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5G关键技术与标准综述_王庆扬
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  5G关键技术与标准综述_王庆扬_兵器/核科学_工程科技_专业资料。综述 5G 关键技术与标准综述 王庆扬,谢沛荣,熊尚坤,魏垚,刘昱,李文苡,吴锦莲 (中国电信股份有限公司广州研究院,广东 广州 510630) 摘 要:在全球业界的大力推动下,5G 技术快速发展,

  综述 5G 关键技术与标准综述 王庆扬,谢沛荣,熊尚坤,魏垚,刘昱,李文苡,吴锦莲 (中国电信股份有限公司广州研究院,广东 广州 510630) 摘 要:在全球业界的大力推动下,5G 技术快速发展,当前已进入标准制定与技术验证的关键阶段。基于此, 主要介绍了 5G 关键技术及其最新标准化进展, 包括大规模天线、 新型无线网络架构、 超密集组网、 边缘计算、 网络切片、网络按需定制、4G 和 5G 互操作等以及行业组织和运营商动态,然后提出了一些思考和建议。 关键词:5G;大规模天线;无线网络架构;超密集组网;边缘计算;网络切片;服务化架构 中图分类号:TN929.5 doi: 10.11959/j.issn.1000?0801.2017312 文献标识码:A Key technology and standardization progress for 5G WANG Qingyang, XIE Peirong, XIONG Shangkun, WEI Yao, LIU Yu, LI Wenyi, WU Jinlian Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China Abstract: Under the impetus of the global industry, the 5G technology developes rapidly and has entered the critical stage of standard setting and technical verification. Based on this, the key technologies of 5G and its latest standardization progress was introduced mainly, including massive MIMO, new radio network architecture, ultra dense network, edge computing, network slicing, networking on-demand , 4G and 5G interworking, as well as industry organization and operator dynamics, and ended with some thoughts and suggestions. Key words: 5G, massive MIMO, radio network architecture, ultra dense network, edge computation, network slice, service based architecture 1 引言 2017 年 3 月,3GPP RAN#75 次会议通过了 将部分 5G 标准提前完成的决定 ,即在 2017 年 12 月首先完成面向增强移动宽带场景(包括对低 时延的支持)的 NSA(non-standalone,非独立组 网)Option 3 系列选项的 Stage 3 相关工作,而对 于 NSA 的 Option 7 系列选项以及 SA (standalone, [1] 独立组网)的 Option 2 和 Option 4 等选项仍维持 在 2018 年 6 月完成的计划。 提前完成 Option 3 系 列选项的动力主要来自于日本、 韩国等对 5G 最为 激进的国家,但是该系列选项是一种短期过渡性 的网络部署方案,商用价值不高,新昌配资公司真正具有商用 价值的 Option 2、Option 4、Option 5 和 Option 7 等方案仍按原计划制定标准,因此不会影响 5G 的总体进展和我国对 5G 的战略引领。 