2020版联想5G6G白皮书.pdf

联 想 5G/6G白皮 书 (2020 版 ) 前言 2019 年被视为 5G 非独立组网 （ NSA） 商用化元年， 2020 年标志着 5G 独立 组网 （ SA） 商用化的发端。随着大规模商业部署的开展，以超宽带和低延迟为特 征的 5G 通信 基础设施正在推动千行百业逐步实现数字化转型。在 此 过程中，移 动通信不仅预期为人类社会发展提供各种便利，更是通过 支持 日新月异的创新应 用潜移默化地改变人类的生活方式、工作方式 以及 社交方式等等。未来十年，这 种技术经济发展趋势将得到 进一步 深化。本白皮书 旨在通过回顾 移动 通信技术 演 进 历程 、 总结 5G 通信 和 标准化 关键技术以及 业务 应用状况 ，展望未来 移动 通信 技术发展趋势， 期望能 为本领域提供一些 有价值的 参考，对引导业界为构造 更加 强大的 6G 移动 通信系统进行铺垫。 首先，本白皮书 通过技术标准和核心业务回顾了 移动通信技术近 40 年的发 展 历程 ， 基于 5G 技术 发展的里程碑 、 主要设计目标 、 支持的频谱范围及网络部 署模式初步展示了 5G 的概况 。 5G 技术 于 2016 年正式更名为 5G 新无线 （ New Radio） ， 以 国际电联 ITU 定义的三大场景 （增强移动宽带 eMBB、大连接 mMTC 及超低时延高可靠 URLLC） 作为 设计 目标 ，在全球范围和区域范围开展了 5G NR 频谱分配，并在 3GPP 组织下进行了 国际 标准制定，是全球通信产业链 几百家公 司 共同努力的研发成果。 接着，本白皮书 详细探讨 了 5G 场景需求以及 3GPP 5G 关键技术，力求阐明 5G 的业务 、技术 特点 及其 底层 设计逻辑。 为 有效 支持 上述 三大 典型 场景 所涵盖 的丰富的性能指标 ， 5G 关键技术 庞大， 复杂而精细。本白皮书将其规约为三个 主要 方面：基础技术 是构成 5G 技术体系 的 基石 ， 重点介绍了 5G 的物理层关键 技术，如波形设计、帧结构设计、大规模天线设计等，以及用户的移动性管理 ； 网络层关键技术 侧重于 5G 系统的网络架构和网络层方向的一些重大技术创新； 面向垂直行业应用 列举 了基于 5G 的车联网通信，低时延高可靠通信，以及物联 网通信 等重要技术 。 同时， 我们展示了联想在 5G 技术及标准化活动中的积极 贡 献 和 丰硕 成果。 市场发展状况是 对 技术和标准优劣最直接的验证。 通过分析可以看出， 5G 移 动通信 的 系统部署和用户普及比以往任何一代移动通信系统都更加快速。 而 5G 另一独特之处在于其通过对垂直行业的支持 将服务对象从 人 的范畴扩展到 进一 步包含 物 的范畴 ， 从而 在实现工业 4.0 以促进社会生产力持续发展中起到 至关 重要的 作用。 联想 预见 到了 5G 将对 信息通信融合 （ ICT） 产生 深远 影响 ，对 5G 技术领域战略投资中不仅 很早 开始 布局技术标准领域的 基础积累 ，而且重视 关键 技术的研发和落地。 无论是作为中坚力量的终端设备（笔记本电脑 ， 智能手机 ， AR 眼镜等），还是初具竞争力的网络设备（云化小基站， MEC 软件平台 ， MEC 硬件等），到 作为 后 起 新秀的 垂直 行业解决方案（智慧教育 ， 智慧医疗 ， 智能制 造 ， 智能车联网等），联想 5G 相关的研发成果 和产品 从深度和广度上 进行了全 面突破 。 5G 技术标准和商业部署的成熟正在催生人类社会对于信息需求的基本模式 的变化，迫切要求信息处理能力的革命性提升，以加速发展以普及数字化、泛在 连接化、高度智能化为特征的 6G 时代新型社会。 6G 预期 的新场景和应用所需要 的超高速率，超大容量，极高的可靠性和极低的时延， 需要 建立在物理层可能提 供的链路和系统容量之上。 预计 6G 的底层将采用一系列新技术，包括新型工艺 和材料，新型器件，新频段（太赫兹、可见光），新型双工复用方式，新型电磁 波传播方式，以及新方法（人工智能应用于物理层设计）。与以往通信系统相比， 6G 网络也预期取得根本性变 革以保证更高精度端到端 QoS 或 QoE 的确定性业务 提供，替代现有的尽力而为服务保障。从这个意义上说，在 6G 网络众多可预期 的特征中，随处可及、泛在智能、安全可信显得尤为突出。 5G 作为新基建的核心领域之一，正在为助力经济转型升级和高质量发展发 挥作用。 