目錄

1. 介紹

2. 關鍵性能

3. 新空口特性

3.1 通用信息（General Scheme）

3.1.1 參數(shù)集和幀結(jié)構(gòu)

3.2 基本傳輸信息（Basic transmission scheme）

3.2.1 調(diào)制

3.2.2 信道編碼

3.2.3 多天線技術

3.3 物理層過程

3.3.1 調(diào)度

3.3.2 HARQ

3.3.3 初始接入和移動性

3.3.4 功率控制

3.4 其他技術

3.4.1 HPUE （高功率終端）

4. 5G PoC驗證

4.1 PoC系統(tǒng)配置

4.2 驗證測試項

1. 介紹

4G大規(guī)模商用化之后，第五代移動通信（5G）也已引起了全球的關注。5G預期在2020年前后進行商用。它能夠滿足用戶終極體驗的需求，激發(fā)創(chuàng)新服務，因此毫無疑問將成為人類社會經(jīng)濟發(fā)展和社會信息化的重要引擎之一。

在全球移動業(yè)的共同努力下，經(jīng)過全球多個推進組和論壇的多年的共同研究，5G愿景和關鍵需求已經(jīng)在ITU-R中統(tǒng)一了。這些推進組包括IMT-2020推進組、5GIA、5G論壇、5GMF、5G Americas，5GPPP、NGMN等。三種最有代表性的部署場景也已經(jīng)明確了，即增強移動寬帶（eMBB）、低時延高可靠（URLLC）和低功耗大連接（mMTC）。性能指標方面的看法也已經(jīng)一致了，如峰值速率、控制面和用戶面時延、可靠性，以及ITU-R M.2083中定義的其它關鍵指標。

基于ITU-R中所定義的有關內(nèi)容，世界范圍內(nèi)最有影響力的蜂窩通信標準制定組織，3GPP，在2016年就開始著手5G標準化制定工作。新業(yè)務使能、新架構(gòu)和新空口等一系列5G研究項目（Study item）在2017年初就已經(jīng)完成了。其目的在于，通過對所參與討論的各項技術的復雜度進行評估，來發(fā)現(xiàn)潛在的演進技術，并對其進行定義和描述。相應的5G新空口的工作項目（Work item）也在2017年3月獲得了批準，它用于研究具有高度競爭力和全球協(xié)同的空口標準，制定商用部署中使得新無線系統(tǒng)能夠成功工作的新的（軟/硬件）特性。

為了進一步推進全球無線生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，GTI已經(jīng)制定了5G測試和商用化路標（如圖1所示）。GTI也相信目前正是發(fā)表PoC（概念驗證）白皮書的最好時機，以表達其觀點，指導其行動，與業(yè)界同仁（合作者）一起合作，在以下方面確保不久的將來5G能夠及時面市：

· 形成具有高度競爭力和全球協(xié)同的5G標準。

· 指導與3GPP標準兼容的PoC工作，展示5G新空口的技術特性，明確可能對商用化造成破壞的問題，如硬件平臺。

圖1、GTI關于5G PoC測試和5G商用化的時間節(jié)點

白皮書中討論了概念驗證（PoC）工作中一些基本性的顯著的概念，主要包括以下三大方面：

· PoC工作中需要明確的關鍵性能指標

· 5G新空口能力相關的本質(zhì)（軟硬件）特性

· PoC系統(tǒng)驗證配置和場景

2. 關鍵性能

針對不同場景，5G相關論壇和組織總結(jié)了數(shù)十個需求和關鍵指標，提供給ITU進行5G需求方面的討論。ITU-R M.2083對系統(tǒng)關鍵指標進行了整合，如下所示。除此之外，ITU-R M.2083中還對4G（IMT-Advanced）和5G（IMT-2020）的關鍵指標進行了對比。

