5G网络技术架构

主要讲述当前网络挑战与发展趋势，以及网络总体设计和5G网络的功能特是哪个，和关键技术 。最后总结和展望未来AT-2◇21MT202056/推进组5G无线技术架构白皮书引言在过去的三十年里,移动通信经历了从语音多址技术之外,大规模天线、超密集组网和全频业务到移动宽带数据业务的飞跃式发展,不仅深谱接入都被认为是5G的关键使能技术。此外,新刻地改变了人们的生活方式,也极大地促进了社型多载波、灵活双工、新型调制编码、终端直通会和经济的飞速发展。移动互联网和物联网作为(2)、全双工(又称同时同频全双工)等也未来移动通信发展的两大上要驱动力,为第五代是潜在的5G无线关键技术。5G系统将会构建在以移动通信(5G)提供了广阔旳应用前景。面向新型多址、大规模天线、超密集组网、全频谱接2020年及未来,数据流量的千倍增长,千亿设备入为核心的技术体系之上,全面满足面向2020年连接和多样化的业务需求都将对5G系统设计提出及未来的5G技术需求。严峻挑战。与4G相比,5G将支持更加多样化的当前,5G愿景与需求已基明确,概念与技场景,融合多种无线接入方式,并充分利用低频术路线逐步清晰,国际标准制定工作即将启动。和髙频等频谱资源。同时,5G还将满足网络灵为此,迫切需要尽快细化5G技术路线,整合各种活部署和高效运营维护的需求,大幅提升频谱效无线关键技术,形成5G无线技术框架并推动达成率、能源效率和成本效率,实现移动通信网络的产业共识,以指导5G国际标准及后续产业发展。可持续发展传统的移动通信升级换代都是以多址接入技术为主线,5G的无线技术创新来源将更加丰富。除了稀疏码分多址(SCMA)、图样分割多址(PDMA)、多用户共享接入(MUSA)等新型AT-292◇MT2020(5G)推进组5G无线技术架构白皮书场景与技术需求与以往移动通信系统相比,5G需要满足更加低功耗大连接场景主要面向环境监测、智多样化的场景和极致的性能挑战。归纳未来移动能农业等以传感和数据采集为目标的应用互联网和物联网主要场景和业务需求特征,可提场景,具有小数据包、低功耗、低成本炼出连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠海量连接的特点,要求支持百万/平方公里和低功耗大连接四个5G主要技术场景。连接数密度。·连续广域覆盖玚景是移动通信最基本的覆总之,5G的技术挑战主要包括盖方式,在保证用户移动性和业务连续性0.1-1GbDs的用广体验速率,数十Gbps的的前提下,无论在静止还是高速移动,覆峰值速率,数十Tbυs/km的流量密度,1盖中心还是覆盖边缘,用户都能够随时随百万/平方公里的连接数密度,毫秒级的地获100Mbps以上的体验速率。端到端时延,以及百倍以上能效提升和单热点高容量场景:要面向室内外局部热点位比特成本降低。区域,为用户提供极高的数据传输速率,满足网络极高的流量密度需求。要技术挑战包括 1Gbps用户休验速率、数|Gbps峰值速率和数十Tbps/km的流量密度低时延高可靠场景主要面向车联网、工业控制等物联网及垂直行业的特殊应用需求,为用户提供亳秒级的端到端时延和或接近100%的业务可靠性保证。AT-2◇2M-2020(56推进组5G无线技术架构白皮书5G无线技术路线面对5G场景和技术需求,需要选择合适的5G将通过工作在较低频段的新空口来满足无线技术路线,以指导5G标進化及产业发展。大覆盖、高移动性场景下的用户体验和海量设综合考虑需求、技术发展趋势以及网络平滑演备连接。同时,需要利用高频段丰富的频谱资进等因素,5G空口技术路线可由5G新空口(含源,来满足热点区域极高的用户体验速率和系低频空口与高频空口)和4G演进两部分组成。统容量需求。综合考虑国际频谱规划及频段传LTE/LTE一 Advanced技术作为事实上的播特性,5G应当包含工作在6GHz以下频段的统一4G标准,已在全球范围内大规模部署。为低频新空口以及工作在6GHz以上频段的高频了持续提升4G用户体验并支持网络平滑演进新空口。需要对4G技术进一步增强。在保证后向兼容的5G低频新空口将采用全新的空口设计,前提下,4G演进将以LE/LTE- advanced技引入大规模天线、新型多址、新波形等先进技术梹架为基础,在传统移动通信频段引入增强术,攴持更短的帧结构,更精简的信令流程,技术,进一步提升4G系统的速率、容量、连接更灵活的双工方式,有效满足广覆盖、大连接数、时延等空口性能指标,在一定程度上满足及髙速等多数场景下的体验速率、时延、连接5G技术需求。