5G移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及6G展望

禹 忠，陳彥萍，周運(yùn)基，李建雄

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710121； 2.西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710121；3.唐山廣播電視臺(tái)，河北 唐山 063000)

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信接入方式和數(shù)量爆炸式增長(zhǎng)，以及移動(dòng)業(yè)務(wù)內(nèi)容迅猛擴(kuò)張，4G長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)。長(zhǎng)期演進(jìn)(long term evolution， LTE))技術(shù)越來越不能滿足人們對(duì)更大的網(wǎng)絡(luò)容量，更高的用戶吞吐量，更有效的頻譜利用率，更寬的帶寬，更低的延遲，更低的功率需求。2012年全球主要國(guó)家和區(qū)域紛紛啟動(dòng)5G移動(dòng)通信技術(shù)需求和技術(shù)研究工作。

國(guó)際電信聯(lián)盟(international telecommunication union，ITU)和第3代合作計(jì)劃(3rd generation partnership project，3GPP)啟動(dòng)了一系列5G工作，如5G愿景、需求、評(píng)估方法等，并于2015年6月正式發(fā)布了5G;智能多模式終端國(guó)際移動(dòng)通信2020(intelligent multimode terminal，IMT-2020)愿景，明確了面向2020年及未來的移動(dòng)通信市場(chǎng)、用戶、業(yè)務(wù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，并提出未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的框架和關(guān)鍵能力[1]。

國(guó)際電信聯(lián)盟經(jīng)過多輪討論，最終確定了5G的3大類應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)指標(biāo)，如圖1所示，包括以下3個(gè)方面。

圖1 IMT-2020 應(yīng)用場(chǎng)景

1)應(yīng)用于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(enhanced mobile broadband，eMBB)，在當(dāng)前移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)場(chǎng)景的基礎(chǔ)上對(duì)用戶體驗(yàn)等性能進(jìn)一步提升，追求人與人之間極致的通信體驗(yàn)。

2)大規(guī)模機(jī)器類通信(massive machine type communications，mMTC)，即大連接物聯(lián)網(wǎng)，適用于萬(wàn)物互聯(lián)下的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

3)超可靠低延時(shí)通信(ultra reliable and low latency communications，URLLC)，即高性能物聯(lián)網(wǎng)，適用于無(wú)人駕駛、工業(yè)自動(dòng)化等需要低時(shí)延、高可靠連接的業(yè)務(wù)。

根據(jù)ITU愿景，如圖2所示，IMT-2020系統(tǒng)所包括新功能超越了IMT-Advanced的功能，ITU定義了8大關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，其中峰值速率、移動(dòng)性、時(shí)延和頻譜效率是傳統(tǒng)的移動(dòng)寬帶關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，新定義了4個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，即用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、流量密度和能效[2]。3大場(chǎng)景包括8個(gè)指標(biāo)，其中eMBB重點(diǎn)關(guān)注6個(gè)指標(biāo)，大規(guī)模機(jī)器類型通信(massive machine type communication,mMTC)。重點(diǎn)關(guān)注2個(gè)指標(biāo)，極可靠低時(shí)延通信(ultra-relaible and low latency communication,URLLC)則強(qiáng)調(diào)傳輸時(shí)延指標(biāo)。5G將滿足20 Gbit/s的光纖般接入速率、毫秒級(jí)時(shí)延的業(yè)務(wù)體驗(yàn)、千億設(shè)備的連接能力、超高流量密度和連接數(shù)密度及百倍網(wǎng)絡(luò)能效提升等極致指標(biāo)，為此，人們開展了5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化的研究工作。

圖2 IMT-2020關(guān)鍵能力

1 5G標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)主要在ITU和3GPP中進(jìn)行，其中，ITU屬于聯(lián)合國(guó)下統(tǒng)一全球信息通信技術(shù)事務(wù)，ITU會(huì)以建議書和報(bào)告的形式制定用于移動(dòng)通信的無(wú)線電接口標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際電信聯(lián)盟-無(wú)線電通信部(ITU-radiocommunica，ITU-R)從1990年代后期推動(dòng)了全球移動(dòng)通信的IMT系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)制定，包括IMT-2000和IMT-Advanced等標(biāo)準(zhǔn)，成功地實(shí)現(xiàn)了3G和4G網(wǎng)絡(luò)的全球化。ITU-R成員通常來自世界各地的主管部門，整個(gè)電信行業(yè)以及學(xué)術(shù)/研究組織，他們參加了有關(guān)有效管理和頻譜/軌道資源使用，無(wú)線電系統(tǒng)的特性和性能，頻譜監(jiān)控以及用于公共安全的緊急無(wú)線電通信。其中，5D工作組(working party 5D，WP 5D)是ITU-R第5研究組的一部分，該研究組負(fù)責(zé)IMT系統(tǒng)的整個(gè)無(wú)線電系統(tǒng)方面。2012年初，ITU-R發(fā)起了一項(xiàng)研究計(jì)劃，幫助開發(fā)2020年及以后的移動(dòng)通信系統(tǒng)、愿景，為全球范圍內(nèi)開展廣泛5G研究活動(dòng)奠定基礎(chǔ)。ITU-R 5D工作組已經(jīng)完成了對(duì)IMT-2020時(shí)間表和提交流程以及IMT-2020系統(tǒng)的最低要求和評(píng)估方法的意見。ITU-R M.2410-0以及ITU-R M.2412-0報(bào)告詳細(xì)解釋了評(píng)估IMT-2020系統(tǒng)的技術(shù)特性，其中包括服務(wù)和頻譜方面以及與技術(shù)性能有關(guān)的要求[2-3]。根據(jù)IMT-2020過程，提交候選人的截止日期為2019年第3季度，隨后由外部小組進(jìn)行獨(dú)立評(píng)估，最終在2020年第三季度形成IMT-2020規(guī)范[3]。

