联想5G6G技术白皮书（2020版）

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 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（digitalAMPS, 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 3 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。 4 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 5 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 ５G 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。 6  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-UTRANR 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， 7 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。 8 图 1.6 5G 网络演进路线 2 9 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 10 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 室内 热点 密集 城区 用户体验速 率（下行） 1 Gbit/s 300 Mbit/s 用户体验速 率（上行） 500 Mbit/s 50 Mbit/s 高速 50 Mbit/s 25 Mbit/s 铁路 流量密度 （下行） 15 Tbit/s/km2 750 Gbit/s/km2 15 Gbit/s/train 流量密度 （上行） 2 Tbit/s/km2 125 Gbit/s/km2 用户密 度 250 000/km2 25 000/km2 7,5 1 Gbit/s/train 000/train 移动性要求 步行速度 步行速度 车辆中的用户 （60 公里时 速） 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， 11 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。 12 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 (DFTS-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 DFTS-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。 13 Transform Precoding* Sub-carrier Mapping *Optionally present in UL, not present in DL IFFT CP Insertion 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 = 2µ × 15 kHz，其中 µ={0, 1, 2, 3, 4}。当 µ=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。 14 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 1 30 普通 2 60 普通, 扩展 3 120 普通 4 240 普通 支持 支持 支持 支持 不支持 支持 支持 不支持 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。 15 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 每个无线帧包含的 每个子帧包含的 符号数 符号数 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 16 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。 波束1 数据流1 数据流2 双极化天线 单用户MIMO传输 波束1 波束2 数据流1 数据流2 数据流3 数据流4 双极化天线 双极化天线 多用户MIMO传输 波束1 数据流1 波束2 数据流1 双极化天线 多发送接收点协作传输 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）、 17 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 18 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。 检测波束集 候选波束集 基基站站 用用户户 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 波束复原 用新波束进行 连接 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 19 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。 20 NR MBS data data copy1 5GC Shared Individual Delivery Delivery copy2 Shared Delivery gNB PTP or PTM gNB PTP or PTM UE UE UE UE UE 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。 21 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。 - MBS 无损切换：源小区和目标小区对于同一个 NR MBS 业务会进行 PDCP SN 同步，以保证同一 PDCP SN 在两个小区对应的是同样的 MBS 数据包。对于可能出现的 PDCP 丢包，用户会向 RAN 发送 PDCP 状态报告来触发相应的 PDCP 包重传。 在 RRC INACTIVE 以及 RRC IDLE 态下，RAN 只能使用 PTM 模式利用提前配置 的物理资源发送 NR MBS 数据包，而实际的调度是通过 DCI 信令来完成的。 2.2.1.5. 终端节能技术 5G 不仅要提供更大的系统容量和更高的数据速率，而且要确保更高的能量 22 效率。提高 5G 终端的能量效率，可直接延长电池寿命，提升终端体验，对 5G 网 络的顺利部署至关重要。 5G 支持各种各样的终端，每种类型的终端因为业务特性不同，其能耗特点 也不同，这给设计减少终端能耗带来了新的挑战。某些终端，比如对于可穿戴设 备，大部分时间可能都处于 RRC idle 状态，idle 态占据了大部分能量消耗。如何 减少 idle 态的能量消耗对这类的终端至关重要。而对于智能终端，根据 LTE 的经 验，更重要的是如何减少 RRC connected 态下的能量消耗。 可穿戴设备连接态/空闲态时间分布 可穿戴设备连接态/空闲态能耗分布 4% 96% 连接态累计时 间 空闲态累计时 间 连接态累计能 40% 耗 空闲态累计能 60% 耗 图 2.6 可穿戴设备空闲态和连接态时间占用和能量消耗 由此，3GPP 研究了终端在 RRC idle 态和 RRC connected 态的终端节能技术， 包括， - 终端在 RRC idle 态下的节能 - 终端在 RRC connected 态下的节能 空闲态的节能： 处在 RRC idle/inactive 态的终端需要周期性的检测寻呼信道，而在检测寻呼 信道之前，终端需要提前醒来，以实现自动增益控制 (automatic gain control, AGC) 和时频同步。为此，NR 的终端根据所处信道的情况，需要测量一个或多个同步 信号块 (synchronization signal block， SSB)。对于信道条件不好的终端，一般需 23 要测量 2 个或 3 个 SSB，才能获得 AGC 和时频同步，这需要终端提前几十毫秒从 深睡眠中醒来进行相关的测量，这样导致了很大的能量消耗。 为了在 NR 系统降低 paging 过程的能量消耗，主要考虑两种技术， - Paging 预先指示 (Paging early indication, PEI) - CRI-RS/TRS 辅助 AGC 和时频同步 PEI 的基本思想是在每个 PO 之前，网络发给终端一个指示，用于告知终端 此 PO 是否包含 UE 的 paging 消息。如果不包含 UE 的 paging 消息，UE 将忽略此 PO 的检测，并进入 “深睡眠” 状态以达到省电的目的。下图 2.7 给出了 PEI 指示 没有 paging 消息的一个具体实例。 SSB PEI indicating no paging Deep sleep I-DRX cycle t 图 2.7 PEI 指示终端不需要接收 paging 消息 另外一种技术是引入 CSI-RS/TRS 辅助实现 AGC 和时频同步，如下图 2.8 所 示。通过此技术，即使对于信道状态不好的终端，也只需要在 PO 的前一个 SSB 从深睡眠中醒来，通过测量 SSB 和 CSI-RS/TRS 实现 AGC 和时频同步，这样增加 了终端的实际深睡眠时间，减少了功耗。 SSB CSIRS/TRS Light sleep I-DRX cycle Deep sleep t 图 2.8 CSIRS/TRS 辅助 SSB 做 AGC 和时频同步 连接态的节能： 对于 RRC connected 态的 UE, 主要是如何减少下行物理控制信道(PDCCH)的 24 监听。 作为最基本的能耗减少措施之一，NR 支持连接状态下的下行非连续接收 (discontinuous reception, DRX)，以减少 PDCCH 的监听行为。为了进一步减少 PDCCH 的监听，NR 支持在 DRX 的过程中采用基于 DCI 的唤醒信号 (wake-up signal, WUS) 机制。基于 DCI 的 WUS 在 DRX 的激活期之前进行发送。终端在收到 WUS 之后， 根据其中的指示，决定当前的 DRX 激活期是否有效。如果有效，则进入激活期进 行 PDCCH 的监听；否则，终端在当前的 DRX 周期继续保持睡眠状态。下图 2.9 给 出了 WUS 机制的示意图。 