 年 10 月 10—14 日,在葡萄牙里斯本召开了 RAN1#86bis 会议。此次会议是 RAN1 对多址接入第一阶段讨论的最后一次会议,会议同意将针对mMTC 的讨论推迟到第二阶段再继续进行。
其中,华为、中国移动、中国电信等公司的提案(R1-1610956:WF on CommonFeatures and General Framework of MA Schemes)提出了一个非正交接入多址方案的统一框架(见图 2-31),得到了与会者的支持,提案内容如下。
(1)所有针对上行传输的非正交多址接入具有如下共同特征:
① 发射端采用多址签名(MA Signature);
② 接收端允许采用多用户检测方法对用户进行分离。
(2)这些不同的多址技术可以采用具有共同特征的实现框图(见图 2-31),通过不同的编码方法、交织器(Interleaver)设计、码本映射(Mapping)方式加以区分。
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此外,关于采用非正交多址的增益,与会者们基本同意(详细可以参见R1-1610745:WF on summary of UL non-orthogonal MA progress)。其内容如下:
(1)在采用先进的接收算法的情况下,非正交多址接入由于多址签名碰撞所带来的性能损耗不是太大;
(2)非正交多址在理想信道估值的假设下可以取得非常可观的总流量和过载增益。

2.2.4 R15 中的多址接入规范

3GPP 在 R15 中的讨论总结如下。
(1)在 eMBB 场景下,3GPP 决定上下行都仍然采用成熟的 OFDMA 技术。
(2)各公司同时也达成共识,非正交多址技术(NOMA)通过引入码域或者功率域维度的区分设计,利用先进的接收算法,能够给 5G NR 带来更多选择。因此在一部分业务场景,如针对 mMTC 的上行应用,不需授权的非正交多址比正交多址或许能够更好地满足大连接的需求。
(3)URLLC 场景比较复杂,有待进一步的研究。
这部分的详细内容可以参见 3GPP TS38.211。

| 2.3 5G 信道编码 |

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