第1章 5G的概念
| 1.3 5G 引发革新 |
| 1.4 关于 5G 的标准 |
1.4.1 ITU 和 3GPP
5G 最重要的标准化组织有 ITU 和 3GPP。其中，ITU 是联合国负责国际电信事务的专业机构，其下分为电信标准化部门（ITU-T）、无线电通信 部门（ITU-R）和电信发展部门（ITU-D），每个部门下设多个研究组，每个研究组下设多个工作组，5G 的相关标准化工作是在 ITU-R WPSD 下进行 的。ITU-R WPSD 是专门研究和制订移动通信标准 IMT（包括 IMT-2000 和 IMT-Advanced）的组织，根据 ITU 的工作流程，每一代移动通信技术国际标 准的制订过程包括业务需求、频率规划和技术方案 3 个部分，目前对 5G 的时 间表已经确定了 3 个阶段：第一个阶段截至 2015 年年底，完成 IMT-2020 国 际标准前期研究，重点是完成 5G 宏观描述，包括 5G 的愿景、5G 的技术趋势 和 ITU 的相关决议，并在 2015 年世界无线电大会上获得必要的频率资源；第二个阶段是 2016—2017 年年底，主要完成 5G 性能需求、评估方法研究等内容； 第三个阶段是收集 5G 的候选方案。而 3GPP 是一个产业联盟，其目标是根据 ITU 的相关需求，制订更加详细的技术规范与产业标准，规范产业行为。
3GPP（the 3rd Generation Partnership Project）是领先的 3G 技术规范 机构，是由 欧洲的 ETSI、日本的 ARIB 和 TTC、韩国的 TTA 以及 美国的 T1 在 1998 年年底发起成立的，旨在研究制订并推广基于演进的 GSM 核心网 络的 3G 标准，即 WCDMA、TD-SCDMA、EDGE 等。中国无线通信标准组 （CWTS）于 1999 年加入 3GPP。3GPP 的会员包括组织伙伴、市场代表伙伴 和个体会员 3 类。3GPP 的组织伙伴包括欧洲的 ETSI、日本的 ARIB 和 TTC、 韩国的 TTA、美国的 T1 和 中国通信标准化协会 6 个标准化组织。3GPP 市 场代表伙伴不是官方的标准化组织，它们是向 3GPP 提供市场建议和统一意见 的机构组织。TD-SCDMA 技术论坛的加入使得 3GPP 合作伙伴计划市场代 表伙伴的数量增加到 6 个，包括 GSM 协会、UMTS 论坛、IPv6 论坛、3G 美 国（3G Americas）、全球移动通信供应商协会（The Global Mobile Supplier Association）。
中国无线通信标准组（CWTS）于 1999 年 6 月在 韩国正式签字，同时加 入 3GPP 和 3GPP2，成为这两个组织的伙伴。在此之前，我国是以观察员的身 份参与这两个组织的标准化活动。
1.4.2 3GPP 的几个阶段性标准
根据 3GPP 此前公布的 5G 网络标准制订过程，5G 整个网络标准分几个阶 段完成，如图 1-4 所示。
2017 年 12 月 21 日，在国际电信标准组织 3GPP RAN 第 78 次全体会议 上，5G NR（New Radio）首发版本正式发布，这是全球第一个可商用部署的5G 标准。非独立组网的 NSA 5G 标准被冻结，但这只是一种过渡方案，仍然 依托 4G 基站和网络，只是空口采用 5G，算不上真正的 5G 标准，大家都在等 待独立组网标准。非独立组网标准的确立，可以让一些运营商在已有的 4G 网 络上进行改造，在不进行大规模设备替换的前提下，将移动网速提升到 5G 网络， 即 1000Mbit/s 的速率。
R15 阶段重点满足增强移动宽带（eMBB）和低时延高可靠（uRLLC）应 用需求，该阶段又分为两个子阶段：第一个子阶段，5G NR 非独立组网特性已 于 2017 年 12 月完成，2018 年 3 月冻结；第二个子阶段，5G NR 独立组网标 准于 2018 年 6 月 14 日冻结。2018 年 6 月，已经完成了 5G 独立组网（SA）标准， 支持增强移动宽带和低时延高可靠物联网，完成了网络接口协议。现在的 R15 5G 标准只能算是第一阶段，重点满足增强移动宽带（eMBB）和低时延高可靠 （uRLLC）应用需求，可用于设计制造专业 5G 设备以及网络建设，单独建立一 张全新的 5G 网络，可以满足超高视频、VR 直播等对移动带宽的要求，而无人 驾驶、工业自动化等需要高可靠连接的业务也有了网络保证。
5G 第二个标准版本 R16 计划于 2019 年 12 月完成，2020 年 3 月冻结，全 面满足 eMBB、uRLLC、大连接低功耗场景 mMTC 等各种场景的需求。可以说， 预计 2020 年 3 月形成的 5G 标准才是完整的 5G 标准。