6G 预期将通过提供极具创新的应用，彻底改变人类行为的各个层面。 满足信息需求不断进步以赋予人类更加安全、便捷的生活，并促进社会生产力持 续提升 这一目标将 为 未来 通信 技术发展 提供源源不断的 灵感和 动力。 目 录 1. 5G 概述 . 3 1.1. 移 动 通信 技术演进 . 3 1.2. 5G 的 定义 . 4 1.3. 5G 的 频谱 . 6 1.4. 5G 的网 络 部署模式 . 6 1.4.1. 5G 商用初期选择 NSA，再向 SA 网络演进 . 8 1.4.2. 5G 商用初期直接选择 SA . 8 2. 5G 技 术 及 标 准化 . 10 2.1. 5G 的 场景和需求 . 10 2.1.1. 增强移动宽带 . 10 2.1.2. 低时延高可靠场景 . 11 2.1.3. 大连接场景 . 12 2.1.4. 网络运营 . 12 2.2. 3GPP 5G 关键技术 . 13 2.2.1. 基础技术 . 13 2.2.2. 网络层关键技术 . 38 2.2.3. 面向垂直行业应用技术 . 59 2.3. 联想在 5G 技术及标准领域的研发成果 . 75 3. 5G 业务 的 应 用 发 展 状况 . 77 3.1. 5G 市 场的发展概述 . 77 3.2. 5G 在垂直行 业 中的 应用场景 . 79 3.3. 联想在 5G 产品领域的研发成果 . 80 3.3.1 终端设备类 5G 产品 . 81 3.3.2 网络设备类 5G 产品 . 85 3.3.3 垂直行业类 5G 解决方案 . 88 4. 6G展 望 . 92 4.1. 通信需求 发 展 趋势 . 92 4.2. 面向 6G 的潜在关 键 技 术 . 93 4.2.1. 物理层关键技术 . 93 4.2.2. 网络层关键技术 . 107 参考文献 . 111 缩 略 语 . 113 图 . 118 表 . 122 免 责 声明 . 123 权利声明 . 125 3 1. 5G概述 1.1. 移 动 通信 技术演进 移动通信 一般 遵循 10 年一代的规律，随着 市场和业务 需求的升级，从 1G 到 5G 一直在持续演化， 具体请 参 见 图 1.1 的演化历程 。 20 世纪 80 年代中期开始， 提供语音业务的 第一代（ 1G） 模拟 移动 通信 技术 逐渐成长起来。 该 模拟 通信采用的 制式 主要包括 美国 的 AMPS（ Advanced Mobile Phone System） 以及 北欧 的 NMT（ Nordic Mobile Telephone）。 后来， 20 世纪 90 年代 又 产生了 第一个数字通信 系统 方案 ， 即 2G移动 通信， 其 制式 包括 欧洲的 GSM （ Global System for Mobile Communications） 以及 美国的 数字化 AMPS（ digital- AMPS, d-AMPS） 。 红极一时的 短信 SMS（ Short Message Service） 业务 就是 在 2G 时代被引入 进来的 。 图 1.1 移动通信演进路线 进入新千年， 为满足不断增长的 移动 数据接入 需求 ，全球 移动通信 进入 了 3G 时代 。 其 主要的技术标准包括 TD-SCDMA（ Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access） ， WCDMA（ Wideband CDMA） 以及 CDMA2000。 从此， 以 流媒体 4 为代表的移动数据业务 进入 了 人们的 视线 。 从 3G 技术 向 4G 技术 演进 初期 存在 两个 主要 备选方案 ： 其一是 3GPP（ Third Generation Partnership Project）组织 提 出 的 LTE（ Long Term Evolution)系统 ， 此系统 采用 OFDM（ Orthogonal Frequency Division Multiplexing） 以及 TDD/FDD（ Time Division Duplexing/Frequency Division Duplexing） 替代 了 CDMA（ Code Division Multiple Access） 技术 。 其二 是基于 IEEE 802.16m 的 WiMAX (Worldwide Inter-operability for Microwave Access) 技术 。 