1.4 5G的发展历程

从2012年开始，ITU组织全球业界开展5G标准化前期研究工作，2015年6月，ITU正式确定IMT-2020为5G系统的官方命名，并明确了5G业务趋势、应用场景和流量趋势， ITU的5G标准最终在2020年年底发布。

5G标准的实际制定工作由3GPP组织负责，3GPP组织最早是在2015年9月美国凤凰城召开的关于5G的RAN workshop会议上提出5G。这次会议旨在讨论并初定一个面向ITU IMT-2020的3GPP 5G标准化时间计划。根据计划，Rel-14主要开展5G系统框架和关键技术研究；Rel-15作为第一个版本的5G标准，满足部分5G需求，在2019年冻结；Rel16完成第二版本5G标准，满足ITU所有IMT-2020需求，在2020年7月3日冻结；2022年6月9日，3GPP RAN第96次会议上，宣布Rel-17版本冻结。至此，5G的首批3个版本标准已经全部完成。从Rel-18开始，将视为5G的演进，命名为5G Advanced，我们预计仍将会有3个版本。

ITU发布的5G相关白皮书定义了5G的三大场景，分别是增强移动宽带（enhanced Mobile BroadBand,eMBB）、超高可靠低时延通信（ultra-Reliable and Low Latency Communications, uRLLC）和海量机器类通信（massive Machine Type Communications,mMTC）,ITU定义的5G三大应用场景如图1-8所示。实际上，由于不同行业往往在多个关键指标上存在差异化需求，所以5G系统还需支持可靠性、时延、吞吐量、定位、计费、安全和可用性的定制组合。此外， 5G系统还应能够为多样化的应用场景提供差异化的安全服务，保护用户隐私并支持提供开放的安全能力。

我国工业和信息化部向ITU输出的5G四大场景分别是连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠。其中，连续广域覆盖和热点高容量场景对应的是ITU定义的eMBB场景，主要满足2020年及未来的移动互联网业务需求，也就是传统的4G主要技术场景；低功耗大连接和低时延高可靠性场景主要面向物联网业务，是5G新拓展的场景，重点解决传统移动通信网络无法很好支持的物联网和垂直行业应用。其中，低功耗大连接对应的是ITU定义的mMTC场景，低时延高可靠对应的是ITU定义的uRLLC场景。

连续广域覆盖场景是移动通信最基本的覆盖方式，以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝的高速业务体验。该场景的主要挑战在于随时随地（包括小区边缘、高速移动等恶劣场景）为用户提供100Mbit/s以上的用户体验速率。

热点高容量场景主要面向局部热点区域，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度需求。1Gbit/s用户体验速率、数十Gbit/s峰值速率和每平方千米数十Tbit/s的流量密度需求是该场景面临的主要挑战。

低功耗大连接场景主要面向智慧城市、环境监测、智慧农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足每平方千米百万连接数密度指标要求，而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。

低时延高可靠场景主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求，这类应用对时延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。

连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠和低功耗大连接4个5G典型场景具有不同的挑战性能指标，在考虑不同技术共存可能性的前提下，需要合理选择关键技术的组合来满足这些需求。

对于连续广域覆盖场景，受限于站址和频谱资源，为了满足100Mbit/s用户体验速率需求，除了需要尽可能多的低频段资源，还需要大幅提升系统的频谱效率。大规模天线阵列（massive-MIMO）是其中最主要的关键技术之一，新型多址技术可与大规模天线阵列相结合，进一步提升系统频谱效率和多用户接入能力。在网络架构方面，综合多种无线接入能力和集中的网络协同与服务质量（Quality of Service,QoS）控制技术，为用户提供稳定的体验速率保证。

对于热点高容量场景，极高的用户体验速率和极高的流量密度是该场景面临的主要挑战，超密集组网（Ultra-Density Network,UDN）能够更有效地复用频率资源，极大地提升单位面积内的频率复用效率。全频谱接入能够充分利用低频和高频的频率资源，实现更高的传输速率；大规模天线阵列、新型多址等技术与前两种技术相结合，可实现频谱效率的进一步提升。

