3GPP 5G NR物理層關(guān)鍵技術(shù)綜述

【摘 要】第五代（5G）移動通信技術(shù)被稱為新型無線空口，主要滿足三大應(yīng)用場景的通信需求，即增強型移動寬帶（eMBB）、超可靠低時延通信（uRLLC）以及海量機器通信（mMTC）。其使用的關(guān)鍵技術(shù)包括超精簡傳輸、低時延設(shè)計、大規(guī)模MIMO以及高低頻范圍內(nèi)靈活的頻譜使用方式等。根據(jù)3GPP TS 38系列的最新技術(shù)規(guī)范，重點介紹了5G NR層1的關(guān)鍵技術(shù)，側(cè)重于與4G LTE的比較，并通過描述5G NR的基本概念，詳細解釋物理信道和參考信號的設(shè)計原理，分享當前5G標準化的最新成果。

新型無線空口；增強型移動寬帶；超可靠低時延通信；海量機器通信；物理層

【關(guān)鍵詞】

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2018.10.001 中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2018）10-0001-08

引用格式：黃陳橫. 3GPP 5G NR物理層關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 移動通信， 2018，42（10）： 1-8.

1 引言

第五代（5G）移動通信技術(shù)被稱為新型無線空口（New Radio，NR），可以滿足國際電信聯(lián)盟（ITU）對IMT-2020設(shè)定的性能要求[1]。在完成了5G需求的初步調(diào)研后[2-4]，3GPP于2017年3月批準成立了NR規(guī)范制定的工作組，其研究的內(nèi)容將加入到3GPP Release 15[5]（以下簡稱R15）中發(fā)布。R15計劃于2018年12月凍結(jié)，增加的內(nèi)容將包括更多架構(gòu)選項，例如將5G基站節(jié)點（gNB）連接到演進分組核心（EPC）并且在多連接模式下實現(xiàn)NR和LTE互操作的可能性，其中NR是主節(jié)點，LTE是次節(jié)點。

NR可實現(xiàn)的功能包括超精簡傳輸[6]、低時延支持、大規(guī)模MIMO以及高低頻范圍內(nèi)靈活的頻譜使用方式（包括高頻和低頻之間的交互使用以及動態(tài)時分復(fù)用（TDD）等）。文獻[7]給出了NR關(guān)鍵技術(shù)及其設(shè)計原理相對全面的概述，相比之下，本文的目的是深入研究NR技術(shù)規(guī)范（TS），介紹層1的關(guān)鍵技術(shù)，側(cè)重于與4G LTE的比較，并通過5G NR基本概念的闡述，詳細解釋物理信道和參考信號的設(shè)計原理，為無線通信相關(guān)從業(yè)者提供一個5G物理層較全面的描述。

NR的無線空口由物理層（層1）和更高層組成，如介質(zhì)訪問控制（MAC層）和無線資源控制（RRC層）。TS 38.200系列[8-14]中描述了物理層規(guī)范，TS 38.300系列則描述了更高層規(guī)范（如文獻[15]中的RRC規(guī)范）。

2 5G NR物理層概述

2.1 波形、參數(shù)集及幀結(jié)構(gòu)

波形的選擇是任何無線接入技術(shù)首要解決的物理層核心問題。在對所有波形提議進行評估之后，3GPP同意繼續(xù)采用正交頻分復(fù)用（OFDM）和循環(huán)前綴（CP），用于下行和上行傳輸。CP-OFDM和多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)的結(jié)合可使大帶寬系統(tǒng)實現(xiàn)低復(fù)雜度和低成本。NR還支持在上行鏈路中使用離散傅立葉變換（DFT）擴展OFDM（DFT-S-OFDM）來改善覆蓋范圍。