LTE 进一步 演进为 LTE 增强 版本 LTE-A（ LTE-Advanced） ， 在热点 覆盖 和小区边缘 QoS 保障上 均 有 更 好 的表现， 逐渐 成为 了 4G 的 主流 技术 ，并 在 之后成为 向 5G 技术 演化 的 基础。 1.2. 5G的 定义 5G 无线接入技术 （ Radio Access Technology， RAT） 的概念 产生 和研发 工作 开 始于 2010 年左右 ，以满足当时提出的新兴应用和业务需求。 自 2016 年起， 5G RAT 正式 更名为 5G 新无线 （ New Radio， NR）。 5G NR 基于国际电联 ITU （ International Telecommunication Union） 定义的 5G 需求 1， 在全球和区域范 围 开展了 5G NR 频谱分配，并在 3GPP 组织下 开始进行 标准制定， 并于 2018 年 发布了第一个 R15 标准版本，这 是全球通信产业链共同努力的研发成果。图 1.2 通过 5G 需求 /技术 标准化以及商业部署 的关键时间节点 示意了它们之间的关联 。 5 图 1.2 5G 移动通信里程碑 5G 的主要设计目标，如图 1.3 所示， 主要涵盖 三 大 核心场景，即 增强移动宽 带 场景 （ enhanced Mobile BroadBand， eMBB）、 大连接场景（ massive Machine Type Communication， mMTC）以及 低时延高可靠场景（ Ultra Reliable Low Latency Communication， URLLC） 。 eMBB 专注于 实现 峰值速率超过 20Gbps，保障最低速 率 100Mbps， 支持 500km/h 移动性 以及 10-100 Mbits/s/m2 业务容量提升。 mMTC 旨在优化网络和设备，实现 106/km2 的设备接入。 URLLC 的目标是提供超低延迟 （ 低至 1ms） 超高可靠性 （ 高达 99.9999%） 的接入性能。 图 1.3 5G 主要设计目标 6 1.3. 5G的 频谱 5G NR 支持的频段可从 1GHz 到 100GHz。目前，在 Rel-15 和 Rel-16 标准中 ， 3GPP 将可用频段分为两大频率范围（ Frequency Range， FR），如 下 表 1.1 所示。 其中， FR1 就是常说的 Sub-6GHz，其可支持的最大信道带宽是 100MHz。 FR2 就 是常说的毫米波频段，其最大可支持 400MHz 信道带宽。目前，全球优先部署的 5G 频段为 n77、 n78、 n79、 n257、 n258 和 n260，频率分别集中在 3.3GHz-4.2GHz、 4.4GHz-5.0GHz 和毫米波 26GHz/28GHz/39GHz。 表 1.1 G 支持的频率范围 频率范围 FR1 410 MHz 7125 MHz FR2 24250 MHz 52600 MHz 1.4. 5G的网 络 部署模式 为满足全球运营商 5G 网络在不同阶段的部署需求， 3GPP 制定的 5G 网络标 准定义了独立（ StandAlone， SA）组网和非独立（ Non-StandAlone， NSA）组网两 大类部署模式。 3GPP TR 38.801 中定义了五种 5G 组网方式 2。 如图 1.4 所示： Option 2 和 Option 5 为 SA 组网方式； Option 3、 Option 4 和 Option 7 为 NSA 组网 方式。 Option 2：独立工作的 NR 基站 gNB 和 5GC。通过部署 NR gNB 接入 5GC （ 5G Core） ，端到端实现了 SA 组网， Option 2 是业界公认的 5G 目标架构 和最终形态 。 7 Option 3：依托于 EPC，以 LTE 系统的 eNB 作为主基站， NR 系统的 gNB 作 为辅基站构成的双链接架构，称之 为 EN-DC（ E-UTRA-NR Dual Connectivity） 。 Option 4：在 option 2 的基础上，以 NR 系统的 gNB 作为主基站， LTE 系统 的 eNB 作为辅基站构成的双链接架构，称之为 NE-DC（ NR-E-UTRA Dual Connectivity） 。 