5G_6G技术白皮书|免费下载.pdf

5G/6G白皮 书 前言 2019 年被视为 5G 非独立组网 （ NSA） 商用化元年， 2020 年标志着 5G 独立 组网 （ SA） 商用化的发端。随着大规模商业部署的开展，以超宽带和低延迟为特 征的 5G 通信 基础设施正在推动千行百业逐步实现数字化转型。在 此 过程中，移 动通信不仅预期为人类社会发展提供各种便利，更是通过 支持 日新月异的创新应 用潜移默化地改变人类的生活方式、工作方式 以及 社交方式等等。未来十年，这 种技术经济发展趋势将得到 进一步 深化。本白皮书 旨在通过回顾 移动 通信技术 演 进 历程 、 总结 5G 通信 和 标准化 关键技术以及 业务 应用状况 ，展望未来 移动 通信 技术发展趋势， 期望能 为本领域提供一些 有价值的 参考，对引导业界为构造 更加 强大的 6G 移动 通信系统进行铺垫。 首先，本白皮书 通过技术标准和核心业务回顾了 移动通信技术近 40 年的发 展 历程 ， 基于 5G 技术 发展的里程碑 、 主要设计目标 、 支持的频谱范围及网络部 署模式初步展示了 5G 的概况 。 5G 技术 于 2016 年正式更名为 5G 新无线 （ New Radio） ， 以 国际电联 ITU 定义的三大场景 （增强移动宽带 eMBB、大连接 mMTC 及超低时延高可靠 URLLC） 作为 设计 目标 ，在全球范围和区域范围开展了 5G NR 频谱分配，并在 3GPP 组织下进行了 国际 标准制定，是全球通信产业链 几百家公 司 共同努力的研发成果。 接着，本白皮书 详细探讨 了 5G 场景需求以及 3GPP 5G 关键技术，力求阐明 5G 的业务 、技术 特点 及其 底层 设计逻辑。 为 有效 支持 上述 三大 典型 场景 所涵盖 的丰富的性能指标 ， 5G 关键技术 庞大， 复杂而精细。本白皮书将其规约为三个 主要 方面基础技术 是构成 5G 技术体系 的 基石 ， 重点介绍了 5G 的物理层关键 技术，如波形设计、帧结构设计、大规模天线设计等，以及用户的移动性管理 ； 网络层关键技术 侧重于 5G 系统的网络架构和网络层方向的一些重大技术创新； 面向垂直行业应用 列举 了基于 5G 的车联网通信，低时延高可靠通信，以及物联 网通信 等重要技术 。 同时， 我们展示了联想在 5G 技术及标准化活动中的积极 贡 献 和 丰硕 成果。 市场发展状况是 对 技术和标准优劣最直接的验证。 通过分析可以看出， 5G 移 动通信 的 系统部署和用户普及比以往任何一代移动通信系统都更加快速。 而 5G 另一独特之处在于其通过对垂直行业的支持 将服务对象从 人 的范畴扩展到 进一 步包含 物 的范畴 ， 从而 在实现工业 4.0 以促进社会生产力持续发展中起到 至关 重要的 作用。 联想 预见 到了 5G 将对 信息通信融合 （ ICT） 产生 深远 影响 ，对 5G 技术领域战略投资中不仅 很早 开始 布局技术标准领域的 基础积累 ，而且重视 关键 技术的研发和落地。 无论是作为中坚力量的终端设备（笔记本电脑 ， 智能手机 ， AR 眼镜等），还是初具竞争力的网络设备（云化小基站， MEC 软件平台 ， MEC 硬件等），到 作为 后 起 新秀的 垂直 行业解决方案（智慧教育 ， 智慧医疗 ， 智能制 造 ， 智能车联网等），联想 5G 相关的研发成果 和产品 从深度和广度上 进行了全 面突破 。 5G 技术标准和商业部署的成熟正在催生人类社会对于信息需求的基本模式 的变化，迫切要求信息处理能力的革命性提升，以加速发展以普及数字化、泛在 连接化、高度智能化为特征的 6G 时代新型社会。 6G 预期 的新场景和应用所需要 的超高速率，超大容量，极高的可靠性和极低的时延， 需要 建立在物理层可能提 供的链路和系统容量之上。 预计 6G 的底层将采用一系列新技术，包括新型工艺 和材料，新型器件，新频段（太赫兹、可见光），新型双工复用方式，新型电磁 波传播方式，以及新方法（人工智能应用于物理层设计）。与以往通信系统相比， 6G 网络也预期取得根本性变 革以保证更高精度端到端 QoS 或 QoE 的确定性业务 提供，替代现有的尽力而为服务保障。从这个意义上说，在 6G 网络众多可预期 的特征中，随处可及、泛在智能、安全可信显得尤为突出。 5G 作为新基建的核心领域之一，正在为助力经济转型升级和高质量发展发 挥作用。 6G 预期将通过提供极具创新的应用，彻底改变人类行为的各个层面。 满足信息需求不断进步以赋予人类更加安全、便捷的生活，并促进社会生产力持 续提升 这一目标将 为 未来 通信 技术发展 提供源源不断的 灵感和 动力。 目 录 1. 5G 概述 ................................................................................................................................................. 3 1.1. 移 动 通信 技术演进 ......................................................................................................................................... 3 1.2. 5G 的 定义 ........................................................................................................................................................... 