5G毫米波(mmWave)技术白皮书.pdf

毫米波技术的发展现状 / 2 全球毫米波频段的分配 / 2 标准化组织的发展节奏 / 3 产业链情况 / 4 运营商部署计划及现状 / 4 应用场景 / 5 毫米波技术是第五代移动通信 的核心技术之一 / 1 毫米波技术演进和展望 / 26 3GPP 标准演进 / 26 毫米波技术的未来演进 / 27 缩略语 / 29 参考文献 / 30 图目录 表目录 图 2-1 5G 毫米波频段全球部署情况 / 2 图 2-2 支持毫米波频段 5G 设备一览 / 4 图 2-3 热点覆盖应用场景 / 5 图 2-4 FWA 场景示意图 / 6 图 2-5 企业园区专网场景 / 6 图 3-1 毫米波帧结构示意图 / 7 图 3-2 毫米波三种常用帧结构 / 8 图 3-3 2 流、4 流单用户 MIMO / 9 图 3-4 基于模拟波束的硬空分多用户 MIMO 模式 / 10 图 3-5 混合波束赋形示意图 / 11 图 3-6 波束扫描和波束跟踪过程示意 / 13 图 3-7 SA 网络架构 / 15 图 3-8 NSA 网络架构 / 15 图 3-9 3.5 GHz 和 26 GHz 覆盖对比 / 17 图 3-10 不同帧结构和调制阶数的下行峰值速率 / 18 图 3-11 不同站间距容量对比 / 19 图 3-12 ping 包时延示意图 / 20 图 3-13 5G 毫米波基站混合波束赋型架构 / 21 图 3-14 化合物半导体典型器件类型与工艺制程 / 22 图 3-15 不同工艺材料和性能的关系示意图 / 23 图 3-16 基于 LTCC 和有机基板封装的 AiP 应用 / 23 图 3-17 基于框架和圆片级扇出封装的 AiP 应用 / 23 图 3-18 Rayleigh 优化采样（左）和采用该技术的毫米波紧缩场暗室（右） / 25 图 4-1 多 TRP 实现示意图 - 单 DCI（图左）和多 DCI（图右） / 26 图 4-2 IAB 原理示意图 / 27 表格 2-1 3GPP 定义的 FR1 和 FR2 / 2 表格 3-1 3.5 GHz 和 26 GHz 不同材料的穿透损耗（dB）对比 / 16 表格 3-2 不同频段对应的时隙长度 / 20 表格 3-3 5G 毫米波 OTA 指标及类型 / 25 毫米波关键技术和挑战 / 7 子载波带宽和帧结构 / 7 大规模天线技术 / 8 波束管理 / 11 组网架构 / 15 毫米波性能 / 16 毫米波天线的硬件架构 / 20 半导体材料及工艺 / 22 毫米波的测试和度量 -OTA / 24 目 录 毫米波技术是第五代移动通信 的核心技术之一 毫米波技术是第五代移动通信的核心技术之一 5G技术的发展正在对世界产生深远的影响。每天我们看到5G带来的更高速率，更低时延的商用部署案例，让我们更坚 信我们正步入万物互联的新时代。根据 GSMA 的估算，5G 毫米波作为高速接入、工业自动化、医疗健康、智能交通、虚 拟现实等方面的核心使能技术之一，预计将在 2035 年之前对全球 GDP 做出 5650 亿美元的贡献，占 5G 总贡献的百分之 二十五 1 。 回顾即将过去的 2020 年，全球经历了新冠肺炎的前所未有巨大的冲击，各行各业呈现出的更坚定地拥抱数字转型的决心 和共识也为 5G 在社会经济更广泛层面的部署和延伸提供了强劲的驱动力。 与此同时，由于本身频段的自然属性，毫米波也带来路径损耗大，传播距离短等现实的挑战。 本白皮书将从毫米波的发展现状、关键技术及挑战来阐述如何在毫米波的宽频段、大带宽、低时延的优势和 传输距离的受限中取得平衡。最后我们也对毫米波未来的技术演进提出展望和预测。 毫米波频谱资源非常丰富，而且通常是连续带宽，这将给用户带来前所未有的高速体验； 毫米波可以提供更低的时延； 毫米波的天线尺寸更小，设备轻量化，从而部署更为便捷。 和之前 2/3/4G主力的低中频段相比，毫米波具有以下优势： 1 毫米波技术的发展现状 3GPP 定 义 了 两 类 频 率 范 围：FR1（Frequency Range1）和 FR2（Frequency Range2）。 FR1 定 义的是低频部分，即通常所说的Sub-6G；而FR2 定义的是高频部分，即毫米波的频段。 