Option 5： LTE 基站升级接入 5GC，称之为 eLTE。 Option 7：在 Option 5 的基础上，以 eLTE 基站 ng-eNB 作为主基站， NR 系 统的 gNB 作为辅基站的双链接架构，称之为 NGEN-DC（ NG-RAN E-UTRA- NR Dual Connectivity） 。 图 1.4 5G 候选组网方式 根据运营商 5G 商用部署进度计划、可用频谱资源、终端和产业链成熟情况、 总体建网成本等，运营商可以选择不同的组网部署演进路线。 NSA Option 3 标准 化完成时间早，依托于 LTE 网络的低频覆盖，部署 NR 高频热点覆盖提供高容量， 8 被不少运营商作为 5G 初期部署的优先选择；而 SA Option 2 能端到端体现 5G 全 部网络优势，作为 5G 网络演进的最终目标。总体来说运营商 5G 网络部署演进 路线分为两大类： 1.4.1. 5G 商用初期选择 NSA，再向 SA 网络演进 该网络演进路线为： LTE- NSA Option 3- (Option 7)-(Option 4) -Option 2。 5G 网络部署初期，依托于现有的 EPC 和 LTE 网络，通过 Option 3 的方式部署 NSA 高频 NR 基站；等时机和产业链成熟，将 EPC 演进到 5GC，可选的部署 Option 7 和 /或 Option 4。最终实现 SA 5G 网络。目前欧美运营商优选考虑该演进路径。 图 1.5 5G 网络演进路线 1 1.4.2. 5G 商用初期直接选择 SA 该网络演进路线为： LTE-Option 2。该网络演进路线一步实现 SA 5G 网络。 在终端和产业链成熟、 5G 低频频谱资源丰富和不考虑组网成本的情况下，运营 商可以一步实现 5G 独立网络的部署。目前中国运营商 主要 考虑实现该演进路径。 9 图 1.6 5G 网络演进路线 2 10 2. 5G技 术 及 标 准化 2.1. 5G的 场景和需求 较 4G 技术来说， 5G 技术支持更为广泛的场景和业务： 5G 技术不仅支持传 统的智能终端移动网络的需求，还支持政企、工业等垂直行业的业务场景和需求。 为了提炼 5G 技术的场景和需求， 3GPP 组织研究了 74 个典型用例，并归为以下 四大类场景： - 增强移动宽带（ eMBB） - 低时延高可靠场景（ URLLC） - 大连接场景（ mMTC） - 网络运营（ Network Operation） 其中低时延高可靠场景（ URLLC）和大连接场景（ mMTC）可进一步归为垂直 行业场景，在下一章节中会统一介绍相关关键技术。 图 2.1 5G 场景示意图 2.1.1. 增强移动宽带 增强移动宽带场景 eMBB 较 4G 技术进一步增强了数据速率，并提出了更丰 11 富的指标来综合衡量增强移动宽带的性能。例如除了峰值速率的要求，还有区分 场景的速率要求（共 9 类场景），用户体验速率要求，流量密度要求，用户密度 要求，移动性要求等等。下面表格中 列 举了几个分场景速率要求的例子 表 2.1 典型业务需求（ eMBB） 场景 用户体验速 率（下行） 用户体验速 率（上行） 流量密度 （下行） 流量密度 （上行） 用户密 度 移动性要求 室内 热点 1 Gbit/s 500 Mbit/s 15 Tbit/s/km2 2 Tbit/s/km2 250 000/km2 步行速度 密集 城区 300 Mbit/s 50 Mbit/s 750 Gbit/s/km2 125 Gbit/s/km2 25 000/km2 步行速度 车辆中的用户 （ 60 公里时 速） 高速 铁路 50 Mbit/s 25 Mbit/s 15 Gbit/s/train 7,5 Gbit/s/train 1 000/train 高铁中的用户 （ 500 公里时 速） 2.1.2. 低时延高可靠场景 低时延高可靠场景 URLLC 指那些要求具备超低时延和超高可靠性的业务， 例如工业控制，车联网业务，高铁通信等等。其可靠性要求可高达 99.9999%，时 延要求高达 1ms。一些典型业务如下： 运动控制： 传统运动控制的特点是对通信系统的延迟、可靠性和可用性有 很高的要求。支持运动控制的系统通常部署在局部地区（例如厂房），但 也可能部署在更广泛的地区（例如城市范围的智能电网）， 出于 安全和数 据隐私的考虑，访问可能仅限于授权用户，并且与其他移动用户使用的网 络或网络资源隔离。 