5G系統設計架構與標準體系概述

5G 無線系統設計與國際標準

第一章 5G標準制定概述

5G無線創新（三駕馬車）

1. 靈活的系統設計，靈活的幀結構、波形設計，適應多樣化，滿足低時延要求；
2. 大規模天線，增加天線數量及新型設計，提升頻譜效率；
3. 無線新技術，如新型信道編碼，爲大帶寬高速率業務提供支撐。

控制信道：polar碼
數據信道：ldpc碼

ITU 國際電信聯盟
IMT 國際移動電信
IMT-2020爲5G，以6GHz至100GHz爲主要研究範圍，分析了10、28、60、73GHz等幾個代表頻段的傳播特性，以及6GHz以上高頻段無線信號在室內和熱點區域的覆蓋性能。

5G最基本的三個性能指標：用戶體驗速率、連接數密度、端到端時延。

5G三大應用場景：增強型移動寬帶eMBB、海量機器間通信mMtc、超高可靠和超低時延URLLC。

第二章 5G系統設計架構與標準體系

2.1 5G系統網絡架構

一. 5G支持兩種部署方式

1. 分佈式部署：網絡由基站組成，基站支持全協議棧的功能；
2. 集中式部署：基站進一步分爲集中單元（CU,centralized unit）和分佈單元（DU，distributed unit）兩個節點，CU和DU分別支持不同的協議棧和功能。

二. 5G系統架構

包括5G核心網（5GC）和5G接入網（NG-RAN）。

1. 5GC包括MC/UPF/SMF三種主要邏輯節點。其中SMF和接入網之間沒有接口。
   AMF主要負責移動性管理。（NAS安全、空閒狀態移動性管理）
   SMF負責會話管理功能。（UE IP地址管理、PDU會話控制）
   UPF數據包的路由轉發。（移動性錨點、PDU處理）
2. RAN由gNB和ng-eNB兩種節點組成。
   gNB（基站）提供到UE（用戶設備）的NR控制平面與用戶平面的協議終止點。
   ng-eNB提供到UE的E-UTRA控制平面與用戶平面的協議終止點。

注1： gNB之間和ng-gNB之間以及gNB和ng-gNB之間通過Xn接口連接；
5G核心網（5GC）和5G接入網（NG-RAN）之間通過NG接口連接；
gNB/ng-eNB和AMF之間是NG-C接口，和UPF之間是NG-U接口。
注2： gNB或ng-gNB功能：小區間無線資源管理、無線承載控制、連接移動性管理、無線接入控制、測量配置與提供、動態資源分配。

2.2 無線接口

• 5G無線接口，又稱空中接口，即終端和接入網之間的接口（終端和gNB）。
• 無線接口協議：用來建立、重配置和釋放各種無線承載業務。
• 無線接口協議棧：三層（物理層L1、數據鏈路層L2、網絡層L3）、兩面（控制平面、用戶平面）

一 物理層

• 物理層位於最底層，提供物理介質中比特流傳輸所需要的所有功能。
• 物理層爲MAC層和高層提供信息傳輸服務，通過傳輸信道描述。
• 傳輸信道描述了物理層爲MAC層和高層所傳輸的數據特徵。

1. 下行信道傳輸類型

下行：基站到用戶。
比LTE系統少一種多播信道，因爲多播業務優先級低，未獲得足夠運營商支持。
(1) 廣播信道（BCH，broadcast channel）
採用固定的預定義傳輸格式，並能夠在整個小區覆蓋區域廣播。
(2) 下行共享信道（DL-SCH, downlink shared channel）使用HARQ傳輸，能夠調整傳輸使用的調製方式、編碼速率和發送功率來實現鏈路自適應，能夠在整個小區內發送或使用波束賦形發送，支持動態或半靜態的資源分配方式，並且支持終端非連續接收，達到節電目的。
(3) 尋呼信道（PCH，paging channe）
支持終端非連續接收，達到節電目的，並且要求能在整個小區覆蓋區域內傳輸，使用映射到可用於動態使用的業務或者其他的控制信道的物理資源上。

2. 上行信道傳輸類型

上行：用戶到基站。
(1) 上行共享信道（UL-SCH, uplink shared channel）
能夠使用波束賦形，能夠調整傳輸使用的調製方式、編碼速率和發送功率來實現鏈路自適應，使用HARQ傳輸，支持動態或半靜態的資源分配方式。
(2) 隨機接入信道（RACH，random access channel）
承載有限的控制信息，並且具有衝突碰撞的特徵。