3GPP國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織作為全球3G和4G主流移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)制定組織，成立于1998年12月，成功地推出了3G和4G的標(biāo)準(zhǔn)并主導(dǎo)了全球移動(dòng)通信的發(fā)展，3GPP標(biāo)準(zhǔn)化工作主要由無(wú)線電接入網(wǎng)(radio access network，RAN)、服務(wù)與系統(tǒng)方面(services& systems aspects，SA)和核心網(wǎng)及終端(core network & terminals CT)等3個(gè)工作組開展。2015年9月3GPP啟動(dòng)了5G新型無(wú)線空口(5G new radio，5G NR)的研究，3GPP服務(wù)和需求工作組負(fù)責(zé)5G服務(wù)需求，這些3GPP候選技術(shù)的初步研究是3GPP Rel-14的一部分，并于2017年3月完成。2015年底，3GPP系統(tǒng)架構(gòu)工作組批準(zhǔn)了有關(guān)下一代系統(tǒng)架構(gòu)研究的技術(shù)報(bào)告，該報(bào)告提出了3GPP的5G架構(gòu)設(shè)計(jì)愿景，對(duì)新ITU-R M的支持，演進(jìn)的LTE，以及與非3GPP接入網(wǎng)絡(luò)的互通。如圖3所示，基于RAN可行性研究的成果，3GPP分為Phase1和Phase 2兩個(gè)階段開發(fā)5G規(guī)范。

Phase1對(duì)應(yīng)Rel-15版本，Phase 2對(duì)應(yīng)Rel-16版本。每個(gè)Phase又細(xì)分為Stage1、Stage2和Stage3等3個(gè)階段，Stage1是業(yè)務(wù)需求階段，Stage2是系統(tǒng)架構(gòu)階段，Stage3是具體的協(xié)議階段。Rel-15本來分為非獨(dú)立組網(wǎng)版和獨(dú)立組網(wǎng)版本兩個(gè)版本，其中非獨(dú)立組網(wǎng)版本在2017年12月發(fā)布，在2018年8月凍結(jié)，由于又增加了更多組網(wǎng)架構(gòu)的支持，Rel-15又定義了一個(gè)“Late Drop”版本于2019年6月完成，產(chǎn)業(yè)界可以依照這個(gè)版本開始早期的設(shè)備研發(fā)和網(wǎng)絡(luò)部署。2018年3月，3GPP開始了Rel-16標(biāo)準(zhǔn)制定工作，Rel-16在增強(qiáng)基礎(chǔ)的移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)能力和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能力的同時(shí)，重點(diǎn)提升對(duì)垂直行業(yè)應(yīng)用的支持，特別是對(duì)低時(shí)延高可靠類業(yè)務(wù)的支持。在移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)能力方面，R16將重點(diǎn)研究多天線增強(qiáng)、載波聚合與大帶寬增強(qiáng)、遠(yuǎn)端干擾刪除以及已經(jīng)開展的非正交多址和免許可5G技術(shù)。Rel-16將在2020年6月凍結(jié)。這兩個(gè)版本的完成標(biāo)志著3GPP 5G標(biāo)準(zhǔn)制定工作結(jié)束。同時(shí)，5G標(biāo)準(zhǔn)中還存在大量遺留工作，于是2019年10月3GPP開始了Rel-17版本研究工作，計(jì)劃2021年底結(jié)束。

圖3 3GPP Rel-15和Rel-16研究計(jì)劃

到2019年底，與Rel-16相關(guān)的83項(xiàng)研究以及與Rel-17相關(guān)的13項(xiàng)研究正在進(jìn)行中，涉及的主題包括多媒體優(yōu)先服務(wù)，車輛到所有車對(duì)外界的信息交換(vehicle to everything，V2X)應(yīng)用層服務(wù)，5G衛(wèi)星接入，5G局域網(wǎng)支持，5G的無(wú)線和有線融合，終端定位和位置，垂直域中的通信以及網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化和新穎的無(wú)線電技術(shù)。關(guān)于安全性，編解碼器和流服務(wù)，局域網(wǎng)互通，網(wǎng)絡(luò)切片和物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT)的進(jìn)一步研究已經(jīng)啟動(dòng)或取得進(jìn)展。5G中各版本技術(shù)特征如表1所示。