4 1.3. 5G 的 频谱 ........................................................................................................................................................... 6 1.4. 5G 的网 络 部署模式 ......................................................................................................................................... 6 1.4.1. 5G 商用初期选择 NSA，再向 SA 网络演进 .................................................................................. 8 1.4.2. 5G 商用初期直接选择 SA .................................................................................................................... 8 2. 5G 技 术 及 标 准化 .............................................................................................................................. 10 2.1. 5G 的 场景和需求 .......................................................................................................................................... 10 2.1.1. 增强移动宽带 ...................................................................................................................................... 10 2.1.2. 低时延高可靠场景 ............................................................................................................................. 11 2.1.3. 大连接场景 ........................................................................................................................................... 12 2.1.4. 网络运营 ............................................................................................................................................... 12 2.2. 3GPP 5G 关键技术 ......................................................................................................................................... 13 2.2.1. 基础技术 ............................................................................................................................................ 13 2.2.2. 网络层关键技术 .............................................................................................................................. 38 2.2.3. 面向垂直行业应用技术 ................................................................................................................ 59 2.3. 联想在 5G 技术及标准领域的研发成果 .............................................................................................. 75 3. 5G 业务 的 应 用 发 展 状况 .................................................................................................................. 77 3.1. 5G 市 场的发展概述 ...................................................................................................................................... 