On duration Active time WUS indicating not wake-up PDCCH is not monitored WUS indicating wake-up With grant PDCCH is monitored Without grant Data arrives t 图 2.9 唤醒信号机制 为了更进一步减少在激活期的 PDCCH 检测。 3GPP 正在讨论和研究两种候 选技术，其一为 PDCCH 搜索空间切换，另一个为 PDCCH 监听跳过。 PDCCH 搜索空间切换的基本原理为动态调整 PDCCH 搜索空间的配置，使 DRX 激活期的 PDCCH 的监听尽量符合数据的传输模式。比如，当预计数据到达 比较频繁时，可以配置一个短周期的 PDCCH 搜索空间，否则就配置一个长周期。 下图 2.10 给出了一个示例。 搜索空间 0 和搜索空间 1 分别配置了长监听周期和 短监听周期。当数据传输完毕并且没有新数据达到时，通过一个 DCI 指示终端从 搜索空间 1 切换到搜索空间 0，以降低 PDCCH 的监听频率。 25 搜索空间0 搜索空间1 PDCCH监听模式 搜索空间切换 图 2.10 PDCCH 搜索空间切换 PDCCH 监听跳过指的是在 DRX 激活期，网络会发指示终端是否需要跳过 PDCCH 的检测。网络可以指示 UE 在剩余的激活期完全不检测 PDCCH，或者网络 通知终端一个时间段，在此时间段内不需要进行 PDCCH 的检测，在这个时间段 后 UE 需要重新进行 PDCCH 的检测。下图 2.11 给出了一个示例。 Active time Active time WUS indicating not wake-up PDCCH skipping PDCCH skipping WUS indicating wake-up PDCCH skipping Data arrives t 图 2.11 PDCCH 监听跳过 2.2.1.6. 覆盖增强技术 对运营商而言，由于信号的覆盖范围直接影响服务质量以及资本支出和运营 成本，所以在商业化移动通信网络时， 覆盖范围是运营商考虑的关键因素之一。 相比于 LTE，NR 的工作频率要高的多。比如在很多国家已经开始商用化 FR1 3.5GHz 载频，而典型的 LTE 的载频要小于 3GHz。NR FR2 支持更高的载频如 28GHz 或 39GHz。由于部署在更高的载频，NR 的无线信道不可避免地会具有更高的路 径损耗，这给 NR 的覆盖性能带来了一定挑战。5G NR 设计的初衷是让用户无论 处于何时何地，都能感受到无处不在的覆盖。基于此，3GPP 正在讨论和研究如 何增加 5G NR 的覆盖性能。 26 3GPP 评估了在各场景下物理信道的覆盖性能。对于不同场景，比如载频， TDD/FDD, 网络部署场景等，所需要进行覆盖增强的物理信道也不同。 根据各场景评估结果，并权衡 3GPP 的时间跨度和工作负载，3GPP 决定在 Rel.17 进行如下信道的覆盖增强， - 物理上行共享信道(physical uplink shared channel, PUSCH) - 物理上行控制信道(physical uplink control channel, PUCCH) - Msg3 各信道覆盖增强的候选技术如下图 2.12 所示， PUSCH 覆盖增强 增加PUSCH重复次数，支持最高32次重复发送 单TB映射在多时隙中发送 联合信道估计，跳频中的DMRS bundling PUCCH 覆盖增强 DMRS-less PUCCH 动态PUCCH重复次数指示 联合信道估计 Msg3 覆盖增强 Msg3重复发送 图 2.12 覆盖增强技术 其中，增加发送次数是最典型的增加覆盖的技术，其内在原理是通过信号能 量的叠加达到增加覆盖的目的。 单传输块 (transport block, TB) 映射在多时隙发送，其基本原理如下图 2.13 所示。其性能增益来源于由于减少了 TB segmentation，每个发送的 TB 的实际长 度变长了，所以带来了额外的 channel coding gain。另外这个技术还可以减少 PDCCH 的调度，所以减少了相应的控制信道开销。 跨时隙联合信道估计，其基本原理如下图 2.13 所示。通过多时隙的联合信 27 道估计，可以提高信道估计的精度，从而提高数据信道解码的性能。 Slot #0 Slot #1 Slot #2 Slot #3 t 信道估计 图 2.13 多时隙信道估计 对于 PUCCH，现有 NR 标准定义了 5 种 format。除了 PUCCH format 0 为基于 序列的非相干解调， 其他四种 PUCCH format 都是基于 DMRS 的相干解调。在信 道状态比较差的情况下，由于 DMRS 信道估计的精度变低，基于 DMRS 的相干解 调性能会变差。为此，3GPP 正在讨论并研究在 PUCCH format 1-4 中引入基于序 列的非相干解调，即 DMRS-less PUCCH format，以提高在低 SNR 情况下的 PUCCH 性能。 2.2.1.7. 动态频谱共享技术 3GPP 在 Rel-15 就引入了 DSS (Dynamic spectrum sharing，动态频谱共享) 技 术，其出发点是为了在同一个载波上同时部署 4G LTE 系统和 5G NR 系统，且避 免两个系统之间的相互干扰。为了避免干扰 LTE 系统，在同一个载波上的 NR 系 统不能使用 LTE 系统的小区参考符号（CRS）已经占用的资源单元（RE）以及 LTE 系统的整个下行控制信道区域（通常为每个子帧的前三个符号）。由此可见，同 频载波上的 NR 系统并没有多少可用的资源，导致 NR 的下行控制信道容量不足。 在另一方面，由于低频载波具有范围更广的传输特性，低频载波非常适合作 为首要小区（Primary Cell）。所以当一个低频载波同时部署 LTE 系统和 NR 系统 28 时，并且作为 NR 系统的首要小区时，NR 下行控制信道不足将会成为系统调度 的瓶颈，尤其是当有较多用户驻留在该首要小区时，导致系统性能下降，降低用 户体验。 图 2.14 一个下行控制信道调度两个载波 所以 5G Rel-17 DSS 要解决的问题就是增强下行控制信道。一种办法是引入 新的调度机制，允许次要小区（secondary cell）可以跨载波调度首要小区，也就 是发在次要小区载波上的下行控制信道可以调度首要小区上的下行数据信道；另 一种办法，是用一个下行控制信道调度两个载波上的下行数据信道（见图 2.14）， 其中一个下行数据信道位于首要小区。因为 NR 的次要小区通常具有较大带宽， 可以有较大的下行控制信道容量，所以通过跨载波调度以及一个下行控制信道调 度两个载波等方法，就可以充分利用系统资源，解决控制信道瓶颈，有效地提升 用户体验。 但是，利用一个下行控制信道调度两个载波会导致该下行控制信道承载较大 的信令载荷，从而消耗更多控制信道资源，所以目前 3GPP 还在进一步评估该技 术的性能。 2.2.1.8. 非授权频谱通信 在 6GHz 的非授权频谱上，有多达 500MHz 甚至 1.2GHz 的大带宽可供使用， 且传播特性远远优于 28GHz 的毫米波频段。更重要的是，非授权频谱是完全免 29 费的，可大大降低企业或者个人的通信运营成本。因此，非授权频谱上的 5G 接 入，对解决 5G 系统的频谱资源瓶颈问题，降低 5G 运营成本，更大发挥 5G 系统 在智能制造领域优势具有重要意义。 非授权频谱上的 5G 接入，具有部署灵活的优点:一方面可以提供高速热点覆 盖，同时依赖于授权频谱上的 4G LTE 或者 5G 系统提供移动性管理和广域覆盖； 另一方面，也可以不依赖于授权频谱，完全实现独立部署。而且，独立部署的 5G 非授权频谱通信系统可为大型工厂或其它封闭环境提供频谱免费、高速快捷的宽 带无线通信接入方案。这也是非授权频谱通信研究工作的重点。 在非授权频谱上，最基本的操作是划分可用资源。因为非授权频谱通常都是 单独一块频谱，适宜采用 TDD 方式。信号的发射最好持续占用信道，中间尽量减 少空闲时间（gap）。 在 6GHz 的非授权频谱，ETSI 规定发射在非授权频谱上的信号需满足以下两 点: 1）发射信号的带宽必须占到信道标称带宽的 80%~100%； 2）发射信号的功 率谱密度不能超过 10dBm/MHz。 为此，NR-U 技术将信道上可用的资源块(RB，resource block)分成多个 RB 集 合，每个 RB 集合可称作一个 interlace，每个 interlace 内的任意两个频域相邻的 RB 之间具有相等的频域间隔。对任意一个 interlace 来说，其在频域上的跨度都 超过了 80%，且一个 interlace 内部两个相邻的 RB 之间间隔了 10 个 RB 的带宽， 即两个相邻的 RB 之间间隔了 1.08MHz，从而确保了每 MHz 带宽内只有一个 RB， 终端可在每个 RB 上都用 10dBm 的最大允许功率发射。 30 图 2.15 基于 interlace 的上行波形设计 由于非授权频谱免费和公开，理论上任何一个设备只要满足当地的发射法规 需求就可以使用非授权频谱。那么，公平共享非授权频谱就是要解决的一个主要 问题。具体地，NR-U 采用了跟 WiFi 系统类似的 LBT 技术，满足了频谱占用的公 平性。 2.2.1.9. 从 52.6GHz 到 71GHz 的新频段 如上所述，NR Rel-15 定义了两种频率范围： - FR1：从 410MHz 到 7.125GHz - FR2：从 24.25GHz 到 52.6GHz 为了进一步扩大可使用的频率范围，以增强 5G 系统的数据传输速率，3GPP 目前刚刚完成从 52.6GHz 到 71GHz 之间频谱的可行性研究。为了加快标准化进 度，同时尽可能最大化和已有 FR2 频率范围操作上的共性，3GPP 决定将 FR2 扩 展到 71GHz，即新的 FR2 频率范围将从 24.25GHz 扩展到 71GHz。 由于更高频点和带宽的引入，新的、更大的子载波间隔需要在标准中定义出 来。目前，3GPP 已经同意引入新的 480kHz 和 960kHz 子载波间隔。 另外，因为 60GHz 为非授权频谱，所以在 NR-U 技术中为非授权频谱所定义 的规范也将适用于 60GHz 频谱。同时，面向高频段通信，不可避免的要使用基于 31 波束的传输方式（见图 2.16），由此对 LBT 过程来说，也需要考虑方向性的 LBT 过程。同时，在 ETSI 标准 EN 302 567 中，面向 60GHz 频谱，ETSI 放松了信道使 用要求，一个设备可以直接使用信道而不需要做 LBT。这一点是和 NR-U 完全不 同的要求。 