2019 年 12 月结束的世界无线电通信大会（WRC-19）确定了 24.25 GHz-27.5 GHz、37 GHz-43.5 GHz、66 GHz-71 GHz 为 5G 全球毫米波统一工作频段，同时 45.5 GHz-47 GHz 和 47.2 GHz-48.2 GHz 为区域性毫米波频段。 根据 GSA 的统计，截止 2020 年 6 月全球有 97 个运营商（来自于 17 个国家和地区）已经拥有毫米波频段的频谱许可， 其中 22 个已经完成了毫米波频段的商用部署 2 。 表格 2-1 3GPP 定义的 FR1 和 FR2 图 2-1 5G 毫米波频段全球部署情况 频率范围定义 对应的频段范围 FR1 410 MHz 7125 MHz FR2 24250 MHz 52600 MHz 毫米波技术是第五代移动通信的核心技术之一 全球毫米波频段的分配 2 毫米波技术的发展现状 从3GPP针对5G的总体规划情况来看，截止目前5G国际标准R16版本已全部完成，R17版本预计在2021年6月冻结（发 布时间为 2021 年 12 月）。 该版本将主要在业务上进行一些拓展，针对毫米波来说主要是 FWA 业务上及 DC 增强上进行优化。如引入 n257/n258 频段 FWA 终端最大 TRP 可以达到 23dBm，多 RAT 的 DC 增强，涉及针对单个 SCG 和 SCell 的更高效激化和去激活特性，以及针对有条件 PSCell 变更和添加的支持等。 该版本主要从网络优化角度考虑，在R15定义的基础上进行了增强或补充特性，主要可以概括为以下几个部分： 物理层增强特性： 包括两步 RACH，多 TRP，集成接入回传等 MIMO 增强特性： 包括基于MAC控制信息更新的上行功率控制，多波束（层1 CSI-RS SINR），低功 率峰均比的解调参考信号增强等 UE 节能特性： 包括 PDCCH 唤醒信号，跨时隙调度适配等 移动性增强特性： 包括非同步 NR-NR 双连接，早期测量上报， SCell 休眠，基于 RRC Resume 的 MCG SCell 和 SCG 配置，快速 MCG 链路修复，不同参数集的跨载波调度等 该版本除了明确 NR 的核心技术和总体架构外，定义了 FR2 的 5 个频段（n257，n258，n259，n260， n261）。同时就高频不同于低频的物理特性，如子载波间隔、帧结构、单用户MIMO和多用户MIMO的支持、 双连接和载波聚合的支持进行了定义。 R15版本 R16版本 R17版本 标准化组织的发展节奏 3 毫米波技术的发展现状 产业链情况 运营商部署计划及现状 截止2020年6月，根据GSA的数据统计，全球共有84款5G设备支持（或计划支持）毫米波频段，其中27款已经发布商用。 鉴于高频网络的特性，各运营商把高频网络作为容量补充的一个手段，与 4G 网络互为补充，提供更高的传输速率，更大 的容量。具体来说： 1. 2. 美国毫米波部署最为广泛，AT&T、Verizon 和 T-Mobile 从 2018 年起陆续在美国国内的城市开通利用毫米波频谱的 5G 商用网络。 欧洲市场上毫米波的应用主要集中在前期已完成频谱拍卖的国家如意大利、芬兰和俄罗斯等（英国政府批准根据市场的 需求开放 24.25 - 26.5 GHz 的毫米波频段用于室内业务 3 ）。 目前已经发布支持 5G 毫米波芯片的厂商为高通、华为海思和三星（联发科已经发布计划在 2020 年内推出支持毫米波的 芯片）。随着毫米波频谱的明确（WRC-19）和运营商逐步加大投资力度，必将加速相关产业链的发展和成熟，从而加速 全球 5G 系统部署和商用的步伐。 图 2-2 支持毫米波频段 5G 设备一览 4 3. 亚太市场的 5G 发展前期以 sub-6G 商用为主，中国、日本、韩国在毫米波的应用上都有考虑，其中 毫米波技术的发展现状 中国的三大运营商从 2017 年开始就不断联合各厂家进行了 5G 毫米波的关键技术测试和验证，随着 2020 年 3 月工 信部推动 5G 加快发展的通知以及 2022 年冬奥会毫米波应用场景的预期，毫米波大规模商用的脚步越来越近。 日本已完成 27.029.5GHz 频段的拍卖。 韩国于2018年完成了28GHz频段频谱（共2400 MHz）的拍卖程序。毫米波5G服务最初用于企业对企业细分市场， 面向个人设备的毫米波 5G 网络将于 2021 年开始推出。 应用场景 根据 3GPP TR 38.913 定义，与高频段应用相关的几个场景分别为：室内热点、密集城区、宏覆盖、高速铁路接入与回传 以及卫星扩展到地面。