77 3.2. 5G 在垂直行 业 中的 应用场景 ................................................................................................................... 79 3.3. 联想在 5G 产品领域的研发成果 ............................................................................................................ 80 3.3.1 终端设备类 5G 产品 ........................................................................................................................... 81 3.3.2 网络设备类 5G 产品 ........................................................................................................................... 85 3.3.3 垂直行业类 5G 解决方案 .................................................................................................................. 88 4. 6G展 望 ............................................................................................................................................... 92 4.1. 通信需求 发 展 趋势 ...................................................................................................................................... 92 4.2. 面向 6G 的潜在关 键 技 术 .......................................................................................................................... 93 4.2.1. 物理层关键技术 ................................................................................................................................. 93 4.2.2. 网络层关键技术 ............................................................................................................................... 107 参考文献 .................................................................................................................................................... 111 缩 略 语 ........................................................................................................................................................ 113 图 ................................................................................................................................................................. 118 表 ................................................................................................................................................................. 122 免 责 声明 .................................................................................................................................................... 123 权利声明 .................................................................................................................................................... 125 3 1. 5G概述 1.1. 移 动 通信 技术演进 移动通信 一般 遵循 10 年一代的规律，随着 市场和业务 需求的升级，从 1G 到 5G 一直在持续演化， 具体请 参 见 图 1.1 的演化历程 。 20 世纪 80 年代中期开始， 提供语音业务的 第一代（ 1G） 模拟 移动 通信 技术 逐渐成长起来。 该 模拟 通信采用的 制式 主要包括 美国 的 AMPS（ Advanced Mobile Phone System） 以及 北欧 的 NMT（ Nordic Mobile Telephone）。 后来， 20 世纪 90 年代 又 产生了 第一个数字通信 系统 方案 ， 即 2G移动 通信， 其 制式 包括 欧洲的 GSM （ Global System for Mobile Communications） 以及 美国的 数字化 AMPS（ digital- AMPS, d-AMPS） 。 红极一时的 短信 SMS（ Short Message Service） 业务 就是 在 2G 时代被引入 进来的 。 图 1.1 移动通信演进路线 进入新千年， 为满足不断增长的 移动 数据接入 需求 ，全球 移动通信 进入 了 3G 时代 。 其 主要的技术标准包括 TD-SCDMA（ Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access） ， WCDMA（ Wideband CDMA） 以及 CDMA2000。 从此， 以 流媒体 4 为代表的移动数据业务 进入 了 人们的 视线 。 从 3G 技术 向 4G 技术 演进 初期 存在 两个 主要 备选方案 其一是 3GPP（ Third Generation Partnership Project）组织 提 出 的 LTE（ Long Term Evolution系统 ， 此系统 采用 OFDM（ Orthogonal Frequency Division Multiplexing） 以及 TDD/FDD（ Time Division Duplexing/Frequency Division Duplexing） 替代 了 CDMA（ Code Division Multiple Access） 技术 。 其二 是基于 IEEE 802.16m 的 WiMAX Worldwide Inter-operability for Microwave Access 技术 。 LTE 进一步 演进为 LTE 增强 版本 LTE-A（ LTE-Advanced） ， 在热点 覆盖 和小区边缘 QoS 保障上 均 有 更 好 的表现， 逐渐 成为 了 4G 的 主流 技术 ，并 在 之后成为 向 5G 技术 演化 的 基础。 1.2. 5G的 定义 5G 无线接入技术 （ Radio Access Technology， RAT） 的概念 产生 和研发 工作 开 始于 2010 年左右 ，以满足当时提出的新兴应用和业务需求。 自 2016 年起， 5G RAT 正式 更名为 5G 新无线 （ New Radio， NR）。 5G NR 基于国际电联 ITU （ International Telecommunication Union） 定义的 5G 需求 1， 在全球和区域范 围 开展了 5G NR 频谱分配，并在 3GPP 组织下 开始进行 标准制定， 并于 2018 年 发布了第一个 R15 标准版本，这 是全球通信产业链共同努力的研发成果。图 1.2 通过 5G 需求 /技术 标准化以及商业部署 的关键时间节点 示意了它们之间的关联 。 5 图 1.2 5G 移动通信里程碑 5G 的主要设计目标，如图 1.3 所示， 主要涵盖 三 大 核心场景，即 增强移动宽 带 场景 （ enhanced Mobile BroadBand， eMBB）、 大连接场景（ massive Machine Type Communication， mMTC）以及 低时延高可靠场景（ Ultra Reliable Low Latency Communication， URLLC） 。 eMBB 专注于 实现 峰值速率超过 20Gbps，保障最低速 率 100Mbps， 支持 500km/h 移动性 以及 10-100 Mbits/s/m2 业务容量提升。 mMTC 旨在优化网络和设备，实现 106/km2 的设备接入。 URLLC 的目标是提供超低延迟 （ 低至 1ms） 超高可靠性 （ 高达 99.9999） 的接入性能。 图 1.3 5G 主要设计目标 6 1.3. 5G的 频谱 5G NR 支持的频段可从 1GHz 到 100GHz。目前，在 Rel-15 和 Rel-16 标准中 ， 3GPP 将可用频段分为两大频率范围（ Frequency Range， FR），如 下 表 1.1 所示。 其中， FR1 就是常说的 Sub-6GHz，其可支持的最大信道带宽是 100MHz。 FR2 就 是常说的毫米波频段，其最大可支持 400MHz 信道带宽。目前，全球优先部署的 5G 频段为 n77、 n78、 n79、 n257、 n258 和 n260，频率分别集中在 3.3GHz-4.2GHz、 4.4GHz-5.0GHz 和毫米波 26GHz/28GHz/39GHz。 表 1.1 G 支持的频率范围 频率范围 FR1 410 MHz 7125 MHz FR2 24250 MHz 52600 MHz 1.4. 5G的网 络 部署模式 为满足全球运营商 5G 网络在不同阶段的部署需求， 3GPP 制定的 5G 网络标 准定义了独立（ StandAlone， SA）组网和非独立（ Non-StandAlone， NSA）组网两 大类部署模式。 