表1 3GPP 5G NR各版本關(guān)鍵技術(shù)

3GPP需要向ITU-R提交5G標(biāo)準(zhǔn)提案，經(jīng)ITU-R組織評(píng)估后確認(rèn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。如圖4所示，3GPP向ITU-R提交5G標(biāo)準(zhǔn)提案的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和內(nèi)容分下述3個(gè)步驟[4]。

圖4 3GPP向ITU-R提交5G標(biāo)準(zhǔn)提案的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和內(nèi)容

步驟1從2017年9月到2017年12月，在RAN ITU-R Ad-Hoc中進(jìn)行討論，自我評(píng)估校準(zhǔn)，準(zhǔn)備并最終確定要提交給ITU-R WP 5D#29的初始描述模板信息。

步驟2從2018年初到2018年9月，目標(biāo)是在2018年9月提交“更新和自我評(píng)估”，針對(duì)增強(qiáng)eMBB，mMTC和URLLC要求以及針對(duì)NR和LTE功能的測(cè)試環(huán)境進(jìn)行性能評(píng)估，更新描述模板并根據(jù)自我評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)備合規(guī)性模板，根據(jù)2018年9月的Rel-15提供描述模板，合規(guī)性模板和自我評(píng)估結(jié)果。

步驟3從2018年9月到2019年6月，以2019年6月的最終提交為目標(biāo)，通過考慮Rel-15之外的Rel-16更新來進(jìn)行性能評(píng)估更新，更新描述模板和合規(guī)性模板。實(shí)際該工作已經(jīng)延誤到2020年6月。

2 5G通信中關(guān)鍵技術(shù)

5G實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信系統(tǒng)的平滑演進(jìn)，既繼承了4G中成熟的關(guān)鍵技術(shù)，又采用大量改進(jìn)的新技術(shù)[5]。

2.1 靈活的頻譜技術(shù)

5G NR物理層信號(hào)傳輸框架繼承了4G LTE的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，仍采用正交頻分多址(orthogonal frequency division multiple access，OFDMA)作為上行和下行基礎(chǔ)多址方案，支持頻分的雙工(frequency-divisionduplex，F(xiàn)DD)和時(shí)分雙工(time-division duplex (time-divisionduplex， TDD)方式，下行采用循環(huán)前綴-OFDM (cyclic-OFDM prefix-OFDM，CP-OFDM)，上行支持CP-OFDM和離散傅里葉變換擴(kuò)展OFDM(OFDMdirec fourier transformer spread OFDM (DFT-s-)(DFT-s-OFDM)兩種波形調(diào)制，相比于LTE系統(tǒng)90%的頻譜利用率，5G NR支持更高的頻譜利用、更陡的頻譜模板，并通過基于實(shí)現(xiàn)的新波形方案避免頻帶之間的干擾[6]。

5G NR支持更大的頻譜帶寬，在6 GHz以下的頻譜，5G新空口支持最大100 MHz的頻譜帶寬。針對(duì)20～50 GHz毫米波頻段，5G NR支持最大400 MHz的頻譜帶寬，較之4G LTE系統(tǒng)的最大20 MHz頻譜帶寬，5G能更有效地利用頻譜資源，支持增強(qiáng)移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)。5G NR采用部分帶寬設(shè)計(jì)，靈活支持多種終端帶寬，支持非連續(xù)載波，可以降低終端功耗并適應(yīng)多種業(yè)務(wù)需求[7-9]。

5G NR采用靈活參數(shù)集支持多樣帶寬傳輸。如圖5所示，5G NR以15 kHz子載波間隔為基礎(chǔ)，可根據(jù)15×2u MHz靈活擴(kuò)展，其中u=0，1，2，3，4，也就是說NR支持15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz和240 kHz等5種子載波間隔，其中子載波15 kHz、30 kHz、60 kHz 適用于sub-6 GHz的頻譜，子載波60 kHz、120 kHz、240 kHz適用于高于6 GHz頻段[7,10]。

2.2 靈活幀結(jié)構(gòu)

LTE系統(tǒng)定義了7種幀結(jié)構(gòu)、11種特殊子幀格式，5G NR定義了56種時(shí)隙格式，并可以基于符號(hào)靈活定義幀結(jié)構(gòu)。LTE幀結(jié)構(gòu)以準(zhǔn)靜態(tài)配置為主，高層配置了某種幀結(jié)構(gòu)后，網(wǎng)絡(luò)在一段時(shí)間內(nèi)固定采用該幀結(jié)構(gòu)，幀結(jié)構(gòu)周期為5 ms和10 ms，在特定場(chǎng)景下，也可以支持物理層的快速幀結(jié)構(gòu)調(diào)整。5G NR從一開始設(shè)計(jì)就支持準(zhǔn)靜態(tài)配置和快速配置，支持更多周期配置，如0.5 ms、0.625 ms、1 ms、1.25 ms、2 ms、2.5 ms、5 ms和10 ms，此外，時(shí)隙中的符號(hào)可以配置上行、下行或靈活符號(hào)，其中靈活符號(hào)可以通過物理層信令配置為下行或上行符號(hào)，以靈活支持突發(fā)業(yè)務(wù)[7,11-12]。