3.傳輸信道到物理信道映射

1. 物理廣播信道（PBCH），承載部分系統信息，與同步信號一起提供終端接入網的必要信息。PBCH和同步信號一起被稱爲下行同步信道。（下行，基站到用戶存在廣播行爲）
2. 物理下行鏈路控制信道（PDCCH），用於下行控制信息發送，主要承載調度相關信息。提供PDSCH接收和PUSCH發送的必要信息；向UE提供幀結構配置；向PUCCH、PUSCH和SRS發送功率控制信息；指示UE被調度PDSCH所佔用的資源。
3. 物理下行鏈路共享信道（PDSCH），發送下行數據，也承載尋呼信息以及部分系統信息的發送。
4. 物理隨機接入信道（PRSCH），用於隨機接入。
5. 物理上行鏈路控制信道（PUCCH），發送上行控制信息。用於終端發送HARQ信息，指示下行數據是否接收成功；發送信道狀態信息報告輔助下行鏈路調度；發送上行鏈路發送數據請求。
6. 物理上行鏈路共享信道（PUSCH），上行數據傳輸通道，也可以承載部分上行控制信息的發送。

映射關係:
下行傳輸信道 BCH PCH DL-SCH
下行物理信道 PBCH PDSCH PDCCH
上行傳輸信道 RACH UL-SCH
上行物理信道 PRACH PUCCH PUSCH

傳輸信道的數據在轉換爲物理層發送數據之前，需要加入CRC保護，以便支持一次校驗和重傳，保護數據可靠性。
物理層的需要發送的數據，除了PRACH信道，都要進行編碼和速率匹配，調製，資源映射，天線映射等幾個步驟，再進行空口的實際發送。隨機接入信道發送一系列的PRACH前導實現。

4. 物理層包括一系列參考信號

• DM-RS 解調參考信號
• PT-RS 相位跟蹤參考信號
• SRS 上行探測參考信號
• CSI-RS 信道狀態參考信號
• PSS 主同步信號
• SSS 輔同步信號

各參考信號的具體介紹在別的博文中持續更新——

二 數據鏈路層

1. 4個子層

• 媒體接入控制 MAC
• 無線鏈路控制 RLC
• 分組數據匯聚協議 PDCP
• 服務數據調整協議 SDAP（比LTE多的層）

SDAＰ層位於用戶面，其他三層同時位於控制平面和用戶平面。

2. 層之間連接點稱爲服務接入點SAP

• 物理層爲MAC層提供傳輸信道級的服務；
• MAC層爲RLC層提供邏輯信道級的服務；
• PDCP層爲SDAP層提供無線承載級的服務；
• SDAP層爲上層提供5GC QoS流級的服務。（適配層）

3. 上行與下行區別：

下行反映（發射端）網絡側的情況，需要進行多個用戶的調度優先級處理；
上行反映終端側的情況，只進行單個終端的多個邏輯信道的優先級處理。

三 網絡層（無線資源控制，RRC）

1. 位於接入網的控制平面，負責接入網和終端的所有信令處理。
2. RRC的協議狀態：空閒、非激活（5G新加入，爲了UE節能）、連接狀態。

2.3 物理層系統設計架構及關鍵技術

一 物理層系統設計架構

物理層爲MAC層提供傳輸信道級的服務，負責物理層HARQ處理、調製編碼、多天線處理、信號到物理時頻資源映射及控制傳輸信道到物理信道映射等一系列功能。

1. OFDM加MIMO爲基礎

在OFDM上，下行採用正交頻分多址（OFDMA）技術；上行既支持單載頻頻分多址（SC-FDMA）技術，又支持OFDMA技術。
MIMIO上，採用接入、控制和數據一體化的設計。

2. 用更加靈活的基礎系統架構設計

物理層時延：處理時延、傳輸時延。
降低處理時延：提升接收算法效率和硬件處理能力等方式。
設計目標：在一定的處理時延基礎上，保障頻譜使用效率又儘量降低傳輸時延。

（1）靈活的幀結構設計

• 頻譜分爲對稱頻譜和非對稱頻譜，對應幀結構分爲FDD頻分雙工和TDD時分雙工。
• 5G核心爲TDD幀結構，主要考慮配置週期和配置靈活性。一個配置週期內包含上行和下行符號，配合HARQ（混合自動重傳請求）技術實現數據的發送和反饋。長的週期對應更長的反饋時間。5G需要更多、更短的週期配置。配置靈活性對於匹配不同業務類型非常關鍵，對配置週期的改變速度和每個週期內上下行符號比例變化有更高要求。
• 此外，還需考慮採用更短傳輸時延的數據發送。支持超短幀或迷你時隙的調度和反饋。