图 2.16 基于波束的 LBT 过程 在 5G Rel-17，针对新的 52.6GHz 到 71GHz 频谱，3GPP 要做的标准化工作包 括以下几个方面：  针对新引入的 480kHz 和 960kHz 子载波间隔，定义可支持的最大带 宽，同时满足每个载波最多支持 275 个 RB 的限制。  针对新引入的 480kHz 和 960kHz 子载波间隔，研究 BWP 切换时延、 波束切换时延、自适应重传时序、终端处理时延，以及数据信道准 备时延和计算时延。  研究新的子载波间隔对初始接入信道的影响。  针对新引入的 480kHz 和 960kHz 的子载波间隔，研究新的波束管理 过程。 32  面向 60GHz 非授权频谱，增强上行控制信道格式 0、1、4，在满足 功率谱密度限制的条件下，以增加更多的资源块。  支持用一个 DCI 调度多个数据信道，研究相应的自适应重传过程。  增强下行控制信道的监测。  增强上行随机接入信道的序列长度。  面向新的子载波间隔，研究参考符号增强方案。  研究新的信道接入方案。 2.2.1.10. 移动性管理 在 5G 无线通信系统中，从空口的角度，终端包括有三个态，即空闲态（RRC idle），非激活态（RRC inactive）和连接态 （RRC connected）。终端在每个态的情 况下，都有各自不同的移动性管理机制。另外，当终端在 5G 网络和其他网络比 如 4G, 3G 网络之间移动，还会出现接入网之间的移动性管理。  5G 网络间的移动性  空闲态移动性 空闲态 UE 通过小区选择流程选择合适的小区进行驻留，进一步地，可以通 过小区重选流程重选到质量最优的小区进行驻留。5G 系统的小区选择、小区重 选机制基本沿用了 LTE 系统的小区选择、小区重选机制；特殊地，在具有多波束 技术的 5G 系统中，在位于同步光栅的 CD-SSBs 上进行小区选择、小区重选，UE 优先重选到小区信号质量好且优良波束数目最多的小区。 小区选择、小区重选完成后，UE 可通过 RRC 建立过程进入连接态。  非激活态移动性 33 非激活态终端的核心网侧的连接依然处于连接态，而空口没有 RRC 连接。当 网络把连接态终端配置成非激活态时，会同时配置一个 RNA（RAN notification area）。这个 RNA 是由多个小区组成。非激活态终端在这个配置的区域移动时， 不需要和网络建立连接。但，非激活态终端即使没有离开网络配置的区域，也需 要周期性的进入连接态和网络建立连接。 非激活态终端需要检测和接收来自基站的寻呼消息，一旦有下行数据达到基 站，基站就会发送寻呼消息寻找该非激活态终端。当终端收到寻呼消息后，终端 将进入连接态。  连接态移动性 传统切换 随着连接态 UE 的移动，为保证业务连续性，网络会触发切换流程。5G 系统 的切换机制基本沿用了 LTE 系统的切换机制；特殊地，在具有多波束技术的 5G 系统中，目标基站在切换准备阶段会为目标小区中信号质量较好的波束预留专用 和/或公共随机接入资源，UE 会优先通过波束信号质量高于预定义阈值的波束与 目标小区进行随机接入。 UE 源基站 目标基站 图 2.17 传统切换 双激活协议栈（Dual Active Protocol Stack, DAPS）切换 34 传统切换机制中，由于 UE 收到切换消息后停止与源基站的数据调度，会造 成几十毫秒的切换中断时延。针对 5G 用户的零切换中断时延需求，3GPP 引入 DAPS 切换机制，即，对于下行，UE 收到 DAPS 切换消息后仍然保持与源基站的 数据通信直至目标基站通知 UE 释放与源基站的连接；对于上行，UE 收到 DAPS 切换消息后仍然保持与源基站的数据通信直至与目标基站的随机接入成功。 条件切换（Conditional Handover，CHO） 针对 5G 用户的切换鲁棒性需求，3GPP 引入 CHO 机制，即，网络在源链路 信号质量较好时给 UE 提供 CHO 配置信息，其中包含至少一个候选目标小区对应 的 CHO 执行条件信息、以及切换至该小区所需的配置信息，UE 一旦收到 CHO 配 置信息便开始判断 CHO 执行条件，可以将 CHO 执行条件满足的某候选目标小区 确定为目标小区，进而切换至该小区。 UE 源基站 候选基站1 候选基站2 确定目标小区 图 2.18 条件切换  网络间的移动性 空闲态终端可以在 5G 和 4G 网络之间直接进行重选，不管这个 4G 基站的连 35 接的核心网是 EPC 还是 5GC。如果该终端在 5G 网络的覆盖下，且处于非激活态， 当该终端重选到 4G 网络时，终端将自动进入空闲态。连接态终端可以在 5G 和 4G 网络之间直接进行切换，不管这个 4G 基站的连接的核心网是 EPC 还是 5GC。 不同网络制式间的切换是需要相应的测量上报支持的。 5G 终端不能直接重选或者切换到 3G 网络。但 5G 终端处于连接态，且业务 是语音业务时，网络可以通过 5G 和 3G 核心网之间的交互，把 5G 终端切换到 3G 网络中进行语音通话。当然，这种 5G 终端也是需要支持 3G 网络制式才可以 进行切换。 2.2.1.11. 载波聚合与双链接 Dual Connectivity (DC) 双链接场景在 4G 时代就被用于提高数据在空口的传 输速率和可靠性，而 5G 的多无线双连接（Multi-Radio Dual Connectivity，MR-DC) 场景更多考虑到非独立部署时 5G 空口技术 NR 和 4G 空口技术 LTE 的结合。在 MR-DC 实际部署中，LTE 基站（eNB 或 ng-eNB）通常负责基本的网络覆盖，而 NR 基站 (gNB 或 en-gNB) 则负责提供更高的传输速率。根据核心网 (EPC 或 5GC)， 主基站（Master Node，MN)，和辅基站（Secondary Node，SN) 的实际部署情况， 具体可分为以下子场景： 36 EPC MN eNB SN en-gNB UE A) EN-DC 5GC MN gNB SN ng-eNB UE C) NE-DC 5GC MN ng-eNB SN gNB UE B) NGEN-DC 5GC MN gNB SN gNB UE D) NR-DC 图 2.19 5G MR-DC 子场景 MR-DC 场景下，主辅基站中，至少主基站和核心网保有连接。主基站和辅基 站之间通过 X2 或者 Xn 接口进行交互来协调资源配置或是承载 (Radio Bearer) 配 置。 例如，主基站可以通过 X2 或者 Xn 接口发起并将一个 QoS 流（Flow）卸载 到辅基站, 使用辅基站的承载来支持某个 QoS 流; 或是为一个 QoS 流配置一个 分裂承载（Split Bearer）, 为同一个 PDCP 实体配置两个 RLC 实体和相应的逻辑 信道，一个在主基站一个在辅基站。 主基站和辅基站可各自配置一个小区组给用户，分别是主小区组（Master Cell Group, MCG）和辅小区组（Secondary Cell Group, SCG）。在 RRC CONNECTED 态下， 当用户和主小区组的空口连接出现问题时，用户可以通过辅小区组资源向辅基站 发送相关的失败信息（MCG Failure Information）并最终转发给主基站，触发主基 站进行快速的调整和恢复用户和主小区组的连接。此外，用户从 RRC 连接态进 入 RRC 非激活态时，可以保留辅小区组在 RRC 连接态下的相关配置信息，以减 37 少用户再次进入 RRC 连接态时的信令交互。 利用载波聚合（Carrier Aggregation, CA）技术主基站和辅基站可以在其小区 组的多个小区内同时向用户发送数据，来提高数据发送的速率和可靠性。而在数 据量小负载低的情况下，网络可以决定让某些主小区组或是辅小区组内的辅小区 （Secondary Cell，SCell）进入休眠或者非活跃状态，以达到省电的目的。类似的， 网络也可以决定让整个辅小区组进入非活跃状态。 辅小区组的主小区（Primary cell of the SCG， PSCell）可以有条件的被添加或 者更换。主基站会将添加或者更换 PSCell 相关的条件配置通过 RRC 信令发给用 户，包括添加或者更换的执行条件，以及添加或者更换后要使用的新的配置。用 户会选择满足执行条件的备选 PSCell 小区进行接入，并在接入成功后使用之前提 供的配置。需要注意的是，在有条件的更换 PSCell 时，备选 PSCell 既可以是当前 辅基站的其他小区，也可以是其他基站的小区。 2.2.2. 网络层关键技术 相比较 4G，5G 网络架构在三个方向上进行了增强：基于业务的网络架构， 支持了网络切片，支持了控制面和用户面的分离。其中，基于业务的网络架构是 5G 网络架构设计的核心。本章节将重点介绍 5G 的网络架构设计，网络切片设 计，边缘计算，以及其它相关的网络架构创新。 2.2.2.1. 5G 基础网络架构 5G 系统架构 5G 业务需求多样化，网络部署要求高灵活性，因此 5G 基础网络架构需要支 38 持灵活智能叠加不同应用和行业需求，能够按需定制并叠加所需的网络功能。因 此 3GPP 根据如下基本原则设计 5G 网络架构：  功能模块化 5G 架构需要支持 eMBB、mMTC 和 URLLC 三大应用场景，并且还需要进一步 满足各种垂直行业的差异化需求。功能模块化可以将复杂的网络功能解耦，根据 应用场景搭积木一般按需把各个功能拼装在一起。  接口服务化 避免以往的通信网络架构接口繁多且不同接口采用的协议也有差异带来的 复杂度，5G 网络架构中各个网络功能的交互通过定义成服务的接口被所有其他 需要的网络功能调用完成。所有的服务化接口都是基于 HTTP 协议实现。目前服 务化接口仅限制在核心网控制面网元之间，核心网网元和接入网网元之间的交互 仍然采用传统信令接口。  控制与转发分离 控制与转发分离的支持可以独立部署维护控制面和转发面（用户面），简化 后的转发面能更好地支持就近原则的分布式部署。控制转发分离从电路交换（CS） 网络的软件系统就开始支持，后续持续演进，4.5G 架构中引入了 CUPS 特性，进 一步将 S-GW/O-GW 分解为网关控制面 GW-C 和网关用户面 GW-U。5G 架构继承 了这一基本设计原则。  接入无关 接入无关的网络架构最终体现在不同接入技术的终端、接入网和核心网之间 采用统一的接口信令。 基于上述基本原则，3GPP 制定了 5G 基础架构，其中非漫游场景下以服务化 39 形式表示的 5G 网络架构如下图 2.20 所示： NSSF NEF NRF PCF UDM AF Nnssf Nnef Nnrf Npcf Nudm Naf Nnssaaf Nausf Namf Nsmf NSSAAF AUSF AMF SMF SCP N2 N4 UE (R)AN N3 UPF N6 DN N9 图 2.20 5G 系统架构 [3] 在 5G 系统架构中，每个 5G 核心网网元功能都提供以名字命名的服务化接 口，例如 AMF 提供 Namf 接口。