5G開啟萬物互聯新時代，新業務新需求對5G系統提出新挑戰。業界一般認為移動通信10年一代，2G提供語音和低速數據業務，3G時代在提供語音的同時，開始提供基礎的移動多媒體業務， 4G時代移動通信提供移動寬帶業務，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務使用體驗的同時，全面支持以物為中心的物聯網業務，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系統設計時需要充分考慮不同場景和業務的差異化需求。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，一個系統如何同時滿足多樣業務需求，5G系統設計面臨新的挑戰。
5G標準規劃
3GPP于2018年6月發布第一個獨立組網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務和基礎的低時延高可靠業務，R16為5G增強版本，將支持更多物聯網業務。考慮到5G將與LTE較長時間共存，并且運營商擁有的頻譜不同、部署節奏不同、5G網絡業務定位不同，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月份發布獨立組網的5G標準此外，3GPP將于2019年底發布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，滿足多樣業務需求，同時易于擴展支持新業務。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，以靈活支持突發業務。
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，LPDC在處理大數據包和高碼率方面有性能優勢，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可以指向不同的區域，比如樓宇的高層、中層和地面，為網絡規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
以控制與轉發功能分離為基礎，突出網絡的多業務差異化服務能力。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現和調用，重構業務流程，結合基于NFV的網絡切片快速部署，新業務可以在幾周內完成開發，并實現分鐘級的上線運行?？刂破矫婀δ芊矫?，5G核心網根據終端類型和位置區域，提供不同的切片選擇、移動性和會話管理策略，為不同業務提供差異化的接入服務。轉發平面功能方面，5G核心網支持分布式的轉發路徑設置和邊緣計算，優化不同業務的吞吐量和轉發時延。5G安全采用可擴展認證協議（EAP）框架實現統一認證，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技術發展
5G技術將持續增強。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務能力和基礎網絡架構能力的同時，重點提升對垂直行業應用的支持，特別是對低時延高可靠類業務的支持。在移動寬帶業務能力方面，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。在垂直行業應用方面，研究5G車聯網（NR V2X）、低時延高可靠（URLLC）增強、工業物聯網增強（NR IIoT）、NB－IoT／mMTC增強等內容。
文 ｜ 杜瀅 朱浩