5G开启万物互联新时代，新业务新需求对5G系统提出新挑战。业界一般认为移动通信10年一代，2G提供语音和低速数据业务，3G时代在提供语音的同时，开始提供基础的移动多媒体业务， 4G时代移动通信提供移动宽带业务，到了5G时代，移动通信将在大幅提升以人为中心的移动互联网业务使用体验的同时，全面支持以物为中心的物联网业务，实现人与人、人与物和物与物的智能互联。5G满足增强移动宽带、海量机器类通信和超高可靠低时延通信三大类应用场景，在5G系统设计时需要充分考虑不同场景和业务的差异化需求。5G将满足20Gbps的光纤般接入速率，ms级时延的业务体验，千亿设备的连接能力，超高流量密度和连接数密度，及百倍网络能效提升等极致指标，一个系统如何同时满足多样业务需求，5G系统设计面临新的挑战。
5G标准规划
3GPP于2018年6月发布第一个独立组网5G标准。3GPP制定R15和R16标准满足ITU IMT－2020全部需求，其中R15为5G基础版本，重点支持增强移动宽带业务和基础的低时延高可靠业务，R16为5G增强版本，将支持更多物联网业务。考虑到5G将与LTE较长时间共存，并且运营商拥有的频谱不同、部署节奏不同、5G网络业务定位不同，3GPP标准分阶段支持多种5G组网架构。具体地，R15包含3个子阶段，这些子版本将为运营商提供更多组网选择，其中2018年6月份发布独立组网的5G标准此外，3GPP将于2019年底发布R16标准，R16标准在R15的基础上，进一步增强网络支持移动宽带的能力和效率，同时扩展支持更多物联网场景。
5G新空口技术
5G新空口（NR）支持大带宽、低时延、灵活配置，满足多样业务需求，同时易于扩展支持新业务。在带宽方面，针对6GHz以下的频谱，5G新空口支持最大100MHz的基础带宽；针对20GHz－50GHz频谱，5G新空口支持最大400MHz的基础带宽；此外，5G新空口采用部分带宽设计，支持多种终端带宽，适应多种业务需求。 在低时延方面，5G新空口支持较宽子载波间隔，支持符号级的调度资源粒度，支持自包含时隙和快速重传机制。基于这些技术方案，5G支持4ms的空中接口时延，并在特定场景和配置下，支持0．5ms的空中接口时延。5G新空口灵活设计体现在基础参数设计、帧结构、参考信号设计、控制信道设计等等方面。
NR支持灵活参数集，以满足多样带宽需求。NR以15kHz子载波间隔为基础，可根据15＊2u灵活扩展，其中u＝0，1，2，3，4，也就是说NR支持15、30、60、120、240khz等5种子载波间隔，其中子载波15、30、60kHz适用于低于6GHz的频谱，子载波60、120、240kHz适用于高于6GHz的频谱。新空口定义子帧长度固定为1ms，每个时隙固定包含14个符号，因而对于不同子载波间隔，每个时隙长度不同，分别为1、0．5、0．25、0．125和0．0625ms。
NR支持灵活帧结构，定义大量时隙格式，满足各种时延需求。LTE定义了7种帧结构、11种特殊子帧格式，其中帧结构以5ms和10ms 为周期；NR更多是定义时隙格式，共定义了56种时隙格式，并支持基于符号灵活定义帧结构。LTE帧结构以准静态配置为主，高层配置了某种帧结构后，网络在一段时间内采用该帧结构。在特定场景下，也可以支持物理层的快速帧结构调整；NR从一开始设计就支持准静态配置和快速配置，支持更多周期配置，如0．5， 0．625， 1， 1．25， 2， 2．5， 5， 10ms，此外，时隙中的符号可以配置为上行、下行或灵活符号，其中灵活符号可以通过物理层信令配置为下行或上行符号，以灵活支持突发业务。
NR支持更大数据包的有效传输和接收，同时提升控制信道性能。增强移动宽带业务的大数据包对编码方案的编译码的复杂度和处理时延提出了挑战，LPDC在处理大数据包和高码率方面有性能优势，成为NR的数据信道编码方案，并且为了避免大数据包的重传，一个传输块编码后拆分为多个码块组，基于码块组重传。对于控制信道，鲁棒性是最重要的技术指标，极化码Polar在短数据包方面有更好的表现，成为NR控制信道编码方案之一。
NR支持基于波束的系统设计，提供更灵活的网络部署手段。LTE中同步、接入采用广播传输模式，数据信道支持波束赋形传输模式。为了实现同步、接入和数据传输3个阶段的匹配，NR中同步、接入、控制信道、数据信道均基于波束传输，并支持基于波束的测量和移动性管理，以同步为例，NR支持多个同步信号块，SSB可以指向不同的区域，比如楼宇的高层、中层和地面，为网络规划提供更多可调手段。
NR支持数字和混合波束赋形。低频NR主要采用传统的数字波束赋形，针对高频NR，既需要补偿路损，又需要考虑合理的天线成本，因而NR引入模拟＋数字的混合波束赋形。NR下行支持最大32端口的天线配置，上行支持最大4端口的天线配置；在具体MIMO传输能力方面，下行单用户最大支持8流，最大支持12个正交多用户，上行单用户最大支持4流。另，与LTE定义了多种传输模式不同，NR目前只定义了一种传输模式，即基于专用导频的预编码传输模式。此外，相比于LTE，5G新空口定义更多导频格式（如Front－loaded和支持高速移动的额外DMRS），以支持更多天线阵列模式和部署场景。
同时，3GPP注重新空口与LTE共存的场景，除了支持双连接外，还支持新空口共享LTE上行资源，以提升新空口的上行覆盖。
5G核心网设计
以控制与转发功能分离为基础，突出网络的多业务差异化服务能力。架构方面，5G核心网采用全新的基于服务的系统架构、新型架构将原先的网络功能分解为一组服务，每个服务都可以独立发现和调用，重构业务流程，结合基于NFV的网络切片快速部署，新业务可以在几周内完成开发，并实现分钟级的上线运行。控制平面功能方面，5G核心网根据终端类型和位置区域，提供不同的切片选择、移动性和会话管理策略，为不同业务提供差异化的接入服务。转发平面功能方面，5G核心网支持分布式的转发路径设置和边缘计算，优化不同业务的吞吐量和转发时延。5G安全采用可扩展认证协议（EAP）框架实现统一认证，支持用户在接入网间无缝切换，同时，通过增强的安全机制进行用户隐私保护（如身份标识等），并支持按需的用户数据保护方法。
5G技术发展
5G技术将持续增强。3GPP已启动5G第二版本（R16）标准的预研工作，在增强基础的移动宽带业务能力和基础网络架构能力的同时，重点提升对垂直行业应用的支持，特别是对低时延高可靠类业务的支持。在移动宽带业务能力方面，R16重点研究多天线增强、载波聚合与大带宽增强、远端干扰删除、非正交多址和免许可5G技术。在基础能力提升方面，重点研究终端节能、定位增强、移动性增强、基于RAN的大数据收集与应用、服务化架构增强、智能化运营、切片增强等内容。在垂直行业应用方面，研究5G车联网（NR V2X）、低时延高可靠（URLLC）增强、工业物联网增强（NR IIoT）、NB－IoT／mMTC增强等内容。
文 ｜ 杜滢 朱浩