5G NR實(shí)現(xiàn)傳輸資源和傳輸時(shí)間的靈活可配。支持多種資源塊顆粒度，如基于時(shí)隙、部分時(shí)隙、多個(gè)時(shí)隙的力度，以滿足不同業(yè)務(wù)需求。支持可配置的新數(shù)據(jù)分組傳輸和重傳時(shí)序，既滿足靈活幀結(jié)構(gòu)，又滿足低時(shí)延需求。

圖5 5G NR幀結(jié)構(gòu)定義

2.3 5G NR大規(guī)模天線

5G NR支持基于波束的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提供更靈活的網(wǎng)絡(luò)部署手段。LTE中同步、接入采用廣播傳輸模式，數(shù)據(jù)信道支持波束成形傳輸模式。為了實(shí)現(xiàn)同步、接入和數(shù)據(jù)傳輸3個(gè)階段的匹配，NR中同步、接入、控制信道、數(shù)據(jù)信道均基于波束傳輸，并支持基于波束的測(cè)量和移動(dòng)性管理，以同步為例，NR支持多個(gè)同步信號(hào)塊，單邊帶(single side ban，SSB)可以指向不同的區(qū)域，比如樓宇的高層、中層和地面，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供更多可調(diào)手段。

NR支持?jǐn)?shù)字和混合波束成形。低頻NR主要采用傳統(tǒng)的數(shù)字波束成形，針對(duì)高頻NR，既需要補(bǔ)償路損，又需要合理的天線成本，因而NR引入“擬+數(shù)字”模的混合波束成形。NR下行支持最大32端口的天線配置，上行支持最大4端口的天線配置；在具體MIMO傳輸能力方面，下行單用戶最大支持8流，最大支持12個(gè)正交多用戶，上行單用戶最大支持4流。與LTE定義了多種傳輸模式不同，NR目前定義了一種傳輸模式，即基于專用導(dǎo)頻的預(yù)編碼傳輸模式。此外，相比于LTE，5G新空口定義更多導(dǎo)頻格式如front-loaded和支持高速移動(dòng)的額外解調(diào)參考信號(hào)(demodulation reference signal,DMRS)以支持更多天線陣列模式和部署場(chǎng)景[8- 9]。

3 5G NR核心網(wǎng)架構(gòu)

5G核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)包括新的總體架構(gòu)和協(xié)議模型，針對(duì)移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)提供優(yōu)化的用戶接入、會(huì)話管理、服務(wù)質(zhì)量、策略控制以及應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)交互能力等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容，還標(biāo)準(zhǔn)化了端到端網(wǎng)絡(luò)切片、靠近無(wú)線網(wǎng)的邊緣計(jì)算應(yīng)用。

3.1 5G NR核心網(wǎng)架構(gòu)與接口

為支持差異化的5G應(yīng)用場(chǎng)景和云化部署方式，5G采用全新的基于服務(wù)化系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)架構(gòu)中的元素被定義為一些由服務(wù)組成的網(wǎng)絡(luò)功能，這些功能可以被部署在任何合適的地方，通過統(tǒng)一框架的接口為任何許可的網(wǎng)絡(luò)功能提供服務(wù)。這種架構(gòu)模式采用模塊化、可重用性和自包含原則來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)功能，使得運(yùn)營(yíng)商部署網(wǎng)絡(luò)時(shí)能充分利用最新的虛擬化和軟件技術(shù)，以細(xì)粒度的方式更新網(wǎng)絡(luò)的任一服務(wù)組件，或?qū)⒉煌姆?wù)組件聚合起來構(gòu)建服務(wù)切片。圖6描述了在控制平面內(nèi)使用基于服務(wù)的接口的非漫游參考架構(gòu)，該架構(gòu)體現(xiàn)了服務(wù)化架構(gòu)的設(shè)計(jì)原則[13]。

圖6 5G核心網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

5G核心網(wǎng)中主要網(wǎng)絡(luò)功能(network function，NF)的名稱和主要功能如下。

1)接入和移動(dòng)性管理功能(access and mobility management function，AMF)：主要提供網(wǎng)絡(luò)接入控制、接入和移動(dòng)性管理等功能，是網(wǎng)絡(luò)附屬存儲(chǔ)(network attached storage，NAS)信令的終結(jié)點(diǎn)。5G AMF針對(duì)不同類型的用戶終端提供終端能力參數(shù)、不同的移動(dòng)性策略和模式，并以此為依據(jù)提供優(yōu)化的連接管理和尋呼優(yōu)化。