国外当前应用比较成熟的是美国和韩国的热点覆盖和 FWA（固定无线接入）的应用方案。 典型热点应用场景 图 2-3 热点覆盖应用场景 密集商务区 体育场 密集住宅区 大型集会 校园 地铁 5 FWA 应用场景 企业园区专网 图 2-5 企业园区专网场景 毫米波技术的发展现状 通过和边缘计算、人工智能等前沿技术结合，5G毫米波在大带宽网络基础上叠加丰富多样的增值服务，可以为像园区、厂区、 码头、港口等覆盖区域提供定制化的园区服务。 图 2-4 FWA 场景示意图 6 毫米波关键技术和挑战 毫米波关键技术和挑战 子载波带宽和帧结构 帧结构随着子载波间隔的选择而略有不同，以 120k Hz 子载波间隔为例：每帧由两个半帧组成，每帧包含 10 个子帧，每 个子帧包含 8 个时隙，每个时隙含有 14 个 OFDM 符号（含 CP）。 NR 标准支持通过 RRC 信令或 DCI 调度方式半静态或动态配置上下行比例。 高频帧结构大多为一个上下行转换周期中有 5 个时隙，如下图所示。根据需求不同选择不同的上下行配比，其中有纯下行 时隙（标记为D），纯上行时隙（标记为U）和上下行转换的时隙（标记为S）。在S时隙中，上下行切换会预留GP符号， GP 预留的符号数取决于 UE 侧上下行切换的时间和规划的小区半径。 图 3-1 毫米波帧结构示意图 #0 #1 #7 #79#78 One radio frame , T f = 4915200T s = 10 ms One slot , T slot = 61440T s = 0.125 ms One subframe , Tsf = 491520T s = 1 ms #0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13 7 毫米波关键技术和挑战 三种帧结构相比而言DDDSU在下行覆盖和容量上占优，DSUUU在上行覆盖和容量上占优，DDSUU则较为均衡，时延 方面 DDDSU 和 DSUUU 因为上下行占比不均衡，时延相对 DDSUU 更大。 帧结构的设计和应用场景密切相关。如果高频基站主要用于下载业务占优的场景例如普通公网，下行占优的帧结构更适合。 如果主要用于上行补热，大流量视频上传等场景，可以考虑采用上行占优的帧结构，对于上下流量都有一定需求的场景则 采取用均衡型的帧结构更好。 图 3-2 毫米波三种常用帧结构 5ms 0.625ms 0.625ms 0.625ms D D D Option 1 Normal DL Slot : 3 S Slot : 1 UL Slot : 1 UL Ratio 22.9% (with S slot : 10:2:2) Option 2 Option 3 UL Enhancement DL/UL Balance S U D S U U U D D S U U DL Slot : 1 S Slot : 1 UL Slot : 3 UL Ratio 62.9% (with S slot : 10:2:2) DL Slot : 2 S Slot : 1 UL Slot : 2 UL Ratio 42.9% (with S slot : 10:2:2) 大规模天线技术 MIMO，即多输入多输出（Multiple Input Multiple Output），是一种利用发射与接收端的多天线获取分集增益、提升频 谱利用率的技术。基于大规模 MIMO 的无线传输技术能够深度利用空间维度的无线资源，进而显著提升系统频谱效率和功 率效率，也具有提高信道容量和改善系统性能等优点。 高频终端大多数都是 2 发 2 收天线（一个 H 极化和一个 V 极化成对使用）。基站侧的发送天线可以是 2 发， 4发或8发，也是H极化和V极化成对使用。所以对于单个终端来说上下行业务一般是1流或者2流。在 LOS 径场景，一组 HV 天线如果隔离度足够好，天然支持 2 流。但是在一些 NLOS 场景，尤其是由于反射造 成了 H 和 V 的极化旋转，就会导致一组 HV 天线只能支持 1 流。 单用户 MIMO 8 毫米波关键技术和挑战 如果 UE 可以支持多 panel，4 发 4 收，在有些场景，同时存在 LOS 径和 NLOS 径，那么单 UE 最多可以达到上下行 4 流。 下行的单用户 MIMO 模式可以支持基于 PMI 反馈的单用户 MIMO 和基于 SRS 测量的 BF 单用户 MIMO。 