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带你读《果壳中的5G:新网络时代的技术内涵与商业思维》第二章通信世界的第二次嬗变2.3

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多址接入的丰富创造,香农定律的极限逼近                                                                                   

 

按照 5G的设计目标,5G网络的数据传输速率将可以达到 20Gbit/s,这比 4G的网络速度足足提升了20 倍有余。纵观通信发展历史,从最初的14.4kbit/s的传输速率发展到目前的成就,不得不令人惊叹通信人的坚韧不拔与才华横溢。因为,这一切都是在频率资源极度受限的情况下实现的。这就好比一条道路的宽度就那么宽,而车辆又越来越多,你却被要求想办法让路上的车都能够行驶得更快一样,令人伤脑筋!而 5G技术的研究者们硬是在 4GLTE 已经非常卓越的无线技术基础上又增添了一些新的无线技术,使得无线信道被更加充分地利用,因而使得传输速率的提升成为可能。


5G新的无线接入机制被称为 5GNR(5GNewRadio),5GNR其实包括很多内容,如双工工作模式、无线波形、天线、多址模式、调制编码模式等,有的是基于 4GLTE的改进,有的则是崭新的创意。


非正交多址接入(Non-Orthogonal   Multiple  Access,NOMA)技术就是 5G 的一项创新性无线接入技术。我们前面在介绍传统通信网络时,曾经谈到过一个通信信道同时只能有一对通话方通话,否则就会产生   干扰。而 5G无线通信偏偏反其道而行之,在同一信道中同时传送多组通话。但是它用了一个绝妙的技巧,就是将每一组信号按照不同功率从大到小顺   序进行发射。而接收端在接收时,总是会先将功率最大的信号作为有用信   号提取,而将其他信号作为噪声滤除,如果这个功率最大的信号不是要接   收的信号,就用一个与它波形刚好相反的信号与原信号叠减,这就等同于   把它从信号中滤除,这时再重复前面过程,直到找到属于自己的信号(见 图2-19)。这不能不说是一个非常天才的拓展信道的手段!

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图 2-19NOMA的工作示意

5G     之前,通信技术曾经采用过频率分割信道(FDMA)、区域分割信道(蜂窝技术)、时隙分割信道(TDMA)、编码分割信道(CDMA), 每一个新的信道分割技术都相当于将一个实体信道成倍地变换出更多的虚   拟信道,但   NOMA   竟然用信号功率分割不同信道,不能不令人赞叹!正是因为像 NOMA这样的多址技术叠加通信世界之前所发明的 TDMA、CDMA等技术,通信网络的信道容量才可能满足5G 对于万物的承诺。

如果你也觉得 NOMA的工作机制很令人赞叹,那你更需要赞叹的是 5G 还有很多与此平行存在的创造性信道复用多址技术,如正交多址接入(OrthogonalMultipleAccess,OMA)技术、正交频分多址接入

(OrthogonalFrequency-DivisionMultiple  Access,OFDMA)技术、稀疏码多址接入(SparseCodeMultipleAccess,SCMA)技术、图样分割多址接入(Pattern-DivisionMultiple  Access,PDMA)技术、多用户共享接入(MultiUserSharedAccess,MUSA)技术、比特分割复用(Bit-DivisionMultiple,BDM)技术、交织分割多址接入(Interleave-Division  Multiple  Access,IDMA)技术等,这些信道复用的接入技术各自有各自的精彩,也各自有各自最擅长的场景。我们在此就不再做广泛的深入介绍,感兴趣的读者可以进一步查阅相关资料。


5GNR的优雅之处在于它不仅能够利用所有这些多址技术,而且还可以实现这些技术在不同场景下的灵活运用,这就是5G提出的 SoDeMA

(SoftwareDefinedMultipleAccess)的概念。SoDeMA意味着 5G网络可以针对不同应用和服务灵活地配置多址方案,以求达到最优的无线接入性能,这就使得 5GNR 对于应用场景的适用性变得更加强大。

高效率的信息编码,两者的结合则实现了5GNR的高速率数据传输。   在通信传输中,无论是语音、文字、视频、图片还是其他信息内容都不是在载波频率上直接传送的,它们都必须被发送端以某种方式进行编码 再由接收端以相同方式解码,才能完成信息通信的目的,这是数字通信的基础方式。而编解码的效率直接就影响着信息传输效率。由于通信信道之中总有噪声,因此信息传送过程中不可避免地就会出现错误。为了防止接收方收到的信息在传输过程中产生错误,在编解码过程中就需要加入校验码,用来发现和纠正其中的错误。不过,如果信息传送都是正确的,那么这些校验码就没有发生作用,相当于白白浪费了通信信道资源。

1948年,香农(Shannon)在他的《通信的数学理论》一书中,提 出了著名的有干扰信道编码定理。这个定理描述了编码效率的理论极限。除非你在一个无噪声的信道中传输信息,否则你总会需要牺牲一些编解码效率用于对通信信道的传输内容进行纠错。理想的编码方式就是能够无限接近香农极限的编码方式,也就是说用尽可能少的校验码来达成无差错的信息传输过程。


前段时间被媒体渲染的沸沸扬扬的极化码(Polar  码)和低密度奇偶校验(LowDensityParityCheck,LDPC)码就是目前最接近香农极限的两种编码方式。


Polar 码是由土耳其人 ErdalArikan 发明的,他是土耳其毕尔肯大学电气工程系教授,是一位通信技术专家。Polar码是他于 2007年基于信道极化理论提出的一种线性信道编码方式。所谓信道极化理论,就是当把大量信道进行组合时,信道会出现极化的现象,一部分信道的噪声会趋近于零,另一部分信道的噪声会趋近于无穷大。噪声是香农理论中对信道传输效率影响巨大的因素,噪声越大,需要的纠错码越多,传输效率也就越低。而信道被极化后,如果用噪声趋近于零的信道传输有用信息,那么就几乎不需要任何纠错码。这样就可以大幅度提升信道的有用信息传输速率!而Polar 码基本原理就是通过大量信道的组合来形成接近无噪声的传输信道,从而实现几乎不需纠错码的信息传输过程。LDPC码则是由麻省理工学院RobertGallager于1963年在博士论文中提出的一种分组纠错码。它几乎适用于所有的信道,它的性能同样逼近香农极限。由于 LDPC 码的理论已经普遍公开,因此不存在知识产权和专利上的采纳成本,因此它赋予了所有的通信企业一个公平发展的良好机会。所以,尽管 LDPC 码存在计算和存储硬件资源需求比较大,编码复杂等一些劣势,但它仍然入选成为 5G编码主要方案之一。

但由于LDPC 码在编码数量比较长的情况才能充分体现性能上的优势,因此它被选定作为 5G数据传输的编码方式(所谓长码),而同时 Polar码被选为5G 控制信令的编码方式(所谓短码)。可以说,5G在编码方式上已经基本接近了香农极限,这为下一代移动通信技术的发展设定了很高的目标。


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