2)用戶面功能(user plane function，UPF)：電源分配單元(power distribution unit，PDF)會(huì)話用戶面相關(guān)功能，即連接接入網(wǎng)和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(data network，DN)之間采用特定的封裝傳遞用戶數(shù)據(jù)報(bào)文，實(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)、監(jiān)聽、計(jì)費(fèi)等方面的功能;UPF不但實(shí)現(xiàn)4G網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)網(wǎng)關(guān)(serving gateway，SGW)、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)(packet data gateway，PGW)中的用戶面的各項(xiàng)功能外，還支持邊緣計(jì)算等新特性所需的用戶面功能。

3)會(huì)話管理功能(session management function，SMF)：電源分配單元(power distribution unit，PDU)，會(huì)話管理(建立、刪除、修改等)、UPF選擇、終端IP地址分配等；SMF實(shí)現(xiàn)了4G網(wǎng)絡(luò)中SGW、PGW中的控制面的各項(xiàng)功能，5G支持的PDU會(huì)話類型包括IPv4、IPv6、以太網(wǎng)和無(wú)結(jié)構(gòu)。

4)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)功能(network repository function，NRF)：實(shí)現(xiàn)服務(wù)的管理功能。NF啟動(dòng)時(shí)將自己提供的服務(wù)注冊(cè)到NRF。當(dāng)NF需要使用服務(wù)時(shí)，先查詢NRF，即可發(fā)現(xiàn)提供該服務(wù)的NF信息。

5)統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能(unified data management，UDM)：用戶簽約數(shù)據(jù)和鑒權(quán)數(shù)據(jù)的管理。

6)鑒權(quán)服務(wù)器功能(authentication server function，AUSF)：實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的鑒權(quán)的相關(guān)功能，與安全錨點(diǎn)功能(security anchor function，SEAF)配合完成密鑰相關(guān)的操作。

7)策略控制功能(policy gontrol function， PCF)：實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的策略和計(jì)費(fèi)控制的節(jié)點(diǎn)，制定并下發(fā)策略給控制面NF、虛幻引擎(unreal engine，UE)。

8)網(wǎng)絡(luò)開放功能(network exposure function，NEF)：實(shí)現(xiàn)將網(wǎng)絡(luò)能夠提供的業(yè)務(wù)和能力“暴露”給外部如第三方實(shí)體。

9)網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能(network slice selection function，NSSF)：根據(jù)用戶簽約和UE上報(bào)的候選網(wǎng)絡(luò)切片選擇信息(single network slice selection assistance information，NSSAI)來為UE選擇一個(gè)服務(wù)切片實(shí)例，并為UE指派提供服務(wù)的AMF集合。

10)應(yīng)用功能(application function，AF)：與核心網(wǎng)交互，以提供業(yè)務(wù)(如IP多媒體系統(tǒng),IP multimedia subsystem，IMS)的AF提供IMS話音呼叫服務(wù)。

11)策略控制與計(jì)費(fèi)功能(policy charging function，PCF)：在5G系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)展，從4G單純地針對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，擴(kuò)展到覆蓋用戶接入移動(dòng)性以及終端選路的策略控制。5G QoS質(zhì)量模型細(xì)化到每一個(gè)5元組的粒度，且由用戶面標(biāo)簽直接實(shí)現(xiàn)，無(wú)需額外信令，使不同的數(shù)據(jù)服務(wù)能夠有效利用無(wú)線資源，以支持各種應(yīng)用需求。

利用計(jì)算和存儲(chǔ)相互分離的思想，5G核心網(wǎng)還引入了可選的網(wǎng)絡(luò)功能(unstructured data storage function，UDSF)實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并為任意控制面的NF提供檢索功能。例如，將AMF中UE上下文數(shù)據(jù)交由UDSF存儲(chǔ)，其他的AMF也可以訪問，并在必要時(shí)比如某AMF死機(jī)時(shí)接管這些用戶數(shù)據(jù)。這種分離不但提升了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，還天然地支持NF的虛擬化部署，如運(yùn)行在虛擬環(huán)境中的NF可以按需調(diào)增或調(diào)減計(jì)算能力。

3.2 空口高層協(xié)議設(shè)計(jì)與過程

5G NR的空口高層協(xié)議通過與物理層信號(hào)傳輸相配合，確?？湛跓o(wú)線數(shù)據(jù)按序可靠傳輸，無(wú)線資源高效管理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制與切換管理等重要功能的系統(tǒng)傳輸過程。NR的空口協(xié)議棧和過程基于LTE，并根據(jù)5G傳輸特點(diǎn)，有針對(duì)性地增加了相應(yīng)功能。