对于低功耗大连接场景，海量的设备连接、超低的终端功耗与成本是该场景面临的主要挑战。新型多址技术通过多用户信息的叠加传输可成倍地提升系统的设备连接能力，还可以通过免调度，有效降低信令开销和终端功耗。基于滤波的正交频分复用（FilteredOrthogonal Frequency Multiplexing,F-OFDM）和滤波器组多载波（Filter Bank MultiCarrier, FBMC）等新型多载波技术在灵活使用碎片频谱、支持窄带和小数据包、降低功耗与成本方面具有明显优势。此外，D2D通信可避免基站与终端间的长距离传输，可实现功耗的有效降低。

对于低时延高可靠场景，应尽可能降低空口传输时延、网络转发时延以及重传概率，以满足极高的时延和可靠性要求。为此，需要采用更短的帧结构和更优化的信令流程，引入支持免调度的新型多址和D2D等技术以减少信令交互和数据中转，并运用更先进的调制编码和重传机制以提升传输可靠性。此外，在网络架构方面，控制云通过优化数据传输路径，控制业务数据靠近转发云和接入云边缘，可有效降低网络传输时延。

5G四大场景的关键性能挑战和关键技术见表1-1。

用户体验速率、连接数密度、端到端时延、移动性、流量密度、用户峰值速率6个关键性能指标的定义如下。

● 用户体验速率（bit/s）：真实网络环境下用户可获得的最低传输速率。

● 连接数密度（个/每平方千米）：单位面积上支持的在线设备总和。

● 端到端时延：数据包从源节点开始发送到被目的节点正确接收的时间。

● 移动性（km/h）：满足一定性能要求时，收发双方之间的最大相对移动速度。

● 流量密度（每平方千米bit/s）：单位面积区域内的总流量。

● 用户峰值速率（bit/s）：单用户可获得的最高传输速率。

除了上述6个以绝对值表示的关键性能指标，5G还有能效指标和频谱效率2个相对指标。5G和4G关键性能指标对比见表1-2。

ITU定义的三大场景和八大关键性能指标的关系如图1-9所示。

5G的空中接口称为New Radio，即NR;5G核心网称为5G Core，即5GC。

作为5G 标准的第一个阶段，Rel-15主要针对eMBB和部分uRLLC的场景，满足5G的商用需求，Rel-15版本主要侧重以下5个重要功能。

① 在技术方面，Rel-15最侧重的还是eMBB的提升，包括无线接入网最具创新性的massive-MIMO技术，其是实现频谱效率和容量密度目标的基础技术。

② 在频谱方面，Rel-15引入了对Sub-7 GHz和毫米波的支持。

③ 在架构方面，Rel-15支持可扩展和向前兼容。在核心网层面引入了服务化架构（Service Based Architecture,SBA）和软件定义网络（Software Defined Network,SDN）技术，首次真正实现了移动通信系统软硬件的解耦，为网络提供了更多的灵活性，同时也能更好地实现其一张物理网络满足不同场景用户需求。

④ Rel-15还引入了对基础的uRLLC的支持，且uRLLC技术在Rel-16、Rel-17、 Rel-18中不停地演进。

⑤ Rel-15引入了增强型机器类通信（enhanced Machine-Type Communications,eMTC）/窄带物联网（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）技术支持的mMTC。严格意义上来说， eMTC、NB-IoT是从4G延续来的两项物联网技术，Rel-15使这两项技术能够切入5G系统中运行。

Rel-16在Rel-15的基础上，进一步完善了uRLLC和mMTC场景的标准规范，贡献了第一个5G完整标准，也是第一个5G演进标准。Rel-16增加的新特征如图1-10所示。