NR支持從1 GHz到毫米波段范圍內(nèi)的頻譜，R15中定義了兩個頻率范圍（FR）：

（1）FR1：450 MHz—6 GHz，通常指Sub-6 GHz，最大帶寬為100 MHz；

（2）FR2：24.25 GHz—52.6 GHz，通常指毫米波（Millimeter Wave），最大帶寬為400 MHz。

可擴展的參數(shù)集（Numerologies）是在如此廣泛的頻譜范圍內(nèi)支持NR部署的關(guān)鍵。NR采用了從LTE的15 kHz基本子載波間隔擴展到2?×15 kHz （?=0， 1， ...， 4）的多種靈活的子載波間隔。相應(yīng)地，CP從LTE的4.7 μs縮小2-?，這種可擴展的設(shè)計允許支持廣泛的部署場景和載波頻率。參數(shù)“?”的選擇取決于不同的因素[16]，包括5G新空口網(wǎng)絡(luò)部署選項類型、載波頻率、業(yè)務(wù)需求（時延/可靠性/吞吐量）、硬件減損（振蕩器相位噪聲）、移動性及實施復(fù)雜度。比如對于較低的FR1載波頻率、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、窄帶終端以及增強型多媒體廣播/多播服務(wù)（eMBMSs），選擇15 kHz、30 kHz的子載波間隔是合適的。當面向?qū)r延極為敏感的uRLLC、小覆蓋區(qū)域以及更高的FR2載波頻率時，可把子載波間隔調(diào)大至60 kHz、120 kHz。此外，還可能通過復(fù)用兩種不同的數(shù)值（比如用于uRLLC的更寬子載波間隔以及用于eMBB/mMTC/eMBMS的更窄子載波間隔），以相同的載波來同時承載具有不同需求的不同類業(yè)務(wù)。

NR幀具有10 ms的長度并且由10個子幀組成，這與LTE相同，能保證NR和LTE的共存。每個子幀由包含14個OFDM符號的2?個時隙組成。盡管時隙是調(diào)度的最小顆粒度，但是NR支持在任意一個OFDM符號開始傳輸，并且僅持續(xù)當前業(yè)務(wù)所需的符號，這種所謂的“微時隙”（mini slot）可以確保部分場景業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有較低的調(diào)度等待時間，同時使其對其他業(yè)務(wù)傳輸鏈路的干擾最小化?？梢姇r延的優(yōu)化一直是NR的重要考慮因素，正如本文上下文所述，除“微時隙”外，NR還引入了其他關(guān)鍵技術(shù)以減少延遲。

2.2 資源塊、載波及帶寬配置

基于終端能力的考慮，3GPP限制了單個小區(qū)有效子載波數(shù)不超過3 300（FFT點數(shù)不超過4 096），因此不同子載波間隔情況下支持的小區(qū)最大帶寬不一樣，每種帶寬配置下的最大RB個數(shù)如表1和表2所示（資源塊RB仍由頻域中的12個連續(xù)子載波組成）。盡管帶寬很大，但NR的超精簡設(shè)計能確保傳輸時延最小化，提高網(wǎng)絡(luò)能效，降低干擾。

毫米波頻段的NR由于終端發(fā)射功率的限制，使得高頻段的上行覆蓋范圍受較大程度限制，因此3GPP引入了所謂的SDL（補充下行）與SUL（補充上行）頻段。通過低頻載波補充高頻NR的覆蓋，確保較好的組網(wǎng)性能，特別是在上行鏈路中，一般通過載波聚合或雙連接的方式實現(xiàn)。此外R15支持NR載波和LTE載波在頻率上相互重疊，實現(xiàn)NR和LTE之間的頻譜動態(tài)共享，這有助于運營商從LTE平滑過渡到NR。

為降低UE功耗，NR采用了RF Bandwidth Adaptation技術(shù)，以靈活適配多種業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)可為每個UE最多配置4個BWP（Band Width Part），BWP是指在給定參數(shù)集和給定載波上的一組連續(xù)的物理資源塊，根據(jù)需要動態(tài)改變指示給UE，該特性是NR區(qū)分于4G LTE的典型特性之一，有如下應(yīng)用場景：

（1）UE支持的帶寬可以小于小區(qū)支持的帶寬；

（2）UE在大小BWP間進行切換，達到省電效果；

（3）不同BWP，配置不同的系統(tǒng)參數(shù)集，承載不同業(yè)務(wù)。

BWP應(yīng)用場景如圖2所示。

2.3 調(diào)制、信道編碼及時隙配置

NR中的調(diào)制方案類似于LTE，包括具有二進制和正交相移鍵控（BPSK/QPSK）、16階，64階和256階的正交幅度調(diào)制（QAM）。NR控制信道使用Reed-Muller分組碼和循環(huán)冗余校驗（CRC）輔助的極化polar碼（LTE使用咬尾卷積碼），NR數(shù)據(jù)信道使用速率可變的準循環(huán)低密度奇偶校驗LDPC碼（LTE使用turbo碼）。