本文主要介 收稿日期:2017?08?07;修回日期:2017?11?08 基金项目:国家科技重大专项基金资助项目(No.2016ZX03001009,No.2017ZX03001001) Foundation Items: The National Science and Technology Major Project of China (No.2016ZX03001009, No.2017ZX03001001) 2017312-1 ·113· 电信科学 2017 年第 11 期 绍了 5G 关键技术及其最新标准化进展、 行业组织 和运营商动态,并提出了一些思考和建议。 正式开启了 R15 版本的 5G 标准制定, 并在 RAN1 的物理层新空口立项中针对大规模天线技术细节 开展工作,包括多天线方案、波束管理、CSI 获 取、参考信号设计和 QCI 等。 大规模天线因具备提升系统容量、 频谱效率、 用户体验速率、增强全维覆盖和节约能耗等诸多 优点,而被认为是 5G 最具潜力的无线网关键技 术, 甚至有商业案例将其引入 4G 系统, 增强 LTE 系统能力和生命力。然而,大规模天线技术的发 展和应用还需要解决诸多问题,如对于不具有上 下行互易性的 FDD 系统, 如何有效地实现信道估 计是业界一大挑战;在现网环境中大多突发业务 是小分组业务,持续并发的数据流有限,多流配 对和算法执行效果不理想,小区容量增益提升将 大打折扣,因此科学评估和客观对待引入大规模 天线对网络带来的实际效益,如何在网络中发挥 其独特的技术优势尤为重要。 2.2 新型无线G 新型无线网络架构重新划分了 BBU 和 RRU 功能,实现基带资源的集中化处理,并设计 新前传接口实现网络架构的灵活部署,从而进一 步提高资源利用率、降低基站能耗以及网络建设 和运营成本。 5G 新型无线网络架构由分布单元 (distributed unit,DU) 、集中单元(central unit,CU)以及连 接两者的新一代前传接口组成。DU 包含了原本 RRU 的射频部分和原本 BBU 一部分的基带处理 功能;CU 则包含了其余的基带处理功能,实现基 带资源的部分集中或全部集中处理。这种新型架 2 关键技术研发进展 2.1 大规模天线 随着 LTE 系统对物理层关键技术的深度挖 掘,系统容量已经逼近香农极限,5G 频谱效率和 系统容量的突破需另辟蹊径。大规模多入多出 (massive MIMO)概念是在 2010 年由贝尔实验室 的 Marzetta 首次提出的 ,理论假设基站侧通过 部署大规模阵列天线,当天线数远远大于用户终 端数时,利用波束成形技术使天线能量集中在一 个较窄的方向上传播, 多用户传输信道趋于正交, 从空间域的维度实现频谱资源复用,能够数倍提 高小区容量和频谱效率。大规模天线 所示。 MIMO 技术在 3GPP LTE 早期版本即出现, 随着容量需求和技术的发展,天线数随版本演进 不断增多,16 天线可以认为是进入多天线“大规 模”的门槛。为了实现全维发射,R12 中首先完 成了针对 6 GHz 以下频段的 3D 化的信道及应用 场景建模工作,通过球面体传播模型替代传统的 平面传播模型,垂直维度的波束能够实现高楼覆 盖,扩展了多天线的应用场景;紧接着 R13 中, 3GPP 定 义 了 能 够 支 持 最 多 16 个 端 口 的 FD-MIMO 方案;R14 对 6~100 GHz 频段的信道 和应用场景进行了建模, 同时提出了支持 32 个端 口的 eFD-MIMO,支持非周期的 CSI-RS 和上行 DM-RS 增强。 2017 年 3 月 3GPP RAN #75 次全会 [2] 图1 大规模天线· 构一方面降低了原有架构对前传接口的带宽和 时延要求;另一方面利用基带资源的集中化,实 现资源共享和多小区的灵活协作调度,便于平台 虚拟化,提高资源利用率,降低网络建设及运营 成本。当前 3GPP 中关于新型无线网络架构的讨 论范围主要集中在 CU/DU 的功能划分上,共给 出了 8 种潜在的功能划分选项,并在 3GPP 中进 行讨论 ,如图 2 所示。目前,业界倾向在无线 架构中同时包含两种功能划分方案:网络兼容性 更好、传输要求更低的高层功能划分方案和具有 更好协助调度的低层功能划分方案。其中,3GPP 在 2017 年 4 月已确定将 Option 2 (在 PDCP 与 RLC 之间进行划分)作为高层功能划分方案并开展相 关标准化工作;低层功能划分由于业界无法达成 共识,当前在 3GPP 只以研究项目(SI)做讨论, 业界倾向于将 Option 7(物理层内划分)作为实 际的低层功能划分方案。 