5G无线系统设计与国际标准

5G无线系统设计与国际标准

刘晓峰 孙韶辉 杜忠达
沈祖康 徐晓东 宋兴华　著

人民邮电出版社

北京

图书在版编目（CIP）数据

5G无线系统设计与国际标准 / 刘晓峰等著. --北京：人民邮电出版社，2019.2

ISBN　978-7-115-50644-3

Ⅰ.①5…　Ⅱ.①刘…　Ⅲ.①移动通信-通信系统-国际标准　Ⅳ.①TN929.5-65

中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第004373号

定价：159.00元

读者服务热线：(010)81055488　印装质量热线：(010)81055316

反盗版热线：(010)81055315

内容提要

本书主要介绍了5G系统设计中涉及的关键技术及相应的国际标准化内容，其中空口技术部分主要涉及初始接入设计、控制信道设计、大规模天线设计、信道编码、NR与LTE共存几个主要部分。高层设计及接入网架构方面将涵盖NSA/SA、CU/DU分离、双连接等内容。本书不仅对这些关键技术进行了介绍，还对这些技术的标准化过程及标准化方案进行了详细分析。

本书适合从事移动通信研究的本科生及研究生、从事移动通信工作的工程师及希望了解5G相关情况的专业人士阅读。

序

王志勤

面向2020年及未来十年的发展，第五代移动通信（5G）将从移动互联步入移动物联的新时代。人们期望5G技术能够像互联网一样成为通用技术，以其极强的渗透性、带动性，与各行各业深度融合，为社会经济发展的关键基础设施提供支撑。5G与大数据、人工智能等ICT新技术融合发展，将推动生产组织方式、资源配置效率、管理服务模式发生深刻变革，创造数字经济的新价值体系。

移动通信可提供国际漫游服务，产业巨大，全球统一标准一直是产业界的梦想。2016年，国际标准化组织3GPP启动了5G标准制定工作，经历一年多的紧张忙碌，凝聚了全球数千名专家智慧结晶的全球统一的5G第一版国际标准终于按期完成。

为了提升移动互联网用户体验，拓展移动物联网多样化的需求，5G要明显提高系统性能，包括吉比特级的高速率、毫秒级的低时延、百万级的连接能力，还需要提供灵活的系统设计以满足物联网多样化的需求。这对5G技术的创新提出了很高的要求。在5G无线技术方面，我们常常用“三驾马车”来形象地比喻5G无线技术创新：一是灵活的系统设计，以及灵活的帧结构、波形设计，可适应多样化需求，满足低时延等性能的要求；二是大规模天线，增加天线数量及新型设计，进一步提升频谱效率，满足中频段及高频段的需求；三是无线新技术，如新型信道编码等，为大带宽、高速率业务提供支撑。可见，5G不像以往各代移动通信是以新的多址接入技术作为特征，5G是以多种关键技术来共同定义的。

5G国际标准是产品研发的基础。本书是以5G第一版国际标准作为依据，重点介绍了5G无线技术标准系统设计与关键技术，是5G技术标准方面难得的教科书，有利于5G产品开发、网络建设与应用等方面的技术人员准确、深入地理解5G技术。

本书的作者大多来自于5G国际标准化工作的一线，亲历了5G标准激烈争论与达成统一的过程，对技术标准有更加深刻的理解。他们是在移动通信领域耕耘多年的工程师，对于产品设备研发有丰富的实践经验，书中提供了大量很有价值的技术方案与系统设计。同时，他们也是IMT-2020（5G）推进组的成员，在5G标准的推进中结下了深厚的友情，也形成了一支很成熟的创作团队。相信他们的作品会给你带来很多收获和启发，也期待着有更多力量投入5G的建设和发展中，让我们共同创造出5G美好的明天。

前言

随着4G的广泛应用，无线互联网的时代已经开启。以智能手机为代表的无线互联网应用给我们的生活带来了深刻变化。在4G的基础上，不仅传统移动宽带数据业务快速增长，越来越多的新应用及新技术也不断涌现。这也对无线网络的发展提出了更加多样化的需求。这些需求不仅包括更高系统吞吐量，还包括对更低的传输时延、更高的可靠性和系统更多的连接用户数的追求。