圖2、ITU-R M.2083中4G和5G關鍵性能指標的對比圖

· 峰值速率：理想條件下單個用戶/設備所能夠獲得的最大速率（單位：Gbps）。

· 用戶體驗速率：移動用戶/終端在覆蓋區(qū)域內(nèi)任何地方都能獲得的速率（單位：Mbps或Gbps）

· 時延：從源端發(fā)送數(shù)據(jù)包到目的端的過程中無線網(wǎng)絡所耗的時間（單位：ms）。

· 移動性：不同層/無線接入技術（Multi-layer/Multi-RAT）中的無線節(jié)點間滿足特定QoS且無縫傳送時的最大速率（單位：Km/h）。

· 連接密度：單位面積上（每平方公里）連接或/和接入的設備的總數(shù)。

· 能源效率涉及兩個方面：

○ 網(wǎng)絡側(cè)，能源效率表示每焦耳能量所能從用戶側(cè)收/發(fā)的比特數(shù)（單位：比特/焦耳）。

○ 終端側(cè)，能源效率表示通信模塊中每焦耳能量所能傳輸?shù)谋忍財?shù)（單位：比特/焦耳）。

· 頻譜效率：每小區(qū)或單位面積內(nèi)，單位頻譜資源所能提供的平均吞吐量（單位：bit/s/Hz）。

· 區(qū)域話務容量：每地理區(qū)域內(nèi)的總的吞吐量（Mbps/m2）。

在所有3種場景中，eMBB對某些指標的要求特別高，如高峰值速率、低時延、用戶體驗速率、單位話務容量以及寬帶操作相關的指標。由于PoC只是采用有限數(shù)目的用戶來驗證系統(tǒng)能力，因此高峰值速率和低時延的優(yōu)先級較高。

從3G網(wǎng)絡開始，當業(yè)界意識到電話和其它用戶終端應當進行Internet接入并通過數(shù)據(jù)連接提供業(yè)務時，峰值速率就成為了一個很著名的容量指標。每一代通信技術中，數(shù)據(jù)速率都會躍升到一個新的高度，5G時代甚至可以高達每秒幾個Gbps。從4G時代開始，隨著E-UTRAN引入一些時延敏感性業(yè)務（如V2V），時延降低成為另一個熱點問題。雖然我們對5G應用還不能全面了解，但是VR和AR是5G談論中的重要議題。為了支持VR和AR類應用，5G系統(tǒng)從誕生之日起（Day 1）就要成為“低時延的一代”。3GPP需求中強調(diào)eMBB應滿足以下時延要求。

時延要求

控制面 10ms

用戶面 4ms

除了以上所列出的指標之外，寬帶操作也是另外一個需要定義的特性。為了保持靈活性，E-UTRAN定義的帶寬范圍從1.4MHz到20MHz，并通過載波聚合來獲得較大帶寬。載波聚合確實可以提供寬帶操作，但是在進行多個單元載波的聚合時，復雜度和開銷都較大。當聚合的成員載波數(shù)變大時（如超過100MHz），控制信令的系統(tǒng)開銷顯著增加，系統(tǒng)效率迅速降低。5G中，業(yè)界使用毫米波（大于6GHz）來獲得》100MHz到1GHz的連續(xù)頻譜，因此，需要較大的系統(tǒng)帶寬（如100MHz以上或者更大），而不是對多個小帶寬進行聚合。在標準討論階段，3GPP對不同頻率做了多個假設，對于6GHz以下頻段來說，100MHz是基本假設。

總的來說，PoC白皮書聚焦在至少如下關鍵特性：

· 峰值速率：每秒多個Gbps

· 時延：用戶面4ms，控制面10ms

· 寬帶操作：100MHz或以上

3. 新空口特性

PoC系統(tǒng)中，對于5G新空口，為了獲得前面第2章所定義和描述的關鍵性能需求，需要了解靈活的5G新空口和特性設計方面所面臨的挑戰(zhàn)。

因此，本章中分析3GPP標準相關的新空口特性，它們是5G PoC系統(tǒng)關鍵的驅(qū)動因素，因此建議在5G PoC系統(tǒng)中進行驗證。

3.1 通用信息（General Scheme）

3.1.1 參數(shù)集和幀結(jié)構(gòu)

OFDM參數(shù)集是基于OFDM系統(tǒng)設計時的基本參數(shù)，主要包含子載波間隔、循環(huán)前綴（CP）長度和TTI長度。對參數(shù)集進行設計時，業(yè)務類別、載頻、信道特性、站間距、UE速度以及可能的傳輸機制都應該考慮進來。

· 子載波間隔：可擴展參數(shù)集應當允許至少從15KHz到480KHz的子載波間隔。采用15KHz和較大子載波間隔的所有參數(shù)集，不管其CP開銷如何，都在載波的符號邊界處對齊。