在 5G 新型无线网络架构中, 前传接口除了需 要有更高带宽和更低时延,以满足大规模 MIMO 等 5G 新技术带来的高带宽及低时延需求外, 还需 支持数据分组化以实现针对不同业务场景的 CU/DU 灵活部署。早期对下一代的前传接口研究 工作以中国移动推动的 NGFI 为主, 并在 IEEE 成 立了相关工作组 [4,5] [3] 性的前传接口, 5G 无线网络可以支持更为灵活的 部署。运营商希望在此基础上实现无线网络的开 放化和软硬件分离,从而进一步降低网络建设和 运营成本,但是在现实中运营商将面对前传接口 异厂商互通难度大、特定场景对传输网络带宽时 延要求高以及如何结合应用场景优化资源部署 CU/DU 等挑战。因此,运营商有必要更为深入地 研究新型无线网络架构对网络建设和运营的影 响,主动投入新架构和前传接口的标准工作中, 联合业界推动创新产品的研发工作。 2.3 超密集组网 5G 无线 个维度考虑更高数据速率 的实现:更宽的频谱,空口增强,网络密集化[6]。 超密集组网(ultra dense network,UDN)就是通 过更加“密集化”的无线网络部署,将站间距离 缩短为几十米甚至十几米,使得站点密度大大增 加,从而提高频谱复用率、单位面积的网络容量 和用户体验速率。 目前 IMT-2020、 3GPP 等组织对超密集组网的 需求和组网场景进行了研究。3GPP 虽暂无 UDN 技术专题,但在 TR38.913 提出的室内场景、室外 密集场景就是典型的 UDN 场景[7], UDN 理念实际 上已糅合在整个 5G 无线网系统设计的过程之中。 超密集组网在提升容量的同时,也面临同频 干扰、移动性管理、多层网络协同、网络回程等 一系列影响用户体验或网络部署的技术问题。目 前 IMT-2020 成立了专门的 UDN 工作组,针对超 密集组网可能面临的问题提出了一些解决方案, ;而原有的前传接口规范制定 者 CPRI 联盟 (包括爱立信、 华为、 NEC 和诺基亚) 则已在 2017 年 8 月发布其新一代的前传接口 ——eCPRI。 通过 CU 部分的虚拟化并配合高性能和开放 图2 3GPP 中 CU 与 DU 的潜在功能划分方案选项[3] 2017312-3 ·115· 电信科学 2017 年第 11 期 典型的包括干扰管理、小区虚拟化、接入和回程 设计。 干扰管理是通过基于网络侧或终端侧的手段 降低小区间同频干扰,提升网络性能。网络侧可 以通过频域、时域、码域、功率域和空域等角度 进行干扰规避,或者通过多小区协同将干扰信号 变为有用信号,利用多个小区为同一个用户提供 服务。在终端侧,目前研究较多的是干扰对齐 (interference alignment)技术,利用干扰信道信息 设计编码与译码矩阵,在接收机侧把多个干扰信 号抑制到较低干扰空间[8]。 小区虚拟化是指以用户为中心,将多个实体 小区虚拟为一个逻辑小区,通过传输节点间协作 为用户提供一致、连续的服务 ,并通过控制层 与数据层分离,避免用户频繁切换。虚拟化可以 在一定程度上改善移动性能,降低小区间控制信 道干扰,平滑用户体验。 接入与回程联合设计主要是为了解决超密集 网络部署过程中可能面临有线回程资源不足的问 题,一个建议的方案是使用自回程技术,即回程 链路和接入链路使用相同的无线传输技术,通过 时分/频分复用同一频带资源。无线回程可大大提 高节点部署的灵活性,但需要在链路容量提升、 灵活的资源分配、路径优化等方面进行增强,具 [8] 体方案还在讨论中。 2.4 边缘计算 ETSI 最早研究移动边缘计算( mobile edge computing,MEC)技术,随后 3GPP 扩大了该技 术的适用范围不局限于移动网络,为边缘计算 (edge computing,EC) ,ETSI 也在规范制定过程 中将其改为多接入边缘计算( multi-access edge computing ) 。边缘计算技术就是指在网络边缘位 置部署通用服务器,提供 IT 业务环境和云计算能 力,其目的是降低业务时延、节省网络带宽、提 高业务传输效率,从而为用户带来高质量的业务 体验[9]。 为此,国际标准组织 ETSI 于 2014 年 9 月成 立了 MEC 工作组,于 2015 年 9 月发布了第一版 MEC 白皮书——《Mobile edge computing a key technology towards 5G》[9],完成了需求和框架的 标准工作,正式发布需求、架构等三册规范[10-12]。 ETSI 定义的 MEC 系统框架基于虚拟化平台, 具备很好的开放性以及自动生命周期管理能 力,同时 MEC 平台支持本地应用导入、本地 分流策略执行等 MEC 的关键能力,具备 MEC 近距离部署、低时延、位置感知以及无线网络 上下文信息感知等特点。