5G系统就是为应对这些新的需求而提出的。5G系统的设计与4G系统最大的差别在于，5G系统在支持快速增长的移动宽带数据业务的同时，还需要考虑支持超低时延、高可靠性业务和广覆盖下的大连接业务。5G系统不仅需要实现人和人的互联，还需要实现人与物、物与物的互联，即万物互联。为完成这一任务，5G不仅需要使用传统的低频频谱，如3GHz以下的频谱，还需要支持高频频谱的使用，以获得更大的系统带宽，来满足不同的业务需求。这些需求给5G的系统设计带来极大挑战。

为迎接5G带来的诸多挑战，全球主要移动通信公司在3GPP开展了5G NR（新空口）的标准化工作。相对于4G系统，5G NR的系统设计更加灵活，支持更多的基本参数配置，具有上下行对称的波形设计和自包含且灵活的帧结构配置。同时，5G NR中还引入了一系列新的技术。其中比较有代表性的是将Polar码（极化码）用于控制信道的编码方案，数据信道也采用了LDPC作为数据信道编码方案。本书第4章对NR采用的新编码方案进行了详细介绍。

本书的架构从系统设计的角度出发，紧扣5G NR的整个标准化进程，对关键的物理层关键技术和关键信道标准化过程及实现进行了比较详细的阐述。在物理层信道设计方面，本书在第6章对控制信道设计进行了单独介绍，而对其他信道设计的介绍则分布于各章节中。在组网方面，考虑到5G NR与4G LTE的联合部署，本书在第8章对不同的网络部署方式及关键技术进行了详细介绍。

5G NR与4G LTE有着非常紧密的关系，这一点在5G的整个标准化过程中体现得非常充分。首先，5G NR需要考虑和4G LTE进行联合部署，在很多物理层的设计上需要兼顾不同系统的特点进行联合设计；其次，很多NR的设计采用了LTE的设计作为基础。这样做一方面可以节省标准化时间，另一方面也为4G和5G芯片共用部分模块提供了可能。本书在写作过程中也充分考虑到5G NR与4G LTE的关系，尽量在讲述5G NR设计时与LTE设计进行对比，以便读者对相关设计有更好的理解。

本书的撰写依托IMT-2020推进组的相关工作，集合了多名在国际标准化工作一线的专家的辛勤工作。刘晓峰负责全书组织架构和统稿，并承担前3章部分内容的撰写工作。孙韶辉、王可、高秋彬、全海洋、黄秋萍、苏昕、宋月霞、汪颖、李辉负责第5章和第2章部分内容的撰写工作。杜忠达、郝鹏负责第8章和第3章部分内容的撰写工作。沈祖康、王俊、李榕、张公正、黄凌晨负责第4章的撰写工作。宋兴华、薛丽霞、张旭、孙昊、陈铮、戴晶、冯淑兰、彭金磷、肖洁华、官磊、马蕊香、徐修强负责第6章的撰写工作。肖伟民、刘嘉陵、郭志恒、谢信乾、费永祥、毕文平负责第7章的撰写工作。徐晓东负责第3章帧结构部分的撰写工作。魏贵明、徐晓燕、魏克军、朱颖负责第1章、第2章部分内容的撰写工作及全书修订工作。在这里还要感谢杜滢、徐菲、万蕾、童文、朱佩英、王欣晖、刘光毅、胡南、黄河、刘星、张峻峰、梁亚超等技术专家的支持。

受标准化时间的影响，很多技术特性并没有在第一版5G的NR国际标准中完成标准化。在5G后续的持续标准化工作中，还将引入更多的新技术特性并对现有技术进行优化。同时，为实现万物互联的愿景，5G在未来的标准化工作中也将向车联网、工业互联网等垂直行业进行扩展。本书的撰写和5G标准化工作同步开展，截至本书成书之日，一些技术方案还在不断演进，如有机会，还将继续进一步补充和修正本书内容。对于本书存在的不当之处，敬请读者和专家批评指正。