· CP長度：所有參數(shù)集和過程都支持普通CP；R15中，只有60KHz子載波間隔支持擴展CP。一些過程和參數(shù)集中需要通過RRC配置來啟用擴展CP。

· TTI長度：TTI長度設計應當滿足時延需求。

多個子載波間隔可以通過將基本子載波間隔擴展整數(shù)N（N=2^n）倍來獲得?？蓴U展參數(shù)集應當允許至少從15KHz到480KHz的子載波間隔。對于較高的頻段，雖然假定不使用較小的子載波間隔，但是參數(shù)集的選擇實際上與頻段是沒有關系的。靈活的網(wǎng)絡和UE信道帶寬也是支持的。

以上討論表明，一種參數(shù)集可能不能夠?qū)Χ喾N業(yè)務進行有效的支持，因此5G新的無線架構(gòu)中需要配置不同的OFDM參數(shù)集（子載波間隔、循環(huán)前綴、TTI長度）。如果需要在一個載波上對多種業(yè)務進行參數(shù)集復用，則FDM和TDM方式都可以考慮。

一個時隙（slot）中可以包含所有下行或所有上行，甚至包含一部分上行和一部分下行。支持時隙聚合，如數(shù)據(jù)傳送可以在一到多個時隙上進行調(diào)度。不管幀結(jié)構(gòu)如何，一個子幀長度固定為1ms，幀長度固定為10ms。新空口中支持DL/UL傳輸方向的半靜態(tài)和動態(tài)設定。

3.2 基本傳輸信息（Basic transmission scheme）

3.2.1 調(diào)制

支持QPSK、16QAM、64QAM和256QAM（與LTE中的星座圖影射相類似）。上行也支持BPSK和0.5 pi-BPSK，其中0.5 pi-BPSK僅用于DFT-s-OFDM。

3.2.2 信道編碼

新空口中的信道編碼應當考慮許多影響因素，如解碼吞吐量（decoding throughput）、時延、錯誤校驗、靈活性和復雜性等。

與TBCC和Turbo等其它候選編碼方式相比，LDPC和Polar碼在各方面的性能就很突出，尤其是能滿足新空口的20Gbps（DL）/10Gbps（UL）的峰值速率指標。另外，LDPC解碼器基于并行內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這意味著解碼可以與編碼并行處理，這不僅便于處理大量數(shù)據(jù)，也可以降低處理時延。最后，傳輸塊的信道編碼算法是偽循環(huán)LDPC碼，有2個基graph，每個基graph有8種極性校驗方法。一個基graph用于大于特定長度或者初始傳送碼率大于特定門限的碼塊，否則則使用其它基graph。在對大傳輸塊進行LDPC編碼前，傳輸塊被切分為多個碼塊。廣播信道和控制信息的信道編碼算法采用Polar碼，它基于嵌套序列。在速率適配中會用到船空減碼（puncturing），縮短（shortening）和重復等手段。

主要的信道編碼結(jié)構(gòu)如下圖所示。5G新空口信道編碼技術對采用速率適配的基礎碼的設計的信息塊長度K的靈活性和碼字長度的靈活性提供支持，支持的碼字長度的粒度為1比特。數(shù)據(jù)業(yè)務的信道編碼技術支持增量冗余（IR）或者類似的技術，還支持chase combining（CC） HARQ。

圖3、信道編碼結(jié)構(gòu)

3.2.3 多天線技術

在5G系統(tǒng)中，要想獲得比LTE系統(tǒng)大1000x倍以上的吞吐量，一個重要的手段就是采用多天線技術。為此，數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶炀€端口需要增加，以使得網(wǎng)絡中潛在的空間復用增益最大化。在NR中，單用戶（SU）下，定義了8種正交DMRS端口，多用戶（MU）下，定義了12種正交DMRS端口。更多工作集中在信令和格式的詳細設計方面。另一方面，CSI獲?。?a target="_blank">acquisitaion）和干擾測量也應當增強，以便更好地支持高階SU/Mu數(shù)據(jù)傳送。為了增強CSI測量和報告，對基于互易性的數(shù)據(jù)傳輸，設計了高分辨率的碼本以及增強SRS（如增加SRS端口）。當前，已經(jīng)支持最多到Rank 8的類型1碼本以及rank 1&2的類型II的碼本。波束賦形的CSI-RS的碼本可用于多個波束的線性合并。進一步講，用于IM的ZP&NZP CSI-RS也在NR討論通過了，以增強干擾測量技術。另外，NR中期望UE至少具有2T4R的收發(fā)能力，還支持SRS的天線轉(zhuǎn)換。