多接入 EC 系统框架 如图 3 所示。 图3 多接入 EC 系统框架[12] 2017312-4 综述 ·116· MEC 系统独立部署,可以部署在无线接入 侧,或者传输汇聚点,或者移动网络的核心网边 缘(如分布式 DC 的网关侧) 。MEC 的应用场景 可以是增强现实、智能视频加速、车联网、位置 相关业务等。 ETSI 的主要工作集中在 MEC 系统本身,对 于 MEC 系统在移动网络中的具体应用则由 3GPP 来完成。3GPP 在技术规范中规定,边缘计算作为 5G 的高层特征之一,遵循 5G 的整体架构,并满 足如下功能:本地路由、话务分流、会话和业务 连续性、用户面选择和重选、网络能力开放、QoS 和计费 [13] 准化工作,研究对 EC 设备的监管、安全及计费 问题,考虑 EC 与无线网、核心网整体端到端协 调等,是今后 EC 方面的工作重点。 2.5 网络切片 业界对于 5G 提出了需求各异的应用场景, 如 高带宽、广覆盖的 eMMB ;低功耗、大连接的 mIoT;低时延、高可靠的 uRLLC。这些场景的需 求差异极大,已经很难用一张统一的网络来满足 所有的业务需求,因此引入了网络切片(network slice)技术。 网络切片就是一个按需求灵活构建的、提供 一种或多种网络服务的端到端独立逻辑网络。用 户使用何种业务,就接入提供相应业务的网络切 片。网络切片还是 NFV(网络功能虚拟化)应用 于 5G 的关键特征, 虽然网络切片在理论上并非必 然要使用虚拟化技术,但只有基于虚拟化,网络 切片技术才具有商用可行性与商业效益。网络切 片示意如图 5 所示。 。5G 核心网基于用户签约数据、位置、 业务规则、运营商策略等为边缘计算业务选择靠 近 UE 的、 合适的用户面功能 (user plane function, UPF)模块,然后 UPF 将用户数据转发到本地数 据网络中的服务器。 多接入 EC 系统在 3GPP 网络 架构中的位置如图 4 所示。 图4 多接入 EC 系统在 3GPP 网络架构中的位置 通过 EC 可以实现一种新的生态系统和价值 链。运营商除了为移动用户就近提供业务计算和 数据缓存能力,还可以对可信的第三方开放自己 的无线接入网络边缘,灵活快速地部署业务,实 现网络从接入管道向信息化使能平台的关键跨 越,是运营商未来有效部署业务的新技术之一。 随着技术的逐渐成熟和业务需求的逐渐明确,EC 应用会越来越广泛,但是目前 EC 才刚刚起步, 标准还不完善,与第三方及行业客户合作的商业 模式也需时间和经验来摸索,因此推动 EC 的标 图5 网络切片示意[14] 为了实现网络切片,在传统网络基础上新增 了切片管理器与切片选择功能两个网络功能,介 绍如下。 y 切片管理器包含商务设计、实例编排和运 行管理这 3 个依次工作的环节。首先在商 2017312-5 ·117· 电信科学 2017 年第 11 期 务设计环节,由网络切片需求方输入切片 的相关参数;然后在实例编排环节,切片 管理器将切片描述文件输出到 MANO,实 现网络切片的实例化;最后在运行管理环 节,切片管理器监控并动态管理各网络切 片。切片管理器主要在 3GPP SA5 组进行 研究,目前切片编排研究报告(TR28.801) 已经完成,即将开始相关标准的制定。 y 切片选择功能:在网络切片运行过程中, 根据用户需求与用户签约信息,为用户选 择接入的网络切片。 根据网络切片控制面功能的共享情况,网络 切片可以有 3 种不同的组网架构[15],且这 3 种架 构在实际组网时可以混合使用。 y 完全不共享:每个切片完全独立,分别拥 有各自完整的控制面与用户面功能实体。 此架构的切片隔离性最好,但用户在同一 时间只能接入一个网络切片。 y 控制面功能部分共享: 部分控制面功能 (如 移动性管理、鉴权功能)在切片间共享, 其余的控制面功能(如会话管理)与用户 面功能则是各切片专用的。此架构支持用 户在同一时间接入控制面功能部分共享的 多个网络切片。 y 控制面功能完全共享: 各切片的控制面功能 完全共享,只有用户面功能是各切片专用。 此架构的隔离性最差, 只在用户面实现了隔 离, 此架构也支持用户在同一时间接入控制 面功能完全共享的多个网络切片。 网络切片技术目前正处于标准制定阶段, 其 中 3GPP SA2 负责切片的总体架构与技术方案, 技术点主要包括切片选择、切片的漫游支持、 切片的共存等方面。