第1章　5G标准制定概述

随着移动通信技术的不断快速发展，尤其是4G技术广泛应用以后，我们的生活也发生了深刻的改变。移动网络与智能终端的普及使得我们的生活方式围绕各种新型应用进行了重构。但是人们对更高性能移动通信的追求从未停止。为了迎合未来社会发展的需求，尤其是爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接及不断涌现的各类新业务和应用场景，第五代移动通信（5G）系统应运而生。

5G将渗透到未来社会的各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统。5G将使信息突破时空限制，提供极佳的交互体验，为用户带来身临其境的信息盛宴。5G将拉近万物的距离，通过无缝融合的方式，便捷地实现人与万物的智能互联。5G将为用户提供光纤般的接入速率，“零”时延的使用体验，千亿设备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务以及业务及用户感知的智能优化，同时将为网络带来超百倍的能效提升，比特成本降低不及原来的百分之一，最终实现“信息随心至，万物触手及”的总体愿景。

移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力，将为5G提供广阔的前景。移动互联网颠覆了传统移动通信业务模式，为用户提供前所未有的使用体验，深刻影响着人们工作生活的方方面面。面向2020年及未来，移动互联网将推动人类社会信息交互方式的进一步升级，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清（3D）视频、移动云等更加身临其境的极致业务体验。移动互联网的进一步发展将带来未来移动流量的超千倍增长，推动移动通信技术和产业的新一轮变革。

物联网扩展了移动通信的服务范围，从人与人通信延伸到物与物、人与物的智能互联，使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。面向2020年及未来，移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等将会推动物联网应用爆发式增长，数以千亿的设备将接入网络，实现真正的“万物互联”，并缔造出规模空前的新兴产业，为移动通信带来无限生机。同时，海量的设备连接和多样化的物联网业务也会给移动通信带来新的技术挑战。

1.1 ITU 5G需求的制定

国际电信联盟（ITU）是联合国的15个专门机构之一，但在法律上不是联合国附属机构，它的决议和活动不需联合国批准，但每年要向联合国提交工作报告。

ITU主管信息通信技术事务，由无线电通信（ITU-R）、电信标准化（ITU-T）和电信发展（ITU-D）三大核心部门组成。每个部门下设多个研究组，5G的相关标准化工作主要是在ITU-R WP5D工作组下进行。

从2012年开始ITU组织全球业界开展5G标准化前期研究工作，持续推动全球5G共识形成。2015年6月，ITU正式确定IMT-2020为5G系统的官方命名，并明确了5G业务趋势、应用场景和流量趋势，提出5G系统的8大关键能力指标，以及未来移动通信技术发展趋势。

ITU确认将“IMT-2020”作为唯一的5G候选名称。从3G开始，ITU以IMT（国际移动电信）为前缀为每一代移动通信定义一个官方名称，3G官方名称为IMT-2000，4G官方名称为IMT-Advanced。考虑到第五代移动通信技术将在2020年左右实现商用，以及ITU对移动通信的命名惯例，我国主推采用“IMT-2020”为5G官方名称，受到绝大多数国家支持。

ITU明确了IMT-2020的业务趋势、应用场景和流量趋势。在业务方面，5G将在大幅提升“以人为中心”的移动互联网业务体验的同时，全面支持“以物为中心”的物联网业务，实现人与人、人与物和物与物的智能互联。在应用场景方面，5G将支持增强移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超高可靠低时延通信（URLLC）三大类应用场景，如图1.1所示，在5G系统设计时需要充分考虑不同场景和业务的差异化需求。在流量方面，视频流量增长，用户设备增长和新型应用普及将成为未来移动通信流量增长的主要驱动力，2020年至2030年全球移动通信流量将增长几十倍至一百倍，并体现两大趋势：一是大城市及热点区域流量快速增长；二是上下行业务不对称性进一步深化，尤其体现在不同区域和每日各时间段。