5G 技术标准由 3GPP 确定之后，还需要经过 ITU 认定。“一定程度上， ITU 成员代表的是其所在国及政府的立场，ITU 的会议通过，某种程度上相当 于‘盖章’认定，代表一项标准的方案被承认为最后的官方结果，也意味着这 一国际标准的正式确定”。2019 年年底前最终完成的 R16 标准，将添加支持大 规模物联网的场景。当前 NB-IoT 是主流且已商用的物联网网络，但其缺点在 于时延较长，类似智能水表、电表数据传输量小，对网络等待时间要求也不高 的场景，使用 NB-IoT 相当合适。但对于智能血压计等对时延要求较高的应用，mMTC 更加适合。而真正完整的 R16 标准，除了前两个需求外，还应该要满 足大连接低功耗场景 mMTC 等各种场景的需求。届时，整个 5G 组网方案才会 全部被确定，各种终端设备才可能陆续大规模商用化。
1.4.3 解读 3GPP R15
2018 年 6 月 14 日，在美国圣地亚哥举办的 600 多名 ICT 行业代表参与的 3GPP 全会批准了首个 5G 独立组网（SA）标准，这意味着 3GPP 首个完整的 5G 标准 R15 正式落地，5G 产业链进入商用阶段。
3GPP 正式最终确定 5G 第二阶段标准（R16）的 15 个研究方向。
（1）对 5G 第一阶段标准（R15）中 MIMO 的进一步演进：在 5G 第二阶段 标准（R16）中，必须对 R15 中 MIMO 进行进一步增强，多用户 MIMO（MUMIMO）增强、multi-TRP 增强、波束管理增强。
（2） 52.6GHz 以上的 5G 新空口：5G 第二阶段标准（R16）将对 5G 系统 使用 52.6GHz 以上的频谱资源进行研究。
（3） 5G NR 与 5G NR 之“双连接”：5G 第一阶段标准（R15）定义了 EUTRA-NR 双连接、NR-EUTRA 双连接、NR-NR 双连接，但不支持异步 的 NR-NR 双连接。而 5G 第二阶段标准（R16）将研究异步的 NR-NR 双连 接方案。
（4）无线接入 / 无线回传“一体化”： 随着 5G 网络密度的增加，无线回传 是一种潜在的方案。基于 5G 新空口的无线回传技术研究已在 R15 阶段启动， 3GPP 将在 R16 阶段继续研究并考虑无线接入 / 无线回传联合设计。
（5）工业物联网：5G 第二阶段标准（R16）将进一步研究 URLLC（超高可 靠与低时延通信）增强来满足诸如“工业制造”“电力控制”等更多的 5G 工业 物联网应用场景。
（6） 5G 新空口移动性增强，5G 第一阶段标准（R15）只是定义了 5G 新 空口独立组网（SA）移动性的基本功能，而 5G 第二阶段标准（R16）将对上 述 5G 新空口的移动性进一步增强。研究内容包括提高移动过程的可靠性、缩 短由移动导致的中断时间。
（7）基于 5G 新空口的 V2X：目前，3GPP 已经完成了 LTE V2X 标准、 R15 eV2X 标准。5G 第二阶段标准（R16）将研究基于 5G 新空口的 V2X 技术， 使得其满足由 SA1 定义的“高级自动驾驶”应用场景，与 LTE V2X 形成“互补”。
（8） 5G 新空口的新型定位方式：虽然 5G 第一阶段标准（R15）已支持 “RAT-independent”定位，但 3GPP 刚刚确定 5G 第二阶段标准（R16）将研究更精确的定位技术，包括“RAT-dependent”以及混合定位技术。
（9）非正交多址接入（NOMA）：面向 5G 的 NOMA 有多种候选技术。而 R16 将研究潜在的技术方案并完成标准化工作。
（10）基于非授权频谱的 5G 新空口部署（5G NR-U）：在 5G 第二阶段标 准（R16）中，5G NR-U 需可利用非授权频谱提升 5G 系统容量。
（11）非地面 5G 网络：非地面 5G 网络是指利用卫星或者高空平台来提供 5G 通信服务。5G 第二阶段标准（R16）将研究面向“非地面 5G 网络”的物理 层的控制机制、随机接入和 HARQ 切换、系统架构等。
（12）远程干扰管理 + 交叉链路干扰抑制：5G 系统多在 TDD 系统中，而 由于大气波导现象，本地 5G 基站的上行信号会受到远端 5G 基站下行信号的干 扰。5G 第二阶段标准（R16）将研究如何识别造成强干扰的远端 5G 基站，以 及如何进行干扰抑制。
（13） 5G 新空口终端功耗：5G 大带宽等特性对 5G 终端的功耗提出了较 大挑战，这将比较严重影响用户的体验。于是，5G 第二阶段标准（R16）将研 究 5G 终端工作在“CONNECTED”模式下如何降低功耗。