数以及能效等指标要求。在系统设计时应当构受现有4G技术框架的约東,大规模天线建统一的技术方案,通过灵活配置技术模块及超密集组阏等增強技术的潜力难以完仝发挥,参数来淸足不同场景差异化的技术需求。全频谱接入、部分新型多址等先进技术难以在5G高频新空口需要考虑高频信道和射频器现有技术框架下采用,4G演进路线无法满足5G件的影响,并针对波形、调制编码、天线技术极致的性能需求。因此,5G需要突破后向兼容等进行相应的优化。同时,高频频段跨度大的限制,设计全新的空口,充分挖掘各种先进候选频段多,从标准、成本及运维角度考虑,技术的潜力,以全面满足5G性能和效率指标要应当尽可能采用统一的空口技术方案,通过参求,新空口将是5G主要的演进方向,4G演进将数调整来适配不同信道及器件的特性。是有效补充。髙频段覆盖能力弱,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3AT-22MT2020(5G)推进组5G无线技术架构白皮书网络覆盖,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,在信道条件较好情况下,为热点区域用户提供高速数据传输。5G无线技术路线主要场景连续广域覆盖6-100GHZ5G高频新空口冷热点高容量5G低频新空口低时延高可靠<6GHZ4G空口4G演进空口低功耗大连接20162017201820192020图15G技术路线与场景4AT-2◇2MT2020(56推进组5G无线技术架构白皮书5G空口技术框架1.设计理念5G空口技术框架应当具有统一、灵活、可口和4G演进两条技术路线的特点,5G应尽可能配置的技术特性。面对不同场景差异化的性能基于统一的技术框架进行设计。针对不同场景需求,客观上需要专门设计优化的技术方案。的技术需求,通过关键技术和参数的灵活配置然而,从标准和产业化角度考虑,结合5G新空形成相应的优化技术方案2.5G空口技术框架5G空口技术框架帧结构及信道化灵活的T∏、参考信号、物理信道等协议免调度双工波形天线多址调制编码自适应HARQTDDOFDM大规模天OFDMA极化码节能机制FDD单载波线SCMA多元灵活双工F-OFDM集中式PDMALDPC全双工·FBMC分布式MUSAAPSKUFMCNOMA·网络编码适用场景技术需求·工作频段空口优化的空口·设备能力配置技术方案看,非图2灵活可配的5G空口技术框架5AT-22MT2020(5G)推进组5G无线技术架构白皮书根据移动通信系统的功能模块划分,5G波形技术:除传统的ODM和单载波波形空口技术框架包括帧结构、双工、波形、多外,5G很有可能支持基于优化滤波器设计址,调制编码、天线、协议等基础技术模块,的滤波器组多载波(FBMC)、基于滤波通过最大可能地整合共性技术内容,从而达到的OFDM(F-OFDM)和通用滤波多载灵活但不复杂”的目的,各模块之间可相互波(UMC)等新波形。这类新波形技术衔接,协同工作。根据不同场景的技术需求,具有极低的带外泄露,不仅可提升频谱使对各技术模块进行优化配置,形成相应的空口用效率,还可以有效利用零散频谱并与其技术方案。下面简要介绍各模块及相关备选技他波形实现共冇。由于不同波形的带外泄术漏、资源开销和峰均比等参数各不相同,帧结构及信道化:面对多样化的应用场可以根据不同的场景需求,选择适合的波景,5G的帧结构参数可灵活配置,以服形技术,同时有可能存在多种波形共存的务不同类型的业务。针对不同频段、场景情况。和信道环境,可以选择不同的参数配置,多址接入技术:除支持传统的 OFDMA技具体包括带宽、子载波间隔、循环前缀术外,还将支持SCMA、PDMA、MUSA(CP)、传输时间间隔(TTI)和上下行等新型多址技术。新型多址技术通过多用配比等。参考信号和控制信道可灵活配置户的叠加传输,不仅可以提升用户连接以支持大规模天线、新型多址等新技术的数,还可以有效提高系统频谱效率。此应用。外,通过免调度竞争接入,可大幅度降低双工技术:5G将支持传统的FDD和TDD时延。及其增强技术,邝可能支持灵活双工和调制编码技术:5G既有高速率业务需求,全双工等新型双工技术。低频段将采用也有低速率小包业务和低时延高可靠业务FDD和TDD,高频段更适宜采用TDD。需求。