5G開啟萬物互聯新時代，新業(yè)務新需求對5G系統(tǒng)提出新挑戰(zhàn)。業(yè)界一般認為移動通信10年一代，2G提供語音和低速數據業(yè)務，3G時代在提供語音的同時，開始提供基礎的移動多媒體業(yè)務， 4G時代移動通信提供移動寬帶業(yè)務，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網業(yè)務使用體驗的同時，全面支持以物為中心的物聯網業(yè)務，實現人與人、人與物和物與物的智能互聯。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用場景，在5G系統(tǒng)設計時需要充分考慮不同場景和業(yè)務的差異化需求。5G將滿足20Gbps的光纖般接入速率，ms級時延的業(yè)務體驗，千億設備的連接能力，超高流量密度和連接數密度，及百倍網絡能效提升等極致指標，一個系統(tǒng)如何同時滿足多樣業(yè)務需求，5G系統(tǒng)設計面臨新的挑戰(zhàn)。
5G標準規(guī)劃
3GPP于2018年6月發(fā)布第一個獨立組網5G標準。3GPP制定R15和R16標準滿足ITU IMT－2020全部需求，其中R15為5G基礎版本，重點支持增強移動寬帶業(yè)務和基礎的低時延高可靠業(yè)務，R16為5G增強版本，將支持更多物聯網業(yè)務?？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網絡業(yè)務定位不同，3GPP標準分階段支持多種5G組網架構。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選擇，其中2018年6月份發(fā)布獨立組網的5G標準此外，3GPP將于2019年底發(fā)布R16標準，R16標準在R15的基礎上，進一步增強網絡支持移動寬帶的能力和效率，同時擴展支持更多物聯網場景。
5G新空口技術
5G新空口（NR）支持大帶寬、低時延、靈活配置，滿足多樣業(yè)務需求，同時易于擴展支持新業(yè)務。在帶寬方面，針對6GHz以下的頻譜，5G新空口支持最大100MHz的基礎帶寬；針對20GHz－50GHz頻譜，5G新空口支持最大400MHz的基礎帶寬；此外，5G新空口采用部分帶寬設計，支持多種終端帶寬，適應多種業(yè)務需求。 在低時延方面，5G新空口支持較寬子載波間隔，支持符號級的調度資源粒度，支持自包含時隙和快速重傳機制。基于這些技術方案，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新空口靈活設計體現在基礎參數設計、幀結構、參考信號設計、控制信道設計等等方面。
NR支持靈活參數集，以滿足多樣帶寬需求。NR以15kHz子載波間隔為基礎，可根據15＊2u靈活擴展，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支持靈活幀結構，定義大量時隙格式，滿足各種時延需求。LTE定義了7種幀結構、11種特殊子幀格式，其中幀結構以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構。LTE幀結構以準靜態(tài)配置為主，高層配置了某種幀結構后，網絡在一段時間內采用該幀結構。在特定場景下，也可以支持物理層的快速幀結構調整；NR從一開始設計就支持準靜態(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。
NR支持更大數據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)務的大數據包對編碼方案的編譯碼的復雜度和處理時延提出了挑戰(zhàn)，LPDC在處理大數據包和高碼率方面有性能優(yōu)勢，成為NR的數據信道編碼方案，并且為了避免大數據包的重傳，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指標，極化碼Polar在短數據包方面有更好的表現，成為NR控制信道編碼方案之一。
NR支持基于波束的系統(tǒng)設計，提供更靈活的網絡部署手段。LTE中同步、接入采用廣播傳輸模式，數據信道支持波束賦形傳輸模式。為了實現同步、接入和數據傳輸3個階段的匹配，NR中同步、接入、控制信道、數據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，為網絡規(guī)劃提供更多可調手段。
NR支持數字和混合波束賦形。低頻NR主要采用傳統(tǒng)的數字波束賦形，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，即基于專用導頻的預編碼傳輸模式。此外，相比于LTE，5G新空口定義更多導頻格式（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核心網設計
以控制與轉發(fā)功能分離為基礎，突出網絡的多業(yè)務差異化服務能力。架構方面，5G核心網采用全新的基于服務的系統(tǒng)架構、新型架構將原先的網絡功能分解為一組服務，每個服務都可以獨立發(fā)現和調用，重構業(yè)務流程，結合基于NFV的網絡切片快速部署，新業(yè)務可以在幾周內完成開發(fā)，并實現分鐘級的上線運行。控制平面功能方面，5G核心網根據終端類型和位置區(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)務提供差異化的接入服務。轉發(fā)平面功能方面，5G核心網支持分布式的轉發(fā)路徑設置和邊緣計算，優(yōu)化不同業(yè)務的吞吐量和轉發(fā)時延。5G安全采用可擴展認證協議（EAP）框架實現統(tǒng)一認證，支持用戶在接入網間無縫切換，同時，通過增強的安全機制進行用戶隱私保護（如身份標識等），并支持按需的用戶數據保護方法。
5G技術發(fā)展
5G技術將持續(xù)增強。3GPP已啟動5G第二版本（R16）標準的預研工作，在增強基礎的移動寬帶業(yè)務能力和基礎網絡架構能力的同時，重點提升對垂直行業(yè)應用的支持，特別是對低時延高可靠類業(yè)務的支持。在移動寬帶業(yè)務能力方面，R16重點研究多天線增強、載波聚合與大帶寬增強、遠端干擾刪除、非正交多址和免許可5G技術。在基礎能力提升方面，重點研究終端節(jié)能、定位增強、移動性增強、基于RAN的大數據收集與應用、服務化架構增強、智能化運營、切片增強等內容。在垂直行業(yè)應用方面，研究5G車聯網（NR V2X）、低時延高可靠（URLLC）增強、工業(yè)物聯網增強（NR IIoT）、NB－IoT／mMTC增強等內容。
文 ｜ 杜瀅 朱浩