ITU在2015年提出IMT-2020系统的8大关键能力指标。如图1.2所示，除了传统的峰值速率、移动性、时延和频谱效率之外，ITU还提出了用户体验速率、连接数密度、流量密度和能效四个新增关键能力指标，以适应多样化的5G场景及业务需求。其中，5G用户体验速率可达100Mbit/s至1Gbit/s，能够支持移动虚拟现实等极致业务体验；5G峰值速率可达10～20Gbit/s，流量密度可达10Mbit/(s·m²)，能够支持未来千倍以上移动业务流量增长；5G连接数密度可达100万个/平方千米，能够有效支持海量的物联网设备；5G传输时延可达毫秒量级，可满足车联网和工业控制的严苛要求；5G能够支持500km/h的移动速度，能够在高铁环境下实现良好的用户体验。此外，为了保证对频谱和能源的有效利用，5G的频谱效率将比4G提高3～5倍，能效将比4G提升100倍。

ITU全面总结了未来移动通信技术的发展趋势。ITU在《IMT未来技术趋势》研究报告中，总结了近期及2020年以后的移动通信技术总体发展趋势，并指出未来移动通信系统将优化空口接入技术、覆盖更多业务、增强用户体验、提升网络能效、支持新型终端技术和网络优化技术，从而全面提升系统性能。其中，大规模天线、新型多址、超密集组网、新型双工、灵活频谱使用、低时延高可靠、先进接收机等被认为是未来无线技术发展趋势；软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）、集中式无线接入网（C-RAN）、以用户为中心网络、多网协同等被认为是无线网络技术的未来发展方向。

ITU明确6GHz以上频谱资源可用于IMT-2020系统。ITU以6GHz至100GHz为主要研究范围，分析了10GHz、28GHz、60GHz、73GHz等几个代表频段的传播特性，以及6GHz以上高频段无线信号在室内和热点区域的覆盖性能。研究表明，利用高频段易于实现大规模天线阵列的特点，通过波束赋型技术，在室内和热点区域可有效弥补高频段无线信号的传播损耗。同时，ITU还论证了6GHz以上频段与6GHz以下频段混合组网，以及6GHz以上频段用于接入和回程灵活部署的可行性。研究结果表明，在重点研究的IMT部署场景中，6GHz至100GHz频谱资源可用于IMT-2020系统部署。

1.2 中国参与5G需求的研究制定

5G作为新一代移动通信技术发展的主要方向，将成为推动国民经济和社会发展、促进产业转型升级的重要动力。2014年5月，我国IMT-2020（5G）推进组面向全球发布《5G愿景与需求》白皮书，详述了我国在5G业务趋势、应用场景和关键能力等方面的核心观点。5G关键性能指标应主要包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度、移动性和用户峰值速率。在5G典型场景中，考虑增强现实、虚拟现实、超高清视频、云存储、车联网、智能家居、OTT消息等5G典型业务，并结合各场景未来可能的用户分布、各类业务占比及对速率、时延等的要求，可以得到各个应用场景下的5G性能需求。

● 用户体验速率：0.1～1Gbit/s。

● 连接数密度：100万个连接/平方千米。

● 端到端时延：毫秒级。

● 流量密度：数十太比特每秒/平方千米。

● 移动性：500km/h以上。

● 峰值速率：数十吉比特每秒。

其中，用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的三个性能指标。

为了实现可持续发展，5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率，特别是在频谱效率、能源效率和成本效率方面需要比4G有显著提升。从未来最具挑战场景的流量需求出发，结合5G可用的频谱资源和可能的部署方式，经测算得到5G系统的频谱效率相对4G大约需要提高5～15倍。从我国移动数据流量的增长趋势出发，综合考虑国家节能减排规划和运营商预期投资额增长情况，预计5G系统的能源效率和成本效率也有百倍以上的提升。

综合来看，性能需求和效率需求共同定义了5G的关键能力，中国提出了“5G之花”来表征5G关键能力，如图1.3所示。红花绿叶，相辅相成，花瓣代表了5G的六大性能指标，体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力，其中花瓣顶点代表了相应指标的最大值；绿叶代表了三个效率指标，是实现5G可持续发展的基本保障。