3GPP TR 38.801 中定义了五种 5G 组网方式 2。 如图 1.4 所示 Option 2 和 Option 5 为 SA 组网方式； Option 3、 Option 4 和 Option 7 为 NSA 组网 方式。 Option 2独立工作的 NR 基站 gNB 和 5GC。通过部署 NR gNB 接入 5GC （ 5G Core） ，端到端实现了 SA 组网， Option 2 是业界公认的 5G 目标架构 和最终形态 。 7 Option 3依托于 EPC，以 LTE 系统的 eNB 作为主基站， NR 系统的 gNB 作 为辅基站构成的双链接架构，称之 为 EN-DC（ E-UTRA-NR Dual Connectivity） 。 Option 4在 option 2 的基础上，以 NR 系统的 gNB 作为主基站， LTE 系统 的 eNB 作为辅基站构成的双链接架构，称之为 NE-DC（ NR-E-UTRA Dual Connectivity） 。 Option 5 LTE 基站升级接入 5GC，称之为 eLTE。 Option 7在 Option 5 的基础上，以 eLTE 基站 ng-eNB 作为主基站， NR 系 统的 gNB 作为辅基站的双链接架构，称之为 NGEN-DC（ NG-RAN E-UTRA- NR Dual Connectivity） 。 图 1.4 5G 候选组网方式 根据运营商 5G 商用部署进度计划、可用频谱资源、终端和产业链成熟情况、 总体建网成本等，运营商可以选择不同的组网部署演进路线。 NSA Option 3 标准 化完成时间早，依托于 LTE 网络的低频覆盖，部署 NR 高频热点覆盖提供高容量， 8 被不少运营商作为 5G 初期部署的优先选择；而 SA Option 2 能端到端体现 5G 全 部网络优势，作为 5G 网络演进的最终目标。总体来说运营商 5G 网络部署演进 路线分为两大类 1.4.1. 5G 商用初期选择 NSA，再向 SA 网络演进 该网络演进路线为 LTE- NSA Option 3- Option 7-Option 4 -Option 2。 5G 网络部署初期，依托于现有的 EPC 和 LTE 网络，通过 Option 3 的方式部署 NSA 高频 NR 基站；等时机和产业链成熟，将 EPC 演进到 5GC，可选的部署 Option 7 和 /或 Option 4。最终实现 SA 5G 网络。目前欧美运营商优选考虑该演进路径。 图 1.5 5G 网络演进路线 1 1.4.2. 5G 商用初期直接选择 SA 该网络演进路线为 LTE-Option 2。该网络演进路线一步实现 SA 5G 网络。 在终端和产业链成熟、 5G 低频频谱资源丰富和不考虑组网成本的情况下，运营 商可以一步实现 5G 独立网络的部署。目前中国运营商 主要 考虑实现该演进路径。 9 图 1.6 5G 网络演进路线 2 10 2. 5G技 术 及 标 准化 2.1. 5G的 场景和需求 较 4G 技术来说， 5G 技术支持更为广泛的场景和业务 5G 技术不仅支持传 统的智能终端移动网络的需求，还支持政企、工业等垂直行业的业务场景和需求。 为了提炼 5G 技术的场景和需求， 3GPP 组织研究了 74 个典型用例，并归为以下 四大类场景 - 增强移动宽带（ eMBB） - 低时延高可靠场景（ URLLC） - 大连接场景（ mMTC） - 网络运营（ Network Operation） 其中低时延高可靠场景（ URLLC）和大连接场景（ mMTC）可进一步归为垂直 行业场景，在下一章节中会统一介绍相关关键技术。 图 2.1 5G 场景示意图 2.1.1. 增强移动宽带 增强移动宽带场景 eMBB 较 4G 技术进一步增强了数据速率，并提出了更丰 11 富的指标来综合衡量增强移动宽带的性能。例如除了峰值速率的要求，还有区分 场景的速率要求（共 9 类场景），用户体验速率要求，流量密度要求，用户密度 要求，移动性要求等等。下面表格中 列 举了几个分场景速率要求的例子 表 2.1 典型业务需求（ eMBB） 场景 用户体验速 率（下行） 用户体验速 率（上行） 流量密度 （下行） 流量密度 （上行） 用户密 度 移动性要求 室内 热点 1 Gbit/s 500 Mbit/s 15 Tbit/s/km2 2 Tbit/s/km2 250 000/km2 步行速度 密集 城区 300 Mbit/s 50 Mbit/s 750 Gbit/s/km2 125 Gbit/s/km2 25 000/km2 步行速度 车辆中的用户 （ 60 公里时 速） 高速 铁路 50 Mbit/s 25 Mbit/s 15 Gbit/s/train 7,5 Gbit/s/train 1 000/train 高铁中的用户 （ 500 公里时 速） 2.1.2. 低时延高可靠场景 低时延高可靠场景 URLLC 指那些要求具备超低时延和超高可靠性的业务， 例如工业控制，车联网业务，高铁通信等等。其可靠性要求可高达 99.9999，时 延要求高达 1ms。一些典型业务如下 运动控制 传统运动控制的特点是对通信系统的延迟、可靠性和可用性有 很高的要求。支持运动控制的系统通常部署在局部地区（例如厂房），但 也可能部署在更广泛的地区（例如城市范围的智能电网）， 出于 安全和数 据隐私的考虑，访问可能仅限于授权用户，并且与其他移动用户使用的网 络或网络资源隔离。 远程控制 远程控制的特点是由人或计算机远程操作终端。例如，远程驾 驶允许远程驾驶员或 V2X 应用程序在没有驾驶员的情况下操作远程车辆， 12 或远程车辆处于危险环境中例如矿山。 高铁通信 铁路通信（如铁路、轨道交通）使用基于 3GPP 的移动通信（如 GSM-R）已经有一段时间了，而列车上仍有司机。