在Rel-15、Rel-16基础上，Rel-17进一步从网络覆盖、移动性、功耗和可靠性等方面扩展5G能力基础。Rel-17增加的新特征如图1-11所示。

Rel-17版本主要侧重于以下特征。

① 进一步增强的大规模MIMO

增强的多波束运行，Rel-17中引入了统一的传输配置指示（Transmission Configuration Indication,TCI）框架，通过一个信令实现了上下行多个波束的运行，从而降低时延和信令开销。

增强的多发射和接收节点（Transmission Reception Point,TRP）部署，小区内多TRP是指基站上有不同的天线集群，不只有一个天线的接收点，甚至有不同的基站可以同时支持用户通信需求，Rel-17引入了多种机制，可以让多TRP部署更有效。

增强的探测参考信号（Sounding Reference Signal,SRS）触发或切换，在Rel-15/Rel16版本，SRS最多只能支持4根天线，在Rel-17版本，SRS切换可以支持多达8根天线。这个特性主要是为了满足用户前置设备（Customer Premise Equipment,CPE）和其他较大终端的需求。

信道状态信息（Channel State Information,CSI）的测量和报告，通过对CSI的测量和报告的进一步优化，上行和下行的信令会减少。

② 上行覆盖增强

针对Sub-7 GHz频段、毫米波、非地面网络的多样化部署，为上行控制和数据信道设计引入多个增强特性，包括物理上行共享信道（Physical Uplink Shared CHannel,PUSCH）增强、物理上行控制信道（Physical Uplink Control CHannel,PUCCH）增强、随机接入流程中的Message 3增强。

③ 终端能效增强

为进一步延长终端续航，为处于空闲态/非活跃态模式、连接态模式的终端带来节电增强特性。例如，通过唤醒接收机方式减少非必要的终端寻呼接收；当手机有呼叫的时候，为手机提供更多帮助同步的信号；对于连接态模式的手机，Rel-17版本引入了一个特性，让处于连接状态的手机不需要连续接收，这个连接状态可能是毫秒级或者是秒级的，可以让手机有更多的时间处于睡眠或者是更好的节电模式。

④ 频谱扩展

Rel-15/Rel-16定义的毫米波频段FR2-1能够提供400MHz的带宽，Rel-17版本定义的FR2-2的带宽可以高达2GHz；把子载波间隔从120kHz扩展到480kHz或者960kHz，从而实现更大带宽的支持；候选的同步信号块（Synchronization Signal Block,SSB）增加实例Case F（子载波间隔是480kHz）和实例Case G（子载波间隔是960kHz），从而在初始接入的时候就可以直接提高带宽，将毫米波频段扩展到71GHz，并且支持60GHz免许可频段。

⑤ 降低能力（RedCap）终端

为了高效地支持更低复杂度的物联网终端，例如，传感器、可穿戴设备、视频摄像头等，将Sub-7GHz载波宽度从100MHz缩至20MHz，同时将终端天线数从4根减少到1根或者2根，支持更低的发射功率和增强的节电模式，支持有限的移动性和切换，在提升能效的同时，也支持RedCap终端与其他NR终端共存。

⑥ 非地面网络（NTN）

Rel-17正式引入了面向NTN的5G NR支持，包含两个不同的项目：一个是面向CPE的卫星回传通信和面向手持设备的直接低数据速率服务；另一个是支持eMTC和NB-IoT运行的卫星通信。

⑦ D2D支持

基于Rel-16 C-V2X的PC5（直通链路）设计，Re1-17带来一系列全新的直连通信增强特性，例如，优化资源分配、节点、全新频段，还将直连通信扩展至公共安全、物联网，以及其他需要引入直连通信中继操作的全新用例。

⑧ NR定位增强

Rel-17进一步提升了5G定位，以满足厘米级精度等更严苛用例的需求，同时降低定位时延，提高定位效率以扩展容量，实现更优的全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）辅助定位性能。

Rel-18作为5G Advanced的第一标准版本，已经完成了Stage 1（阶段1）的主要工作。Rel-18增加的新特征如图1-12所示。