上行的单用户 MIMO 模式可以支持基于码本模式的单用户 MIMO 和基于非码本模式的单用户 MIMO。 基于PMI反馈的单用户MIMO，基站发送用于PMI 测量的CSI-RS，UE进行下行信道质量的测量，向 基站反馈 PMI、CQI、RI 信息，基站根据 UE 的反 馈选择最优的 PMI 码本进行波束赋型。 基于码本模式的单用户MIMO，UE在基站配置好 的资源上发送SRS，SRS 资源配置的端口数要和 PUSCH 使用的端口数一致。 UE发送SRS使用的波束可以通过RRC指示也可 以通过DCI指示，基站通过接收SRS信号来决定 调度 PUSCH 的层数以及 TPMI 码本，通过 DCI 通知 UE。 基于 SRS 测量的 BF 单用户 MIMO，利用 TDD 系统 的互易性，基站通过上行SRS测量，获得信道的空 间信息，用估计出的信道 H 来计算波束赋形的 BF 权 值。然后在发送下行数据时乘上计算出来的BF权值。 基于非码本模式的单用户MIMO，也是利用了上下 行信道的互异性，UE 首先会在指定的 NZP CSI-RS 资源上，通过测量下行信道，计算出一个上行的BF weight的权值， 然后UE会把这个权值乘在上行 SRS信号上。每个用于测量非码本的SRS资源都只 能配置成 1 端口，所以每个 SRS 资源上的 SRS 信号 都是乘了上行权值的信号。基站接收SRS，根据每 个 SRS 资源上信号能量的大小决定调度上行 PUSCH 的层数，通过SRI来指示UE采用那个SRS 资源的 端口和权值来发送 PUSCH。 图 3-3 2 流、4 流单用户 MIMO blockage beam1 beam1 beam2 9 高频的多用户MIMO可以是基于模拟空分，也可以是模数混合的空分两种模式。当模拟通道的阵子数比较多， 模拟波束比较窄， 那么模拟波束和模拟波束之间在空间上天然就有隔离，我们用隔离度来度量模拟波束彼此 在空间上的距离，当一个波束在另一个波束上的能量投影很小， 我们就认为这个波束对另一个波束的干扰很 小，隔离度比较好。反之，一个波束在另一个波束方向上投影的能量比较大， 我们就认为这个波束对另一个 波束的干扰大，隔离度不好。 波束设计的越窄，彼此隔离度越好，越适合用模拟空分，但是波束设计的太窄不利于移动场景的波束跟踪。 对于波束宽度很宽，波束互相交叠的比较多的场景，单纯依靠模拟空分的策略就不能满足多用户 MIMO 的要 求，流间干扰比较大，这是就需要考虑模数混合的空分模式。 基于模数混合的多用户 MIMO 模式，当配对的 UE 波束间干扰比较大的情况，就需要考虑数模混合的多用户 MIMO 策略。基站通过 SRS 信道的测量，分别得到配对 UE 的信道， 然后通过干扰消除算法，计算出下行 BF 权值，配对的 UE 在发送下行数据时乘上计算出来的 BF 权值，这样通过数字权值和模拟波束来达到更好 的空分效果。 基于模拟空分多用户MIMO模式，根据 3GPP R16 协议，可以通过给 UE 配置 CMR 和IMR资源来测量波束之间的干扰，可以把 UE的业务波束配置成CMR， 把需要配对的 波束配置成 IMR，根据 UE 上报的 L1-SINR 来决定这个UE可以和哪些波束上的UE做多 用户MIMO，以及配对之后，选择什么样的 调制方式和码率。 图 3-4 基于模拟空分多用户 MIMO 模式 毫米波关键技术和挑战 波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术，基站通过 UE 的 CSI 反馈或者对上行信号的测量（TDD 系 统），调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，从而能够获得明显的阵列增益。因此， 波束赋形技术在扩大覆盖范围、改善边缘吞吐量以及干扰抑制等方面都有很大的优势。为了提高小区边缘用 户的吞吐量和覆盖性能，需要基站侧支持天线阵列的波束赋形功能。 多用户 MIMO 模数混合波束赋形技术 10 毫米波关键技术和挑战 在 NR 高频中，考虑有限数量数字通道 MIMO 技术方案，来减少能耗和降低设备成本，即通过数字域和模拟 域进行联合波束赋形，即模数混合波束赋形。如下图所示，发射机（或接收机）由多个子阵列组成天线阵列， 其中每个子阵列能够独立使用 RF 移相器控制波束。在模拟域，通过低成本的移相器，实现高频信号单个传 播方向波束赋形；在数字域，通过使用基带处理器，实现多个传播方向的波束联合赋形。 