随后，我国逐步将各项研究成果提交至ITU。在5G关键能力及取值方面，除成本效率外，我国主推的5G关键能力均被ITU采纳，且取值与我国的建议基本一致。在应用场景方面，我国提出的连续广域覆盖、热点高容量、多连接大功耗和低时延高可靠等四大5G场景也与ITU结论基本相符，而且可操作性更强。

1.3 5G标准的制定过程

1.3.1 ITU关于IMT-2020（5G）标准的制定过程

ITU在开发移动通信无线接口标准方面有着悠久的历史，包括制定IMT-2000和IMT-Advanced在内的国际移动通信（IMT）标准框架，贯穿了整个3G和4G行业发展。ITU早在2012年初就开始组织全球业界开展5G标准化前期研究，持续推动全球5G共识形成，确定了全球5G的发展目标并制定了5G的标准工作计划时间表。按照此工作计划，5G研究分可为三大阶段，具体情况如图1.4所示。

1.阶段一（里程碑2015年底）：确定5G技术的宏伟蓝图

ITU确定IMT-2020系统命名，完成《IMT-2020愿景》《IMT未来技术趋势》《面向2020年及以后的IMT流量》和《IMT系统部署于6GHz以上频段的可行性研究》等多个研究项目。《IMT-2020愿景》的颁布，明确列出了5G的宏观需求，梳理出增强性移动宽带、海量机器间通信、超高可靠和超低时延这三大5G应用场景。

2.阶段二（里程碑2017年6月）：确定5G技术方案的最小技术指标要求及其对应的评估方法，为后续候选技术方案的评判服务

ITU鼓励成员国和相关国际组织提交5G的候选技术方案。ITU收到候选技术方案以后，将组织公开的技术评估。2017年6月，ITU完成了一系列支持IMT-2020候选技术提交以及技术评估工作的关键文件，拉开了评估工作的序幕，并为后续候选技术方案提交和独立技术评估奠定了基础。

● 《ITU-R M.2410报告：IMT-2020最小性能要求》定义了达到IMT-2020无线接口技术门槛需要的14项性能指标，包括每项指标的详细定义、适用场景、最小指标值等。14项性能指标是对早先《IMT-2020愿景》定义的8大关键能力指标的扩充，符合要求的5G候选技术方案必须满足全部14项指标要求，具体的指标如表1.1所示。

● 《ITU-R M.2411报告：IMT-2020候选技术要求、评估准则及提交模板》主要包含业务需求指标、频谱需求指标和技术性能需求指标等填写内容。提交者需要根据ITU的要求对候选技术方案进行详细披露，体现候选技术方案特点及优势。

● 《ITU-R M.2412报告：IMT-2020评估方法》主要定义多个基于不同技术参数假设、基站和用户分布、业务及信道模型的评估场景，提出对应的评估方法，并通过对每个场景定义不同的技术指标要求来验证候选技术对差异化需求的支持能力。

● 《IMT-2020候选技术方案提交流程》规定了全部候选技术提交及第三方评估的过程，以及后续在ITU关于5G标准化的主要流程。

3.阶段三（里程碑2020年底）：征集5G候选技术方案并评估确定5G技术标准

按照ITU的工作计划，2017年10月（WP5D#28）至2019年7月（WP5D#32）共计20个月的时间窗口内ITU将开展候选技术方案的征集工作，各个国家和国际组织都可以提交5G技术方案。在提交技术方案过程中，候选技术方案的提交者需要根据《IMT-2020的要求、评估准则和提交模板》，详细披露所提候选技术的相关信息，包括技术特性、链路预算、对各种性能要求的满足程度等。表1.2给出了ITU定义的14项技术性能指标的评估方法及对应测试场景。ITU要求IMT-2020候选空口技术方案/技术方案集（RIT/SRIT）的完整提交必须满足全部5个测试场景下的测试指标，每个测试场景的仿真评估指标项至少选择1套配置参数进行评估。