如圖7所示，NR的空口控制面協(xié)議棧采用了和LTE一樣的架構(gòu)[14]。

圖7 NR空口用戶面協(xié)議棧

控制面協(xié)議棧的核心協(xié)議層為無(wú)線資源控制(radio resource control，RRC)層，其功能大部分與LTE類似，比如支持系統(tǒng)信息、尋呼、接入控制、連接控制、安全、移動(dòng)性管理、測(cè)量和網(wǎng)絡(luò)附屬存儲(chǔ)(network attached attached storage，NAS)消息傳輸?shù)?。但在一些具體特性上，NR相比LTE有所增強(qiáng)。

NR的用戶面協(xié)議棧相比LTE做了一定的增強(qiáng)。用戶面協(xié)議棧自上至下包括服務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議(service data adaptation protocol，SDAP)，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議(packet data convergence protocol，PDCP)，無(wú)線鏈路層控制(radio link control，RLC)層協(xié)議和媒體存取控制位址(media access control address，MAC)4個(gè)協(xié)議層。

SDAP層是NR新引入的協(xié)議層，該協(xié)議層的引入是因?yàn)?G核心網(wǎng)相比4G核心網(wǎng)在QoS、管理和承載粒度方面有重大的變化，需要一個(gè)新的協(xié)議層來進(jìn)行5G的核心網(wǎng)到NR空口之間的承載映射。在4G階段，核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)以演進(jìn)分組系統(tǒng)(evolved packet system ，EPS)承載的粒度發(fā)送到基站，基站將在EPS承載和空口的無(wú)線承載之間維持簡(jiǎn)單的一對(duì)一關(guān)系;而5G核心網(wǎng)發(fā)送到基站的數(shù)據(jù)粒度為QoS流，基站需要將相同或者相近QoS需求的QoS流映射到一個(gè)無(wú)線承載上完成空口的傳輸?？茖W(xué)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)(science data analytics platform,SDAP)的主要功能是管理核心網(wǎng)QoS流與空口無(wú)線承載之間的映射關(guān)系，支持NAS：非接入層和接入層的反向映射功能，在數(shù)據(jù)包中攜帶QoS流標(biāo)識(shí)信息，支持無(wú)損QoS流與空口無(wú)線承載之間的映射關(guān)系變更。

NR PDCP層繼承了LTE PDC的基本功能，主要為數(shù)據(jù)傳輸提供頭壓縮和安全方面的操作。相比于4G LTE，NR PDCP新增對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)完整性保護(hù)的功能，支持?jǐn)?shù)據(jù)重復(fù)傳輸和重復(fù)數(shù)據(jù)刪除，支持重排序和亂序遞交功能。

NR RLC層也是在LTE RLC的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，同樣支持TM、UM和AM等3種傳輸模式，為業(yè)務(wù)提供不同的傳輸可靠性保障。相比于LTE，NR RLC去掉了數(shù)據(jù)級(jí)聯(lián)功能，RLC分段數(shù)據(jù)單元(segment data unit，SDU)和RLC PDU之間是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，主要為了滿足在大數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行預(yù)處理的需求，并且將接收端的數(shù)據(jù)包重排序功能從RLC移到了PDCP，便于提升接收端處理效率。同時(shí)針對(duì)5G不同需求，對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包和控制數(shù)據(jù)包格式進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

NR MAC層沿襲了LTE的基本特性，如對(duì)雙連接(dual connectivity，DC)、載波聚合(carrier aggregation，CA)的支持，MAC層基本過程等。同時(shí)，NR MAC層針對(duì)5G引入的一些新特性以及高層和物理層的增強(qiáng)進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)。MAC層支持的新特性包括:帶寬部分(band width part，BWP)、光束故障恢復(fù)(beam failure recovery， BFR)、補(bǔ)充上行鏈路(supplementary uplink ,SUL)和PDCP復(fù)制等。MAC層過程仍包括隨機(jī)接入、上行TA維護(hù)、調(diào)度傳輸、資源預(yù)分配、緩沖區(qū)狀態(tài)報(bào)告(buffer status report，BSR)上報(bào)、功率余量報(bào)告(power headroom report ，PHR)上報(bào)和非連續(xù)接收(discontinu-ous reception，DRX)等，但每個(gè)過程針對(duì)NR特性各有增強(qiáng)?；跀?shù)據(jù)預(yù)處理的需求，MAC層對(duì)MAC PDU結(jié)構(gòu)做了根本性變更，MAC PDU格式改為由多個(gè)MAC subPDU組成，每個(gè)MAC subPDU是一個(gè)獨(dú)立的MAC子頭和必要的負(fù)載的組合。

4 5G NR接入網(wǎng)架構(gòu)與接口

針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的高吞吐量、低延遲的密集部署，5G NR采用了中心控制節(jié)點(diǎn)(central unit，CU)和分布節(jié)點(diǎn)(distributed unit，DU)相結(jié)合的部分分離架構(gòu)形式，同時(shí)可以減少資本投入，降低維護(hù)成本。為了支持4G和5G網(wǎng)絡(luò)的融合以及滿足早期部署需求，還引入了LTE和5G NR的雙連接。