远程控制： 远程控制的特点是由人或计算机远程操作终端。例如，远程驾 驶允许远程驾驶员或 V2X 应用程序在没有驾驶员的情况下操作远程车辆， 12 或远程车辆处于危险环境中例如矿山。 高铁通信： 铁路通信（如铁路、轨道交通）使用基于 3GPP 的移动通信（如 GSM-R）已经有一段时间了，而列车上仍有司机。下一步的发展将是提供 完全自动化的列车操作，这需要高度可靠的通信，中等延迟，但 支持的移 动 速度 需要 高达 500 公里 /小时。 2.1.3. 大连接场景 大连接场景 mMTC 主要是指那些业务量不大，但终端数量较大的场景。例如 物联网场景，智能穿戴场景，传感网络场景等。像物联网场景，一般具有较大的 终端数量和非实时的业务，需要考虑安全和配置的特殊性。智能穿戴场景，包括 不同种类的终端和传感器，较为关注终端的低复杂度和续航时间。传感网络场景， 一般应用在智慧城市之中，具有非常大的终端密度，并且 具有种类繁多的业务。 这种场景下也需要终端具有低复杂度和较长的续航时间。对于大连接场景来说， 连接数密度要求达到每平方公里百万级的连接数。 2.1.4. 网络运营 5G 技术由于支持更加丰富多种的业务，因此对于系统运维方面的能力也有 了更高的要求，主要体现在灵活的功能和能力，创造新的价值，业务迁移和多种 网络技术的协同，网络优化和增强以及安全方面。例如网络切片 可以 灵活 地 根据 场景、市场领域来划分网络 。 弹性和可扩展的网络可以使得运营商快速上线新的 业务，在 5G 系统上线初期可以平滑的将业务迁移至 5G 网络，并和 4G 等技术共 存 ， 共同为用户提供服务等。 13 2.2. 3GPP 5G 关键技术 在这一章节， 5G 关键技术介绍主要分为以下三个部分： 1：基础技术部分。 这一部分的内容重点介绍了 5G 的物理层关键技术，如波形设计、帧结构设计、 大规模天线设计等，以及用户的移动性管理； 2：网络层关键技术，重点介绍了 5G 系统的网络架构和网络层方向的一些重大技术创新； 3：面向垂直行业应用 技 术 ，重点介绍了基于 5G 的车联网通信，低时延高可靠通信，以及物联网通信。 2.2.1. 基础技术 虽然 5G 有三大应用场景，但是大多数的关键技术都是适用于各个场景的， 尤其是物理层关键技术，是 5G 技术的核心。 2.2.1.1. 信号波形 5G NR 下行传输只支持传统的带循环前缀的 OFDM (CP-OFDM)波形，而上行 传输既可以支持带循环前缀的 OFDM 波形，也可以支持带 DFT 扩展的 OFDM (DFT- S-OFDM)，图 2.2 演示了下行和上行的波形生成过程 。在实际传输中，由于 DFT- S-OFDM 可以保持较低的上行峰均比，所以可为小区边缘用户提高上行发射功率， 因此 DFT-S-OFDM 只能用于上行单层传输。相比较而言， CP-OFDM 的上行峰均比 较高，所以通常用于小区中心用户。而通常小区中心用户的信道条件较好，信噪 比较高，故 CP-OFDM 用于上行多层传输。 14 图 2.2 下行和上行的波形生成过程 当然， OFDM 技术也有自身的一些缺陷：如峰均比较高，需要精确的时频同 步，循环前缀带来一定的资源开销。此外， OFDM 技术的带外泄露也比较严重， 使得相邻的频段必须插入较宽的保护频带。比如，在 4G LTE 系统， 20MHz 的带 宽，其中可用的带宽只有 18MHz，意味着频谱利用率只有 90%。所以在 5G NR 中， 为了进一步提高频谱利用率，采用了加窗和滤波器技术，可以将频谱利用率提高 到 98%。 在 4G LTE 系统中，只定义了 15kHz 这一种子载波间隔。而 5G NR 由于要支 持的频率范围非常广，包括低频、中频、高频以及毫米波频段，所以需要多种子 载波间隔。为了保持一定的后向兼容性和可扩展性，新增的子载波间隔定义为 f = 2 15 kHz，其中 =0, 1, 2, 3, 4。当 =0 时， f =15 kHz，此时完全兼 容了 LTE 系统。在实际使用中， FR1 下的数据信道传输只支持 15kHz， 30kHz 和 60kHz， FR1 下的同步信道传输只支持 15kHz 和 30kHz。 FR2 下的数据信道传输只支持 60kHz 和 120kHz， FR2 下的同步信道传输只支持 120kHz 和 240kHz。具体 子载波间隔 情 况如下表 2.2 所示。 