NR支持的雙工選項包括頻分雙工（FDD），半靜態(tài)配置的UL/DL配置的TDD和動態(tài)TDD。在TDD頻譜中，對于微小區(qū)，可以使用動態(tài)TDD來適應(yīng)流量變化，而對于宏小區(qū)，半靜態(tài)TDD比完全動態(tài)TDD更適合處理干擾問題。特別地，C-band頻段n77/n78以及更高毫米波頻段均采用TDD方式。

NR TDD支持靈活時隙的配置。具體來說，時隙中的OFDM符號可以配置為'DL'、'UL'或'flexible'。DL傳輸可以發(fā)生在'DL'或'flexible'符號中，同樣UL傳輸可以發(fā)生在'UL'或'flexible'符號中。通過小區(qū)特定及UE特定的RRC配置可實現(xiàn)UL/DL時隙分配，這與LTE TDD的時隙配置一樣。

如果未專門配置時隙，則默認情況下所有資源均被視為靈活時隙。動態(tài)的TDD則可通過DL控制信息（DCI）的1/2層信令來動態(tài)地配置符號是用于DL傳輸還是UL傳輸。

3 小區(qū)接入信道

就物理信道的使用而言NR和LTE無明顯差異，本文按照用戶隨機接入到開始數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞蚪榻BNR的物理信道。首先是用戶小區(qū)搜索及隨機接入過程：

（1）小區(qū)搜索涉及的物理信道過程：PSS/SSS->PBCH->PDCCH->PDSCH；

（2）隨機接入涉及的物理信道過程：PRACH->PDCCH->PDSCH->PUSCH。

圖3為小區(qū)搜索及接入過程。

3.1 同步信號及廣播信道（PBCH）

同步信號SS和廣播信道PBCH的組合在NR中被稱為SSB，其子載波間隔在FR1中可以是15 kHz或30 kHz，在FR2中則可選120 kHz或240 kHz。通過檢測SS，UE可以獲得物理小區(qū)ID，實現(xiàn)時域和頻域的下行同步，并獲取PBCH的定時，后者攜帶著小區(qū)基本的系統(tǒng)信息。

NR SS由主要SS（PSS）和次要SS（SSS）組成。由于缺乏頻繁的靜態(tài)參考信號以幫助跟蹤，與LTE相比，gNB和UE之間可能存在較大的初始頻率誤差，尤其是對于工作在較高頻率的低成本UE而言。為了解決傳統(tǒng)基于Zadoff-Chu序列的LTE PSS時間和頻率偏移模糊度問題，NR PSS使用長度為127的BPSK調(diào)制的m序列，NR SSS則通過使用長度為127的BPSK調(diào)制的Gold序列生成的PSS和SSS總共可標識1 008個不同的物理小區(qū)ID（LTE最多504個小區(qū)ID）。

如圖4所示，SSB被映射到時域中的4個OFDM符號和頻域中的240個連續(xù)子載波（20個RB）。為了支持用于初始接入的波束成形，NR引入了新的概念SS突發(fā)組，用以支持SSB傳輸?shù)牟ㄊ鴴呙?。為了盡可能減少永遠在線傳輸[6]，多個SSB在一個本地突發(fā)集內(nèi)與稀疏突發(fā)集一起周期發(fā)送（默認為20 ms）。在SS突發(fā)設(shè)置周期內(nèi)，以時分+空分的方式最多可以在不同波束中傳輸64個SSB，SS塊的傳輸被限制在5 ms窗口內(nèi)。SS突發(fā)集合內(nèi)，SSB時間位置的集合由當前小區(qū)配置的參數(shù)集確認決定，而頻率位置則不一定在系統(tǒng)帶寬的中心（LTE中則固定配置在中心頻點），并且由較高層參數(shù)配置以支持用于SSB檢測的稀疏柵格搜索，即協(xié)議中定義了一類稀疏的同步柵格（Synchronization Raster）來減少搜索時間。