而 SA3 则负责研究切片的 安全、隔离方案,此外 SA5 负责切片的编排与 管理的标准化网络切片除了带来技术上的重大 突破,使得用户可以按需接入最合适的网络外, 同时也将为运营商的商用模式、运维模式带来 革命性变革,移动网络由原来的用户 /业务适配 网络转变为网络适配用户 /业务,原来的单一网 络运营方式也逐渐转变为多重网络的动态管 理。因此运营商还需要从部署策略、运维模式 等方面着力,加强网络切片的划分、切片与用 户 / 业务的对应策略、切片的上下线流程等关键 问题的研究。 2.6 网络按需定制 网络按需定制,是指网络针对不同应用场景 的服务需求引入不同的功能设计,终端接入时按 需选择合适的网络功能实体。 网络按需定制在具体实现上,会把整个移 动网络分为很多功能相对独立的功能实体,如 移动性管理、会话管理、鉴权授权等,每种功 能实体依据业务需求的不同又可以分为不同的 小组件,如移动性管理功能按照对移动性要求 的不同,可以分为低移动性组件与高移动性组 件,其中,低移动性组件可应用于对位置不敏 感的海量物联网终端,而高移动性组件则用于 普通 5G 智能终端。 网络按需定制已经成为 3GPP 制定 5G 核心网 标准的核心理念之一,虽然 3GPP 的 5G 网络架 构标准并没有把网络按需定制作为一个专题进 行独立研究,但其思想已经充分体现在 5G 总体 架构、移动性管理、会线G 技术专 题研究中。 按需定制的移动网络架构示意如图 6 所示。 在该架构中,要实现网络按需定制,需要具 备以下 4 个关键特性[14]。 y 网络功能注册管理:实现网络功能实体的 发现、注册、维护、分配等管理功能。在 3GPP 的 5G 系统架构标准[13]中定义了 NRF (NF repository function,NF 注册功能)来 负责该项功能。 y 融合数据库:数据库需为各功能实体提供 2017312-6 综述 ·118· 图6 按需定制的移动网络架构示意[14] 用户签约数据、用户上下文等实时数据共 享服务。为实现网络功能的灵活定制,5G 功能实体一般采用无状态的设计,因此各 功能实体间需要通过数据库进行用户数据 的实时交互。为此, 3GPP 定义了 UDM (unified data management,统一数据管理) 用以存储用户签约数据,同时还定义了 UDSF(unstructured data storage function, 非结构化数据存储功能)用于存储用户上 下文等实时数据。 y 控制面交互功能:主要负责核心网控制信 令的对外收发。目前 3GPP 主要使用 AMF 与 SMF(session management function,会 话管理功能)来完成该功能。 y 服务化的架构(service based architecture, SBA)与中立接口:功能实体通过统一的、 服务化的中立接口对外提供服务。在传统 的移动网络间,任意两个需要通信的网元 间的接口都是定制的。 而在 5G 架构中, 由 于划分了较多的功能实体,如果仍沿用原 来的接口方式,将引入很多定制接口,大 大增加了网络的复杂度。为此根据 IT 中微 服务的理念,提出了服务化的架构与中立 接口的概念,即每个功能实体对外只提供 一个统一的接口,通过该统一接口对外提 供服务。 网络按需定制与前述的网络切片均充分体 现了网络适配用户的思想,其中,网络切片是 为用户选择合适的网络,而网络按需定制则是 为用户选择合适的功能实体。网络按需定制中 的功能实体划分、网络功能注册管理、服务化 架构与接口等关键技术都是 3GPP 标准制定的 研究热点, 3GPP 5G 核心网第一版的 Stage 2 标准 (即架构及总体流程部分)根据计划会在 2017 年 内制定完成。 2.7 4G 与 5G 互操作 4G 与 5G 网络的互操作研究主要在 3GPP 的 5G 项目中进行,在 RAN 组和 SA 组的前期研究 中汇总了 8 种 5G 网络的部署选项, 根据大部分主 流运营商和设备商的探讨,现在主要聚焦 4 种选 项的规范制定[16],分别介绍如下。 2.7.1 Option 2 选项 Option 2 是 NR 独立组网的典型部署选项, 即 端到端纯 5G 网络, 如图 7 所示。 这种部署选项可 用于两种具体场景:4G 网络和 5G 网络并存,各 自独立,可以视业务需求通过 5GC(5G core,5G 核心网)与 EPC 互连实现两网的互操作;4G 已 经退网,只有 5G 网络单独存在并承载所有业务。 2017312-7 ·119· 电信科学 2017 年第 11 期 担用户面流量的作用,所有的消息和控制权都在 EPC。 