下一步的发展将是提供 完全自动化的列车操作，这需要高度可靠的通信，中等延迟，但 支持的移 动 速度 需要 高达 500 公里 /小时。 2.1.3. 大连接场景 大连接场景 mMTC 主要是指那些业务量不大，但终端数量较大的场景。例如 物联网场景，智能穿戴场景，传感网络场景等。像物联网场景，一般具有较大的 终端数量和非实时的业务，需要考虑安全和配置的特殊性。智能穿戴场景，包括 不同种类的终端和传感器，较为关注终端的低复杂度和续航时间。传感网络场景， 一般应用在智慧城市之中，具有非常大的终端密度，并且 具有种类繁多的业务。 这种场景下也需要终端具有低复杂度和较长的续航时间。对于大连接场景来说， 连接数密度要求达到每平方公里百万级的连接数。 2.1.4. 网络运营 5G 技术由于支持更加丰富多种的业务，因此对于系统运维方面的能力也有 了更高的要求，主要体现在灵活的功能和能力，创造新的价值，业务迁移和多种 网络技术的协同，网络优化和增强以及安全方面。例如网络切片 可以 灵活 地 根据 场景、市场领域来划分网络 。 弹性和可扩展的网络可以使得运营商快速上线新的 业务，在 5G 系统上线初期可以平滑的将业务迁移至 5G 网络，并和 4G 等技术共 存 ， 共同为用户提供服务等。 13 2.2. 3GPP 5G 关键技术 在这一章节， 5G 关键技术介绍主要分为以下三个部分 1基础技术部分。 这一部分的内容重点介绍了 5G 的物理层关键技术，如波形设计、帧结构设计、 大规模天线设计等，以及用户的移动性管理； 2网络层关键技术，重点介绍了 5G 系统的网络架构和网络层方向的一些重大技术创新； 3面向垂直行业应用 技 术 ，重点介绍了基于 5G 的车联网通信，低时延高可靠通信，以及物联网通信。 2.2.1. 基础技术 虽然 5G 有三大应用场景，但是大多数的关键技术都是适用于各个场景的， 尤其是物理层关键技术，是 5G 技术的核心。 2.2.1.1. 信号波形 5G NR 下行传输只支持传统的带循环前缀的 OFDM CP-OFDM波形，而上行 传输既可以支持带循环前缀的 OFDM 波形，也可以支持带 DFT 扩展的 OFDM DFT- S-OFDM，图 2.2 演示了下行和上行的波形生成过程 。在实际传输中，由于 DFT- S-OFDM 可以保持较低的上行峰均比，所以可为小区边缘用户提高上行发射功率， 因此 DFT-S-OFDM 只能用于上行单层传输。相比较而言， CP-OFDM 的上行峰均比 较高，所以通常用于小区中心用户。而通常小区中心用户的信道条件较好，信噪 比较高，故 CP-OFDM 用于上行多层传输。 14 图 2.2 下行和上行的波形生成过程 当然， OFDM 技术也有自身的一些缺陷如峰均比较高，需要精确的时频同 步，循环前缀带来一定的资源开销。此外， OFDM 技术的带外泄露也比较严重， 使得相邻的频段必须插入较宽的保护频带。比如，在 4G LTE 系统， 20MHz 的带 宽，其中可用的带宽只有 18MHz，意味着频谱利用率只有 90。所以在 5G NR 中， 为了进一步提高频谱利用率，采用了加窗和滤波器技术，可以将频谱利用率提高 到 98。 在 4G LTE 系统中，只定义了 15kHz 这一种子载波间隔。而 5G NR 由于要支 持的频率范围非常广，包括低频、中频、高频以及毫米波频段，所以需要多种子 载波间隔。为了保持一定的后向兼容性和可扩展性，新增的子载波间隔定义为 f 2 15 kHz，其中 0, 1, 2, 3, 4。当 0 时， f 15 kHz，此时完全兼 容了 LTE 系统。在实际使用中， FR1 下的数据信道传输只支持 15kHz， 30kHz 和 60kHz， FR1 下的同步信道传输只支持 15kHz 和 30kHz。 FR2 下的数据信道传输只支持 60kHz 和 120kHz， FR2 下的同步信道传输只支持 120kHz 和 240kHz。具体 子载波间隔 情 况如下表 2.2 所示。 另外，为了支持较大的小区覆盖，像 LTE 系统那样， NR 也支持扩展循环前 缀（ extended cyclic prefix）。由于使用扩展循环前缀会带来较大的系统资源开销， 所以在 NR 标准中，只有当子载波间隔为 60kHz 时才支 持扩展循环前缀。 T r a n s f o r m P r e c o d i n g * S u b - c a r r i e r M a p p i n g I F F T C P I n s e r t i o n * O p t i o n a l l y p r e s e n t i n U L , n o t p r e s e n t i n D L 15 表 2.2 5G NR 支持的子载波间隔 u 子载波间隔 KHz 可支持的循环前缀类型 数据信道 同步信道 0 15 普通 支持 支持 1 30 普通 支持 支持 2 60 普通 , 扩展 支持 不支持 3 120 普通 支持 支持 4 240 普通 不支持 支持 2.2.1.2. 帧结构设计 像 4G LTE 一样， 5G NR 的上下行传输也是将时域资源分成多个无线帧，每帧 长度固定为 10 毫秒。每个无线帧等分成 10 个子帧，每个子帧长度为 1 毫秒。每 个无线帧还可等分为两个半帧，第一个半帧包含子帧 0， 1， 2， 3， 4，第二个半 帧包含子帧 5， 6， 7， 8， 9。 NR 的无线帧、半帧、子帧的长度都与 4G LTE 完全 一样。差别之处在于时隙的概念完全不一样。 4G LTE 的时隙长度固定为 0.5 毫秒， 一个时隙包含 7 个 OFDM 符号。而一个 5G NR 的时隙包含 14 个 OFDM 符号，时 域长度随着子载波间隔的增加而成倍缩短。具体的，当子载波间隔是 15kHz