注：整個ＬＴＥ系統的整體時延在１０ｍｓ量級，５Ｇ在１ｍｓ量級；
ＬＴＥ中數據的調度和發送以１ｍｓ爲基礎，５Ｇ的傳輸時延要求在毫秒量級。

（2）靈活的雙工設計

• 4G：TDD系統配置通過保護間隔設置等方式避免不同小區上下行的干擾。FDD系統在對稱頻譜上進行上下行綁定使用。
• 5G：支持對稱的上下行波形設計，即上下行都支持相同的OFDM波形設計。接收機可以把上行和下行信號進行聯合處理，採用更好的干擾刪除技術，提升性能。
• 5G：引入上下行解耦技術。核心是打破了4G一個下行載波只配置一個上行載波的設計，一個下行載波可以配置多個上行載波。

3.一體化的大規模天線設計

支持高達100GHz的頻譜範圍，天線個數隨頻率升高增加，但單天線的覆蓋距離受路損影響快速降低。引入波束賦形技術，有效提升覆蓋距離和傳輸範圍。

4. 採用多項新技術

５Ｇ：數據信道LDPC編碼，控制信道Polar碼。
４Ｇ：數據信道Ｔｕｒｂｏ編碼，控制信道ＴＢＣＣ碼。

二 物理層關鍵技術

雙工模式／子載波間隔／ＣＰ／幀結構／基本波形／單載波支持帶寬／多址接入／信道編碼／調製方式／資源映射／多天線技術／導頻設計／物理層測量／ＨＡＲＱ混合自動重傳請求／鏈路自適應／ＢＷＰ工作帶寬調整／載波聚合和雙連接／上下行解耦

1.參數集和幀結構

• 參數集由子載波間隔和循環前綴開銷定義。採用更大的子載波間隔配置，單位帶寬內包含的載波數減少，但在時間上看，將得到傳輸時間縮短的補償。
• NR支持更高頻率的使用。FR1對應6GHz以下頻段，支持單載波帶寬100MHz數據的發送，FR2對應6GHz以上頻段，支持單載波帶寬400MHz數據的發送。
• 資源塊（RB）用法：每個物理資源塊（PRB）包含12個子載波。
• 幀結構以時隙爲基礎進行，每個slot包含14個符號。Mini-slot可以包含1到13個符號。還支持了半靜態和動態兩種幀結構配置方式，靈活性很大。

2. 基本波形

• 沿用４Ｇ，OFDM爲基本波形。
• 上下行都支持ＣＰ－ＯＦＤＭ，意味着上下行採用相同的波形，當發生上下行的相互干擾時，爲採用更先進的接收機進行干擾刪除提供了可能。
• 同時，對於上行發送，仍然保留了ＤＦＴ－Ｓ－ＯＦＤＭ。主要原因是它可以利用單載波特性，相對ＣＰ－ＯＦＤＭ有耕地的峯均比。

3.多址接入

不同場景可能使用正交或非正交多址技術。

4.調製編碼

• 數據信道LDPC編碼，處理大數據包有明顯優勢，高碼率時性能和譯碼時延突出。
• 控制信道Polar碼，在小包傳輸上有卓越優勢。
• 調製：支持BPSK/QPSK/16QAM/64QAM/256QAM.

5.BWP定義：一個載波內連續的多個資源塊的組合。

目的：UE可以使用更大的載波帶寬。在整個大的載波範圍內劃出部分帶寬給UE進行接入和數據傳輸。

6. 前向兼容性

既能保證對未來新業務和新特性的引入，也能保證對相同頻譜上的已開展業務的有效支持。開展業務以eMMM爲主，主要做法是在給UE的RRC信令中預留一部分資源。

物理層系列協議：
ＴＳ３８．２０１　物理層概述
ＴＳ３８．２０２ 物理層提供服務
ＴＳ３８．２１１ 物理層信道和調製
ＴＳ３８．２１２ 複用和信道編碼
ＴＳ３８．２１３ 控制的物理層過程
ＴＳ３８．２１２ 數據的物理層過程
ＴＳ３８．２１２ 物理層測量

ＴＲ３８．８０２ 新空口物理層技術研究