5G開啟萬物互聯(lián)新時代 新業(yè)務(wù)新需求對5G系統(tǒng)提出新挑戰(zhàn)

業(yè)界一般認(rèn)為移動通信10年一代，2G提供語音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，3G時代在提供語音的同時，開始提供基礎(chǔ)的移動多媒體業(yè)務(wù)， 4G時代移動通信提供移動寬帶業(yè)務(wù)，到了5G時代，移動通信將在大幅提升以人為中心的移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)使用體驗的同時，全面支持以物為中心的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，實現(xiàn)人與人、人與物和物與物的智能互聯(lián)。5G滿足增強移動寬帶、海量機器類通信和超高可靠低時延通信三大類應(yīng)用場景，在5G系統(tǒng)設(shè)計時需要充分考慮不同場景和業(yè)務(wù)的差異化需求。5G將滿足20Gbps的光纖般接入速率，ms級時延的業(yè)務(wù)體驗，千億設(shè)備的連接能力，超高流量密度和連接數(shù)密度，及百倍網(wǎng)絡(luò)能效提升等極致指標(biāo)，一個系統(tǒng)如何同時滿足多樣業(yè)務(wù)需求，5G系統(tǒng)設(shè)計面臨新的挑戰(zhàn)。

5G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃

3GPP于2018年6月發(fā)布第一個獨立組網(wǎng)5G標(biāo)準(zhǔn)。3GPP制定R15和R16標(biāo)準(zhǔn)滿足ITU IMT-2020全部需求，其中R15為5G基礎(chǔ)版本，重點支持增強移動寬帶業(yè)務(wù)和基礎(chǔ)的低時延高可靠業(yè)務(wù)，R16為5G增強版本，將支持更多物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)?？紤]到5G將與LTE較長時間共存，并且運營商擁有的頻譜不同、部署節(jié)奏不同、5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)定位不同，3GPP標(biāo)準(zhǔn)分階段支持多種5G組網(wǎng)架構(gòu)。具體地，R15包含3個子階段，這些子版本將為運營商提供更多組網(wǎng)選擇，其中2018年6月份發(fā)布獨立組網(wǎng)的5G標(biāo)準(zhǔn)此外，3GPP將于2019年底發(fā)布R16標(biāo)準(zhǔn)，R16標(biāo)準(zhǔn)在R15的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增強網(wǎng)絡(luò)支持移動寬帶的能力和效率，同時擴(kuò)展支持更多物聯(lián)網(wǎng)場景。

5G新空口技術(shù)

5G新空口（NR）支持大帶寬、低時延、靈活配置，滿足多樣業(yè)務(wù)需求，同時易于擴(kuò)展支持新業(yè)務(wù)。在帶寬方面，針對6GHz以下的頻譜，5G新空口支持最大100MHz的基礎(chǔ)帶寬；針對20GHz-50GHz頻譜，5G新空口支持最大400MHz的基礎(chǔ)帶寬；此外，5G新空口采用部分帶寬設(shè)計，支持多種終端帶寬，適應(yīng)多種業(yè)務(wù)需求。 在低時延方面，5G新空口支持較寬子載波間隔，支持符號級的調(diào)度資源粒度，支持自包含時隙和快速重傳機制?；谶@些技術(shù)方案，5G支持4ms的空中接口時延，并在特定場景和配置下，支持0.5ms的空中接口時延。5G新空口靈活設(shè)計體現(xiàn)在基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)計、幀結(jié)構(gòu)、參考信號設(shè)計、控制信道設(shè)計等等方面。

NR支持靈活參數(shù)集，以滿足多樣帶寬需求。NR以15kHz子載波間隔為基礎(chǔ)，可根據(jù)15*2u靈活擴(kuò)展，其中u=0,1,2,3,4，也就是說NR支持15、30、60、120、240khz等5種子載波間隔，其中子載波15、30、60kHz適用于低于6GHz的頻譜，子載波60、120、240kHz適用于高于6GHz的頻譜。新空口定義子幀長度固定為1ms，每個時隙固定包含14個符號，因而對于不同子載波間隔，每個時隙長度不同，分別為1、0.5、0.25、0.125和0.0625ms。

NR支持靈活幀結(jié)構(gòu)，定義大量時隙格式，滿足各種時延需求。LTE定義了7種幀結(jié)構(gòu)、11種特殊子幀格式，其中幀結(jié)構(gòu)以5ms和10ms 為周期；NR更多是定義時隙格式，共定義了56種時隙格式，并支持基于符號靈活定義幀結(jié)構(gòu)。LTE幀結(jié)構(gòu)以準(zhǔn)靜態(tài)配置為主，高層配置了某種幀結(jié)構(gòu)后，網(wǎng)絡(luò)在一段時間內(nèi)采用該幀結(jié)構(gòu)。在特定場景下，也可以支持物理層的快速幀結(jié)構(gòu)調(diào)整；NR從一開始設(shè)計就支持準(zhǔn)靜態(tài)配置和快速配置，支持更多周期配置，如0.5, 0.625, 1, 1.25, 2, 2.5, 5, 10ms，此外，時隙中的符號可以配置為上行、下行或靈活符號，其中靈活符號可以通過物理層信令配置為下行或上行符號，以靈活支持突發(fā)業(yè)務(wù)。