5G 系统主要网元与功能可参考[3]。 与 4G 相比较，5G 核心网网元功能的一个主要变化是移动管理和会话管理 的分离设计。5G 网络架构中 AMF 负责接入和移动管理，与 4G 的 MME 的相应 功能对应。SMF 负责会话管理，对应 4G 的 MME 中会话管理功能和网管控制面 GW-C。这样的设计对应了前面提到的功能模块化和控制/转发分离的设计原则。 5G RAN 架构 按照 1.3 章的描述，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。Option 2 和 Option 5 为 SA 组网方式；Option 3、Option 4 和 Option 7 为 NSA 组网方式。 5G RAN 架构-SA 对于 SA 组网方式，5G RAN 节点称之为下一代无线接入网络（NG-RAN）节 点，NG-RAN 节点包含 gNB 和 ng-eNB 两个基站类型：面向终端（UE）提供 NR 用 户面和控制面协议的 gNB；面向终端（UE）提供 E-UTRA 用户面和控制面协议的 40 ng-eNB。NG-RAN 节点间通过 Xn 接口连接；NG-RAN 和 5GC 通过 NG 接口连接， 即 NG-RAN 节点和 AMF 间通过控制面 NG-C 接口连接，和 UPF 间通过用户面 NG- U 接口连接。 gNB 可进一步切分为 gNB-CU 和 gNB-DU 部分，二者通过 F1 接口连接。3GPP 最终标准化了高层切分方式，即 RRC，PDCP 和 SDAP 层位于 gNB-CU，RLC，MAC 和 PHY 层位于 gNB-DU。进一步地，gNB-CU 支持控制面和用户面分离，由 gNB- CU-CP 和 gNB-CU-UP 组成，二者通过 E1 接口连接。 AMF/UPF AMF/UPF 5GC gNB-CU F1 gNB-DU gNB-DU NG-RAN gNB gNB ng-eNB ng-eNB 图 2.21 NG-RAN 架构 [4] gNB 和 UE 通过空口（Uu）连接，其空口协议栈由 RRC，SDAP，PDCP，RLC， MAC 和 PHY 层组成。 5G RAN 架构-NSA 对于 NSA 组网方式，有 EN-DC，NE-DC 和 NGEN-DC 三种方式。以 EN-DC 举 例，其网络总体架构为图 2.22 所示： 41 MME/S-GW MME/S-GW EPC SgNB SgNB E-UTRAN MeNB MeNB 图 2.22 EN-DC 总体网络架构 LTE eNB 作为主基站(MeNB，Master eNB)提供连续覆盖，并作为控制面锚点 和 EPC 有控制面链接，NR gNB 作为辅基站(SgNB, Secondary gNB)提供热点覆盖。 MeNB S1 接口和 EPC 链接，并通过 X2 和 SgNB 连接，SgNB 和 EPC 有用户面 S1-U 连接。 EN-DC 控制面协议栈架构中，UE 只有一个基于 MeNB 的 RRC 状态，通过 MeNB 和核心网连接。EN-DC 用户面协议栈架构中，如图 2.23 所示有三种承载类 型：MCG 承载、SCG 承载和 Split 承载。MCG 承载只使用 MeNB 上的资源发送数 据，可以使用 LTE PDCP 或者 NR PDCP；SCG 承载只使用 SgNB 上的资源发送数据， 使用 NR PDCP；Split 承载可以同时使用 MeNB 和 SgNB 的资源发送数据，数据在 NR PDCP 分流或汇聚。 42 MCG Bearer SCG Bearer Split Bearer Split Bearer MCG Bearer SCG Bearer E-UTRA/ NR PDCP NR PDCP NR PDCP NR PDCP NR PDCP NR PDCP X2 E-UTRA RLC E-UTRA EUTRA EUTRA RLC RLC RLC E-UTRA MAC MN NR RLC NR RLC NR RLC NR MAC SN NR RLC 图 2.23 EN-DC 中用户面协议栈架构（网络侧） 2.2.2.2. 接入回传一体化 随着在 5G 中引入了更高的频谱，且由于高频信号更容易因绕射、遮挡、大 气吸收等原因造成信号强度衰减，因此每个高频基站的覆盖范围受限，也就意味 着在 5G 网络中需要更加密集的网络部署。为了提高部署的灵活性，同时为了降 低有线光纤和 5G 基站的部署成本，在 5G 中引入 IAB（Integrated Access & Backhaul） 节点，用于基站与 UE 之间上下行数据的无线回传。 IAB 架构： 在 IAB 网络中，无线回传节点称之为 IAB 节点，UE 可以通过一个或多个 IAB 节点与 IAB-donor 进行数据交互，其中在 IAB 网络中，由 gNB 承担 IAB-donor 的 功能，如图 2.24 所示。 IAB-donor 是 IAB 网络中的中央控制节点，负责整个 IAB 网络的无线资源管 理、拓扑路由管理以及承载映射。IAB-donor 包括一个 IAB-donor-CU 和一个或多 个 IAB-donor-DU。与 gNB-CU 和 gNB-DU 类似，IAB-donor-CU 和 IAB-donor-DU 之 间通过有线 F1 接口相连。对于 CP-UP 分离的架构，IAB-donor-CU 可以进一步包 括一个 IAB-donor-CU-CP 和一个或多个 IAB-donor-CU-UP。 43 由于 IAB 节点既需要向上级父节点发起接入，又需要为下级子节点提供无线 回传服务。因此 IAB 节点可以被分为两个功能模块，即 IAB-MT 和 IAB-DU 功能模 块。IAB-MT 就如同父节点的一个 UE，用于与父节点的 DU 进行层 1 和层 2 交互， 并与 IAB-donor 建立 RRC 连接。IAB-DU 的功能与 gNB-DU 类似，用于为其子 IAB 节点或所服务的 UE 提供上下行调度、底层配置等，同时与 IAB-donor 建立无线 F1 连接。 DU MT DU MT DU CU UP CP UE IAB-node IAB-node IAB-donor 5GC 图 2.24 IAB 架构示意图 协议栈和路由： 在 IAB-DU 收到终端的数据后，IAB-DU 会根据基站的配置映射到 F1-U 或者 F1-C 的协议栈中。下图以 F1-U 为例给出了示意图。 F1-U 和 F1-C 信息通过 IAB-DU 和 IAB-donor-CU 之间的 IP 传输层传输数据。 协议栈中的 BAP 层，主要起到路由和承载(bearer)映射的作用。在 BAP 层的实体 收到数据后，会根据 BAP 包头的信息，路由到下一跳的节点。BAP 包头中的路由 信息包括路由 ID。路由 ID 包括有目的节点的 BAP 地址和路径 ID。IAB 节点根据 这个信息，可以找出该数据包应该路由到下一跳节点。在找到下一跳节点后，IAB 节点根据基站的承载映射配置信息，映射到相应的回传 RLC 信道中，完成路由和 承载映射的功能。 44 IAB-node 2 IAB-node 1 I AB-dono r IAB-DU IAB-MT GTP-U UDP IP IAB-DU IAB-MT F1-U DU CU GTP-U UDP IP BAP BAP RLC RLC MAC MAC PHY PHY BH NR RLC channel BAP BAP RLC RLC MAC MAC PHY PHY BH NR RLC channel 图 2.25 多跳系统中的 F1-U 数据协议栈 资源复用： 受限于 IAB 节点的硬件能力，IAB 节点与其父节点以及子节点之间的通信需 要以 TDM/FDM/SDM 的方式分开。 3GPP 在 R16 主要针对 TDM 的方式进行了增 强，即父节点显式地配置给 IAB 节点子链路上面可用的时间资源，包括半静态的 配置以及动态的配置,从而避免与父链路上的资源冲突。在 R17 阶段，3GPP 正在 讨论针对 FDM/SDM 的增强方案，包括如何分配频域空域资源与 TDM 的复用方 式的共存等. 另外,在 R17 阶段，3GPP 还考虑了一个 IAB 节点有两个父节点的场景，此时 该 IAB 节点需要考虑两个父链路上的资源分配是否存在冲突的问题,同时,该 IAB 节点还需要考虑来自不同父节点的针对子链路的资源分配是否存在冲突的问题。 如果一个 IAB 节点父链路和子链路通过 FDM/SDM 的方式来同时收发信息的 话，该 IAB 节点的硬件希望两个链路上的发送接收的功率范围尽可能的一致，因 此目前 3GPP 正在讨论对于上行传输的功率控制的增强方案以及下行传输的功率 分配的增强方案。 考虑到各种资源复用的方式，IAB 网络中存在 IAB 节点之间的干扰，因此 3GPP 45 正在考虑进行 RS 的增强来进行干扰的测量，进而考虑通过多个 IAB 节点之间的 时域频域空域或者功率的资源协调来降低干扰。 父节点 父节点 MT DU MT DU 时间资源#1 IAB节点 MT DU 频域资源#1 IAB节点 MT DU 父节点 MT DU 空域资源#1 IAB节点 MT DU 时间资源#2 子节点 MT DU 父链路子链 路时分资源 频域资源#2 子节点 MT DU 父链路子链 路频分资源 空域资源#2 子节点 MT DU 父链路子链 路空分资源 图 2.26 IAB 不同链路间时分/频分/空分资源示意图 2.2.2.3. 非地面网络 （1）非地面网络概述 非地面网络（Non-terrestrial Networks，NTN）是指利用太空（Space-borne） 载体或空中（Air-borne）载体搭载传输设备（中继节点或基站）实现通信覆盖的 网络。其中太空载体以通信卫星为主，包括低、中地球轨道卫星和同步地球轨道 卫星等；空中载体以高空无人系统（High Altitude UAS Platforms，HAPs）为主， 包括无人机、热气球等。NTN 具有覆盖范围广、视线传播、不易受地面灾害影响 等优势，可以满足偏远地域或容灾备份的网络覆盖需求，是传统地面网络 （Terrestrial Networks，TN）的有效补充。NTN 可以使用 5G 接入网络架构与空口 标准，利用规模效应降低建网和终端成本，拓展 5G 覆盖和应用场景，并在未来 实现 NTN 与 TN 的深度融合甚至一体化部署。为此，3GPP 从 Rel-15 到 Rel-18 都 计划或开展了面向 NTN 或卫星网络的标准化研究工作。 46 （2）NTN 网络架构 根据所搭载通信载荷，NTN 可以实现透明传输（Transparent，仅搭载射频天 线单元实现转发功能，图 2.27）和再生放大（Regenerative，搭载基站单元实现部 分或全部基站功能，图 2.28）两种工作模式。 