（14） 5G 终端能力：5G 第二阶段标准（R16）将研究 5G 终端上报“终端 能力”并降低 5G 终端上报信令开销的方法。
（15） 5G 新空口以无线接入网为中心的数据收集与利用：5G 第二阶段标 准（R16）将研究 SON、MDT 等技术。
2018 年 6 月发布的 SA 标准完成了 5G 核心网架构，实现了 5G 独立组网。 SA 标准可以实现 5G 的高可靠、超低时延、高效率等特性，这是将 5G 渗透到 医疗、工业互联网、车联网等行业的核心属性。
此次独立组网标准的冻结，让 5G 确定了全新的网络架构和核心网，将让网 络向 IT 化、互联网化、极简化、服务化转变。
在 IT 化方面，全软件化的核心网实现了统一的 IT 基础设施和调度。功能 软件化、计算和数据分离是代表性的技术。传统“网元”重构为 5G 的“网络 功能”，以“软件”的形式部署，充分发挥云化、虚拟化技术的优势。将处理逻 辑和数据存储分离，更便于提升系统的可靠性、动态性、大数据分析的能力。
在互联网化方面，从固定网元、固定连接的刚性网络到动态调整的柔性网 络。服务化架构（SBA，Service-based Architecture）、新一代核心网协议 体系（基于 HTTP2.0/JSON）是其代表性技术。SBA 的设计是由模块化、可 独立管理的 “服务”来构建的。服务可灵活调用、灰度发布，实现网络能力的 按需编排和快速升级。传统电信特有的接口协议代之以互联网化的 API 调用， 使得 5G 网络更加开放、灵活。
在极简化方面，极简的转发面提高性能，集中灵活的控制面提升效率。C/ U 分离（控制面和用户面分离）、新型移动性及会话管理是其代表性技术。通过 C/U 分离，一方面实现控制面集中部署、集中管控、集中优化，另一方面实现 用户面功能简化，实现高效、低成本、大流量的数据转发。移动性管理和会话 管理解耦，使得终端可以按需建立会话连接，节省了网络地址和存储资源。同时， 针对不同的终端类型定义了多种类型的移动性管理，简化了终端和网络的状态。
在服务化方面，从通用化服务到个性化、定制化服务。网络切片（Network Slicing）、边缘计算（Edge Computing）是其代表性技术。网络切片提供定制化、 逻辑隔离、专用的端到端虚拟移动网络（包括接入网、核心网），是 5G 面向垂 直行业、实现服务可保障的基本技术形式。而边缘计算将网络的功能应用靠近 用户部署，使得极致的低时延、本地特色应用成为可能，是 5G 满足如智能工 厂等垂直行业业务需求的重要基础。
同时，在无线侧，5G NR 为设计、架构、频段、天线 4 个方面带来新变化。
在设计上，与以往通信系统不同，通信行业和垂直行业的跨界融合是 5G 发展的关键之一。为满足垂直行业的各种差异性需求，并应对部署场景的多样 性与复杂性，5G 在帧结构等方面提出了全新的设计。与 4G 相比，5G 提供了 更多可选择的帧结构参数，可根据 5G 基础通信业务、物联网和车联网等多样 化应用场景，以及宏基站、小基站等不同网络部署需求灵活地配置，通过“软 件定义空口”的设计理念使无线信号“量体裁衣”，通过同一个空口技术来满足 5G 多样化的业务需求，大幅提升 5G 网络部署的效率。
在架构上，为了使组网方式更加灵活并提升网络效率，5G 引入了接入网 CU（中心单元）/DU（分布单元）分离的无线接入网架构，可将基站的功能分成 实时处理的 DU 部分和非实时处理的 CU 部分，从而使得中心单元 CU 可以部 署到集中的物理平台，以承载更多的小区和用户，提升了小区间协作和切换的 效率。
在频段上，5G 系统需要不同频段来共同满足其覆盖、容量、连接数密度等 关键性能指标要求。因此，与 4G 不同的是，5G 通过灵活的参数设计（子载波 间隔和 CP 长度等），可支持更大范围的频率部署，包括 6GHz 以下以及 6GHz 以上的毫米波频段。其中，6GHz 以下频段主要用于实现 5G 系统的连续广域覆 盖，保证高移动性场景下的用户体验以及海量设备的连接；而 6GHz 以上频段 能够提供连续较大带宽，可满足城市热点、郊区热点与室内场景极高的用户体 验速率和极高容量需求。
在天线上，5G 支持大规模天线以大幅度提升系统效率。大规模天线实现三 维的波束赋形，形成能量更集中、覆盖更立体、方向更精准的波束。在大规模天线的架构下，波束扫描与波束管理等多个 5G 先进技术成为可能，网络覆盖 及用户体验的顽健性可得到进一步的提升，实现更好的控制信道和业务信道的 覆盖平衡。