ABF A 0 DAC . . . ABF A N-1 DAC . . . D B F D i g i t a l B a s e b a n d P r o c e s s i n g . . . . . . Transceiver 0 Transceiver N-1 PA PA PA PA Antenna 0 Antenna (M-1) Antenna (N-1)* M) Antenna (N*M-1) Beam 0 Beam n . . . Mixer 图 3-5 混合波束赋形示意图 波束管理包括波束扫描、波束跟踪、波束阻塞、波束恢复等功能。波束管理的目的是提升基站和 UE 的信号 传输增益，降低干扰，从而提升系统的数据传输速率，增强覆盖。 毫米波频段衰减大，传播距离短等特点会给覆盖和容量带来负面的影响，一般通过模拟波束赋型增益来补偿 衰减，同时针对不同的信道设计对应的模拟波束。下面分别就广播和业务信道来介绍对应的波束方案。 波束管理 波束方案 11 毫米波关键技术和挑战 业务信道的波束方案 业务信道波束方案上可以选择是否和 SSB 保持一致，其主要的考量是能否满足系统容量的要求。 如果和 SSB 保持一致，可以用 SSB 的波束 ID 来指示 PDSCH 信道的 QCL 关系。如果业务信道的波束是独立设计，那么需 要配置专门的 CSI-RS 信号来做业务波束的跟踪和扫描，业务信道波束的 QCL 关系也只能关联到 CSI-RS 信号上。 波束的覆盖场景由水平 3dB 波宽和垂直 3dB 波宽，倾角可调范围和方位角可调范围四个要素共同决定。针对不同的场景， 有不同的波束设计，比如对于室外 FWA 场景， 要求覆盖的面积比较大，我们可能设计水平 8 个波束方向，垂直 8 个波束 方向，在 3D 空间一共形成最多 64 个 SSB 波束方向。对于室内热点，由于路损比较小，所以波束可以设计的宽一些，比 如水平 4 个方向，垂直 4 个方向，在 3D 空间一共形成 16 个 SSB 波束方向。 基于以上的设计原则同时结合毫米波的发展阶段和实际部署复杂程度逐步增加的考虑，现阶段波束一般是通过静态配置， 根据不同的场景，在 AAU 预置波束码本来实现，后续可以采用基于 AI 在线实时自适应权值优化的实现方式。 广播信道的波束方案 广播信道主要是用于 UE 小区选择和下行同步， 所以在满足一定的覆盖要求即可。协议规定在每个 20 毫秒周期的前 5 毫 秒内，最多可以发送64个SSB。UE通过扫描SSB，选择一个能量最强的SSB对应的RO资源上发送preamble达到接 入和同步的目的。SSB 的个数过多，会占用过多的下行资源，影响系统吞吐量。SSB 的个数过少，会影响覆盖，导致基站 覆盖的面积过小，所以SSB的个数应该取决于能够满足覆盖要求的最少波束个数。对于相同的覆盖范围，SSB的个数越少， 则每一个SSB的波束就宽， 那么每个波束的增益就会越小。SSB的个数越多，每一个波束的宽度就越窄，同时增益也越大。 12 毫米波关键技术和挑战 为保证最终得到足够的信号增益，大规模天线阵列所产生的波束通常需要变得很窄，基站需要使用大量的窄 波束才能保证小区内任意方向上的用户都能得到有效覆盖。在此情况下，遍历扫描全部窄波束来寻找最佳发 射波束的策略显得费时费力，与 5G 所期望的用户体验不符。 为快速对准波束，5G 标准采取了分级扫描的策略，即由宽到窄扫描。分级扫描可以根据每个用户的需要随 时开展，不断切换最佳波束，最佳波束会随着用户的位置不同而发生变化。同时，为了更好地跟踪用户，需 要用到波束跟踪策略。 图 3-6 波束扫描和波束跟踪过程示意 接入阶段的波束捕获 连接态下的波束扫描和跟踪 空闲态的终端通过轮扫 SSB 信号，找到基站侧信号质量最好的 SSBID 和终端侧最好的接收波束，然后终端 会在这个 SSBID 对应的 RO（Rach Occasion）资源上发送 Msg1，基站收到 Msg1，就知道使用哪一个波 束和这个终端通信，后面整个同步和接入过程都使用这个 SSBID 对应的波束。 P1 过程： 基站侧和UE侧都使用比较宽的波束，UE侧进行波束轮扫，然后通过CSI report 通知基站，UE 接收基站的哪一个宽波束的信号质量最好。 P2 过程： 有时为了满足边缘用户的流量要求，会为远端 UE 设计一些更窄的波束，我们称为精细化波束。通 过P1过程，我们先确定UE的接收波束，然后通过P2过程，确定精细化波束。