多個TRP協(xié)調(diào)傳送是NR中MIMO的另一個重要話題。對單個PDCCH發(fā)送和多個PDCCH發(fā)送都支持時，TRP之間的協(xié)調(diào)可以更加靈活，可以在理想傳輸和非理想傳輸之間適配。采用增強多TRP協(xié)調(diào)傳輸，如non-coherent joint transmission（NCJT，不一致的協(xié)同傳輸），小區(qū)邊緣用戶的業(yè)務體驗可以顯著提升。

波束管理是NR中的一個新特性。當頻段擴展到6GHz以上時，波束賦形有助于補償通路率耗的增加。從初始接入的角度看，如果同步、隨機接入和廣播信號都是基于波束的，則高頻小區(qū)的覆蓋是需要最先考慮的因素。對于數(shù)據(jù)傳輸來講，高頻上會遭遇更多的繞射和阻擋，因此有效的波束追蹤和配對算法在魯棒性和吞吐量方面都要仔細設計。波束掃描過程用于發(fā)現(xiàn)gNB和UE之間的最準確的波束對，以獲得最大的波束賦形增益。應當支持基于組的波束報告，以獲得多個信道簇所對應的最大的波束組信息。對于數(shù)據(jù)傳送來說，需要指示RS端口間的偽共址信息，以獲取空間接收信道的特性。還有，執(zhí)行波束恢復過程來提供機會，以便在RLF之前快速從波束失敗中恢復過來。

3.3 物理層過程

3.3.1 調(diào)度

新空口對上下行都應該至少支持時隙內(nèi)或者時隙間調(diào)度。下行資源分配和對應的下行數(shù)據(jù)傳送之間的定時關系可以采用高層配置的不同的DCI值來指示。此外，也可以直接由上層進行配置。在UE不知道定時關系時，至少需要對定時關系進行定義。采用CP-OFDM的數(shù)據(jù)支持連續(xù)資源分配，也支持非連續(xù)資源分配。

為了節(jié)省UE的功耗，新空口支持射頻帶寬適配。UE可以工作在較小的帶寬上，以降低功耗，也可以轉(zhuǎn)換到較大的帶寬上來收發(fā)信號。如圖所示，新空口允許UE在第一個RF帶寬上接收下行控制信息，但在X us時間內(nèi)不再指望在比第一個RF帶寬大很多的第二個RF帶寬上接收信息。

圖4、射頻帶寬適配

3.3.2 HARQ

每個TB（傳輸塊）采用1比特傳送HARQ-ACK反饋，一些UE進行下行HARQ過程中也可以對單個UE進行多個下行HARQ進程的操作。UE支持一組最小的HARQ處理時間。NR也支持UE間采用不同的最小HARQ處理時間。HARQ處理時間至少包括以下時延：下行數(shù)據(jù)接收時間到相應的HARQ-ACK傳送時間之間的時延，以及UL許可接收時間到相應的上行數(shù)據(jù)傳送時間之間的時延。UE需要將最小HARQ處理時間相關的能力傳送給gNB。

對于基于碼塊組（CBG）的傳送，可采用1個或者多個比特的HARQ-ACK反饋，它具有以下特性。

· 一個HARQ進程只支持同一個TB的基于CBG的傳送（重傳）。

· 不管TB大小如何，CBG都可以包含TB的所有CB。這種情況下，UE對TB上報單個的HARQ ACK比特。

· CBG可包含一個CB。

· CBG粒度可配置。

3.3.3 初始接入和移動性

采用多個波束或者單個波束的重復來接收同步和廣播信道，這是5G新空口區(qū)別于LTE的一個關鍵方面。為此，需要將同步信號（ss）組成多個ss塊，并在5ms的窗口范圍內(nèi)進行發(fā)送，以便執(zhí)行完整的波束掃描，如圖所示。

