5G 2020后的移动通信

5G：2020后的移动通信/朱晨鸣等编著.--北京：人民邮电出版社，2016.2

ISBN　978-7-115-41562-2

Ⅰ.①5…　Ⅱ.①朱…　Ⅲ.①无线电通信—移动通信—通信技术　Ⅳ.①TN929.5

中国版本图书馆CIP数据核字（2016）第011356号

◆编著　朱晨鸣　王强　李新　何浩　陈旭奇　房树森　等

责任编辑　杨凌

责任印制　彭志环

◆人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164　　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

三河市海波印务有限公司印刷

◆开本：800×1000　1/16

印张：15　　2016年2月第1版

字数：256千字　　016年2月河北第1次印刷

内容提要

本书先从5G需求与愿景、5G研究项目与标准化进展等方面入手介绍了5G的引入背景和现状，接着说明为达到5G的需求使用的无线传输新技术和满足业务应用的弹性需求而设计的新的网络架构，并分析了5G可能的频谱资源，最后展望了5G的未来应用发展。

本书的主要读者对象为科研院所、电信设备制造商、电信运营商、电信设备提供商、电信咨询业从业人员，以及关注通信行业/技术发展的相关人士。

前言

自2009年1月我国工业和信息化部颁发了WCDMA、cdma2000以及TD-SCDMA三张牌照以来，我国移动通信正式进入了移动宽带化的3G时代。2013年12月，工业和信息化部又向中国移动、中国电信、中国联通同时颁发了TD-LTE牌照，随后中国电信与中国联通又取得了LTE FDD牌照，标志着中国移动通信正式进入4G时代。

随着移动通信网络的发展，人们对移动互联网的需求呈现爆发式增长，这就要求移动通信系统向着速率更高、时延更低的方向发展，5G成为通信业界普遍关注的主题，各通信厂商、科研机构、运营商都对5G抱有很高的期望，并展开了广泛的研究工作。

5G目前仍处于技术研究和标准化阶段，世界上主要的研究机构和标准化组织有ITU-R、3GPP、NGMN、METIS、WWRF、5GNOW等，中国的IMT-2020（5G）推进组和CCSA也开始了对5G的研究和标准化工作。各大通信厂商和运营商都积极参与到5G技术的研究中来。

5G相对于4G既是演进的又是革命性的，它是LTE持续演进的结果，同时在技术目标和网络性能上又大大超越了4G的能力，甚至有人认为5G是移动通信系统的“终极形态”。5G作为通信行业的热点受到业界关注，但相关文献很少，尤其在国内4G建设如火如荼的情况下，目前对于5G的系统介绍仍然是缺失的。

本书作者是江苏省邮电规划设计院从事移动通信网络研究的专业技术人员，长期跟踪研究LTE系统架构、规范与组网方案，跟踪LTE-Advanced标准和技术进展，长期关注IMT-2020、CCSA、ITU-R、3GPP、NGMN、METIS、WWRF、5G PPP、5GNOW、北美IEEE、韩国5G论坛、日本ARIB等组织和机构的5G技术及标准进展。本书在编写中融入了作者在长期从事移动通信网络规划设计中积累的经验和心得，可以使读者更好地理解5G系统架构及网络规划等内容。

本书是一本以第五代移动通信技术（5G）介绍为主要内容的书籍。首先介绍了移动通信系统的技术发展和5G需求与愿景，全球5G研究与标准化情况及通信业界对5G的看法，接着全面阐述了5G关键技术，重点从无线传输、网络架构、组网场景、频谱选择等方面进行了系统的介绍，最后对5G网络的部署进行了探讨。

本书对5G技术的介绍总体概念突出，内容清晰，具有前瞻性、专业性，旨在普及5G技术研究进展及网络演进的可能方向，希望能够为通信业相关人员了解5G关键技术、5G网络结构及组网方案等提供参考。