截止到2018年7月，全球共有11个独立评估组在ITU进行了注册，包括5GPPP（欧洲）、WTSC（美国）、CEG（加拿大）、ChEG（中国）、WWRF、TCOE（印度）、5GMF（日本）、TTA SPG33（韩国）、TPCG/ITRI（美国）、ETSI（欧洲）、EEG（埃及）。各独立评估组将于2018年10月（WP5D#31）至2020年2月（WP5D#34）共计16个月的时间内向ITU输出独立评估报告，评估征集到的候选技术方案是否满足ITU对于5G的最小性能要求。

2019年12月至2020年6月ITU将对满足最小性能要求和评估流程的候选技术进行评判，2019年12月至2020年年底ITU将开展5G技术标准建议书的制定。ITU的5G标准最终将在2020年底发布。

1.3.2 3GPP 5G国际标准制定

3GPP（Third Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）是一个成立于1998年12月的标准化组织，目前其成员包括来自中、日、韩、欧、美及印度的七个合作伙伴（OP），包括欧洲的ETSI（European Telecommunications Standards Institute，欧洲电信标准化委员会）、日本的ARIB（Association of Radio Industries and Business，无线行业企业协会）和TTC（Telecommunications Technology Committee，电信技术委员会）、中国的CCSA（China Communications Standards Association，中国通信标准化协会）、韩国的TTA（Telecommunications Technology Association，电信技术协会）、北美的ATIS（The Alliance for Telecommunications Industry Solution，世界无线通信解决方案联盟），以及印度的TSDSI（Telecommunications Standards Development Society，India，印度电信标准发展协会），如图1.5所示。目前独立成员超过550个，分别来自40多个国家。包含网络运营商、终端制造商、芯片制造商、基础制造商以及学术界、研究机构、政府机构。

3GPP的组织结构中，项目协调组（PCG）是最高管理机构，负责全面协调工作，如负责3GPP组织架构、时间计划、工作分配等。技术方面的工作则由技术规范组（TSG，Technology Standards Group）完成。目前，3GPP包括三个TSG，分别负责核心网和终端（CT，Core Network and Terminal）、系统和业务方面（SA，Service and System Aspects）、和无线接入网（RAN，Radio Access Network）方面的工作。其中，每一个TSG又进一步分为多个不同的工作组（WG，Work Group），每个WG分别承担具体的任务，目前有16个工作组。如TSG RAN分为RAN WG1（无线物理层）、RAN WG2（无线层2和层3）、RAN WG3（无线网络架构和接口）、RAN WG4（射频性能）、RAN WG5（终端一致性测试）和RAN WG6（GERAN无线协议）6个工作组。

3GPP制定的标准规范以Release作为版本进行管理，18～21个月就会完成一个版本的制定，从建立之初的R99，之后到R4，目前已经进展到R16。

3GPP本质上是一个代表全球移动通信产业的产业联盟，其目标是根据ITU的需求，制定更加详细的技术规范和标准，规范产业的行为。在5G标准化开始之前，各主要公司均希望推动全球形成统一的5G标准，并确定5G国际标准化在3GPP的具体开展。因此，不同于3G/4G，3GPP制定的5G新空口（NR，New Radio）标准将成为5G的主流国际标准。

3GPP组织最早提出5G是2015年9月在美国凤凰城召开的RAN workshop on 5G会议上，这次会议旨在讨论并初定一个面向ITU IMT-2020的3GPP 5G标准化时间计划，目标是根据ITU时间规划最终向ITU提交3GPP 5G技术标准。随后，3GPP规划了R14到R16三个版本的时间表，其中R14主要开展5G系统框架和关键技术研究。R15作为第一个版本的5G标准，满足部分5G需求。R16完成第二版本5G标准，满足ITU所有IMT-2020需求，并向ITU提交。

根据3GPP的工作程序，3GPP总体规范可分为三个阶段。第1阶段：业务需求定义。第2阶段：总体技术实现方案。第3阶段：实现该业务在各接口定义的具体协议规范。5G标准化依然是采用该工作程序，其中三个版本的时间安排计划如表1.3所示。