2.7.3 图7 Option 2 选项 Option 4 系列选项 Option 4 系列选项是一系列的 NR 独立组网 特殊部署选项,是在 5G 网络架构下将 eNode B 升级成为演进型 eNode B,借助其用户面实现 NR 和 LTE 双连接能力。 根据用户面的不同接入方式, Option 4 系列有 2 种具体选项:第 1 种选项称为 Option 4,即演进型 eNode B 和 NR 节点的用户 面在 NR 节点汇聚后再接入 5GC;第 2 种选项 称为 Option 4a,即演进型 eNode B 和 NR 节点 的用户面各自接入 5GC 。Option 4 系列选项如 图 9 所示。 Option 4 系列选项主要用于 5G 网络部署后 期, 此时 5G 网络已建设完成并在特定区域内提供 连续覆盖, 4G 网络仍然具有广覆盖和一定的容量 能力,因此可利用 4G 网络分担一部分业务流量, 所有的消息和控制权都在 5GC。 2.7.4 Option 7 系列选项 Option 7 系列选项是将 Option 3 系列选项的 核心网由 EPC 改为 5GC,5G 业务由 5GC 控制, eNode B 也必须升级为支持 5G 网络接口的演进型 2.7.2 Option 3 系列选项 Option 3 系列选项是一系列的 NR 非独立组 网部署选项, 核心网采用 EPC、 UE 和网络之间的 控制信令锚定在 LTE 空口和 S1-MME 接口上传 输,用户面具有 NR 和 LTE 双连接能力。Option 3 的用户面有 3 种方式接入 EPC,所以 Option 3 系 列有 3 种具体选项:第 1 种选项称为 Option 3, eNode B 和 NR 节点的用户面在 eNode B 汇聚后再 接入 EPC,NR 节点不需支持 S1-U 接口;第 2 种 选项称为 Option 3a,eNode B 和 NR 节点的用户 面各自接入 EPC;第 3 种选项称为 Option 3x, eNode B 和 NR 节点的用户面在 NR 节点汇聚后再 接入 EPC。Option 3 系列选项如图 8 所示。 Option 3 系列选项可用于 5G 网络部署早期, 即在 5G 标准和 5GC 设备尚未成熟前,为了快速 支持 eMBB 业务和对 4G 的容量补充,只引入 5G 新空口、暂不引入 5GC,而且 NR 节点只起到分 图8 Option 3 系列选项 图9 Option 4 系列选项 2017312-8 综述 ·120· eNode B。Option 7 系列选项如图 10 所示。 这种部署方式可用于 5G 网络部署初期、 引入 5G 核心网之后。由于部署初期 5G 网络的覆盖有 限, 为发挥 4G 网络的覆盖优势, 该系列选项升级 UE 和 eNode B 接入 5GC,UE 和网络之间的控制 信令锚定在 LTE 空口和 N2 接口上传输,所有的 消息和控制权在 5GC,NR 节点的目的仍然是快速 支持 eMBB 业务和对 4G 的容量补充,具有分担 用户面流量的作用。 探讨 4G 与 5G 的互操作, 首先需要明确的是, 5G 网络对 4G 网络不是颠覆和替代的关系,而是 4G 网络如何向 5G 网络演进以及两网如何融合发 展的过程。根据 3GPP 的路标,LTE 还有很长的 生命周期,LTE 的网络能力还能满足相当多的应 用场景和基本的容量需求。同时, 5G 在发展过 程中出现了“ 5G 技术 4G 化”的现象,如大规 模 MIMO 在 4G 网络中的应用等。因此,应结 合业务需求和网络演进的需求,摆脱单纯的 4G 网络或者 5G 网络的框架束缚, 从技术本身的特 性和现实网络的客观存在出发,兼收并蓄,兼 顾 4G 的持续发展和 5G 新技术的引入,从全网 发展的角度考虑移动网络的演进路径和互操作 关键技术的研究。 争或自身技术创新的需求,纷纷发布激进的 5G 商用计划,希望在新一轮全球竞赛中继续取得先 机, 呈现出 “你追我赶” 的态势, 总体聚焦在 eMBB 场景。 为在 5G 产业上取得先机, 美国联邦通信委员 会 (FCC) 在全球率先颁布 5G 频率, 均为 24 GHz 以上,共 11 GHz 带宽,包括授权频段 3.85 GHz 带宽(包括 28 GHz、37 GHz、39 GHz)和非授 权频段 7 GHz 带宽 (包括 64 GHz 和 71 GHz) 。 美 国第一大移动运营商 Verizon 更是“虚张声势” , 2016 年 7 月发布了其企业的 5G 规范, 更豪言 2017 年开始商用部署。