本书由朱晨鸣策划和主编，朱晨鸣、王强负责全书的结构和内容的掌握与控制。朱晨鸣、王强、李新、何浩、陈旭奇、房树森、彭雄根、贝斐峰、黄文金等人参与了全书内容的撰写。

书中不当之处，恳请读者批评指正。

第1章概述

1.1 移动通信技术发展

在过去的30多年时间里，移动通信经历了从语音业务到移动宽带数据业务的飞跃式发展，不仅深刻地改变了人们的生活方式，也极大地促进了社会和经济的飞速发展。

20世纪70年代末，美国AT&T公司研制出了第一套蜂窝移动电话系统。第一代无线网络技术的一大突破就在于它去掉了将电话连接到网络的用户线，用户第一次能够在移动的状态下拨打电话。第一代移动通信的各种蜂窝网系统有很多相似之处，但是也有很大的差异，它们只能提供基本的语音会话业务，不能提供非语音业务，并且保密性差，容易被窃听，而且它们之间还互不兼容，显然移动用户无法在各种系统之间实现漫游。

第一代移动通信系统是模拟蜂窝移动通信系统，时间是20世纪70年代中期至80年代中期。1978年，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统（AMPS，Advanced Mobile Phone System），建成了蜂窝状移动通信系统。而其他工业化国家也相继开发出蜂窝式移动通信系统。第一代移动通信系统相比以前的通信系统，最重要的突破是贝尔实验室在20世纪70年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即小区制，由于实现了频率复用，因而大大提高了系统容量。

第一代移动通信系统的典型代表是美国的AMPS和后来的改进型总接入通信系统（TACS，Total Access Communications System），以及NMT和NTT等。AMPS使用800MHz频带，在北美、南美和部分环太平洋国家被广泛采用；TACS使用900MHz频带，分为ETACS（欧洲）和NTACS（日本）两种版本，英国、日本和部分亚洲国家广泛采用此标准。

第一代移动通信系统的主要特点是采用频分复用，语音信号为模拟调制，每隔30/25k Hz一个模拟用户信道。第一代系统在商业上取得了巨大的成功，但是其弊端也日渐显露出来：

①频谱利用率低；

②业务种类有限；

③无高速数据业务；

④保密性差，易被窃听；

⑤设备成本高；

⑥体积大，重量大。

为了解决模拟系统中存在的这些根本性技术缺陷，数字移动通信技术应运而生，并迅速发展起来，这就是以GSM和IS-95为代表的第二代移动通信系统。

第二代移动通信系统主要有GSM、D-AMPS、PDC和IS-95 CDMA等。在我国运营的第二代移动通信系统主要以GSM和CDMA为主。第二代移动通信系统在引入数字无线电技术以后，不仅改善了语音通话质量，提高了保密性，防止了并机盗打，而且也为移动用户提供了无缝的国际漫游。

① GSM发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信的DMA标准而设计的，支持64kbit/s的数据速率，可与ISDN互联。GSM使用900MHz和1800MHz频段。GSM采用FDD双工方式和TDMA多址方式，每载频支持8个信道，信号带宽200k Hz。GSM标准体制较为完善，技术相对成熟，不足之处是相比模拟系统容量增加不多，仅仅为模拟系统的两倍左右。

② DAMPS（先进的数字移动电话系统）也称为IS-54（北美数字蜂窝），使用800MHz频段，是两种北美数字蜂窝标准中推出较早的一种，使用TDMA多址方式。

③ IS-95是北美的另一种数字蜂窝标准，使用800MHz或1900MHz频段，采用CDMA多址方式，已成为美国PCS（个人通信系统）网的首选技术。

由于第二代移动通信系统以传输语音和低速数据业务为目的，从1996年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了2.5代的移动通信系统，如GPRS和IS-95B，主要提供的服务仍然是语音服务以及低速率数据服务。网络的发展促进了数据和多媒体通信业务的快速发展，所以第三代移动通信的目标就是移动宽带多媒体通信。从发展前景来看，由于自有的技术优势，CDMA技术已经成为第三代移动通信的核心技术。为实现上述目标，对3G无线传输技术（RTT，Radio Transmission Technology）提出了以下要求：

①高速传输以支持多媒体业务：室内环境至少2Mbit/s；室内外步行环境至少384kbit/s；室外车辆运动中至少144kbit/s；卫星移动环境至少9.6kbit/s。