对于高速率业务,多元低密度奇偶此外,灵活双工技术可以灵活分配上下行校验码(M- ary LDPC)、极化码、新的时间和频率资源,更好地适应非均匀、动星座映射以及超奈奎斯特调制(FTN)等态变化的业务分布。仝双工技术支持相同比传统的二元Tubo+QAM方式可进一步频率相同时间上同时收发,也是5G潜在提升链路的频谱效率;对于低速率小包业的双工技术。务,极化码和低码率的卷积码可以在短码6AT-2◇201MT202056)推进组5G无线技术架构白皮书和低信噪比条件下接近香农容量界;对于物联网业务需求。低时延业务,需要选择编译码处理时延较5G空口技术框架可针对具体场景、性能需低的编码方式。对于高可靠业务,需要消求、可用频段,设备能力和成本等情况,按需除译码算法的地板效应。此外,由于密集选取最优技术组合并优化参数配置,形成相应网络中存在大量的无线回传链路,可以通的空口技术方案,实现对场景及业务的“量体过网络编码提升系统容量。裁衣”,并能够有效应对未来可能出现的新场多大线技术:5G基站大线数及端口数将有景和新业务需求,从而实现“前向兼容”大幅度增长,可支持配置上百根天线和数十个大线端口的大规模大线,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。大规模大线还可用于高频段,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、信道佔计、信道信息反馈、多用户调度机制以及基带处理算法等方面进行改进和优化,以攴持大规模天线技术的应用。底层协议: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将支持更高效的节能机制,以满足低功耗7AT-22MT2020(5G)推进组5G无线技术架构白皮书3.5G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在热点高容量场景中,低频新空口可通过热点高容量、低功耗大连接和低时延髙可靠场増加小区部署密度、提升系统频谱效率和增加景,其技术方案将有效整合大规模天线、新型带宽等方式在一定程度上满足该场景的传输速多址、新波形、先进调制编码等关键技术,在率与流量密度需求。本场景的技术方案应与连统一的5G技术框架基础上进行优化设计。续广域覆盖场景基本保持一致,并可在如下儿在连续广域覆盖场景中,低频衙空口将利方面做进一步优化:帧结构的县体参数可根据用6GHz以下低频段良好的信道传播特性,通过热点高容量场景信道和业务特点做相应优化;增大带宽和提升频谱效率来实现100Mbυs的用在部分干扰环境较为简单的情况下,可考虑引户休验速率。在帧结构方面,为了有效支持更入灵活双工或仝双工;调制编码方面,可采用大带宽,可增大子载波间隔并缩短帧长,并可更高阶的调制方式和更高的码率;为了降低密考虑兼容LTE的帧结构,如:帧长可被1ms整集组网下的干扰,可考虑采用自适应小小区分除,子载波间隔可为15kHz的整数倍;在天线簇、多小区协作传输及频率资源协调;此外技术方面,基站侧将采用大规模天线技术提升可通过多小区共同为用户提供服务,打破传统系统频谱效率,天线数目可达128个以上,可小区边界,实现以用户为中心的小区虚拟化;支持多达10个以上用户的并行传输;在波形方为了给小小区提供一种灵活的回传手段,可考面,可沿用OFDM波形,上下行可采用相同的虑接入链路与回传链路的统一设计,并支持接设计,还可以采用F-OFDM等技术支持与其它入与回传频谱资源的自适应分配,有效提高资场景技术方案的共存;在多址技术方面,可在源的使用效率。同时,在系统设计时还要考虑OFDMA基础上引入基于叠加编码的新型多址集中式、分布式和无线网状网(MESH)等不技术,提升用户连接能力和频谱效率;在信道同无线组网方式带来的景响。设计方面,将会针对大规模天线、新型多址等在低功耗大连接场景中,由于物联网业务技术需求,对参考信号、信道估计及多用户配具有小数据包、低功耗、海量连接、强突发性对机制进行仝新设计;在双工技术方面,TDD的特点,虽然总休数量较大,但对信道带宽的可利用信道互易性更好地展现大规模天线的性需求量较低,本场景更适合采用低频段零散、能。此外,宏基站的控制面将进一步增强并支碎片频谱或部分OFDM子载波。在多址技术方持C/U分离,实现对小站和用户的高效控制与面,可采用SCMA、MUSA、PDMA等多址管理。技术通过叠加传输来支持大量的用户连接,并8