由于 Verzion 的 5G 计划远早于 最早可用的 3GPP 5G 版本发布时间 (2018 年 6 月) , 引起业界担心 Verizon 的 5G 将与 3GPP 的 5G 在 标准和产业上出现分裂, 使得 5G 技术碎片化。 然 而,Verizon 的 5G 只是一个增强的固定无线接入 系统,在用户侧依靠 Wi-Fi 解决室内覆盖,无法 与 3GPP 的 5G 标准相提并论。 出于美国国内市场 竞争需要,AT&T 和 T-Moblie 也相继宣布了他们 的 5G 计划,不过两者更为务实,将基于 3GPP 标 准来与业界同步推进。AT&T 虽然宣布 2016 年开 始测试 5G 用于家用宽带服务,但表示 2018 年才 开始部署。T-Mobile 展示了丰富的 5G 业务愿景, 表示如此丰富的移动应用需要等到 2020 年。 日本、韩国作为历代移动通信技术发展的急 先锋,在 5G 发展上也不例外。韩国两大运营商 SK Telecom(SK 电讯)和 KT 急于在 2018 年 2 月冬奥会期间展示其 5G 移动通信服务,已在 28 GHz 高频段开展试验,近期 SK 电讯还发布了 5G 3 行业组织和运营商动态 每一代移动通信技术的诞生和推广,都意味 着一个重新分配产业利益的重大机遇。虽然 5G 标准化工作尚未完成,4G 商用取得成功的美国、 日本、韩国等领先运营商出于国家战略、市场竞 图 10 Option 7 系列选项 2017312-9 ·121· 电信科学 2017 年第 11 期 商用设备的招标。 日本则计划在 2020 年东京奥运 会前实现 5G 商用,目前 DoCoMo 正在组织验证 5G 关键技术以推动实现初期的 5G 商用目标,之 后计划推动“5G+”来支持更为丰富的业务场景。 欧洲是 3G/4G 标准化的领导者, 但是 4G 的发 展偏慢,在 5G 的发展上也趋于稳健,目前更多的 是希望能继续在 5G 时代主导推进标准。 受美国 5G 激进计划的影响,欧盟在 2017 年 9 月公布了 5G 行动计划,给出了比较完整的 5G 工作时间表: 在 2017 年 3 月公布具体的测试计划并开始测试, 2017 年底制定完整的 5G 部署路线 年开 始预商用测试,2020 年各个成员国至少选择一个 城市提供 5G 服务, 2025 年各个成员国在城区和主 要公路、铁路沿线G 服务。同时,欧盟也在 推动在 2017 年底之前确定 6 GHz 以下和 6 GHz 以 上的频率划分, 以支持高低频融合的 5G 网络部署。 中国政府也已明确积极推进 5G 于 2020 年商 用, 工业和信息化部从 2015 年 9 月至 2018 年底主 导 5G 关键技术试验,三阶段试验包含关键技术验 证、技术方案验证和系统验证。3 个运营商在近期 都公布了自己的实验室、外场和部署计划,逐步推 动产业成熟,实现 2020 年商用或试商用。不过受 国内高频器件产业弱势的限制, 中国更重视 6 GHz 以下频率的 5G 应用,首发的 5G 应用频段很可能 为 3.5 GHz 和 4.8 GHz 频段。 全球而言,国际电信联盟(ITU)早在 2015 年 就发布了 5G 愿景和需求定义,并于 2016 年正式 将下一代移动蜂窝通信系统命名为“IMT-2020” , 2018 年底启动 5G 技术评估及标准化,旨在 2020 年 第一季度完成技术评估并最终决定技术方案。 另一 方面,5G 的商用将与 3GPP 的 5G 标准发展对应, 在 2020 年左右首先启动 eMBB 业务场景的商用, 而后再逐步支持更为丰富的业务场景[17-19]。 时代已经统一到 3GPP 制定的 FDD 和 TDD 两种 LTE 制式, 4G 终端普遍同时支持尽可能多的主流 频段, 4G 核心网更是遵从统一的一套 3GPP 标准, 而 5G 的技术标准由 3GPP 统一制定,5G 将延续 4G 的这种模式得到发展。随着业务不断从 2G、 3G 向 4G 迁移,将来承载移动通信业务的主流制 式将是 4G 和 5G, 产业链将比 3G 和 4G 时代更加 聚焦和同质化。 但是因为 4G 网络的巨大成功, 在 发展 5G 时除了需要考虑拓展垂直应用的需求, 还 要充分考虑现有移动网络的演进需求。 4G 现网工 作频率低、覆盖能力强、用户体验速率较低,而 5G 工作频率高、 覆盖能力弱、 用户体验速率较高, 因此如何将两者融合起来以实现优势互补、为用 户提供更好的体验,是无线组网方面需要重点研 究的课题, 具体涉及空口采用单连接还是双连接、 各种业务的承载策略以及终端实现上的技术和成 本问题。