4.1 5G NR核心網(wǎng)架構(gòu)與接口

NR的接入網(wǎng)由gNB和ng-eNB兩類節(jié)點(diǎn)組成，其中g(shù)NB是提供NR接入技術(shù)的基站，而ng-eNB是提供E-UTRA接入技術(shù)并連接到5G核心網(wǎng)的基站，這兩類節(jié)點(diǎn)統(tǒng)稱NG-RAN節(jié)點(diǎn)。NG-RAN節(jié)點(diǎn)和5G核心網(wǎng)通過NG接口進(jìn)行連接，NG-RAN節(jié)點(diǎn)之間通過Xn接口進(jìn)行連接，如圖8所示[14]。

圖8 5G系統(tǒng)核心整體架構(gòu)

4.1.1 NG接口

NG接口分為用戶面和控制面，類似LTE的S1接口，NG接口用戶平面的傳輸網(wǎng)絡(luò)層基于IP傳輸，UDP/IP協(xié)議之上采用GTP-U來傳輸核心網(wǎng)和接入網(wǎng)之間的用戶平面分組數(shù)據(jù)單元(packet data unit，PDU)。NG接口控制平面與用戶平面類似基于IP傳輸，不同的是控制平面在IP層的上面采用流控制傳輸協(xié)議(stream gontrol Transmission protocol，SCTP)，為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制層信令消息提供可靠的傳輸。NG接口的控制面和用戶面協(xié)議棧如圖9所示。NG控制面的主要功能包括NG接口管理、UE上下文管理、UE移動(dòng)性管理、NAS消息傳輸、尋呼以及PDU會(huì)話管理等。用戶面提供NG-RAN節(jié)點(diǎn)和5G核心網(wǎng)之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸功能。

圖9 NG接口的用戶面和控制面協(xié)議棧

4.1.2 Xn接口

Xn接口也分為用戶面和控制面，其用戶面協(xié)議結(jié)構(gòu)和控制面協(xié)議結(jié)構(gòu)與NG接口類似。Xn的用戶面提供NG-RAN節(jié)點(diǎn)之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸功能?？刂泼嬷饕峁n接口管理、UE移動(dòng)性管理(包括切換和尋呼)以及雙連接等功能。

4.2 接入網(wǎng)內(nèi)部分離架構(gòu)

為了支持靈活的網(wǎng)絡(luò)部署方式及接入網(wǎng)絡(luò)的虛擬化，5G NR引入了gNB-CU/gNB-DU分離的架構(gòu)。其中，gNB-CU是中心控制節(jié)點(diǎn)，包括RRC和PDCP功能，gNB-DU是分布節(jié)點(diǎn)，包括RLC、MAC和物理層。通過CU/DU的架構(gòu)，可以提升各節(jié)點(diǎn)間資源協(xié)調(diào)和傳輸協(xié)作能力，并通過將CU云化和虛擬化，可以提升網(wǎng)絡(luò)資源的處理效率。如圖10所示，為了進(jìn)一步增強(qiáng)部署的靈活性和實(shí)現(xiàn)的便利性，可將gNB-CU的控制面和用戶面部署在不同的位置，引入gNB-CU-CP/gNB-CU-UP分離(用戶面和控制面分離)的架構(gòu)?？梢钥闯?，一個(gè)gNB可由一個(gè)gNB-CU-CP和多gNB-CU-UP以及多個(gè)gNB-DU組成。gNB-CU-CP通過E1接口和gNB-CU-UP連接，gNB-DU通過F1接口和gNB-CU連接，其中F1-C終止在gNB-CU-CP，F(xiàn)1-U終止在gNB-CU-UP。

圖10 gNB-CU-CP和gNB-CU-UP分離架構(gòu)

E1接口主要支持接口管理和承載管理的功能，F(xiàn)1接口分為控制面和用戶面。F1接口控制面提供接口管理、系統(tǒng)信息管理、UE上下文管理、尋呼及RRC消息傳遞等功能；F1接口用戶面主要在gNB-DU和gNB-CU-UP之間提供數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)，F(xiàn)1用戶面還支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)牧骺貦C(jī)制，以進(jìn)行擁塞控制。

4.3 5G NR中LTE和NR雙連接

未來5G應(yīng)用頻譜資源包含了更高頻段，如6 GHz以上毫米波頻段，同時(shí)考慮到4G與5G網(wǎng)絡(luò)融合及更早推動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)部署等方面，3GPP標(biāo)準(zhǔn)支持LTE與NR聯(lián)合組網(wǎng)的方式，即由LTE提供基本的覆蓋和移動(dòng)性支持，5G NRRAN節(jié)點(diǎn)輔助提供更高的容量，這種組網(wǎng)方式稱為MR-dual gonnectivity(DC)(Multi-RAT)。如圖11所示，MR-DC根據(jù)接入網(wǎng)連接的核心網(wǎng)類型以及主輔節(jié)點(diǎn)的類型進(jìn)一步分為如下3種方式。