3.2 隨機接入信道（PRACH）

PRACH主要用于發(fā)送UE隨機接入的前導(dǎo)碼，以嘗試向gNB發(fā)起隨機接入并配合gNB調(diào)整UE的上行鏈路定時及其他參數(shù)。與LTE一樣，Zadoff-Chu序列由于其具有DFT變換前后不變的幅度以及零低相關(guān)的特性而被用于生成NR隨機接入前導(dǎo)碼。與LTE不同，NR隨機接入前導(dǎo)碼使用具有不同格式配置和長度的兩個序列以適應(yīng)NR的廣泛業(yè)務(wù)支持。

對于長度為839的長序列，支持源自LTE前導(dǎo)碼的四種前導(dǎo)碼格式，主要針對大型小區(qū)的宏站部署場景。這些格式只能在FR1中使用，且子載波間隔為1.25 kHz或5 kHz。

對于長度為139的短序列，NR引入了9種不同的前導(dǎo)碼格式，主要針對微小區(qū)和室內(nèi)部署場景。短前導(dǎo)碼格式可用于FR1，子載波間隔為15 kHz或30 kHz，F(xiàn)R2的子載波間隔采用60 kHz或120 kHz。與LTE不同的是，短前導(dǎo)碼每個OFDM符號的最后部分用做下一個OFDM符號的CP，并且前導(dǎo)碼OFDM符號的長度等于數(shù)據(jù)OFDM符號的長度。這種新設(shè)計有幾個好處：首先，它允許gNB接收機對數(shù)據(jù)和隨機接入前導(dǎo)碼檢測使用相同的快速傅里葉變換（FFT）；其次，由于每個PRACH前導(dǎo)碼由多個較短的OFDM符號組成，所以新的短前導(dǎo)碼格式對時變信道和頻率誤差更具魯棒性；第三，它支持在PRACH接收期間模擬波束掃描，使得在gNB處可以用不同的波束接收相同的前導(dǎo)碼。

4 數(shù)據(jù)傳輸信道

上下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程如圖5所示。

4.1 下行共享信道（PDSCH）

PDSCH用于傳輸下行用戶數(shù)據(jù)、UE特定的高層信息、系統(tǒng)信息和尋呼。為了傳輸DL傳輸塊（用于物理層的有效載荷），首先附加傳輸塊通過CRC提供錯誤檢測，隨后是LDPC基本圖選擇。NR支持兩個LDPC基本圖，一個針對較小的傳輸塊進行優(yōu)化，另一個針對較大的傳輸塊，將傳輸塊分割成若干碼塊含CRC校驗位后，針對每個LDPC編碼塊單獨進行速率匹配。最后，將碼塊級聯(lián)合并，創(chuàng)建用于在PDSCH上傳輸?shù)拇a字，每層PDSCH可承載最多2個碼字。

隨后將碼字加擾，調(diào)制以生成OFDM符號塊，符號最多映射4個MIMO層，因此多天線傳輸模式下PDSCH可以支持最多8層傳輸。這些層以規(guī)范透明的方式（基于非碼本）映射到天線端口，后續(xù)的波束成形或MIMO預(yù)編碼操作對于UE是透明的。

當接收單播PDSCH時，UE被通知某些資源不可用于PDSCH。這些不可用的資源可以包括具有RB、符號級或RE粒度級。在NR和LTE共享相同載波的情況下，后者用于映射LTE CRS。這有利于前向和后向兼容能力，使得網(wǎng)絡(luò)可以預(yù)留傳輸資源用于服務(wù)未來加入的其他業(yè)務(wù)場景（如mMTC）。

NR PDSCH的物理層處理過程如圖6的左側(cè)所示。

4.2 上行共享信道（PUSCH）

PUSCH用于UL共享信道（UL-SCH）和1/2層控制信息的傳輸。UL-SCH是用于發(fā)送UL傳輸塊的傳輸信道。UL傳輸塊的物理層處理類似于DL傳輸塊的處理，如圖6的右側(cè)所示。