图 2.27 NTN 透明传输（Transparent）模式 出于标准研究制定时间和效率考虑，当前 3GPP Rel-17 的 NTN 仅针对 Transparent 模式进行研究和增强，这是由于 Transparent 模式在高传播时延和移 动性管理等方面待解决的问题更加复杂，且最终解决方案可能同样适用于 Regenerative 模式，而针对 Regenerative 模式的解决方案（如必要）研究将在后 续版本继续开展。 图 2.28 NTN 再生放大（Regenerative）模式（gNB 载荷和 DU 载荷） （3）NTN 关键技术 作为 NTN 的基本特征，空中或太空载体的高度和高速移动（相对地面或终 47 端），以及由此造成的高传输时延和时域/频域偏移等，是 5G 应用于 NTN 所面临 的主要挑战。例如高度在 35786km 的 GEO 单路传输时延可达 272.4ms（TN 约 0.033ms）；高度在 600km 的 LEO 移动速度可达 7.9km/s，频偏达 24ppm（TN 不 超过 0.14km/s 即 500km/h，频偏不超过 0.46ppm）。高传输时延和时域/频域偏移 将极大地影响基站与终端间的定时同步和交互时效性，进而对用户体验产生负面 影响。针对上述，5G 标准需要考虑 NTN 进行针对性的修改或增强。 时序同步与定时提前（Timing Advance，TA）：高传输时延导致终端上下行间 更大的时间差，影响时序同步。该差值超出现行标准调整范围，需要终端进行 TA 预补偿，包括网络提供参考信息，或终端基于星历（ephemeris）信息估算。 HARQ 增强：由于两个拥有相同 HARQ 序列号的 PDCCH 之间的时间间隔需 大于等于往返时延，高传输时延导致 HARQ 可用序列号的短缺。目前的解决方案 包括禁用部分 HARQ 和增加 HARQ 序列号（例如 32 个）。 PRACH 增强：考虑更快速的信道状态信息变化， preamble（前导码）序列 增强包括拥有更大载波间隔以及重复次数的 ZC 序列、采用多个不同根植的 ZC 序 列、采用 gold 序列或者 m 序列以及单个 ZC 序列叠加额外的扰码序列。 移动性管理增强：NTN 小区中心和边缘的信号强度差异更加模糊，导致基于 信号强度的移动性管理策略失效。对于空闲态，小区重选测量的触发和小区排序 准则可以额外考虑终端位置，提高小区重选的准确性和有效性；对于连接态，条 件切换允许网络提前为终端配置位置、时间等切换条件，从而避免高传输时延导 致的切换延迟，相应需要研究多种触发条件的逻辑关系以保证切换性能。 （4）3GPP NTN 标准化前景 5G Rel-17 将是 NTN 实现标准落地的第一个版本，标准研究限定在 Transparent 48 模式，并假设终端具备卫星定位能力，因此可以施行时域/频域预补偿或基于位 置的移动性管理；支持物联网（NB-IoT/eMTC）的 NTN 研究已启动并以 NR NTN 解决方案为蓝本。对于 Rel-18 及未来版本，NTN 的进一步标准研究方向包括： - 不具备卫星定位能力的终端，相应的时域/频域预补偿和移动性管理； - Regenerative 模式特有问题（如 feeder link 切换导致的 NG 接口切换）； - 条件切换以外的移动性管理增强和业务连续性保障，包括双激活协议 栈（DAPS）和双连接（DC）； - 面向物联网终端的增强，包括小数据包传输和非连续覆盖场景； 终端节能、波束管理等其他增强。 2.2.2.4. 网络切片 （1）网络切片概述 网络切片（Network Slicing）是可由运营商使用的，基于同客户签订的服务层 协议（Service Level Agreement，SLA），为不同的垂直行业、客户或业务提供相互 隔离、功能可定制的网络服务，即网络切片可以看作是为满足客户定制化需求而 提供特定能力和特性的逻辑网络。网络切片实例或实体是一个部署的网络切片， 包括一些网络功能实体及所需的资源（如计算、存储及网络）。不同的逻辑网络 切片可以在不互相干扰或侵占资源的原则下（由相应的网络功能实体保障和管理） 部署于一个网络切片实例上，以实现网络设施和频谱的充分利用。网络切片允许 运营商按需快速定制网络服务，以逻辑方式实现资源隔离和业务保障，同时可以 共享基础设施以提升利用率和降低成本。为此，3GPP 从 Rel-15 到 Rel-18 都计划 或开展了面向网络切片的标准化研究工作。 49 （2）网络切片关键技术 作为 5G 网络的重要特性之一，3GPP 从 5G 标准制定之初便开展了支持网络 切片的研究。经过 Rel-15 和 Rel-16 两个版本，目前 5G 网络已经实现端到端的网 络切片感知和流程支持，能够满足网络切片的基础运营需求。  基本流程支持 网络切片选择辅助信息（Network Slice Selection Assistance Information， NSSAI）是标准中使用的网络切片标识，包含多个 S-NSSAI（Single-NSSAI），其中 每个 S-NSSAI 唯一标识一个网络切片，其组成包括： - Slice/Service Type（SST），表征对应切片特征和业务需求切片行为； - Slice Differentiator（SD），区分具有相同 SST 的多个切片（这个是可选 择项） 根据使用范围，S-NSSAI 可以是使用标准值（支持跨 PLMN 服务）或自定义 值（运营商或 PLMN 定制）。目前 3GPP 已针对 5G 的三大应用场景和车联网定义 了 4 个标准值，即 SST=1 为 eMBB，SST=2 为 URLLC，SST=3 为 MIoT，SST=4 为 V2X。 图 2.29 5G 网络切片示意图 50 网络侧可以同时支持数百个切片，而每个终端最多可同时使用 8 个网络切片 并由统一的 AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理） 实体管理。作为逻辑定义，网络切片的 S-NSSAI 与实际承载的网络切片实体可存 在一对多和多对一的对应关系。终端在网络注册时由核心网的网络切片选择功能 根据其请求的 S-NSSAI 选择合适的网络切片实体。网络切片实体内，用户数据由 PDU 会话（PDU session）承载，网络切片实体之间不共享 PDU 会话。在这一原 则下，5G 无线接入网可以通过调度或配置来实现对网络切片的差异化支持。目 前 5G 无线接入网已实现对网络切片的基本功能和流程支持，包括： - AMF 选择：根据终端上报标识或辅助信息为其选择 AMF 实体； - 切片可用性：同一注册区内的小区支持相同的切片列表； - 差异化 QoS 保障：不同网络切片会由不同的 PDU 会话（以及相应的 QoS 流）具体承载，提供差异化的资源管理或隔离。 （3）3GPP 网络切片标准化前景 作为一个运营商商业模式驱动的 5G 能力特性，网络切片在 Rel-15 和 Rel-16 实现了基本的端到端支持，并将在 Rel-17 和 Rel-18 继续进行增强，主要包括在 无线接入网工作组（TSG-RAN）进行的“Study on enhancement of RAN slicing for NR” 和系统架构工作组（TSG-SA）进行的“Study on enhancement of network slicing”。 值得注意的是，在 Rel-15 阶段假设同一注册区内的小区支持相同网络切片（即一 定区域内网络不存在切片方面的能力差异），从而简化了无线接入网侧对网络切 片的感知和相应的终端行为，而随着 5G 向垂直行业普及，日趋定制化、差异化 的垂直行业服务需求促使运营商打破上述限制，以实现更加精准的网络部署和切 片支持。另一方面，作为核心网功能，无线接入网对网络切片前期研究专注于基 51 本流程支持和 QoS 差异化保障或隔离，并未考虑或暂时忽略了频谱共享和其他 粒度（基站、频段、随机接入资源）的隔离需求。对于 Rel-17 及未来版本，网络 切片的进一步标准研究方向包括： - 是否允许同一注册区内的小区支持不同的网络切片，或仅部分支持相 同的网络切片，可能涉及对早起标准版本假设的重定义或解释； - 基于切片的快速接入，包括基于切片感知或“频率-切片”优先级的小区 重选，以及基于切片的统一接入控制或随机接入资源隔离； - 切片业务连续性保障，即系统内切换时若目标基站不支持终端正在进 行的切片及业务，如何进行切片重映射或回退及相应的数据转发； - 无线接入网侧切片感知可能的安全问题。 2.2.2.5. 边缘计算 从后 4G 时代，边缘计算（Edge Computing, EC）随着移动互联网业务的激增 带来了的移动业务流量爆炸型增长再次回归大众的视线，边缘计算承担着将用户 面网元及业务处理能力下移到网络边缘，实现分布式的业务流量本地化的任务， 避免流量的过渡集中，同时也通过缩短回程网络的距离，降低了用户报文的端到 端传输时间和抖动，支持低时延业务的部署。 3GPP 在 5G 网络架构设计之初包括了对边缘计算部署场景的支持。5G 边缘 计算与 5G 网络的移动性管理、会话管理、用户面路径优选、能力开放等关键技 术的具体实现密切相关，边缘计算的特点使得它在 5G 网络部署时需要依赖网络 通过特定的配置或信令交互流程进行保障。 5G 支持边缘计算的基本技术包括： 52  基于 SSC mode 2 及 SSC mode 3 的锚点切换。用户面的锚点随着 UE 同步迁 移，用户业务可以就近接入部署在边缘计算平台上。  基于上行分类器（Uplink Classifier, ULCL）与分流点（Branching Point, BP）的 业务分流方案。业务分流在保持集中锚点的前提下，根据业务的特征能够实 现本地业务分流，将某些能够在本地网络中终结的业务从较低的位置分流到 本地部署的 DN 中，从而能够降低这些业务的端到端时延，并降低对骨干网 络的负载。其中 ULCL 分流方式中会话可以有多个锚点，但是 UE 不感知锚点 的变化，BP 分流方式即 multi-homing 会话，在增加本地锚点时会为 UE 新增 一个本地 IP 地址。  AF 与网络交互影响用户面路径选择。EC 作为 AF，与 SMF 和 NEF 通过实践的 上报机制，实现 UPF 和应用的同步迁移的协同。  局域数据网络（Local Area Data Network, LADN）。LADN 是只提供有限范围覆 盖的特殊数据网络，EC 可作为一个 LADN 提供数据服务。 因此 5GC 可以通过如下分布式锚点（Distributed Anchor Point，DAP）、业务 分流（Session Breakout, SB）和多会话（Multiple PDU Session, MPS）三种链接模 式的支持使能 EC。 除了上述基本使能技术，3GPP 各个工作组进一步从网络架构、应用架构、 安全和网络管理方面对 EC 进行了增强定义，旨在构成一个端到端使能 EC 的标 准方案。