②传输速率能够按需分配。

③上下行链路能适应不对称需求。

第三代移动通信技术简称3G，它是一种真正意义上的宽带移动多媒体通信系统，能提供高质量的宽带多媒体综合业务，并且实现了全球无缝覆盖、全球漫游。第三代移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）于1985年提出，当时被称为未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS，Future Public Land Mobile Telecommunication System）， 1996年更名为IMT-2000（International Mobile Telecommunication-2000），意即该系统工作在2000MHz频段，最高业务速率可达2000kbit/s，其容量是第二代移动通信技术的2～5倍，目前最具代表性的有美国提出的MC-CDMA（cdma2000）、欧洲和日本提出的WCDMA以及中国提出的TD-SCDMA。1999年11月5日，国际电联ITU-R TG8/1第18次会议通过了“IMT-2000无线接口技术规范”建议，其中我国提出的TD-SCDMA技术写在了第三代无线接口规范建议的IMT-2000 CDMA TDD部分中。

第四代移动通信技术的概念可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信标准比第三代标准拥有更多的功能。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通信），能够提供定位定时、数据采集和远程控制等综合功能。此外，第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。4G能够以100Mbit/s以上的速率下载，能够满足几乎所有用户对无线服务的要求。通信制式的演进趋势如图1-1所示。

移动互联网和物联网作为未来移动通信发展的两大主要驱动力，为5G提供了广阔的应用前景。面向2020年及未来，数据流量的千倍增长、千亿设备连接和多样化的业务需求都将对5G系统设计提出严峻挑战。与4G相比，5G将支持更加多样化的场景，融合多种无线接入方式，并充分利用低频和高频等频谱资源。同时，5G还将满足网络灵活部署和高效运营维护的需求，能大幅提升频谱效率、能源效率和成本效率，实现移动通信网络的可持续发展。

1.2 后4G网络演进（LTE-A）

LTE（Long Term Evolution，长期演进）是由3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）组织制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）技术标准的长期演进，于2004年12月在3GPP多伦多TSG RAN#26会议上正式立项并启动。LTE系统引入了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）等关键传输技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率（20MHz带宽，2×2 MIMO，在64QAM情况下，理论下行最大传输速率为201Mbit/s，除去信令开销后大概为140Mbit/s，但根据实际组网情况以及终端能力限制，一般认为下行峰值速率为100Mbit/s，上行为50Mbit/s），并支持多种带宽分配：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz等，且支持全球主流2G/3G频段和一些新增频段，因而频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。LTE系统网络架构更加扁平化、简单化，减少了网络节点和系统复杂度，从而减小了系统时延，也降低了网络部署和维护成本。LTE系统支持与其他3GPP系统互操作。LTE系统有两种制式：LTE FDD和TD-LTE，即频分双工LTE系统和时分双工LTE系统，两者技术的主要区别在于空中接口的物理层上（如帧结构、时分设计、同步等）。LTE FDD系统空口上下行传输采用一对对称的频段接收和发送数据，而TD-LTE系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输，相对于FDD双工方式，TDD有着较高的频谱利用率。

LTE的核心技术主要包括OFDM、MIMO、调制与编码技术、高性能接收机、智能天线技术、软件无线电技术、基于IP的核心网和多用户检测技术等。

OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽。OFDM技术的优点是可以消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现低成本的单波段接收机。OFDM的主要缺点是功率效率不高。

MIMO技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用的是分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。例如，当接收天线和发射天线数目都为8根，且平均信噪比为20d B时，链路容量可以高达42bit/s/Hz，这是单天线系统所能达到容量的40多倍。因此，在功率带宽受限的无线信道中，MIMO技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集复用技术。在无线频谱资源相对匮乏的今天，MIMO系统已经体现出其优越性，也会在4G移动通信系统中继续应用。

（3）调制与编码技术

4G移动通信系统采用新的调制技术，如多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡技术等调制方式，以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。4G移动通信系统采用更高级的信道编码方案（如Turbo码、级连码和LDPC等）、自动重发请求（ARQ）技术和分集接收技术等，从而在低Eb/N0条件下保证系统足够的性能。

（4）高性能接收机

4G移动通信系统对接收机提出了很高的要求。香农定理给出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。按照香农定理，根据相关计算，对于3G系统，如果信道带宽为5MHz，数据速率为2Mbit/s，所需的SNR为l.2d B；而对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mbit/s的数据，则所需要的SNR为12d B。由此可见，对于4G系统，由于速率很高，对接收机的性能要求也要高得多。