碼字被加擾和調(diào)制以生成符號塊，之后被映射到一個或多個層上。PUSCH最多支持到4層（每層1個碼字）傳輸。對于層到天線端口映射，UL支持基于非碼本的傳輸和基于碼本的傳輸。對于用于傳輸物理信道的每個天線端口，這些符號將被映射到RB。與LTE相反，映射優(yōu)先在頻域完成，以便接收器能夠提前解碼。

4.3 下行控制信道（PDCCH）

PDCCH用于承載DCI，例如下行鏈路調(diào)度分配和上行鏈路調(diào)度許可。在圖5的上部給出NR PDCCH的圖示。傳統(tǒng)的LTE控制信道始終分布在整個系統(tǒng)帶寬內(nèi)，因/難以7108控制小區(qū)間干擾[6]。NR PD7410CCH可在配置的控制資源集（CORESET）中傳輸?？刂茀^(qū)域配置的靈活性（包括時間、頻率、參數(shù)集等）使NR能夠解決各種用例。

CORESET中的頻率分配可以是連續(xù)或不連續(xù)的。CORESET在時間上跨越1～3個連續(xù)的OFDM符號。CORESET中的RE被組織在RE組（REG）中。每個REG由一個RB中的一個OFDM符號的12個RE組成。PDCCH由1、2、4、8或16個控制信道元素（CCE）承載，以適應(yīng)不同有效載荷大小的DCI或不同的編碼速率。每個CCE由6個REG組成。CORESET的CCE-REG映射可以交錯（用于頻率分集）或非交織（用于局部波束形成）。UE針對不同DCI格式進行盲解，而盲解的復(fù)雜度關(guān)乎到UE的成本，其目的是達到以較低的開銷提供靈活的調(diào)度。

4.4 上行控制信道（PUCCH）

PUCCH用于承載混合自動重傳請求（HARQ）反饋，信道狀態(tài)信息（CSI）和調(diào)度請求（SR）等上行鏈路控制信息（UCI）。在圖7的底部給出NR PUCCH的圖示。

與位于載波帶寬的邊緣并且被設(shè)計為具有固定持續(xù)時間和定時的LTE PUCCH不同，NR PUCCH在其時間和頻率分配上是靈活的，使得NR支持具有較小帶寬能力的UE接入。NR PUCCH設(shè)計基于5種PUCCH格式。PUCCH格式0和2（又稱短PUCCH）使用1個或2個OFDM符號，而PUCCH格式1、3和4（又稱長PUCCH）可以使用4至14個OFDM符號。PUCCH格式0和1承載1或2比特的UCI有效載荷，而其他格式用于承載超過2比特的UCI有效載荷。在PUCCH格式1、3和4中，為達到較低的峰均功率比（PAPR），DMRS符號與UCI符號時分復(fù)用，而在格式2中，DMRS與數(shù)據(jù)采用頻率復(fù)用。僅當PUCCH格式0、1和4通過不同的循環(huán)移位或OCC適用時，才支持相同時間和頻率資源上的多用戶復(fù)用。

5 參考信號相關(guān)

為了提高網(wǎng)絡(luò)的能效（能量利用效率），并保證后向兼容，5G新空口通過超精益的設(shè)計[6]（Ultra-Lean Design）來最小化“永遠在線的傳輸”。與LTE中的相關(guān)設(shè)置相比，5G新空口的參考信號僅在需要時才傳輸。主要有解調(diào)參考信號（DMRS）、相位追蹤參考信號（PTRS）、測量參考信號（SRS）、信道狀態(tài)信息參考信號（CSI-RS）這四種5G新空口參考信號。物理信道和信號相互關(guān)系如圖8所示：

5.1 上下行解調(diào)參考信號（DMRS）

DMRS參考信號用于無線信道評估，以有利于信號解調(diào)。DMRS是用戶終端特定的參考信號（即每個終端的DMRS信號不同），可被波束賦型、可被納入到受調(diào)度的資源，僅在需要時才發(fā)射（既可在上行方向也可在下行方向）。為了支持多層MIMO傳輸，可調(diào)度多個正交的DMRS端口，其中每個DMRS端口與MIMO的每一層相對應(yīng)?！罢弧笨赏ㄟ^梳狀結(jié)構(gòu)的頻分復(fù)用（FDM）、時分復(fù)用（TDM）以及碼分復(fù)用（CDM）來達到。DMRS信號的設(shè)計要考慮早期的解碼需求以支持各種低時延應(yīng)用，所以基本的DMRS模式是前載（front loaded）。面向低速移動的應(yīng)用場景，DMRS在時域采取低密度設(shè)計。然而，在高速移動的應(yīng)用場景，DMRS的時間密度要增大以及時跟蹤無線信道的快速變化。