圖5、An SS burst set composition

NR中采用不連續(xù)的SS突發(fā)集，SS突發(fā)集中的ss塊的最大數(shù)目取決于相應的頻率范圍（小于3GHz時為4，3~6GHz時為8，6~52.6GHz時為64）。ss突發(fā)集采用周期性進行發(fā)送。

一個ss塊包含一個NR-PSS符號、一個NR-SSS符號以及2個NR-PBCH符號，它們采用時分方式進行復用，如PSS+PBCH+SSS+PBCH。NR-PBCH的傳輸帶寬為288個子載波，NR-PSS/SSS則只占用127個子載波，它們與NR-PBCH的中心頻率是對齊的。請注意，對于每個SS塊，TRP/波束對UE都是透明的，因為每個SS塊上，NR-PSS、NR-SSS和NR-PBCH都采用同一個單天線端口。

NR物理小區(qū)號擴展到1008個，以便靈活部署。它由NR-PSS和NR-SSS共同攜帶。NR-PSS是頻域BPSK M序列，NR-SSS是Gold序列。對于與ss塊傳輸相關的四種子載波間隔（15KHz、30KHz、120KHz和240KHz），取其中之一作為每種頻段相關的缺省值，以便在混合參數(shù)集情況下提供快速接入的能力。

要將所發(fā)送的系統(tǒng)信息最小化，就可以在NR-PBCH上發(fā)送一部分最小化的系統(tǒng)信息。剩余的最小化的系統(tǒng)信息（RMSI）采用下行共享信道NR-PDSCH進行發(fā)送。

NR支持4類PRACH前導格式，其長度為839，子載波間隔為5/1.25KHz。其中，5KHz的子載波間隔用于高速（低于500Km/h）和中等小區(qū)半徑（小于14Km）的場景。NR也支持其他一些PRACH前導格式，其序列長度更短，15/30/120/240KHz子載波間隔所對應的OFDM符號數(shù)分別為1/2/4/6。采用更短序列的PRACH前導可用于在RACH occasion內(nèi)支持gNB Rx波束掃描，這對小小區(qū)、高速和高頻比較有用。NR中支持4步RACH過程，可以對ss塊與RACH資源和/或前導的子集間的關聯(lián)性進行配置，以幫助后續(xù)消息中的下行波束識別。

NR中，為了進行RRM測量，可以對不同信號進行下行測量。空閑模式下的UE使用小區(qū)專用的SS塊對小區(qū)進行測量，來獲取小區(qū)質(zhì)量，而不用識別多個波束或者多個TRP。連接模式的UE除了使用ss塊之外，還可以使用UE專用的CSI-RS來進行移動性測量。進行同頻連接模式的測量時，可以配置最多2個測量窗口周期，便于UE對不同小區(qū)進行測量。

3.3.4 功率控制

對于NR-PUSCH，至少在eMBB場景下，需要支持開環(huán)功控和閉環(huán)功控。開環(huán)功控基于鏈路損耗的估算結(jié)果，而上鏈路損耗可以在波束測量所使用的DL RS的某一個上進行測量。需要注意的是，波束測量RS包括CSI-RS和用于移動性的RS?？梢允褂猛粋€gNB天線端口來進行多個進程上的鏈路損耗的測量。

支持分數(shù)（Fractional）功率控制。閉環(huán)功控基于網(wǎng)絡信令。動態(tài)上行功率調(diào)整也會予以考慮。

不同信道/RS（如PUSCH、PUCCH和SRS等）可分別進行功率控制過程。

NR支持波束相關的功率控制，也支持UE側(cè)multiple panel的功率控制。

3.4 其他技術

3.4.1 HPUE （高功率終端）

NR初期部署中，6GHz以下頻段中最值得關注的頻段之一為C-band。與2G、3G和LTE所使用的低頻段相比，C-band的穿透損耗會更大，這需要通過先進的空間處理技術來解決，如基站側(cè)的mMIMO和UE側(cè)的多路接收技術。TDD系統(tǒng)已經(jīng)在世界上很多地方部署了，多數(shù)場景下，低頻段用于擴大覆蓋，高頻段用于增強容量。由于高頻TDD頻段的信號穿透性能更差，因此增加上行發(fā)射功率有利于增強TDD頻段的性能，改善總體用戶體驗。引入26dBm最大發(fā)射功率的class 2終端，高頻段也能增強室內(nèi)外覆蓋、容量和用戶體驗。26dBm可以由一個上行通路來實現(xiàn)，也可以采用2個23dBm的上行流進行合并。HPUE（高功率終端）已經(jīng)在LTE Band 41中成功應用了，它在NR 3.5GHz頻段的使用已經(jīng)在3GPP R15 WID中通過了。