P2过程是UE侧的接收波 束不变，基站轮发精细化波束，UE 通过 CSI report 通知基站哪一个精细化波束的信号质量最好，基站在业 务信道可以使用精细化波束和 UE 通信，从而获得更高的增益。 P3 过程： 有时终端侧也设计了精细化波束，这时通过 P3过程，确定终端使用的精细波束。P3过程是基站 侧的发送波束不变，UE 切换接受波束，然后选择信号质量最好的波束作为业务信道的波束，UE 侧的波束选 择和切换，基站侧不感知。 波束扫描与跟踪 13 毫米波关键技术和挑战 在高频系统中基站和终端都是使用定向天线，当两者的波束方向互相匹配时，业务信道可以获得比较高的增 益，数据传输的吞吐量也比较高。但是，当基站和终端的波束方向不匹配时，业务信道获得的增益就非常小， 甚至会出现无线链路故障（RLF）的情况。 高频由于信道和传播特性决定，在移动的 NLOS 场景下，信道的传输路径可能会变化非常快，由于遮挡可能 会造成径的快速生灭，所以可能造成波束跟踪失败。为了可以快速恢复链路，避免流量掉沟，可以启动波束 快速恢复流程。 波束失败恢复的流程主要分为四个步骤 首先，UE会在当前PDCCH关联的下行参考 信号上周期测量，所测的信号质量持续低于一 定的门限值，UE 侧认为波束已经失败了。 波束失败检测过程1 2 新波束的发现过程 然后UE会通过周期的SSB进行波束轮扫， 发现信号质量最好的波束。 波束恢复 14 最后基站收到波束恢复请求后，在指定的 BFR搜索空间上使用UE波束恢复指示的新 波束发送波束恢复响应，波束恢复响应为该 UE 的 C-RNTI 加扰的 PDCCH，并且 DCI 的内容可以为DL grant，也可以是一个UL grant。 4 波束恢复请求响应过程 然后 UE 会在对应的 RO 资源上通过 RACH来 通知基站，发起波束恢复请求。 3 波束恢复请求过程 毫米波关键技术和挑战 组网架构 在 NR 的网络架构，定义了独立的 SA 架构和与 LTE 网络相结合的 NSA 架构。 综上SA和NSA的差异，SA或者NSA架构的选择，依赖于运营商对于5G建网部署规划和商务投资的计划， 以及产业链的成熟度等因素。选择 NSA 架构可以在初期帮助运营商迅速的进行 5G 建网，但由于 NSA 架构 不能完全适配 5G 的性能业务需求，后续为了支持 5G 的业务需求，必然需要向 SA 架构演进。而相对于 SA 架构建网，采用先 NSA 后 SA 的建网方式在资金支出上会明显高于直接 SA 组网。 SA 架构 NSA 架构 图 3-7 SA 网络架构 图 3-8 NSA 网络架构 指的是完全新建 NR 网络，包括新基站、回程 链路以及核心网。SA 引入了全新网元与接口 的同时，还将大规模采用网络虚拟化、软件定 义网络等新技术。 NSA 非独立组网指的是使用现有的 LTE 基础 设施，进行NR网络的部署。基于NSA架构 的 NR 网络承载用户数据，其控制信令主要通 过 4G 网络传输。 NSA/SA 架构 15 毫米波关键技术和挑战 如上所述，运营商在早期的 5G 部署中大都采用了 LTE 和 NR 的双连接（EN-DC）。毫米波自身频段高，传 播损耗大等特点导致的毫米波覆盖参差不齐，EN-DC 对于不同性质的无线多信道的支持，使其成为毫米波 早期部署的自然选择。 随着 5G 核心网的部署逐步展开，我们预期将会有更多的选择（NR 和 NR 的高低频双连接，NR 和 NR 的高 低频载波聚合等）来使能UE充分使用多频和多信道技术，从而在提高频段的灵活性的同时获得更高的速率。 相比而言，NR和NR的高低频载波聚合由于高频下行数据的HARQ依赖于低频的PUCCH反馈，和NR 和NR的高低频双连接对比，理论计算单UE下行峰值速率要降低30%-35%左右（注：高频帧结构采用 DDDSU，低频帧结构采用双2.5ms帧结构，SCS=30 kHz），同时高低频载波聚合在不共站场景下性能会 由于站间时延进一步恶化。 5G毫米波频段高、传播损耗高、绕射和衍射能力弱，遇到建筑物、植被、雨雪、人体或者车体等阻挡的影响较大， 从室外到室内的穿透损失较大，覆盖相对受限，这是 5G 毫米波通信系统面临的最大挑战。 根据毫米波的传播特性来看，毫米波适合于基本 LOS 场景（如室外或室内 LOS、室外富反射场景）和近似 LOS低穿透场景（如室外植被穿透、室内玻璃穿透两种），难以覆盖室外建筑物阻挡、室内高穿透损耗等场景。 