另外，为了支持较大的小区覆盖，像 LTE 系统那样， NR 也支持扩展循环前 缀（ extended cyclic prefix）。由于使用扩展循环前缀会带来较大的系统资源开销， 所以在 NR 标准中，只有当子载波间隔为 60kHz 时才支 持扩展循环前缀。 T r a n s f o r m P r e c o d i n g * S u b - c a r r i e r M a p p i n g I F F T C P I n s e r t i o n * O p t i o n a l l y p r e s e n t i n U L , n o t p r e s e n t i n D L 15 表 2.2 5G NR 支持的子载波间隔 u 子载波间隔 (KHz) 可支持的循环前缀类型 数据信道 同步信道 0 15 普通 支持 支持 1 30 普通 支持 支持 2 60 普通 , 扩展 支持 不支持 3 120 普通 支持 支持 4 240 普通 不支持 支持 2.2.1.2. 帧结构设计 像 4G LTE 一样， 5G NR 的上下行传输也是将时域资源分成多个无线帧，每帧 长度固定为 10 毫秒。每个无线帧等分成 10 个子帧，每个子帧长度为 1 毫秒。每 个无线帧还可等分为两个半帧，第一个半帧包含子帧 0， 1， 2， 3， 4，第二个半 帧包含子帧 5， 6， 7， 8， 9。 NR 的无线帧、半帧、子帧的长度都与 4G LTE 完全 一样。差别之处在于时隙的概念完全不一样。 4G LTE 的时隙长度固定为 0.5 毫秒， 一个时隙包含 7 个 OFDM 符号。而一个 5G NR 的时隙包含 14 个 OFDM 符号，时 域长度随着子载波间隔的增加而成倍缩短。具体的，当子载波间隔是 15kHz 时， 一个 NR 时隙长度为 1 毫秒；当子载波间隔是 30kHz 时，一个 NR 时隙长 度为 0.5 毫秒；当子载波间隔是 60kHz 时，一个 NR 时隙长度为 0.25 毫秒；当子载波间隔 是 120kHz 时，一个 NR 时隙长度为 0.125 毫秒。但是，无论子载波间隔如何改 变，对普通循环前缀，一个 NR 时隙固定包含 14 个 OFDM 符号；对扩展循环前 缀，一个 NR 时隙固定包含 12 个 OFDM 符号。 16 表 2.3 每个 NR 无线帧、子帧和时隙所包含的 OFDM 符号数 （普通循环前缀） u 每 时隙包含的 符号数 每个无线帧包含的 符号数 每个子帧 包含的 时隙数 0 14 10 1 1 14 20 2 2 14 40 4 3 14 80 8 4 14 160 16 如上所述，一个 NR 时隙包含 14 个 OFDM 符号，这 14 个符号可分为三类： 下行符号，灵活符号，上行符号。下行符号只能用于下行传输，上行符号只能用 于上行传输，而灵活符号既可以用于上行传输，也可以用于下行传输。实际系统 中，一个灵活符号到底用于上行传输还是下行传输，取决于基站是否调度下行传 输或者上行传输在该灵活符号上。 目前， 5G NR 总共定义了 56 种时隙格式，分别用 D 表示下行符号， U 表示 上行符号， F 表示灵活符号。在实际系统中，基站通过下行公共控制信道以 DCI format 2-0 的形式通知小区内的所有终端，然后终端再根据具体的上行或者下行 调度信令来确定那些被指示为灵活符号的符号到底用于上行还是下行传输。 2.2.1.3. 大规模天线技术 Massive MIMO（大规模天线）技术是 5G 中提高系统容量和频谱利用率，增 强传输可靠性，保证小区覆盖的关键技术之一。它最早由贝尔实验室研究人员提 出，使用数十根甚至上百根天线将传统 MIMO 天线系统扩展为大规模天线矩阵。 使用大规模天线阵后，一方面可以 采用波束赋形技术在空间上集中传输和接收信 17 号的能量，获取波束赋型增益来提高接收信号质量，而且能降低不同波束服务用 户的接收信号间干扰；另一方面可同时使用传统 MIMO 技术的空分复用技术来 提高频谱效率或空间分集技术提高传输可靠性。 1) 大规模天线传输技术 5G 系统支持单用户 MIMO，多用户 MIMO 和多点协作传输。如图 2.3 所示， 单用户 MIMO 支持单个用户的多流传输；多用户 MIMO 中多个用户的数据流复 用在相同的时频资源上传输；多点传输中多个发送接收点为一个用户提供数据发 送接收服务。