4. 5G PoC驗證

為了驗證5G NR的關鍵特性，驗證典型用戶場景下的相關性能，本章對PoC系統(tǒng)的基本配置和驗證場景進行了定義。

4.1 PoC系統(tǒng)配置

5G PoC系統(tǒng)主要包括5G NR基站和終端設備?；竞徒K端設備的特性應當與3GPP R14 NR的Study item的架構(gòu)相一致。PoC系統(tǒng)的關鍵配置設定如下。除了配置之外，也應當支持其他一些與PoC系統(tǒng)工作相關的基本過程，當然這與設備的具體實現(xiàn)方式有關系。

PoC系統(tǒng)的關鍵配置如下：

· 工作頻段：3400MHz –3600MHz

· 系統(tǒng)帶寬：大于等于100MHz

· 輸出功率：宏站部署時~200W

· 參數(shù)集和幀結(jié)構(gòu)應當與3GPP R14架構(gòu)相一致

· 調(diào)制階數(shù)：下行支持QPSK、16QAM、64QAM、256QAM。上行支持QPSK、16QAM、64QAM。

· 天線端口：最大64T/64R，天線振子：》=128（基站側(cè)）

· 天線端口：2T/4R或者4T/8R （UE側(cè)）

多天線技術：

· 下行：SU-MIMO的最大層數(shù)建議根據(jù)UE能力來確定（如CPE為8，智能終端為4）；MU-MIMO的最大層數(shù)建議不小于16。

· 上行：SU-MIMO的最大層數(shù)建議根據(jù)UE能力來確定（如CPE為4，智能終端為2）；MU-MIMO的最大層數(shù)建議不小于8。

4.2 驗證測試項

驗證過程中，吞吐量、時延和覆蓋是最重要的性能指標。

驗證測試項羅列如下：

· 峰值速率

a） UL/DK單用戶峰值速率（或者頻譜效率）：

驗證單用戶位于小區(qū)中“最好（Best）”點位置上的UL/DL峰值速率（或SE）。

b） UL/DK小區(qū)峰值速率（或者小區(qū)頻譜效率）：

驗證多個用戶位于小區(qū)中“最好（Best）”點位置上的UL/DL峰值速率（或小區(qū)SE）。

· 平均吞吐量

a） SU-MIMO：平均UL/DL小區(qū)吞吐量

評估不同干擾級別下的SU-MIMO的DL/UL小區(qū)吞吐量。好/中/差點上的用戶比例為1:2：1。

b） MU-MIMO：平均UL/DL小區(qū)吞吐量

評估不同干擾級別下的MU-MIMO的DL/UL小區(qū)吞吐量。好/中/差點上的用戶比例為1:2：1。

· 覆蓋范圍

單小區(qū)覆蓋：測量UL/DL室內(nèi)外不同干擾級別下的DL/UL最大覆蓋距離，以便觀察和研究單小區(qū)覆蓋。

· 時延

a） 控制面時延：

好/中/差點對應的不同位置上，單UE從節(jié)電狀態(tài)（如3GPP中討論的IDLE或者INACTIVE）轉(zhuǎn)換到應用層連續(xù)傳輸模式（如ACTIVE）所需的時間。

b） 用戶面時延：

好/中/差點對應的不同位置上，UE采用不同大小包時的Ping時延。

· 移動性：

切換成功率：鄰小區(qū)間的小區(qū)間切換成功率。

參考資料：

［1］ ITU recommendationM.2083 IMT Vision - “Framework and overall objectives of the futuredevelopment of IMT for 2020 and beyond”， Sep.， 2015

［2］ 3GPP TR38.913 v 14.0，Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies，Sep.， 2016

［3］ 3GPP TR38.802 V14.1.0，Study on new radio access technology -Physical Layer Aspects， Jun.，2017