如下图所示，其中： 53 UE(SA6) Application Client(s) EDGE-5 Edge Enabler Client Management(SA5) 3GPP Core Network(SA2) Application Data Traffic Edge Data Network(SA6) EDGE-7 Edge Application Server(s) EDGE-3 EDGE-1 EDGE-2 Edge Enabler Server(s) EDGE-9 LDNSR EDGE-4 EDGE-8 EDGE-6 Edge Configuration Server Security(SA3) 图 2.30 3GPP 定义的 EC 逻辑图  3GPP SA6 定义 EC 的应用层架构及其相关业务流程实现。在 UE 侧引入了边 缘使能客户端（Edge Enabler Client, EEC）为应用客户端（Application Client, AC） 提供接入边缘服务的支撑功能，在服务器侧设置了边缘配置服务器（Edge Configuration Server, ECS）为 EEC 连接边缘使能服务器(Edge Enabler Server, EES) 提供配置数据，边缘应用服务器（Edge Application Server, EAS）即部署于边缘 的应用服务器，边缘使能服务器为 EAS 和 EEC 提供支撑功能。通过业务层架 构和功能主要支持 EAS 发现和应用迁移的业务连续性，实现对 AC 的业务提 供和业务安全和质量保证等。  3GPP SA2 增强网络功能，主要支持如下几个方面：  本地部署应用服务器的地址发现：UE 在当前所在位置发现路由最优的应 用服务器为应用提供服务。其中对于 Session breakout 的连接模式的基于 DNS 的方案，引入了新的网元 LDNSR（Local DNS resolver）对 DNS 消息进 行处理，进而转发 DNS 给合适的 DNS 服务器进行域名解析，其基本原理 54 是 LDNSR 对 DNS 消息进行处理，如果需要中心部署的 DNS server (C-DNS server) 进行域名解析则在转发 DNS 消息时添加标识 UE 当前业务接入 位置的信息 edns-client-subnet (ECS)；需要本地部署的 DNS server(L-DSN server)进行域名解析处理则转发 DNS 消息给 L-DNS server。  本地能力开放：对于某些变化频繁的网络状态信息，需要通过 NEF 本地 化快速的能力开放机制将相关信息提供给本地部署的应用服务器。  应用无缝迁移和应用无感知的锚点迁移。在 UE 移动或者应用迁移过程 中，适应业务的多样化需求，用户锚点与应用执行同步迁移，按需保证 端到端的用户数传输的时延和丢包率，保证业务连续性。  3GPP SA3 增强定义 EC 的应用层架构及其业务流程中的安全认证。3GPP SA5 增强定义 EC 的应用层架构涉及的网元的部署，生命周期管理，性能保证和 故障处理等。 2.2.2.6. 基于 AI 的数据收集 5G 网络需要满足不断增加的 KPI，包括延迟、可靠性、连接密度、用户体验 等。同时必须解决新的 NR 特性（如 MR-DC、波束成形和网络切片）带来的复杂 系统设计和优化问题。运营商认为传统的人机交互速度慢、易出错、成本高，且 处理复杂。AI 作为一种工具，通过分析、处理收集的数据，产生进一步的见解， 以帮助运营商改善网络管理和用户体验。 AI 使能的用例可以包括但不限于节能、负载均衡、移动性管理、流量监控、 覆盖优化等。 R17 AI 基于现有网络架构及接口，优先考虑独立组网以及 EN-DC 网络场景。 55 AI 算法及模型无需标准化，3GPP 标准化工作主要聚焦于：  RAN 智能化的总体功能架构  各用例的输入、输出、执行 AI 训练的主体、执行 AI 预测的主体  节点间数据/信令/AI 功能的交互、接口影响 2.2.2.7. 非公共网络 为了给垂直行业提供无线接入和通信服务， 3GPP 标准定义了非公共网络 （Non-public Network, NPN）的概念。NPN 的技术需求主要在 3GPP TS 22.261 中 描述，在 3GPP SA1 的 CAV 项目中也有相关的讨论并记录在 3GPP TS 22.104 中。 NPN 主要满足如下技术需求：  支持在某个特性位置为 NPN 提供 5G 网络覆盖，支持企业独立运营的 NPN。  支持 NPN 接入控制。  支持 NPN 和 PLMN 之间的业务互通。 基于如上需求，3GPP 定义了两种 NPN 部署模式： （1）独立非公共网络（Stand-alone NPN, SNPN） SNPN 由 NPN 运营商运营且不依赖 PLMN 提供的网络功能，用 PLMN ID 和 NID（Network identifier，网络标识）的组合来进行标识。 支持接入 SNPN 的 NG-RAN 基站将广播 PLMN ID 和每个 PLMN ID 的 NID 列 表，用于通知终端可接入的 SNPN。启用 SNPN 的 UE 为每个签约的 SNPN 配置有 用户标识符（SUPI）和凭证（credentials），当 UE 设置为以 SNPN 模式接入时，只 能通过 Uu 接口接入 SNPN 并向其注册。如果没有将 UE 设置为以 SNPN 模式接 56 入，则即使它已启用 SNPN，UE 也不会接入并向 SNPN 注册。 UE 初始注册时，会将所选择的 NID 和相应的带给 NG-RAN，NG-RAN 将 PLMN ID 和 NID 带给 AMF。用户在 NPN 中的签约信息包括了 UAC（Unified Access Control， 统一接入控制）信息，在 UE 没有签约或者网络拥塞时，SNPN 可以阻止 UE 接入。 SNPN 和 PLMN 之间的业务互通，包括通过 SNPN 访问 PLMN 业务（和通过 PLMN 访问 SNPN 业务。在 SNPN 注册的 UE 可以通过 SNPN 接入 PLMN 的 N3IWF （Non-3GPP Inter-working Function：非 3GPP 互操作功能），访问 PLMN 的服务。 其中 UE 需要同时向 PLMN 注册，SNPN 对于 PLMN 来说，相当于非可信 non-3GPP 接入。对于在 PLMN 注册的 UE 通过 PLMN 访问 SNPN 业务，UE 同样必须先通过 PLMN 向 SNPN 注册，PLMN 对于 SNPN 来说，相当于非可信 non-3GPP 接入。 (2）公共网络集成非公共网络（Public Network Integrated NPN, PNI-NPN） 在 PLMN 支持下部署的非公共网络，NPN 可以是 PLMN 中的一个特定切片， 也可以由一个特定的 DNN 来实现。垂直行业可基于 5G 网络切片技术与运营商 共享 RAN、共享核心网控制面，或共享整个端到端 5G 公网（即端到端网络切片） 等来建设 5G 专网。此时，UE 拥有 PLMN 的签约数据，其中包括在 NPN 中使用 的签约 S-NSSAI。由于网络切片无法阻止 UE，可以进一步选择使用封闭接入组 （Closed Access Group, CAG）来实现接入控制，以防止 UE 通过自动选择接入关 联的小区，进而接入非公共网络。 2.2.2.8. 基于边链路的中继技术 边链路（Side link）技术在 4G 和 5G 系统中都已经被引入。边链路技术主要 目的是在终端处于网络覆盖范围内或者没有网络覆盖的情况下依然能够进行包 57 括广播，组播和单播的通信方式。基于边链路的中继技术可以扩大网络的覆盖范 围，提高功率效率。涉及到的场景主要包括终端到网络的覆盖增强和终端到终端 之间通信的覆盖增强。  场景需求 - 终端到网络间的中继通信覆盖增强 在终端到网络间的中继通信系统下，中继都是处于基站覆盖的范围下。远程 终端可能处于基站覆盖下，也可能不在基站覆盖下。处于基站覆盖下的远程终端 一般是处于小区边缘处，信号比较弱。为了提高通信性能，减少远程终端的发射 功率，基站覆盖下的远程终端允许接入中继。对于不处于基站覆盖下的远程终端， 通过中继可以接入网络。 基站 中继 远程终端 基站 中继 远程终端 图 2.31 中继场景 (左) 中继在网络覆盖范围，远程终端在网络覆盖外 (右)中继 和远程终端都在网络覆盖范围 - 终端到终端之间的中继通信覆盖增强 如果两个远程终端之间的信号质量不佳，远程终端可以选择通过中继与其他 终端进行通信。这两个远程终端和中继可以处于或不处于基站覆盖范围之内。如 果处于基站覆盖范围内，参数有基站配置。否则，远程终端或中继可以使用预配 置的参数。 58 远程终端1 中继 图 2.32 终端到终端间的中继通信 远程终端2  需要解决的技术问题 对于以上涉及的场景及中继类型，此技术着重解决以下几个问题： - 中继发现机制：在远程终端发送数据给目的端前，需要发现并选择合 适的中继。在建立连接之后，才能发送数据。 - 中继选择与重选：远程终端根据预先配置的参数或者基站配置的参数 选择中继。但该选择的中继不再合适时，远程终端可以重选一个更合 适的中继。 - 业务连续性：远程终端可以是基站覆盖范围内的，当远程终端把直连 到基站的链路连接到中继时，业务连续性需要保证。否则，将会出现 业务中断。 - 新协议栈的设计：对于层 2 中继，新的自适应层加入后，需要设计新 的协议栈以及数据处理方式。 2.2.3. 面向垂直行业应用技术 与 4G 不同，5G 的重点应用场景是各个垂直行业。不同的垂直行业应用有不 同的设计需求，比如，面向车联网场景和工业互联网场景，5G 的系统设计需要 满足低时延和高可靠两个要求；面向物联网场景，则需要满足低功耗和低成本两 个要求。 59 2.2.3.1. 5G 车联网及边链路通信增强 Side link 通信是指终端和终端之间的直接通信模式，其数据信息的传输不需 要经过网络侧设备，例如基站。这种通信方式减轻了基站到终端之间上行和下行 的负载。终端到终端之间的数据信息传输不经过基站，一定程度上也减少了终端 到终端之间数据传输的延时。并且此通信方式可以在基站的配置和动态控制下完 成，因而降低了多终端之间数据信息传输的冲突概率，增加了数据信息传输的可 靠性。图 2.33 给出了 Side link 通信连个基本场景。 Network Network Vehicle A Vehicle B Vehicle C Vehicle A Vehicle C Vehicle B 图 2.33 Sidelink 通信场景 (左)网络覆盖内或部分覆盖 (右) 网络覆盖外 基于 side link 的通信模式最早在 4G-LTE 时代被引入到蜂窝网络，主要使用 了基于广播的传输方法，在终端和终端之间，传输公共安全（Public Safety）相关 的业务信息，对传输的速率和延时没有过高要求。