（5）智能天线技术

智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。

（6）软件无线电技术

软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A转换器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件来实现。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变Qo S。

（7）基于IP的核心网

移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，同已有的移动网络相比具有根本性的优点，即：可以实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN兼容。核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网能把业务、控制和传输等分开。采用IP后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络（CN）协议、链路层是分离独立的。IP与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。

（8）多用户检测技术

多用户检测是宽带通信系统中抗干扰的关键技术。在实际的CDMA通信系统中，各个用户信号之间存在一定的相关性，这就是多址干扰存在的根源。由个别用户产生的多址干扰固然很小，可是随着用户数的增加或信号功率的增大，多址干扰就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干扰能力较差；多用户检测技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。随着多用户检测技术的不断发展，各种高性能又不是特别复杂的多用户检测器算法不断提出，在4G实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。

据GSA发布的最新LTE演进报告显示，截至2015年7月21日，全球已有422张LTE商用网络遍布于143个国家。全球181个国家的677家运营商正在对LTE技术进行投资，其中包括176个国家638家运营商的LTE部署承诺和5个国家的39个LTE试验网。35个国家的59个网络采用了TD-LTE。有187家运营商在1800MHz上部署了LTE，有49个国家的103家运营商开始部署或试验Vo LTE，其中16个国家的25家运营商已正式商用Vo LTE。

截至2015年第一季度，全球LTE用户达到6.35亿人。全球LTE终端达到3253款，厂商275家，所有LTE终端中有1210款支持TD-LTE制式，占比达到37.2%。其中智能手机1783款，占总体的54.8%。另外，98.5%的智能手机同时支持3G，有219款支持Vo LTE，有1132款手机支持Cat4，108款手机支持Cat6。

LTE从2007年开始升温，2009年12月Teliasonera在瑞典和挪威商用了全球首张LTE商用网，2010年美国最大运营商Verizon的LTE正式商用，开始了LTE的快速发展进程，日本和韩国在之后陆续商用LTE，中国也开始大规模部署LTE网络。

LTE的演进可分为LTE、LTE-A、LTE-A Pro三个阶段，分别对应3GPP标准的R8～R14版本，如图1-2所示。目前的移动通信网络正处于LTE阶段，即运营商的主推业务4G，但实际上并未被3GPP认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通信标准IMTAdvanced，因此在严格意义上其还未达到4G的标准，准确来说应该称为3.9G，只有升级版的LTE-Advanced（LTE-A）才满足国际电信联盟对4G的要求，是真正的4G阶段，也是后4G网络演进阶段。

1.3 5G路线图

面对5G场景和技术需求，需要选择合适的无线技术路线，以指导5G标准化及产业发展。综合考虑需求、技术发展趋势以及网络平滑演进等因素，5G空口技术路线可由5G新空口（含低频空口与高频空口）和4G演进两部分组成。

（1）5G空口技术框架

LTE/LTE-Advanced技术作为事实上的统一4G标准，已在全球范围内大规模部署。为了持续提升4G用户体验并支持网络平滑演进，需要对4G技术进一步增强。在保证后向兼容的前提下，4G演进将以LTE/LTE-Advanced技术框架为基础，在传统移动通信频段引入增强技术，进一步提升4G系统的速率、容量、连接数、时延等空口性能指标，在一定程度上满足5G技术需求。

受现有4G技术框架的约束，大规模天线、超密集网络等增强技术的潜力难以完全发挥，全频谱接入、部分新型多址等先进技术难以在现有技术框架下采用，4G演进路线无法满足5G极致的性能需求。因此，5G需要突破后向兼容的限制，设计全新的空口，充分挖掘各种先进技术的潜力，以全面满足5G性能和效率指标要求，新空口将是5G主要的演进方向，4G演进将是有效补充。

5G将通过工作在较低频段的新空口来满足大覆盖、高移动性场景下的用户体验速率和系统容量需求。综合考虑国际频谱规划及频段传播特性，5G应当包含工作在6GHz以下频段的低频新空口以及工作在6GHz以上频段的高频新空口。5G无线路线如图1-3所示。