对于下行传输，采用不同的预编码矩阵实现提 高系统容量和系统可 靠性的 MIMO 传输。下行预编码矩阵可通过用户测量反馈或上下行信道互异性 来确定。对于上行传输， 5G 系统支持基于码本的预编码传输模式和非码本的波 束赋型传输模式。 单 用 户 M I M O 传 输 多 用 户 M I M O 传 输 多 发 送 接 收 点 协 作 传 输 双 极 化 天 线 波 束 1 数 据 流 1 数 据 流 2 双 极 化 天 线 数 据 流 1 数 据 流 2 双 极 化 天 线 数 据 流 3 数 据 流 4 双 极 化 天 线 数 据 流 1 波 束 1 波 束 2 波 束 1 波 束 2 数 据 流 1 图 2.3 下行 MIMO 传输方式示意图 2) 参考信号设计 接收端利用接收到的参考信号对信道，干扰和噪声进行估计，用于解调，信 道信息反馈，波束管理和功率控制。不同功能的参考信号在 5G 系统中进行了精 心设计，他们仅在需要时才进行传输，避免不必要的开销。基于 MIMO 传输设计 的上下行参考信号包括信道状态信息参考信号（ CSI-RS）、探测参考信号（ SRS）、 18 解调参考信号（ DMRS）、时频追踪参考信号（ TRS）、还特别根据高频段相位噪声 大的特点增加了噪声相位追踪参考信号（ PTRS）。 3) 信道信息测量及反馈 5G 系统根据基站的天线阵的组成形态和应用场景对下行码本进行了优化设 计。对单用户场景设计出基于二维 DFT 波束的单面板和多面板第一类码本，对多 用户场景设计出包含幅度信息的高反馈精度第二类码本，并且用压 缩感知对频域 信道信息进行了压缩以减少反馈开销。信道测量结果通过 CSI 上报，基站为每个 CSI 配置参考信号，上报内容。反馈用户根据配置测量参考信号，计算出上报信 息，进行信息上报，供基站端根据多个用户的信道情况进行调度。 4) 波束管理技术 5G 系统不仅支持跟 4G 系统一样的低频工作频率，还增加了高频毫米波的 工作频率。而路径损耗会随着频率的增大而呈指数级增大，因此当 5G 系统工作 在高频时，路径损耗相比工作在低频时会增大很多。而大规模天线阵列中的天线 可以通过调节天线的相位，形成波束赋形使信号更 集中 地发射和接收，且增益随 着天线 数增大而 相应 增大。而天线尺寸会随着工作载频的增大而减小，因此在高 频时，基站和用户可以通过配备更多的天线，获得波束赋形增益来弥补高频下的 路径损耗。 不同的波束指向不同的方向，因此每个波束的覆盖范围都是有限的，为了能 全覆盖基站里的所有用户，基站需要发射多个波束保证覆盖。同样用户端可能也 有多个接收波束或发射波束来进一步提高波束赋形增益。传输时只有收发两端的 波束进行匹配才能获得最大的波束赋形增益，因此 5G 相比 4G 新引入了波束管 理来确定基站和用户的收发波束，并指示每次上下行传输所用的波束，从来提高 19 传输性能。 5G 的波 束管理如图 2.4 所示 ， 有波束上报，波束扫描和波束复原三部分。波 束上报是通过用户测量基站通过不同波束发出的参考信号，再根据测量结果由用 户上报一个或者多个最强的波束给基站。基站基于上报结果，来配置或者指定用 户之后传输的波束从来提高传输效率。波束扫描是通过发送端发送相同波束而在 接收端用不同的波束接收来确定最优的接收波束，它可以提高波束匹配度从而进 一步提高传输性能。而波束恢复是通过用户检测预配置的检测波束集的情况，当 发现检测波束集中所有的波束质量都低于某个门限值，用户发起波束恢复的请求， 并从一个预配置的候选波束集中 选择一个满足条件的新的波束并上报给基站。然 后基站会对用户的波束恢复请求进行确认，接下来则会用这个新的波束来服务这 个用户。 基 站 基 站 用 户 用 户 波 束 上 报 波 束 扫 描 发 现 波 束 失 败 并 确 定 新 波 束 上 报 波 束 复 原 请 求 和 新 波 束 确 认 波 束 复 原 请 求 用 新 波 束 进 行 连 接 检 测 波 束 集 候 选 波 束 集 波 束 复 原 图 2.4 波束管理示意图 5) 功率控制技术 功率控制包括上行功率控制和下行功率控制， 5G 中下行功率控制由基站控 制各信道 /信号传输资源单元的功率。上行控制功率控制指基站在一定范围内改 变终端的发送功率，使得小区覆盖范围内的终端发送到基站的信号功率保持在相 20 等水平。