毫米波传播过程中的路径损耗较大，自由空间损耗与载波频率成正相关，在相同路损模型下毫米波 26 GHz 载波比 3.5 GHz 载波的路损高约 17.42dB，理论传播距离只有 3.5 GHz 的六分之一左右。高频相对于低频， 建筑物的反射和衍射损耗更大，如混凝土反射损耗在 10dB 左右，衍射损耗通常大于 18dB。高频室外环境 受到树木等植被的影响也非常明显，受到天气（尤其是大雨场景）的影响也更大。高频从室外到室内的穿透 能力更差，对于单玻璃、木头、冰雪等材质能够穿透，对于混凝土材质以及室内多层墙体等，极端情况26 GHz 比 3.5 GHz 的穿透损耗要高接近 100dB。高频信号受到人体遮挡的影响比较大，如果终端周围存在多 个人体阻挡，信号衰减非常明显。 普通多层 玻璃 IRR 玻璃 混凝土 木头 树衰（树深 2 米） 雨衰（大雨 10mm/hr） 雪 冰 人体损耗 3.5G 2.7 24.05 19 5.27 7.67 0.00 0 0 3 26G 7.2 30.8 109 7.97 16.46 1.57 4 2 9-13 表格 3-1 3.5 GHz 和 26 GHz 不同材料的穿透损耗（dB）对比 高低频混合组网方案 覆 盖 毫米波性能 16 毫米波关键技术和挑战 除了上述的传播特性之外，毫米波的实际的覆盖也受到系 统配置参数的影响。通常情况下，毫米波可以通过降低 SCS、增加上行或下行资源、增加收发天线数、增加天线 增益、提高发射功率、优化RB资源分配等手段来扩展覆盖。 对于毫米波的单站覆盖来说，整体覆盖取决于上下行控制 信道和上下行业务信道的综合覆盖效果。控制信道覆盖 主要看极限覆盖距离，其中下行控制信道需要考虑SSB （PSS/SSS/PBCH）和 PDCCH，上行控制信道需要考虑 PRACH、PUCCH 和 SRS。业务信道覆盖需要根据目标边 缘速率来确定覆盖距离，不同上行和下行边缘速率目标对 应不同的覆盖距离，可以通过降低边缘速率要求来规划覆 盖。通常情况下，上行覆盖相对下行覆盖受限，业务信道 相对于控制信道受限，最终多以上行PUSCH业务信道的 覆盖来衡量整体覆盖。 图 3-9 3.5 GHz 和 26 GHz 覆盖对比 对于毫米波的组网覆盖来说，高频毫米波 在视距场景覆盖良好，但信号受遮挡影响 比较严重。和 3.5 GHz 相比，以 RSRP 不 低于 -110dBm 为基准，26 GHz 的总体 覆盖（按面积计算）只能达到3.5 GHz的 62%。 17 毫米波关键技术和挑战 5G毫米波技术频率资源丰富、带宽大、峰值速率极高，这是5G毫米波系统的最大优势之一，适用于大量 4k/8k 视频业务的场景。 基于 3GPP TS 38.306 峰值速率计算方法如下： 其中，峰值速率与载波数 J、阶数 、空间复用层数 、调制阶数 比例因子 、最大信道编码 码率 、评估带宽包含的PRB总数 呈正相关，与OFDM符号持续时间 和系统开销 呈 负相关。5G毫米波的峰值速率，可以从增加可用资源和降低开销两方面来提升。同时毫米波频段为TDD复用， 不同 TDD 帧结构配置对应不同的上下行资源占比，从而直接影响上下行峰值速率。 5G 毫米波的用户峰值速率和小区峰值吞吐率，举例如下图所示。对于 26 GHz 连续 800MHz 频谱，目前单 用户可以支持下行 8*100M 或 4*200M、上行 2*100 或 2*200M 的 SU-MIMO 载波聚合传输，小区可以 支持上下行 800M 4 流 MU-MIMO 传输。 峰值速率 ( ) = = J 1j (j) uni03BC s uni03BCBW(j), PRB max (j)(j) m (j)6 OH1 T 12N RfQv10(Mbps) 峰值速率 Layers V Layers （ j ） OH （ j ） Q m （ j ） R max F （ j ） N PRB （ j ） , BW null T s null 不同帧结构和调制阶数的 下行峰 值速率 单用户64QAM 小区64QAM单用户256QAM 小区256QAM 单位Gbps 14 12 10 8 6 4 2 0 DSUUUDDDSU DDSUU 图 3-10 不同帧结构和调制阶数的下行峰值速率 18 毫米波关键技术和挑战 5G 毫米波的容量大，这是 5G 毫米波相对于 Sub-6G 的又一大优势。 高频容量性能，主要体现在用户数和小区平均吞吐率两个方面。其中用户数可以通过RRC连接用户数、 CAPS 和每调度周期用户数来表征，小区吞吐率可以从平均吞吐率和边缘吞吐率来表征。 