5G 核心网在理论上具备网络切片、按需 定制等能力,目标是实现网络对业务的适配,但 是目前业界对于网络切片的内涵、切分及应用场 景存在不同的理解和需求,服务化架构的具体实 现存在挑战,这些都是需要业界共同努力去研究 解决的课题。 在讨论 5G 时还需要考虑 5G 和 Wi-Fi 的关系, 两者相近的方面包括工作频率都包括 6 GHz 以下 和 6 GHz 以上相关频段,都支持 MU-MIMO 等关 键技术,在室内 5G 和 Wi-Fi 的能力相近,应用场 景将发生较多重叠, 两者差异化的方面包括 Wi-Fi 具有成本低、终端支持度高、后向经营商业模式 较为成熟等优势, 而 5G 具有服务保证、 网络安全 等优势,将来 5G 应该采取何种商业模式、5G 如 何与 Wi-Fi 形成优势互补,都是需要尽早开展研 究的课题。 5G 首次在移动宽带以外对其他场景提出了 相应的技术方案,功能更为丰富,性能大幅提升, 拓展了对各种垂直应用的支持, 因此 5G 网络不再 像前几代移动网络那样单纯和僵硬,同时随着 4 结束语 移动通信系统不断向统一的制式演进, 在 4G 2017312-10 综述 ·122· [15] 3GPP. 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Telecommunications Science, 2016, 32(7): 132-139 NFV 成为网络部署的主流方式以及移动网络的商 业模式面临变革, 5G 网络的运营体系也需要及时 做出相应的调整。在这样的大背景下,电信运营 商的理念必须及时由“业务适配网络”向“网络 适配业务”转变,面向以 eMBB、URLLC 以及 mMTC 3 种典型场景为顶点构成的综合场景,考 虑移动宽带和各种垂直应用对网络的需求,充分 利用 4G 现有网络和各级云计算基础资源, 综合运 用 5G 和 NFV 的各种关键技术,实事求是、因地 制宜地制定 5G 网络部署方案。 参考文献: [1] 3GPP. RP-170741 way forward on the overall 5G-NR eMBB workplan[S]. 2017. [2] MARZETTA T L. Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2010, 9(11): 35900. [3] 3GPP. Study on new radio access technology; radio access architecture and interfaces (release 14): TR38.801, V14.0.0[S]. 2017. [4] China Mobile Research Institute. C-RAN the road towards green ran. white paper, version 3.0[R]. 2013. [5] China Mobile Research Institute. White paper of NGFI (next generation fronthaul interface) version 1.0[R]. 2015. [6] ITU-R. 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[作者简介] 王庆扬(1973?),男,博士,中国电信股 份有限公司广州研究院移动通信研究所所 长、高级通信工程师,主要研究方向为移动 通信系统的关键技术及应用、移动网络规划 和优化。 谢沛荣(1977?),男,中国电信股份有限公司广州研究院高 级工程师, 长期从事移动通信核心网络标准与技术研究工作。 熊尚坤(1977?),男,博士,中国电信股份有限公司广州研 究院高级工程师,长期从事移动通信新技术标准研究和试验 工作,现专注于 5G 演进的标准、技术方案研究和试验工作。 魏垚(1984?),男,博士,中国电信股份有限公司广州研究 院工程师, 主要研究方向为 LTE、 5G 无线通信系统关键技术。 刘昱(1984?),男,博士,中国电信股份有限公司广州研究 院工程师,主要研究方向为无线网络架构及新技术。 李文苡(1972?),女,中国电信股份有限公司广州研究院 高级工程师,主要研究方向为各种制式的移动核心网技术 和组网。 吴锦莲(1977?),女,中国电信股份有限公司广州研究院高 级工程师,主要研究方向为移动通信系统新技术。 2017312-11