5G低频新空口将采用全新的空口设计，引入大规模天线、新型多址、新波形等先进技术，支持更短的帧结构、更精简的信令流程、更灵活的双工方式，有效满足广覆盖、大连接及高速等多数场景下的体验速率、时延、连接数以及能效等指标要求。在系统设计时应当构建统一的技术方案，通过灵活配置技术模块及参数来满足不同场景差异化的技术需求。

5G高频新空口需要考虑高频信道和射频器件的影响，并针对波形、调制编码、天线技术等进行相应的优化。同时，高频频段跨度大、候选频段多，从标准、成本及运维角度考虑，应当尽可能采用统一的空口技术方案，通过参数调整来适配不同信道及器件的特性。

高频段覆盖能力弱，难以实现全网覆盖，需要与低频段联合组网。由低频段形成有效的网络覆盖，对用户进行控制、管理，并保证基本的数据传输能力，高频段作为低频段的有效补充，在信道条件较好的情况下，为热点区域用户提供高速率数据传输。

5G空口技术框架应当具有统一、灵活、可配置的技术特性，如图1-4所示。面对不同场景差异化的性能需求，客观上需要专门设计优化的技术方案。然而，从标准和产业化角度考虑，结合5G新空口和4G演进两条技术路线的特点，5G应尽可能基于同一的技术框架进行设计。针对不同场景的技术需求，通过关键技术和参数的灵活配置形成相应的优化技术方案。

根据移动通信系统的功能模块划分，5G空口技术框架包括帧结构、双工、波形、多址、调制编码、天线、协议等基础技术模块，通过最大可能地整合共性技术内容，从而实现“灵活但不复杂”的目的，各模块之间可相互衔接，协同工作。根据不同场景的技术需求，对各技术模块进行优化配置，形成相应的空口技术方案。下面简要介绍各模块及相关备选技术。

①帧结构及信道化。面对多样化的应用场景，5G的帧结构参数可灵活配置，以服务不同类型的业务。针对不同的参数配置，具体包括带宽、子载波间隔、循环前缀（CP）、传输时间间隔（TTI）和上下行配比等。参考信号和控制信道可灵活配置以支持大规模天线、新型多址等新技术的应用。

②双工技术。5G将支持传统的FDD和TDD及其增强技术，并可能支持灵活双工和全双工等新型双工技术。低频段将采用FDD和TDD，高频段更适宜采用TDD。此外，灵活双工技术可以灵活分配上下行时间和频率资源，更好地适应非均匀、动态变化的业务分布。全双工技术支持相同频率、相同时间上的同时收发，也是5G潜在的双工技术。

③波形技术。除传统的OFDM和单载波波形外，5G很有可能支持基于优化滤波器设计的滤波器组多载波（FBMC）、基于滤波器的OFDM（F-OFDM）和通用滤波多载波（UFMC）等新波形。这类新波形技术具有极低的带外泄漏，不仅可提升频谱使用效率，还可以有效利用零散频谱并与其他波形实现共存。由于不同波形的带外泄漏、资源开销和峰均比等参数各不相同，可以根据不同的场景需求，选择适合的波形技术，同时有可能存在多种波形共存的情况。

④多址接入技术。除支持传统的OFDMA技术外，还将支持SCMA、PDMA、MUSA等新型多址技术。新型多址技术通过多用户的叠加传输，不仅可以提升用户连接数，还可以有效提高系统频谱效率。此外，通过免调度竞争接入，可大幅度降低时延。

⑤调制编码技术。5G既有高速率业务需求，也有低速率小包业务和低时延高可靠业务需求。对于高速率业务，多元低密奇偶校验码（M-ary LDPC）、极化码、新的星座映射以及超奈奎斯特调制（FTN）等多种方式可进一步提升链路的频谱效率；对于低速率小包业务，极化码和低码率的卷积码可以在短码和低信噪比条件下接近香农容量界；对于低时延业务，需要选择变异码处理时延较低的编码方式。对于高可靠业务，需要消除译码算法的地板效应。此外，由于密集网络中存在大量的无线回传链路，可以通过网络编码提升系统容量。