高频用户数受限于上下行控制信道的无线资源配置，可以从 PRACH、PDCCH、PUCCH、SRS 等信道容量 的进行分析，从而评估哪个信道为受限瓶颈。通常情况下，PRACH信道容量更容易成为小区容量受限的瓶颈。 高频在多小区和多用户场景下的小区吞吐率，主要受到组网环境和系统能力两方面的影响，其中组网环境包 括场景、传播特性和用户分布等，系统能力包括带宽能力、MIMO 能力、多用户调度等。组网环境对小区吞 吐率的影响非常明显，室内或室外热点场景的小区吞吐率要求明显要高于农村场景，LOS 传播环境的小区吞 吐率明显高于 NLOS 环境，用户分布好点和中点的用户比例越高小区吞吐率也会越高。系统能力对小区吞吐 率的提升尤为关键，增加系统带宽，优化MU-MIMO配对且提高MU-MIMO占比，优化多用户调度算法（如 EPF- 增强比例公平算法）且提升资源分配效率，从而进一步提升小区吞吐率。 下图为 3GPP UMa 场景不同站间距的容量仿真（CPE 发射功率为 40 dBm）。 容 量 1.8 20.4 500 0 1000 1500 2000 2500 1984.2 391.8 49.8 174 445.8 145.8 Uma模型下不同站间距容量 小区平均吞吐率 Mbit/s 5%吞吐率 500m 1000m 50%吞吐率 95%吞吐率 图 3-11 不同站间距容量对比 19 毫米波关键技术和挑战 5G 毫米波技术，相对于 Sub-6G 的空口时延显 著降低，能够满足5G空口时延小于1ms的时 延要求，适用于5G工业物联网、AR/VR等场景。 通常来说，5G 网络中空口时隙长度越短，物 理层的时延越小。5G 毫米波系统空口时隙长 度最小可至 0.125毫秒，是对应5G中低频 系统的 1/4。 频段 子载波间隔 时隙长度 1 GHz 15/30kHz 1/0.5ms 1 GHz 6 GHz 15/30/60kHz 1/0.5/0.25ms 24.25 52.6 GHz 60/120kHz 0.25/0.125ms APP on PC or Cell Phone PDCP UE GTP-U QNB EPC/5GC PDN Server GTP-U . Ping Echo Request Ping Echo Response PDCP RLC MAC PHY Air PLC MAC PHY S1 or NG-U 1 2 8 7 5 6 3 4 图 3-12 ping 包时延示意图 表格 3-2 不同频段对应的时隙长度 用户面时延一般通过对用户面ping不同 大小包来进行分析。针对用户面时延，毫 米波可以采用缩短SR周期，AMC参数 优化等多种手段达到降低时延的效果。 高频时延主要关注用户面时延，一般用户 面时延主要是通过 Ping 包测试来实现的， ping 包的流程图如右图所示。 毫米波天线技术应用于 5G 移动通信，既是缺点又是优点。因为超短的波长，使信号的传播距离受到严格限制，从而引发 信号盲区和弱区。相反，超短的波长可以使毫米波天然地具有集成射频元器件、实现紧凑性封装的优势，可以把非常多的 天线集中在非常小的区域内，方便使用高指向性的波束赋型技术，以补偿毫米波长距传播中的衰减损耗。同时新技术、新 概念的引入，也丰富着电控波束扫描的形式。 毫米波天线的硬件架构 时 延 20 毫米波关键技术和挑战 阵列天线当前看是最好的方案，阵列天线有两种架构 : 全数字波束赋形 (BF) 的大规模 MIMO 系统可以产生 最优性能。但硬件复杂度和成本(射频通道的数目)、 以及信号处理的复杂度和能耗迅速增加。 因此在 NR 高频中使用模数混合波束赋形。如下图所示，发射机（或接收机）由多个子阵列组成天线阵列，其中每个子阵 列能够独立使用 RF 移相器控制波束。在模拟域，通过低成本的移相器，实现高频信号单个 panel 的波束赋形；在数字域， 通过使用基带处理器，实现多个 panel 方向的波束联合赋形。 模拟波束赋形在经济上比数字波束赋形上更受欢迎， 但性能达不到数字波束赋形性能的效果，也无法实现 较优的 MIMO 性能 . 图 3-13 5G 毫米波基站混合波束赋型架构 相控阵天线是一种辐射波束可控的阵列天线。它主要由天线阵、馈电网络以及波束形成控制器等组成，通过 相移网络调节阵元的激励幅度和相位来改变辐射波束指向，并可灵活控制波束数目及形状，实现快速扫描和 追踪。毫米相控阵天线单