当时以及后续的标准讨论中， 也提出利用此技术去支持商业场景，例如穿戴式设备，但均未获成功。 在 4G-LTE 中，基于终端和终端之间的直接通信模式，进一步支持了车与车 之间，车与行人及路边设备之间的通信模式和业务要求(basic road safety service)。 其中的增强包括：在高移动性场景下，支持更大业务量的传输，支持传输的覆盖 范围更广，传输的端到端延时更低，传输的可靠性更高。4G LTE V2X 在物理层仅 支持了 broadcast 的通信，用于传输 BSM, CAM, DENM 等业务类型。MAC 层可以 60 通过 MAC layer ID 实现 unicast 和 groupcast 的通信。 随着 5G 时代的到来和车联网技术的兴起，根据产业界的需求，5G 进一步定 义去支持 25 种 V2X 服务场景（advanced V2X services），这 25 种服务场景主要包 括以下四类：  车辆“队列化”：使车辆能够动态地组成一个车队一起行进。队列中的 所有车辆能够从领队车辆获得信息来维护队列。这些信息能使车辆在 一种协调的方式下以更小的车距，向同一方向一起行驶。  扩展感知：能够在车辆、路边设备单元、行人设备和 V2X 应用服务器 之间交换传感器收集的原始或处理过的数据或实时视频图像。车辆可 以获得超出其自身传感器所能检测到的周围环境信息，并对自身的行 车环境有更广泛和整体的认知。高数据速率是其关键特性之一。  先进驾驶：可实现半自动或全自动驾驶。每辆车辆和路边设备单元都 将其从本地传感器获取的感知数据与邻近车辆共享，从而使车辆能够 同步和协调其轨迹或动向。每一辆车也会与邻近车辆共享其形式意 图。  远程驾驶：允许远程司机或 V2X 应用程序，为那些不能自主驾驶的乘 客或位于危险环境中的远程车辆，操作远程车辆。此时行驶中的变化 有限且路线可预测的，比如公共交通。 远程驾驶可以使用基于云计算 的驾驶。高可靠性和低延迟是主要要求。 不同于 4G LTE V2X 在物理层仅支持了 broadcast 的通信，5G NR V2X 在物理 层设计中支持了 broadcast，unicast 和 groupcast 的通信，并且在 unicast 和 groupcast 中，引入了 HARQ-based 的重传机制，为了达到更高的传输速率，也支 61 持了更高的调制编码方式以及 CSI 反馈机制。 基于 5G NR V2X 中的 side link 设计，5G side link 又期望去扩展其覆盖支持其 他商业应用场景，主要考虑以下两个方面的增强：  支持电池受限的 side link 场景。  支持更高的可靠性和更低的延时。 基于 Side link 的通信模式，除了用于应急通信的场景，以及车联网场景内的 车车之间，车和人之间，车和路边设备之间的通信外，未来还可能大规模的应用 在穿戴式设备，例如，在 VR/AR 设备之间的通信场景中，帮助传输高速率，低延 时的数据信息。另外，基于 side link 的定位技术，也可以帮助弥补一些网络（基 站，GNSS）覆盖不足，测量精度不够的场景。Side link 通信技术如何部署和应用 在非授权频谱也可能是未来的研究方向。 2.2.3.2. 低时延高可靠通信/工业互联网 NR 系统可实现的延迟和可靠性性能是支持具有更严格需求用例的关键。表 2.4 列出了集中典型行业对数据传输的需求， 表 2.4 Rel-15/Rel-16 部分 URLLC 相关场景需求 场景 可靠性（%） 空口时（ms） 数据包大小 Rel-15: AR/VR 99.999 1 32Byte ；200Byte FTP Model3 传输业 99.999 3 5220Byte；1Mbps 电力分布 99.9999 2~3 100Byte FTP Model3 工厂自动化 99.9999 1 周期 32Byte 为了扩展 NR 在各个垂直行业的适用性，NR IIoT（工业物联网）的研究阶段 62 得出结论，版本 16（Rel-16）应在不同层中规范 RAN 特征的某些增强。NR 版本 15（Rel-15）的发展是为了支持以下用例，包括： - 支持版本 15（Rel-15）的用例改进，例如：AR/VR（娱乐业）； - 具有更高要求的新版本 16（Rel-16）用例，包括：工厂自动化、运输 业、配电； - 在版本 16（Rel-16）的基础上，提出了部分预期的增强功能，这些需 求反映在版本 17（Rel-17）中。 同时，因为版本 16（Rel-16）中仅代表工业自动化市场的一小部分，为了能 够接入到版本 16（Rel-16）中包含的 TSN（时间敏感通信）解决方案之外的市场， 在版本 17（Rel-17）中，需讨论支持时间敏感通信的 SA 侧增强功能。 另一方面，为支持在非授权频带应用相关特性，尤其是对于仅包括工厂设备 且干扰极少的控制环境中，需要在版本 17 （Rel-17）中确认是否需要对 FR1 的 版本 16（Rel-16）的特性进行增强。 为了支持 IIoT 在 NR 系统中实现，完成了包括支持具有更高可靠性和/或更 高效率的 PDCP 复制、UE 内优先级划分/多路复用以及满足时间敏感网络业务的 机制。在版本 16（Rel-16）中已完成的关键技术研究： - NR PDCP 复制增强： - UE 内优先级划分/多路复用： - NR TSC 相关的增强设计包括： - 新的更加紧凑的 DCI 格式 1-2 - 上行反馈信道增强 - 数据传输增强 63 - 优先级指示 随着标准研究的演进，在版本 17（Rel-17）中将完成以下关键技术的研究： 1) 研究、确定和指定所需的物理层反馈增强功能，以满足 URLLC 要求； 2) 非授权频带的受控环境中 URLLC 的上行链路增强功能： 3) 基于版本 16（Rel-16），进一步研究 UE 内多路复用和具有不同优先级 的业务： 4) 支持时间同步的增强功能： 5) 基于新的 QoS 相关参数的 RAN 增强，如生存时间、突发传播。 2.2.3.3. 物联网通信技术 3GPP 定义了 5G 应用场景的三大方向——eMBB（移动宽带增强）、uRLLC（超 高可靠超低时延通信）、mMTC（大规模物联网，更多的称为海量机器类通信）。 其中 ITU 对 mMTC 定义了四个关键指标： - 在最大 MCL 达到 164dB 时，传输速率大于 160bps； - 接入容量达到 100 万/平方公里，带宽限制在 50MHz； - 在最大 MCL 达到 164dB 时，时延小于 10s； - 在最大 MCL 达到 164dB 时，电池寿命大于 10 年； 3GPP 为了应对 mMTC 场景需求，提出了将蜂窝系统的窄带物联网（NB-IoT） 技术和 eMTC 技术来支持 5G 通信的 mMTC 应用，主要面向低速率、超低成本、 低功耗、广深覆盖、大连接需求的物联网业务，降低了设备的成本与复杂度，改 善了通信服务覆盖距离与信号穿透性，减少了设备侧的功耗，延长了电池寿命。 eMTC 和 NB-IoT 都是 3GPP LTE 技术。eMTC 基于蜂窝网络进行部署，其用 64 户设备通过支持 1.4MHz 的射频和基带带宽，可以直接接入现有的 LTE 网络。 eMTC 支持上下行最大 1Mbps 的峰值速率，可以支持丰富、创新的物联应用。 NB-IoT 是一种低功耗广域（LPWA）网络技术标准。基于蜂窝技术，用户设备通 过极窄的带宽（比如 200KHz），连接使用无线蜂窝网络的各种智能传感器和设备， 聚焦于低功耗广覆盖物联网市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。 eMTC 和 NB-IoT 从 Rel.13 列入 3GPP 的研究，经历了 4 个版本的演进，分别 从频谱效率，用户功耗，容量增强等方面对 eMTC 和 NBIoT 进行系统优化和增强， 并最终成为 5G 面向 mMTC 技术，如图所示。 图 2.34 eMTC 和 NBIoT 在 3GPP 的演进 Rel.13 eMTC 和 NBIoT 规范了基础协议架构和空中接口，并且 eMTC 引入了 Category M1 的 UE， NBIoT 引入了 Category NB1 的用户，引入了 eDRX 和网络架 构和协议增强。 Rel.13 满足了改善室内覆盖和支持极大数量的低吞吐量设备接 入需求，但 Rel.13 无法满足某些特点的场景需求，如支持定位，非实时语音等， 同时系统希望降低 IoT 设备的成本，如降低发射功率等，Rel.14 增强支持更多的 功能，如定位，多播增强，移动性和服务连续性增强，更高数据速率和 VoLTE 增 强（eMTC），Non-anchor 上的 PRB 增强（NBIoT）等。Rel.15 的 eMTC 和 NBIoT 进 65 一步降低传输时延和 UE 功耗，同时 NBIoT 增加了 TDD 的支持，增强接入控制和 Standalone 部署增强， eMTC 增加了新的用户场景的支持，增强频谱效率，比如 支持 16QAM，上行 sub-PRB 分配。 Rel.16 的 eMTC 和 NBIoT 进一步在上下行的传输频谱效率，减少调度的开销 和移动性下做了增强。Rel.17 的 eMTC 和 NBIoT 除了在增强频谱效率上做了演进 外，更重要在开展规范性工作支持非陆域（NTN）即卫星和高空平台的通信，比 如，支持 16QAM, 下行功率分配(NBIoT)，支持 14HARQ 进程下新的 PDSCH 调度 延时（eMTC），研究 NB-IoT/eMTC 在 NTN 应用场景和支持 NTN 必要增强：随机 接入过程和信号增强，时频域同步和补偿，调度和反馈定时增强，idle 和 connect 模式下的移动性管理增强，系统信息增强，Tracking area 增强。 2.2.3.4. 低能力终端 5G NR 支持各种垂直行业的物联网的应用。LTE 时代定义的 NB-IoT，eMTC 已 经被加入到了 5G 标准，5G Rel.15 定义了低时延高可靠通信（URLLC）, 并一直在 演进到了 Rel.17。另外，5G Rel.17 开始讨论并支持另外一类物联网终端，统称为 低能力终端（Reduced Capability， RedCap）。这类终端包含工业传感器，可穿戴 设备和视频监控设备等。5G 对各类物联网终端的支持保证了对工业化 4.0 的很 好的支撑。 3GPP 给出了 RedCap 的各终端的具体需求，涵盖数据速率，传输延时，传输 可靠性和电池寿命等。下表给出了具体的需求参数 66 表 2.5 RedCap 终端能力需求 应用场 景 工业传 感器 视频监 控设备 可穿戴 设备 比特速率 延时 <2Mbps 2-4Mbps，经济型设备; 7.525Mbps，高端设备 峰值速率下行<=150Mbps, 上行 <=50Mbps. <100ms; 5-10ms for safety related sensors. <500ms NA 可靠性 99.99% 99%99.9% NA 电池 寿命 至少 多年 NA <= 1-2 周 RedCap 在满足上述需求的同时，需要尽量的减少终端的成本，这对 RedCap 终端的大规模商业化至关重要。