5.2 上下行相位跟蹤參考信號（PTRS）

PTRS參考信號的引入，是為了解決相位噪聲的補償。一般地，隨著振蕩器載波頻率的上升，相位噪聲也會增大。對工作在高頻段（比如毫米波頻段）的5G無線網(wǎng)絡(luò)，可利用PTRS信號來消除相位噪聲。對于OFDM信號，由相位噪聲可引起的負面效應(yīng)之一是“所有子載波均產(chǎn)生相位旋轉(zhuǎn)”，這種現(xiàn)象被業(yè)界稱為共相位誤差（CPE）。因CPE產(chǎn)生的相位旋轉(zhuǎn)對于一個OFDM符號內(nèi)所有的子載波都是完全相同的，而OFDM符號之間的相位噪聲卻是低相關(guān)的，因此，PTRS信號就被設(shè)計為在頻域具有低密度而在時域具有高密度。PTRS是UE特定的參考信號（即每個終端的PTRS信號不同），可被波束賦型，可被納入到受調(diào)度的資源。PTRS端口的數(shù)量可以小于總的端口數(shù)，而且PTRS端口之間的正交可通過FDM來實現(xiàn)。此外，PTRS信號的配置與振蕩器質(zhì)量、載波頻率、OFDM子載波間隔、用于信號傳輸?shù)恼{(diào)制及編碼格式有關(guān)。

5.3 信道狀態(tài)信息參考信號（CSI-RS）

與LTE相似，NR CSI-RS用于下行CSI的捕獲。除此之外，NR中的CSI-RS還支持針對移動性和波束管理（包括模擬波束成形）的參考信號接收功率（RSRP）測量，時頻跟蹤以及基于具有上下行互易性的預(yù)編碼。CSI-RS同樣是UE專用的，但多個用戶仍然可以共享相同的資源。零功率的CSI-RS可以用作資源屏蔽工具，通過它們來保護某些RE以防用于PDSCH的映射。該屏蔽支持UE專用CSI-RS的傳輸，但該特性可認為是允許向NR引入新功能（業(yè)務(wù)），并保留向后兼容性的工具。

NR支持CSI-RS配置的高度靈活性。一個資源可配置多達32個端口，配置密度可選。在時域中，CSI-RS資源可以在時隙的任何OFDM符號處開始，其是否跨越1個、2個或4個OFDM符號取決于配置的端口數(shù)量。CSI-RS可以是周期性的、半永久性的或非周期性的（即DCI觸發(fā)的）。

5.4 探測參考信號（SRS）

SRS參考信號于上行方向傳輸，主要面向調(diào)度以及鏈路適配，進行信道狀態(tài)信息（CSI）測量。對于5G新空口，SRS將被用于面向大規(guī)模天線陣列（Massive MIMO）的基于互易性的預(yù)編碼器設(shè)計，也有望被用于上行波束管理。此外，SRS將會有模塊化的、靈活的設(shè)計，以支持不同的流程以及用戶終端（UE）能力。

6 結(jié)束語

下一代無線空口技術(shù)5G NR可應(yīng)用于更多的業(yè)務(wù)場景，將給社會帶來顯著的經(jīng)濟效益。當3GPP于2018年6月批準了備受期待的5G NR stand-alone規(guī)范時，這標志著邁出了實現(xiàn)這一目標的重要一步。本文概述了代表最新5G無線技術(shù)的3GPP NR規(guī)范要點，重點關(guān)注物理層。NR是一個靈活的空口，能夠適應(yīng)未來廣泛的網(wǎng)絡(luò)特性需求和業(yè)務(wù)場景部署要求，為將來無線通信服務(wù)進一步的發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)。

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[16] 黃陳橫. 5G高可靠低時延通信（uRLLC）物理層需求及實現(xiàn)概述[C]//2017年廣東通信青年論壇， 2017.