圖11 5G NR中LTE和NR雙連接

EN-DC:EN-DC指E-UTRAN/NR雙連接，其中主節(jié)點(diǎn)是eNB，輔節(jié)點(diǎn)是en-gNB。接入網(wǎng)和演進(jìn)分組核心(Evolved Packet Core，EPC)的控制面信令通過eNB和EPC交互，en-gNB和EPC之間只有用戶面連接，沒有控制面連接。

NGEN-DC:NGEN-DC指NG E-UTRAN/NR雙連接，其中ng-eNB是主節(jié)點(diǎn)，gNB是輔節(jié)點(diǎn)，ng-eNB和核心網(wǎng)通過NG控制面連接。

NE-DC:NE-DC指NR/E-UTRAN雙連接，其中g(shù)NB是主節(jié)點(diǎn)，提供和5G控制面信令連接，ng-eNB是輔節(jié)點(diǎn)。

在5G部署初期，連接到EPC，同時(shí)又能提供5G高速率服務(wù)的EN-DC的方式對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)影響小，是很多運(yùn)營(yíng)商在部署初期的選擇.后續(xù)可演進(jìn)為NE-DC和NGEN-DC方式，以提供完整的5G服務(wù)。

5 6G展望

從目前的時(shí)間表上來看，ITU從2020年開始收集6G愿景，3GPP將在2023年開展6G研究項(xiàng)目工作。ITU計(jì)劃在2025年確定6G需求，3GPP在此基礎(chǔ)上開展6G規(guī)范制定，2030年ITU將完成評(píng)估工作，3GPP開始商用推廣，具體的關(guān)鍵指標(biāo)如表2所示[16]。

表2 5G和6G關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

從目前的技術(shù)需求看來，6G網(wǎng)絡(luò)將從5G的“萬(wàn)物互聯(lián)”逐漸過渡到“智能互聯(lián)”階段，人工智能(artificial intelligence，AI)將廣泛應(yīng)用在頻譜管理中，認(rèn)知無(wú)線電與智能頻譜共享以及智能動(dòng)態(tài)頻譜接入，在網(wǎng)絡(luò)管理中也大量使用AI技術(shù)，無(wú)線資源調(diào)度、多輸入多輸出(multiple-input multiple-output，MIMO)波束管理以及網(wǎng)絡(luò)切片等更加智能化，實(shí)現(xiàn)更低延遲、更可靠以及矢量化的網(wǎng)絡(luò)管理。在網(wǎng)絡(luò)邊緣也有可能使用AI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)邊緣化網(wǎng)絡(luò)決策[17]。

為了滿足越來越高傳輸速率，6G未來的頻譜將從現(xiàn)在毫米波頻段擴(kuò)展到THz頻段甚至光頻，例如全雙工傳輸和軌道角動(dòng)量技術(shù)等新的調(diào)制與傳輸技術(shù)將大量使用，現(xiàn)在的大規(guī)模MIMO技術(shù)也逐漸發(fā)展成全息MIMO技術(shù)。

未來超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(ultra-dense heterogeneous network ，UDN)和天地一體化的通信將使6G網(wǎng)絡(luò)逐漸“去蜂窩化”，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來越多樣化[20]。

在應(yīng)用方面，未來6G高速、高可靠性的傳輸會(huì)推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)把虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)以及混合現(xiàn)實(shí)(mediated reality，MR)結(jié)合起來，形成更加豐富多彩的擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(extended reality，XR)應(yīng)用。6G將發(fā)展出全新的6D高精度定位技術(shù)，結(jié)合邊緣計(jì)算將推動(dòng)無(wú)人空中駕駛成為現(xiàn)實(shí)[16]。

隨著網(wǎng)絡(luò)不斷復(fù)雜化，傳輸更加多樣化，未來6G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不可能使用現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)中的安全技術(shù)，新的安全技術(shù)和安全管理方法將保障網(wǎng)絡(luò)更加可靠的工作[21]。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著5G商業(yè)化的方向發(fā)展，2020年將會(huì)是5G NR商用部署加速一年，5G部署也會(huì)從最初的基于非獨(dú)立(non-standalone，NSA)架構(gòu)朝著獨(dú)立(standalone,SA)部署邁進(jìn)。

當(dāng)前，大多數(shù)通信運(yùn)營(yíng)商都已開始商用6 GHz以下5G網(wǎng)絡(luò)，建立與其業(yè)務(wù)戰(zhàn)略相符的多頻帶戰(zhàn)略，一般sub-GHz以下用于覆蓋增強(qiáng)，其他頻段實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，未來毫米波頻段用于高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

從對(duì)5G NR技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)出發(fā)，分析5G NR系統(tǒng)的物理層關(guān)鍵技術(shù)、空口協(xié)議棧過程、接入網(wǎng)架構(gòu)與接口設(shè)計(jì)、基于服務(wù)化架構(gòu)的核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，通過對(duì)5G技術(shù)整體設(shè)計(jì)思路、方案和特點(diǎn)整體把握，展望了未來6G移動(dòng)通信發(fā)展方向。