为此，RedCap 终端支持以下特性，  更低的带宽， - 对于 FR1，支持最大 20MHz 的终端带宽； - 对于 FR2，支持 100MHz 最大带宽  更少的接受天线数（Rx） - 对于 FR1，根据不同 band，支持 2Rx 或者 1Rx - 对于 FR2，支持最低 1Rx。  支持半双工 FDD  支持更低的调制方式，不要求 RedCap 终端支持 256QAM。 3GPP 评估了各类特性带来的终端成本降低的比率，如下表所示。 67 表 2.6 RedCap 各特性带来的终端成本的降低 RedCap 特性 更少的接收天线数 更低的带宽 半双工 UE 更低的调制方式 Cases FDD, 2Rx  1Rx TDD, 4Rx  2Rx TDD, 4Rx  1Rx FDD, 100MHz  20MHz TDD, 100MHz  20MHz FD-FDD  HD-FDD FDD, 256QAM64QAM TDD, 256QAM64QAM 成本降低比率 ~26% ~31% ~46% ~32% ~33% ~7% ~6% ~6% 终端能力的降低不可避免会带来性能的下降。比如接受天线数的下降会导致 以下问题， - 下行覆盖（coverage）受到影响。接收天线数越少，下行覆盖（coverage） 受影响越大； - PDCCH blocking rate 会升高。RedCap UE 需要占用更多 PDCCH 资源，从 而 block 现有终端的 PDCCH 的发送； - 数据速率会降低。 而终端带宽的降低也会带来诸如 PDCCH blocking rate 增加，RACH 资源分配 受限等问题。 为了解决这些问题，特别是减少由于引入 RedCap 终端带来的现有终端的性 能损失，3GPP 当前正在讨论的候选技术包括， - 网络禁止 RedCap 终端的接入，比如在广播信道中引入相应的指示， 允许/禁止 RedCap 终端接入当前网络。 68 - 网络在 RedCap 终端初始接入时进行接入控制，比如当前网络拥塞的前 提下，延迟 RedCap 终端的接入。 - 为了在初始接入时减少对现有终端的影响，考虑引入 RedCap 专用初始 BWP（bandwidth part）， RedCap 的随机接入过程尽量在专用初始 BWP 进行。 - RedCap 终端的定义和提前识别，包括在初始接入的时候通过 Msg1/Msg3 进行识别等。 Coverage 增强技术，包括信号的重复发送等。依赖于最终决定的接收天线数， 考虑对物理层信号的 coverage 增强，如 PUSCH，Msg3，PDCCH 等。 2.2.3.5. 小数据包传输 5G 中少量和不频繁的数据流量广泛存在于如下场景：  智能手机应用程序： - 来自即时通讯服务（whatsapp，QQ，微信等）的流量 - 来自 IM /电子邮件客户端和其他应用的心跳/保持活动流量 - 推送来自各种应用程序的通知  非智能手机应用程序： - 可穿戴设备带来的流量（定期的定位信息等） - 传感器（工业无线传感器网络定期或以事件触发的方式传输温度， 压力读数） - 智能电表和智能电表网络发送定期的电表读数 5G 支持 UE 处于三种状态，包括空闲态，非活跃状态，以及连接态。具有不 69 频繁（定期和/或非定期）数据传输的 UE 通常由网络保持在非活跃状态。在 Rel16 之前，5G 不支持 UE 在非活跃状态进行数据传输, UE 必须针对任何下行的 （Mobile Termination ）和上行（Mobile originating ）数据恢复到连接态（即 RRC_CONNECTED 状态）再进行数据传输。每次数据传输都会建立连接并随后释 放为非活跃状态，但是实际传输的数据包很小且时间维度很稀疏，这导致了 UE 为了发送很小的数据包而进入连接态进行数据传输，产生了不必要的功耗和信令 开销。 如上所述，考虑到网络性能和效率以及 UE 电池消耗，来自非活跃状态的 UE 的小数据包信令开销是一个普遍的问题，并且将成为 5G 中更多 UE 的一个关键 问题。因此，引入了非活跃状态的小数据包传输技术，任何在非活跃状态下具有 间歇性小数据包的设备都将从非活跃状态的小数据传输中受益。 UE 非活跃状态的小数据包传输技术，包括两个方面，基于随机接入 RACH （Random access channel）方案的 UL(Up Link)小数据包传输（即 2 步和 4 步 RACH）， 和预配置的 PUSCH(Physical Uplink Shared Channel)资源上传输 UL 小数据包。 在基于 RACH 的方案的 UL(uplink)小数据包传输技术中，如下图 2.35 所示， UE 侧的小数据包可以在 4 步随机接入过程的第三步携带上行数据，在第四步完 成 UE 侧空口连接的释放，或者在 2 步随机接入过程的第一步携带上行数据，在 第二步完成 UE 侧空口连接的释放。相对现有技术在随机接入过程成功后进行数 据传输，小数据包传输技术通过更早一步地在随机接入过程中进行数据传输，明 显地减少了信令开销和传输步骤。很多小数据包的业务一次传输就可以完成，避 免了 UE 进入连接态的信令开销、时延和 UE 的功率消息。为了支持该过程，5G 技术分配了独立的用于小数据包传输的随机接入资源，并且约定了传输失败的回 70 退原则，以及适用于小数据包传输的安全机制。 UE gNB UE gNB UE处于非活跃态 UE处于非活跃态 UE处于连接态 UE 处于非活跃态 图 2.35 现有技术 VS 基于随机接入/预配置资源的小数据包数据传输 在预配置的 PUSCH(Physical Uplink Shared Channel)资源上传输 UL 数据包的机 制中，UE 可以在预配置的上行资源上直接发送数据包，这种方法高效快捷，但 是对配置的资源要求较高。UE 在发送 UL 数据包之前，需要确定上线资源的有效 性,包括 TA(Timing advance)是否有效。5G 技术为了保证 TA 的有效性，可引入基 于 TA 的 Timer 以及 UE 信道质量变化门限值，如果 UE 信道质量变化超过门限值， 则认为 UE 发生了较大距离的移动，和基站的 TA 需要重新调整， 预配置的上行 资源则不能使用。由于无线资源是稀缺资源，5G 技术为了保证资源的合理使用， 将引入预配置资源释放机制，即在 UE 和网络侧同步确认资源使用率低时，将释 放该预配置的上行资源。 2.2.3.6. 定位技术 Release-16 5G NR 标准增加了基于 NR RAT 的定位技术，5G 需要严苛的定位 需求，比如更高的定位精度、更低的定位时延。3GPP TR38.855 [26] 对于 5G 定位 定义了如下需求: 71  对于监管定位场景（比如 E911） - 对于 80%终端水平定位误差应≤50m - 对于 80%终端垂直定位误差应≤5m - 端到端定位时延应小于 30 秒  对于商业应用场景 - 对于 80%终端水平定位误差应≤3m(室内)和≤10m(室外) - 对于 80%终端垂直定位误差应≤3m(室内和室外) - 端到端定位时延应小于 1 秒 为了满足如上的严苛定位需求，5G Release-16 引入了如下基于 5G RAT 的定 位技术: DL-TDOA： DL-TDOA(Downlink time difference of arrival)定位的原理是通过检测信号到达 基站的时间差来确定终端的位置。如图 2.36 所示终端通过基站发送的 PRS （ positioning reference signal ） 测 量 DL RSTD(downlink reference signal time difference)，并将测量到的这些 RSTD 上报给 LMF (location management function)， 由 LMF 利用上报的测量值以及其他已知信息（比如基站的地理位置坐标）来计 算终端的位置。NR DL-TDOA 定位技术要求各个基站之间具有高度的时间同步， 其同步准确性将影响终端定位的性能。 72 gNB2 DL PRS gNB1 DL PRS DL PRS UE gNB3 图 2.36 NR DL-TDOA 定位技术 DL-AoD： 在 DL-AoD 定位技术中，终端测量各个基站发送的 DL PRS 的 DL RSRP，并将 这些测量值上报给 LMF。LMF 利用终端上报的测量值以及其他已知信息（比如 DL PRS 发送的波束方向）来计算确定终端相对于发送点的角度（DL-AoD），然后利 用基站的地理位置坐标以及 DL-AoD 来计算终端的位置。 UL-TDOA： UL-TDOA 定位技术与前面所介绍的 DL-TDOA 同理，不过不同于 DL-TDOA，在 UL-TDOA 定位技术中，用于测量 TDOA 的参考信号是由终端发送给多个基站的。 在 UL-TDOA 定位技术中，各个基站检测用于定位的 SR（S sounding reference signal） 并获取到 SRS 到达时间与基站自身参考时间的时间差，即 UL-RTOA（uplink relative time of arrival），然后 LMF 利用各个基站提供的 UL-RTOA 以及已知信息（比如基 站的地理位置坐标）来确定终端的位置。 73 UL-AoA： UL-AoA 定位技术与前述的 DL-AoD 技术原理相似。在 UL-AoA 定位技术中， 终端发送用于定位的 SRS，各个基站通过检测 SRS 获取 UL AoA，并将 UL AoA 上 报给 LMF，LMF 利用上报的 UL AoA 和已知的信息（比如基站的地理位置坐标） 来计算终端的位置。 E-CID： 增强型小区 ID（E-CID）定位技术增加了利用终端无线测量管理（RRM）测量 来提高终端定位精度。在 NR E-CID 定位技术中心，终端将获取到的 RRM 测量值 （SS-RSRP，SS-RSRQ，CSI-RSRP，CSI-RSRQ）上报给 LMF，LMF 通过上报的 RRM 测 量值以及已知信息（例如基站地理位置坐标）来计算终端的位置，一般情况下 ECID 定位技术的精度较低。 Multi-RTT： Multi-RTT（multi-round-trip time）定位技术是采用终端测量的 DL PRS 到达时 间和自己发送的 SRS 的时间差（称为 UE Rx-Tx 时间差）以及基站测量的来自终端 的 SRS 的到达时间和自己发送的 DL PRS 的时间差（称为 gNB Rx-Tx 时间差）来进 行终端位置计算。如图 2.37 所示，终端与基站之间的信号往返行程时间（RTT） 为