NR支持更大數(shù)據(jù)包的有效傳輸和接收，同時提升控制信道性能。增強移動寬帶業(yè)務(wù)的大數(shù)據(jù)包對編碼方案的編譯碼的復(fù)雜度和處理時延提出了挑戰(zhàn)，LPDC在處理大數(shù)據(jù)包和高碼率方面有性能優(yōu)勢，成為NR的數(shù)據(jù)信道編碼方案，并且為了避免大數(shù)據(jù)包的重傳，一個傳輸塊編碼后拆分為多個碼塊組，基于碼塊組重傳。對于控制信道，魯棒性是最重要的技術(shù)指標(biāo)，極化碼Polar在短數(shù)據(jù)包方面有更好的表現(xiàn)，成為NR控制信道編碼方案之一。

NR支持基于波束的系統(tǒng)設(shè)計，提供更靈活的網(wǎng)絡(luò)部署手段。LTE中同步、接入采用廣播傳輸模式，數(shù)據(jù)信道支持波束賦形傳輸模式。為了實現(xiàn)同步、接入和數(shù)據(jù)傳輸3個階段的匹配，NR中同步、接入、控制信道、數(shù)據(jù)信道均基于波束傳輸，并支持基于波束的測量和移動性管理，以同步為例，NR支持多個同步信號塊，SSB可以指向不同的區(qū)域，比如樓宇的高層、中層和地面，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供更多可調(diào)手段。

NR支持?jǐn)?shù)字和混合波束賦形。低頻NR主要采用傳統(tǒng)的數(shù)字波束賦形，針對高頻NR，既需要補償路損，又需要考慮合理的天線成本，因而NR引入模擬+數(shù)字的混合波束賦形。NR下行支持最大32端口的天線配置，上行支持最大4端口的天線配置；在具體MIMO傳輸能力方面，下行單用戶最大支持8流，最大支持12個正交多用戶，上行單用戶最大支持4流。另，與LTE定義了多種傳輸模式不同，NR目前只定義了一種傳輸模式，即基于專用導(dǎo)頻的預(yù)編碼傳輸模式。此外，相比于LTE，5G新空口定義更多導(dǎo)頻格式（如Front-loaded和支持高速移動的額外DMRS），以支持更多天線陣列模式和部署場景。

同時，3GPP注重新空口與LTE共存的場景，除了支持雙連接外，還支持新空口共享LTE上行資源，以提升新空口的上行覆蓋。

5G核心網(wǎng)設(shè)計

以控制與轉(zhuǎn)發(fā)功能分離為基礎(chǔ)，突出網(wǎng)絡(luò)的多業(yè)務(wù)差異化服務(wù)能力。架構(gòu)方面，5G核心網(wǎng)采用全新的基于服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)、新型架構(gòu)將原先的網(wǎng)絡(luò)功能分解為一組服務(wù)，每個服務(wù)都可以獨立發(fā)現(xiàn)和調(diào)用，重構(gòu)業(yè)務(wù)流程，結(jié)合基于NFV的網(wǎng)絡(luò)切片快速部署，新業(yè)務(wù)可以在幾周內(nèi)完成開發(fā)，并實現(xiàn)分鐘級的上線運行?？刂破矫婀δ芊矫?，5G核心網(wǎng)根據(jù)終端類型和位置區(qū)域，提供不同的切片選擇、移動性和會話管理策略，為不同業(yè)務(wù)提供差異化的接入服務(wù)。轉(zhuǎn)發(fā)平面功能方面，5G核心網(wǎng)支持分布式的轉(zhuǎn)發(fā)路徑設(shè)置和邊緣計算，優(yōu)化不同業(yè)務(wù)的吞吐量和轉(zhuǎn)發(fā)時延。5G安全采用可擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議（EAP）框架實現(xiàn)統(tǒng)一認(rèn)證，支持用戶在接入網(wǎng)間無縫切換,同時，通過增強的安全機制進(jìn)行用戶隱私保護(hù)（如身份標(biāo)識等），并支持按需的用戶數(shù)據(jù)保護(hù)方法。

5G技術(shù)發(fā)展

5G技術(shù)將持續(xù)增強。3GPP已啟動5G第二版本（R16）標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)研工作，在增強基礎(chǔ)的移動寬帶業(yè)務(wù)能力和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能力的同時，重點提升對垂直行業(yè)應(yīng)用的支持，特別是對低時延高可靠類業(yè)務(wù)的支持。在移動寬帶業(yè)務(wù)能力方面，R16重點研究多天線增強、載波聚合與大帶寬增強、遠(yuǎn)端干擾刪除、非正交多址和免許可5G技術(shù)。在基礎(chǔ)能力提升方面，重點研究終端節(jié)能、定位增強、移動性增強、基于RAN的大數(shù)據(jù)收集與應(yīng)用、服務(wù)化架構(gòu)增強、智能化運營、切片增強等內(nèi)容。在垂直行業(yè)應(yīng)用方面，研究5G車聯(lián)網(wǎng)（NR V2X）、低時延高可靠（URLLC）增強、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)增強（NR IIoT）、NB-IoT/mMTC增強等內(nèi)容。