⑥多天线技术。5G基站的天线数量及端口数将有大幅度增长，可支持配置上百根天线和数十个天线端口的大规模天线，并通过多用户MIMO技术，支持更多用户的空间复用传输，数倍提升系统频谱效率。大规模天线还可用于高频段，通过自适应波束赋形补偿高的路径损耗。5G需要在参考信号设计、信道估计、信道信息反馈、用户调度机制以及基带处理算法等方面进行改进和优化，以支持大规模天线技术的应用。

⑦低层协议。5G的空口协议需要支持各种先进的调度、链路自适应和多连接等方案，并可灵活配置，以满足不同场景的业务需求。5G空口协议还将支持5G新空口、4G演进空口及WLAN等多种接入方式。为减少海量小包业务造成的资源和信令开销，可考虑采用免调度的竞争接入机制，以减少基站和用户之间的信令交互，降低接入时延。5G的自适应HARQ协议将能够满足不同时延和可靠性的业务需求。此外，5G将支持更高的节能机制，以满足低功耗和物联网业务需求。

5G空口技术框架可针对具体场景、性能需求、可用频段、设备能力和成本等情况，按需选取最优技术组合并优化参数配置，形成相应的空口技术方案，实现对场景及业务的“量体裁衣”，并能够有效应对未来可能出现的新场景和新业务需求，从而实现“前向兼容”。

（2）5G低频新空口设计考虑

低频新空口可广泛用于连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠场景，其技术方案将有效整合大规模天线、新型多址、新波形、先进调制编码等关键技术，在同一的5G技术框架基础上进行优化设计。

在连续广域覆盖场景中，低频新空口将利用6GHz以下低频段良好的信道传播特性，通过增大带宽和提升频谱效率来实现100Mbit/s的用户体验速率。在帧结构方面，为了有效支持更大带宽，可增大子载波间隔并缩短帧长，并可考虑兼容LTE的帧结构，例如，帧长可被1ms整除，子载波间隔可为15k Hz的整数倍；在天线技术方面，基站侧将采用大规模天线技术提升系统频谱效率，天线数目可达128个以上，可支持多达10个以上用户的并行传输；在波形方面，可沿用OFDM波形，上下行可采用相同的设计，还可以采用F-OFDM等技术支持与其他场景技术方案的共存；在多址技术方面，可在OFDMA基础上引入基于叠加编码的新型多址技术，提升用户连接能力和频谱效率；在信道设计方面，将会针对大规模天线、新型多址等技术需求，对参考信号、信道估计及多用户配对机制进行全新设计；在双工技术方面，TDD可利用信道互易性更好地展现大规模天线的性能。此外，宏基站的控制面将进一步增强并支持C/U分离，实现对小站和用户的高效控制与管理。

在热点高容量场景中，低频新空口可通过增加小区部署密度、提升系统频谱效率和增加带宽等方式在一定程度上满足该场景的传送速率与流量密度需求。本场景的技术方案应与连续广域覆盖场景基本保持一致，并可在如下几方面做进一步优化：帧结构的具体参数可根据热点高容量场景信道和业务特点做相应优化；在部分干扰环境较为简单的情况下，可考虑引入灵活双工或全双工；在调制编码方面，可采用更高阶的调制方式和更高的码率；为了降低密集组网下的干扰，可考虑采用自适应小小区分簇、多小区协作传输及频率资源协调；此外，可通过多小区共同为用户提供服务，打破传统小区边界，实现以用户为中心的小区虚拟化；为了给小小区提供一种灵活的回传手段，可考虑接入链路与回传链路的统一设计，并支持接入与回传频谱资源的自适应分配，有效提高资源的使用效率。同时，在系统设计时还要考虑集中、分布式和无线网状网（Mesh）等不同无线组网方式带来的影响。