功率控制主要用于补偿信道的路径损耗和阴影衰落等造成的信号衰减， 既要保证终端发射的信号能被基站接收，从而维持相应的通信质量，又不会大到 对相邻小区其它用户产生较高的干扰，从而达到抑制小区间干扰。另外功率控还 能起到保证小区覆盖，提升系统容量以及延长终端电池寿命的重要作用。与 4G 相比， 5G 可以为每个发送波束独立配置相应的路损参考信号且 5G 中用于测量 路损的参考信号是可配的，而 4G 只 能配一个路损参考信号 而 且参考信号是始终 存在 的 。 2.2.1.4. 广播多播业务 5G 新无线 网络 （ NR） Release 17 版本将支持 MBS (Multicast and Broadcast Service) 多播广播业务。相应的标准化工作正在开展并计划于 2022年年中完成。 除了传统的 TV、公共安全和集群业务外， NR MBS 还将广泛用于包括 IoT 物联网， V2X 车联网等垂直行业。 NR MBS 将同时支持广播和多播业务； NR MBS 多播模式 支持高可靠低时延，来满足 相应 垂直行业 的 QoS 需求。与常规单播业务的应用 层数据包只针对单个用户发送不同， NR MBS 业务的应用层数据包会同时发送给 多个订阅了该 NR MBS 业务的用户。 实际系统中 取决于具体实现， NR MBS 业务 的订阅可以通过 NAS 层或者应用层完成。 21 5 GC gNB UE UE UE UE gNB NR MBS data data copy 1 copy 2 S h a r e d D e l i v e r y I n d i v i d u a l D e l i v e r y S h a r e d D e l i v e r y P T P o r P T M UE P T P o r P T M 图 2.5 NR MBS 数据包在 5GC 和 RAN 侧的传输 NR MBS 多播模式存在两种 5GC 和 gNB 间 MBS 数据传输方法： - 5GC individual MBS traffic delivery 独立传输模式 ：在独立传输模式 下，一个 NR MBS 业务数据包将被 5GC 复制成多份，分别利用每个 用户独立的 PDU session 发送给 gNB，并由 gNB 发送给用户。 - 5GC shared MBS Traffic delivery 共享传输模式 ：在共享传输模式下， 一个 NR MBS 业务数据包将先被 5GC 通过一个共享隧道发送给一个 相关的 RAN 节点，再由 RAN 节点分发给在其覆盖范围内的单个或多 个用户。 在 5GC 共享传输模式下，当数据包到达 RAN 节点时， RAN 节点可以决定使 用以下任意方法将数据包在空口发送给单个或多个用户： - Point-to-Point (PTP) 单点对单点 ：在 PTP 模式下，一个 NR MBS 数 据包将被 RAN 节点复制成 多份 ，在空口上以单播的方式用用户特有 的下行数据信道（ PDSCH）分别发送给每个用户。 - Point-to-Multipoint (PTM) 单点对多点 ：在 PTM 模式下，一个 NR MBS 数据包在空口上用公共的 PDSCH 同时发送给一组用户。 22 在 NR MBS 的业务中，不同的业务对可靠性，延迟，传输速率等 QoS 的要求 也不尽相同。 V2X 车联 网和公共安全业务对 QoS 往往有 极高 要求，而 IPTV 和物 联网业务对 QoS 的要求往往没有那么严苛。针对不同 NR MBS 业务对 QoS 的不 同要求，以及充分利用 RRC CONNECTED， RRC INACTIVE，和 RRC IDLE 状态下的数 据传输能力， NR MBS 业务既可以在 RRC CONNECTED 态下传输来保证一定的 QoS， 也可以在 RRC INACTIVE/IDLE 态下传输来兼顾节能和 MBS 业务的数据接收。 在 RRC CONNECTED 态下， RAN 可以决定使用 PTP 模式或 PTM 模式发送 NR MBS 数据包 。为了支持一些 NR MBS 业务对传输稳定性和业务连续性的高要求， 3GPP 对 5G 空口也做了针对性的加强： - PTM 多播下的 HARQ 重传： 在使用 PTM 模式多播 NR MBS 数据时， RAN 可以配置和使用基于 HARQ 反馈的重传机制。 - 动态 PTP/PTM 模式切换： gNB 根据用户数量，用户信号质量等情 况，动态完成 PTP 和 PTM 模式间切换