在低功耗大连接场景中，由于物联网业务具有小数据包、低功耗、海量连接、强突发性的特点，虽然总体数量较大，但对信道带宽的需求量较低，本场景更适合采用低频段零散、碎片频谱或部分OFDM子载波。在多址技术方面，可采用SCMA、MUSA、PDMA等多址技术通过叠加传输来支持大量的用户连接，并支持免调度传输，简化信令流程，降低功耗；在波形方面，可采用基于高效滤波的新波形技术（如F-OFDM、FBMC等）降低带外干扰，利用零散频谱和碎片频谱，有效实现子带间技术方案的解耦，不同子带的编码、调制、多址、信令流程等都可进行独立配置；可通过采用窄带系统设计，提升系统覆盖能力，增加接入设备数并显著降低终端功耗成本；此外，还需大幅增强节能机制（包括连接态和空闲态），在连接态通过竞争接入方式，简化信令流程，降低用户接入时延，减少开启时间；空闲态采用更长的寻呼间隔，使终端更长时间处于休眠状态，实现更低的终端功耗。

在低时延高可靠场景中，为满足时延指标要求，一方面要大幅度降低空口传输时延，另一方面要尽可能减少转发节点，降低网络转发时延。为了满足高可靠性指标要求，需要增加单位时间内的重传次数，同时还应有效提升单链路的传输可靠性。为有效降低空口时延，在帧结构方面，需要采用更短的帧长，可与连续广域覆盖的帧结构保持兼容。在波形方面，由于短的TTI设计可能导致CP开销过大，可考虑采用无CP或多个符号共享CP的新波形；在多址技术方面，可通过SCMA、PDMA、MUSA等技术实现免调度传输，避免资源分配流程，实现上行数据包调度“零”等待时间。为有效降低网络转发时延，一方面可通过核心网功能下沉、移动内容本地化等方式，缩短传输路径；另一方面，接入网侧可引入以簇为单位的动态网络结构，并建立动态Mesh通信链路，支持设备和终端间单跳和/或多跳直接通信，进一步缩短端到端时延。为了提升数据传输的可靠性，在调制编码方面，可采用先进编码和空时频分集等技术提升单链路传输的可靠性；在协议方面，可采用增强的HARQ机制，提升重传的性能。此外，还可以利用增强协作多点（Co MP）和动态Mesh等技术，加强基站间和终端间的协作互助，进一步提升数据传输的可靠性。

（3）5G高频新空口设计考虑

高频新空口通过超大带宽来满足热点高容量场景的极高传输速率要求。同时，高频段覆盖小、信号指向性强，可通过密集部署来达到极高的流量密度。在天线技术方面，将采用大规模天线，通过自适应波束赋形与跟踪，补偿高路损带来的影响，同时还可以利用空间复用支持更多用户，并增加系统容量；在帧结构方面，为满足超大带宽需求，与LTE相比，子载波间隔可增大10倍以上，帧长也将大幅缩短；在波形方面，上下行可采用相同的波形设计，OFDM仍是重要的候选波形，但考虑到器件的影响及高频信道的传播特性，单载波也是潜在的候选方式；在双工方面，TDD模式可更好地支持高频段通信和大规模天线的应用；编码技术方面，考虑到高速率大容量的传输特点，应选择支持快速译码、对存储需求量小的信道编码，以适应高速数据通信的需求。高频新空口对回传链路的要求高，可利用高频段丰富的频谱资源，统一接入与回传链路设计，实现高频基站的无线自回传。此外，为解决高频覆盖差的问题，可采用支持C/U分离的低频与高频融合组网，低频空口可承担控制面功能，高频新空口主要用于用户面的高速数据传输，低频与高频的用户面可实现双连接，并支持动态负载均衡。

（4）4G演进空口设计考虑

4G演进空口将基于LTE/LTE-Advanced技术框架，在帧结构、多天线、多址接入等方面进一步改进优化，从而在保持平滑演进的基础上，满足5G在速率、时延、流量密度和连接数密度等方面的部分需求。在帧结构方面，可减少每个TTI的OFDM符号数量，并引入优化的调度和反馈机制，以降低空口时延；在多天线方面，可以利用三维信道信息实现更精准的波束赋形，支持更多用户和更多流量传输；在多址接入方面，可以利用多用户叠加传输技术和增强的干扰消除算法，提升系统频谱效率及用户容量；针对物联网应用需求，可引入窄带设计方案，以提升覆盖能力，增加设备连接数，并降低功耗和实现成本。此外，4G演进空口应当能够与5G新空口密切协作，通过双连接等方式共同为用户提供服务。